经全国中小学教材审定委员会 2004 年初审通过
普通高中课程标准实验教科书
PHYSICS
主编 束炳如 何润伟
上海科技教育出版社
物 理 选 修 1-2
沪科教版
亲爱的同学：
欢 迎 你 继 续 高 中 物 理 选 修 系 列1 的 学 习 ！
本 书 将 紧 接 着 《 物 理 1-1》 的 内 容 ， 向 你 展 示 物 理 学 中 有 关 热 现 象 及 能 源 的 研 究 。 我 们 将 引 领 你 沿 着 历 史 的 长 河 ，考 察 人 类 是 怎 样 逐 步 认 识 热 的 本 质 的 ， 又 是 怎 样 把 总 结 出 的 关 于 热 现 象 的 规 律 用 于 生 活 、生 产 和 科 学 研 究 的 。 热 能 和 电 能 的 应 用 催 生 了 两 次 工 业 革 命 ，你 将 感 受 到 科 学 技 术 对 社 会 发 展 产 生 了 多 么 深 刻 的 影 响 。 当 我 们 享 受 着 现 代 化 的 物 质 文 明 时 ，能 源 问 题 、环 境 问 题 又 是 多 么 地 严 峻 ……
为 适 应 你 选 择 的 发 展 方 向 ， 本 书 将 引 导 你 采 用 一 种 以 观 察 实 验 现 象 、定 性 诠 释 原 理 、分 析 相 互 关 系 、探 讨 社 会 影 响 为 主 的 学 习 方 法 。 你 将 亲 历 过 程 ，探 究 热 力 学 的 基 础 知 识 和 重 要 规 律 ，体 验 物 理 学 的 基 本 观 点 和 研 究 方 法 ，享 受 科 学 给 你 带 来 的 乐 趣 。
我 们 为 你 的 学 习 精 心 营 造 了 一 个 良 好 的 氛 围 ， 构 筑 了 一 个 帮 助 你 理 解 、扩 展 你 视 野 、锻 炼 你 能 力 、使 你 能 充 分 展 示 才 华 的 平 台 。
著 名 的 物 理 学 家 、 诺 贝 尔 奖 获 得 者 李 政 道 博 士 说 过 ：“科 学 和 艺 术 的 共 同 基 础 是 人 类 的 创 造 力 ， 它 们 追 求 的 目 标 都 是 普 遍 的 真 理 。”
物 理 学 的 成 就 和 方 法 是 人 类 智 慧 的 结 晶 ，是 世 界 文 化 的 瑰 宝 。 物 理 学 的 丰 硕 成 果 会 直 接 引 发 人 们 的 思 维 方 式 、 生 产 方 式 和 生 活 方 式 上 的 变 革 。 全 社 会 的 每 一 个 成 员 都 能 从 物 理 学 中 汲 取 到 有 益 的 营 养 。 物 理 学 的 许 多 研 究 方 法 早 已 被 移 植 到 社 会 科 学 领 域 ，并 已 开 花 结 果 。 “文 科 ”与 “理 科 ”间 的 鸿 沟 正 被 逐 渐 填 平 。 未 来 的 社 会 栋 梁 ，不 但 要 知 道 奥 赛 罗 、 红 楼 梦 ， 也 要 知 道 宇 宙 大 爆 炸 、 黑 洞 ； 不 仅 要 会 欣 赏 毕 加 索 、 徐 悲 鸿 ，也 要 会 欣 赏 爱 因 斯 坦 、霍 金 。
人 们 称 诗 歌 （Poetry） 和 物 理 学 （Physics） 是 代 表 人 类 智 慧 的 两 个 伟 大 的 P，它 们 在 人 类 文 明 的 进 程 中 都 有 着 重 要 的 影 响 。 我 们 相 信 ， 它 们 必 将 在 未 来 的 社 会 栋 梁 身 上 得 到 更 完 美 的 体 现 ，而 这 ，正 是 本 书 追 求 的 宗 旨 。
亲 爱 的 同 学 ，让 我 们 共 同 努 力 吧 ！
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第1章 从 富 兰 克 林 到 库 仑
科 技 活 动
这 里 为 你 安 排 了 一 些 有 趣 的 实 验 和 活 动 ， 你 将 亲 历 过 程 ， 感 受 科 学 给 你 带 来 的 乐 趣 。
科普 选 读
这 里 从 中 英 文 科 普 作 品 中 为 你 精 心 挑 选 了 一 些 美 文 。 在 你 感 到 赏 心 悦 目 的 同 时 ， 你 的 科 学 素 养 得 到 了 提 升 ， 你 的 英 语 能 力 得 到 了 锻 炼 。
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这 里 有 科 学 家 的 风 采 ， 这 里 有 发 明 家 的 胸 怀 。 科 学 探 索 之 路 上 的 一 座 座 丰 碑 ， 永 远 激 励 着 青 年 一 代 。
信息 浏 览
这 里 既 是 相 关 知 识 的 链 接 点 ， 又 是 浏 览 物 理 世 界 大 好 风 光 的 窗 口 。 在 休 闲 式 的 阅 读 中 ， 你 的 知 识 贮 藏 将 逐 渐 丰 富 。
家庭 作 业 与 活 动
这里为你提供了丰富多彩的 学习活动， 让你通过回顾进行自 我评价，使你体验到成功的喜悦
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目 录
1．1 关于热本质的争议 7
1．2 走进分子世界 11
1．3 研究分子运动的新方法 17
2．１ 揭开温度与内能之迷 23
2．2 热力学第一定律 26
2．3 伟大的守恒定律 29
2．4 热力学第二定律 熵 36
第 2 章 热力学定律与能量守恒 22
第 1 章 人类对热现象的探索 6
第 3 章 热机与第一次工业革命 42 3．1 一项推动大生产的发明 43
3．2 蒸汽机与社会发展 49
3．3 热机发展之路 56
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第1章 从 富 兰 克 林 到 库 仑
第 4 章 热与生活 64
4．１ 内能的利用 65
4．2 营造一个四季如春的居室 68
4．3 打开太阳能的宝库 73
第 5 章 电能与第二次工业革命 78 5．１ 怎样将电能输送到千家万户 79
5．2 辉煌的电气化时代 85
5．3 改变世界的工业革命 90
研究课题示例 118
评价表 119
总结与评价 科学讨论会 118
第 6 章 能源与可持续发展 96
6．１ 神秘的射线 97
6．2 一把双刃剑—— —放射性的应用与防护 102
6．3 核反应与核能 106
6．4 重核裂变 109
6．5 轻核聚变 113
6．6 能源利用与可持续发展 沪科教版 115
第 １ 章
人类对热现象的探索
热与冷，每天伴随着人们。 在3000 多年前，我们的祖先已开 始关注热现象 ，可是直 到蒸汽机的轰 鸣声隆隆响起，在热现 象 和 相关的许多问题上，依然迷雾重重。
热究竟是什么？
怎样知道物质分子的大小？
布朗运动是怎么一回事？
分子间相互作用有什么规律？
如何研究大量分子杂乱无章的运动？
……
本章将承接初中物理对热现象和分子运动的初步认识，引领 你沿着历史的长河，追溯思想家、科学家对热本质的探索，了解科 学史上影响深远的两种学说。 接着，我们将走进分子世界，从分子 之小、运动 之 乱到其相互 作 用之复杂，进一 步 认识分子动理 论的 基本要点及其实验基础。 最后，通过实例，引入统计观念，用统计 观念解释气体的压强，介绍统计规律的特点以及统计方法在经济 建设、科学研究等方面的应用。
撩起冷热的面纱 走出困惑与迷茫 让人们亲近分子 把概率迎进殿堂 布朗的小颗粒 多么神奇风光
图1-1 用扫描隧道显微镜在一个遗传分子上描绘出的形状
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
1．1
关于热本质的争议
热与冷，跟人们的生活有着密切的关系。 很早人们就从自身 的感受和直接的观察中，形成了对热现象的一些初步认识。
对热现象的早期认识
据记 载 ，早 在 我 国 西 周 初 期 ，人 们 就 已 经 知 道 较 冷 和 较 热 物 体之间的区别，懂得冷热不同的物体相接触会发生热传递现象。
春秋战国时期的《考工记》中，记载着用焰色判断冶炼进程的 方法：“凡铸金之状，金 （即 铜 ）与 锡 ，黑 浊 之 气 竭 ，黄白 次 之 ；黄 白 之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之。 然后可铸也。 ”也就是 说，必须达到“炉火纯青”的地步，才有足够的高温可以进行冶炼。
这完全符合现代用焰色判断温度高低的原理。
秦汉之际的《淮南子》中，记载着结冰与温度高低的联系：“是 故 处 于 堂 上 之 阴 ，而 知 日 月 之 次 序 ；见 瓶 中 之 冰 ，而 知 天 下 之 寒 暑。”
南北 朝 之 后 ，人 们 已 认 识 到 人 的 体 温 近 乎 恒 定 ，知 道 用 体 温 为标准比较温度的高低。
……
科技活动 欣赏古诗，剖析原理
宋代著名诗人苏东坡在《惠崇春江晚景》一诗中写道：
竹外桃花三两枝 春江水暖鸭先知 蒌蒿满地芦芽短 正是河豚欲上时
请讨论一下：其中“春江水暖鸭先知”符合什么物理原理？
我国许多古籍中对温度和热传递等现象都有着丰富的记载。
古人们在对热现象进行观察的同时，也思考着热的本质。 从早期
热学这一门科学源于人 类对于热与冷现象本质的追 求。
——
—王竹溪
图1-2 春江水暖鸭先知
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把热看作一种物质的实体，到唐代的柳宗元认为热是一种元气的 运动，在观念上有了很大的进步；而把热跟运动联系起来，可说是 关于热的运动理论思想的可贵萌芽。
我国古代学者对热现象有着丰富的记录和一定深度的思考，
但为什么没有总结出有关热现象的一些规律？
关于热本质的两种学说
热究竟是什么？ 东西方先哲们思考过的这个问题，到17 世纪 又引起了人们的兴趣。 对于热的本质，在科学史上曾经流传着两 种最有影响的学说。
一种是热的唯动说。 早在 16 世纪，英国哲学家弗兰西斯·培 根（F. Bacon）根据摩擦生热等现象，明确提出热是一种运动。
培根 在 《新工具 论 》一 书中 写道：“…… 就是说 ，热 本 身 ，它 的 本质是运动，而不是别的什么……”。
培根的观点对 17 世纪的科学家产生了普遍的影响。 玻意耳
（R. Boyle）及其助手胡克(R. Hooke)，还有笛卡儿(R. Descartes)、牛顿 (I. Newton)等许多著名科学家都认为热是组成物体的微粒的运动。
至 18 世纪 40 年 代，俄 国科 学 家罗 蒙 诺 索 夫(М. В. Ломоносов)进 一步 明确 指 出 ：物体是 由 肉 眼 看 不 见 的 微 粒 组 成 的，热无 非 就 是 这些微粒的运动而已； ……热由高温物体传给低温物体的原因，
是高温物体中的微粒把运动传给了低温物体中的微粒……
这些论述包含着相当深刻的见解，可惜大多只是一些定性的 猜测，缺乏坚实的实验基础，因而未能形成科学的理论。
科 学 好 像 一 座 金 字 塔 ， 它 的 唯 一 基 础 是 历 史 和 经 验。
——
—罗杰尔·培根
金属板
热 从 一 个 原 子 传 到 相邻的另一个原子
受 热 后 的 原 子 振 动 并击中相邻的原子
另一种是热质说。 它是随着温度计的制作和量热学的建立，
由英国化学家布莱克（J. Black）倡导的。
从量热学的实验知道， 把两个温度不同的物体放在一起，它 们最后的温度必定介于两者初始温度之间。 布莱克由此联想到，
图1-3 对热传递的解释
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
两个物体之间必定传递着某种“热的东西”，而且这种“东西”的传 递和流动不会改变原来物体的质量，因此，它应该是一种特殊的、
没有质量的、充满整个物体的流体。 布莱克的观点后来被法国著 名化学家拉瓦锡（A. L. Lavoisier）采纳，他把这种“东西”称 为 “热 质”，予以论述，从而发展出一个完整的学说。
用 热 质 说 可 以 很 直 观 地 解 释 当 时 已 知 的 大 部 分 热 现 象 。 因 此 ，在 17、18 世 纪 关 于 热 本 质 的 争 论 中 ，热 质 说 赢 得 了 更 多 的 拥护者，并在科学界占据了统治地位。
伦福德和戴维的攻坚战
“热质”简直是一个“幽灵”！ 它是物质又没有质量，它充满整 个物体又没有体积，它无处不在又隐身不现，真让人难以捉摸。 物 体中到底存在不存在这种“热质”呢？
1798 年伦 福 德 （C. Rumford）在 慕 尼 黑 兵 工 厂 视 察 炮 筒 钻 孔 后，做了一个著名的实验。 他把炮筒固定在水里，用几匹马带动一 个很钝的钻头，在炮筒内钻孔。 经过2 h 45 min，切削下来的铁屑仅 50 多克，却使约 6.72kg 水由 0 ℃上升到沸点；而且，只要钻头不停 地运动，热就可以源源不断地产生。
伦福德的实验中产生的热似乎是无穷无尽的，这使人难以理 解。 伦福德在报告中写道：“……那些旁观者的面目上表现出的惊 讶诧 异 是 难 以 形 容 的 ，…… 而我 也 坦 率 承 认 ，它 使 我 感 到 孩 童 般 的喜悦……”。
这些热是从哪里来的呢？
后 来 ，伦 福 德 又 设 计 了 一 系 列 钻 孔 实 验 。 他 设 法 将 仪 器 与
伦福德坚信热质说是不 正确的。 他在1804年给朋友 的信中说道：“我相信， 我将 活到足够长的时间， 直到高 兴地看到热质说与燃素说一 起埋葬在同一坟墓之中。”
图1-４ 伦福德的实验
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戴 维 （H. Davy,1778—1829），
英国化学家。1797年开始致力 于科学研究。1799年发现氧化 亚氮的麻醉性。1801年开始研 究电 化 学 ， 先 后 制 得 钾 、 钠 、 钡、镁、钙、锶等金属。
外界绝热，测出钻孔前后金属的比热容。 实验结果表明，炮筒和碎 屑的比热容一样，都没有发生变化。 伦福德的结论是：“不待说，任 何与 外界隔 绝 的一 个 物 体 或 一 系 列 物 体 所 能 无 限 地 连 续 供 给 的 任何东西决不能是具体的物质。 并且，如果不是十分不可能的话，
凡是能够和这些实验中的热一样地激发和传播的东西，除了只能 把它认为是‘运动’以外，我似乎很难构成把它看作为其他东西的 任何明确的观念。”
1799 年，戴维也做了一个精彩的实验：他 利用钟摆装置使放 在真空玻璃罩内的金属轮子和盘子发生摩擦，在0 ℃的温度下，盘 子上事先涂上的蜡被熔化了。 他还将两块－2 ℃的冰放在真空玻璃 罩内摩擦，结果冰逐渐熔化，变成2 ℃的水。 戴维认为，“摩擦引起 了物质微粒的振动，这种振动就是热。”
热本质真相大白
伦福 德 和 戴维 的实验 ，虽 然 使 热质 说 受 到 致 命 的 打 击 ，但 并 没有动摇热质说的统治地位。 直到 19 世纪 40 年代，由于迈尔（J.
Ｒ. Mayer）、焦耳( J. P. Joule)等人的工作———热功当量的测定、能 量转 化与 守 恒 定 律 的确 立 ，才 彻 底 把 热质 说 送 进 了 坟 墓 ，热 的 唯 动说取得了最后的胜利。
从此 ，“热是 运 动 ”的观 点 得到 普 遍 的承 认 ，物 理 学 家 开 始 从 物质 微 观 粒 子 的层 次 上 去 探 求 热的本 质 。 随 着 分 子 动 理 论 的 建 立，人们终于揭示了热的本质———热是大量分子无规则运动的宏 观表现。
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
1．2
建 立 分 子 的 这 种 球 模 型，是为了便于研究。 实际的 分子有着复杂的内部结构。
图1-5 DNA大 分 子 的结构
走进分子世界
热 学 的 发 展 经 过 了 一场论战后，热质说日渐 没落，早期提出的分子运 动 的 理 论 又 重 新 活 跃 起 来，并为统计思想进入 物 理学找到了入口。
分子何其小
我们知道，任何物体都是由许多很小的分子组成的。 那么，分 子究竟有多小呢？
为了解决这个问题，首先要建立一个简化的分子模型。 我们 设想，组 成 物 质 的 分 子 是球 形 的 ，同 种 物 质 的分 子 都 是一 个 个 大 小相同的小球。 如果设法把某一部分物质的分子一个紧挨一个地 铺展开来，形成一个“分子地毯”，那么，只需要知道这部分物质的 体积（V）和铺展开来的面积（S），就可以估算出分子的直径及其大 小。 即
分子直径 D = V S
分子体积 V1= 1
6 πD3= 1 6 π V
S "
S科技活动 估测油酸分子的直径
根据上面的思路，我们可以用油膜法估测分子的直径。
在一个边长30~40 cm 的浅盘里倒入约 2 cm 深的水， 将痱子 粉或石膏粉均匀地撒在水面上。 再用注射器或滴管将油酸酒精溶 液（事先配制好）滴上一滴，水面上很快会形成一层单分子油酸薄
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图1-9 利用分子的运动，对驾 车者进行酒精检测
膜（图1-6、图 1-7）。 用事先准备好的玻璃板盖在浅盘上，再在玻 璃板上覆一张半透明的坐标纸，将油膜形状画在坐标纸上。
根据 配 制 的 油 酸 酒 精 溶 液 的 浓 度 和 事 先 测 定 好 的 一 滴 溶 液 的 体 积 ，算 出 坐 标 纸 上油 膜 形 状 的 面 积 ，就可 以 估 算 出 油 酸 分 子 的直径。
研究表明，一般分子直径的数量级在10-10m。 例如，水分子的 直径约为4 × 10-10m，氢分子的直径约为 2.3 × 10-10m。
现在，我们已经可以用扫描隧道 显 微 镜 （STM）观 察 物 体 表面 的分子（或原子）排列了。
科技活动 估算分子的直径
知道水的摩尔体积， 结合化学中已学过的1 mol 物质中所包 含的粒子数（阿伏加德罗常数），你能否根据分子的球模型推算出 水分子的直径？
运动何其乱
在 初 中 物 理 中 ， 我 们 已 用 扩 散 现 象 证 明 了 分 子 在 不 停 地 运 动 。
那么， 还有什么实验事实能够更直接地说明分子的 运动情 况呢？
科技活动 观察布朗运动
实验装置如图1-10 所示。 将封有悬浊液的载玻片置于显微 镜上，调节 镜 筒 ，使 在目 镜 中能清 楚 地观 察 到 悬浊液 中小 颗 粒 的
图1-12布朗运动的原因
图1-8 用 扫 描 隧 道 显 微 镜 显示的原子排列
图1-6 油酸分子形成单分子层
图1-7 油酸薄膜的形状 油酸分子
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
布朗运动是怎样产生的呢？
植物学家布朗的发现引起了当时物理学家的浓厚兴趣，但他 们全都感到棘手。 牛顿力学能预言未知天体的运动位置，却对这 个小小的布朗颗粒束手无策。
30 年后，有人指出，布朗运动是因液体分子的碰撞产生的。
1905 年，爱因斯坦（A. Einstein）和波兰物理 学 家 斯 莫 卢 霍 夫 斯基（M. Smoluchowski）发表了他们对布朗运动的理论研究结果。
他们证明：小颗粒的布朗运动是液体分子从四面八方对它的撞击 引起的。 对于尺度很小的固体颗粒，来自不同方向的撞击作用一 般地说不会完全抵消。 在某个瞬间，如果小颗粒受到的撞击力在 某个方向上较强，它就沿这个方向运动；在另一个瞬间，如果小颗 粒受到的撞击力在另一个方向上较强， 它就沿另一个方向运动。
由于液体分子对小颗粒撞击的不规则性和偶然性，小颗粒不断地 改变着运动方向，踉踉跄跄，做着毫无规则的运动。
1908年至 1910 年间，法国物理学家佩兰（ J. B. Perrin）通过艰 苦卓绝的 努 力 ，出 色 地 完 成 了对 悬 浮 固 体 颗 粒 运动 的 测 量 ，显 示 了爱因斯坦的理论与实验结果的一致性。 佩兰通过对布朗运动的 研究，用实验直接证实了分子存在的真实性，从此，分子得到人们 真正的确认。 小颗粒的布朗运动对人们认识物质结构起了重要的 作用。
1827年， 英国植物学家 布 朗 （R. Brown）用 显 微 镜 观 察 悬 浮 在 水 中 的 花 粉 颗 粒 时， 发现这些花粉颗粒在不 停 地 做 着 毫 无 规 则 的 运 动 ， 而 且 会 长 期 地 这 样 运 动 下 去。 后来，人们把小颗粒的这 种 无 规 则 运 动 叫 做 布 朗 运 动。
运动。
如果追踪其中的一个小颗粒，每隔一定时间（如30 s）记下它 的位置，然后用线段把这些位置依次连接起来，可以看到，连成的 折线曲曲折折，错综复杂。 这说明，这个小颗粒在不停地改变着它 的运动方向，它做的是一种极其不规则的运动（图 1-11）。
图1-12布朗运动的原因
图1-11 布朗运动
图1-12 布朗运动的原因 图1-10 观察布朗运动
a 认 定 一 个 小 颗 粒 进 行 观 察 所得到的一系列位置
b 把 这 些 连 续 位 置 依 次 连接得到的运动示意图
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科技活动 讨论布朗运动
悬浮在液体中的固体颗粒的运动，是不是就是分子的运动？
结合布朗运动的原因猜想一下，悬浮固体颗粒运动的剧烈程 度跟哪些因素有关？
作用何其复杂
扩散现象和布朗运动，不仅说明组成物质的分子在永不停息 地 运动 ，而 且 说 明物质分子不 是 紧 紧 地 挤在一 起 的 ，分子 之 间 是 有空隙的。
图1-13 是用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子的排列情 况 ，形 状 相 似 的 碳 原子亮 点 分布 在 暗 背 景 之 间，显示 出 原 子 间 的 空隙。
分子间存在着 空隙 ，而固体 能 保持 一定 的 形 状 ，从 中 你 可 以 得到什么启示？ 你能提出一些实验事实说明你的看法吗？
研究表明 ，分子之 间 同 时存 在着 引力和斥力 ，并 且 它 们 都 跟 分子之间的距离有关。 分子之间的引力与斥力及其合力随距离变 化的关系如图1-14 所示。
由图可知，分子之间的引力和斥力都随着分子间距离的增大 而减小。 当两分子间的距离等于 r0时，分子间的引力和斥力相互 平衡。 r0的数量级约为10-10m。 分子间距等于 r0的位置，叫做平衡 位置。
科技活动 讨论分子动理论
从图1-14 中，你能得到哪些信息？ 请跟同学们相互交流。
通过本节的学 习 ，结合初 中物理中学过 的有 关 内 容 ，请 对 分 子动理论的基本内容及其相应的实验基础进行整理。 与初中所学 的分子动理论相比，你在哪些方面有了更深刻的认识？
图1-14 分子力与分子间距的 关 系 ， 图 中 蓝 线 表 示 分 子 斥 力 和 分 子 引 力 随 间 距 的 变 化 关 系 ； 红 线 表 示 它 们 的 合 力 随 间 距的变化关系
图1-13 扫描隧道显微镜拍摄 的石墨表面原子排列情况
斥 力
引 力 Ｏ Ｆ
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
图1-15 古代关于物质本原的学说
古代东西方的学者， 都对物质的本原做过许多 猜测。 我国古代提出过“五行说”、“元气说”，古希腊 也有“四元素说”（图1-15）。 这些学说都只用一种或 几种有形物质作为物质的本原， 它们都无法说明复 杂多样的物质世界。
公 元 前 约 400 ～500 年 ， 古 希 腊 的 留 基 伯
（Leucippcus）创立了“原子论”。 德谟克利特(Dem鄄 ocritus)是留基伯的学生，他接受并进 一 步 发 展 了 留基伯的古原子论思想。 他认为：宇宙间万物都 是由原子构成的；原子是不可分割的极小的物质 单 元 ；原 子 不 是 单 一 的 ，构 成 物 质 的 各 种 各 样 的 原子在外形、大小等性质上不同。 德谟克利特还
对不同物质的原子赋以不同的形象。 如水的原子是 圆的，因此水具有流动性，并且没有固定的形状；火 的原子是多刺的，因此火会灼伤人；土的原子是毛糙 的，因此它形成的物质很固定；如此等等。他还认为，
自然界物质的变化不过是原子的聚集、 排列和分散 而已。 他的理论当时人们无法理解，但很有趣，于是 人们给德谟克利特起了一个“会讲笑话的哲学家”的 绰号。
古代哲人的学说，不过是一种哲学思辨，或者是 在观察基础上得出的猜测，缺乏实验的检验。时间的 脚步走过了2000多年， 由于化学上的一系列发现，
1811 年 意 大 利 科 学 家 阿 伏 加 德 罗 （A. Avogadro）首 先引入“分子”的概念。 阿伏加德罗认为：一切物质，
无论是单质还是化合物，都是由分子组成的；分子则 是由原子组成的。单质分子由相同的原子组成，化合 物分子则由不同的原子组成。 分子是保持物质化学 性质的能独立存在的最小颗粒。他还假设，在同温同 压的条件下， 相同体积的任何气体都含有相同的分 子数。遗憾的是，阿伏加德罗这些对物质结构理论的 重大贡献，却不被当时的科学界所接受，被整整冷落 了50年后，才得到普遍的认同。
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分子概念的确定
科普选读
“看清”生物大分子的真面目
生物大分子，也称“生物高分子”，是生物体内的一些组织结构复杂的大分子，例如蛋白质、
核酸、多糖等。 生物大分子是生命活动的主要物质基础，只有认清了生物大分子的真面目，我们 才能了解生物大分子的生物功能，理解生物的正常生理，弄清发生疾病的机制并研制出相应的 良药。
细胞中含有成千上万个生物大分子， 每个分子都有两个特征物理参数———分子量和电荷，
这两个参数相当于分子的身份证号码，我们只有读出了这两个基本参数，才能知道它们是谁。 鉴 定分子量和电荷的方法是质谱分析法。 常规的质谱分析法是通过轰击的方法，将分子电离化，继 而测定其质量与电荷之比，从而推断出它的分子量。
然而，用轰击导致分子电离化这一做法，只对小分子有效，对生物大分子是不行的，因为生 物大分子比较脆弱，轰击很容易破坏它们原有的结构。 为解决这一难题，美国科学家芬恩（J. B.
金 土
木 土 水
水 火
火
气 热
冷
湿 干
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1. 一个热水瓶内水的质量约为2.2 kg，它含有的 水分子数约为多少？
2. 当你走进教室时，教室 中 的 一 部 分 空 气 将 被 你挤出室外。 估算一下，你挤出了多少个空气
分子？
3. 结合本节的内容，请 提 出 一 个 测 定 阿 伏 加 德 罗常数的方法。
家 庭 作 业 与 活 动
Fenn）和日本科学家田中耕一分 别 发 明了一种不同的方法。 这两种方法都 能成功地解析和电离生物大分子。
细 胞 中 某 种 生 物 大 分 子 的 身 份 被鉴定出来之后，人们很自然地想知 道这种生物大分子“长得是个什么样 子”，也就是要分析它们的立体结构。
以前，X射线晶体学是解析 生 物 大分子空间结构的唯一有效的方法。
20世纪80年代， 瑞 士 科 学 家 维 特 里 希 （K. Wüthrich） 改 进 了 传 统 的 核 磁 共振技术，使得它能测定溶液中生物 大 分 子 的 空 间 结 构 。 通 过 计 算 机 处 理，我们就能“看清”生物大分子的模 样了。
由 于 在 生 物 大 分 子 的 鉴 定 和 结 构 分 析 方 面 的 杰 出 贡 献 ， 芬 恩 、 田 中 耕一和维 特 里 希 一 起 荣 获2002年 度 的诺贝尔化学奖。
图1-16 一些生物大分子的立体结构示意图
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
1．3
法 国 的 著 名 数 学 家 、 力 学家拉普拉斯（P. S. M. de Laplace）于1812年出版了一 本对统计理论有重大贡献的 论 著 《 概 率 论 》， 书 中 意 味 深 长地指出：“非常值得注意的 是， 与游戏中机遇有关的科 学知识， 将会成为人类知识 中一门重要的学科。”
研究分子运动的新方法
布朗 运 动 的 发 现 ，向 人 们 提 出 了 新 的 挑 战 ，一 个 由 小 颗 粒 引 起的挑战———应该用什么方法研究大量分子的无规则运动？ 从这 种无序的运动中能否找出有序的规律？
从降水概率谈起
气 象 台 的 天 气 预 报 ，除 了 报 告 天 气 状 况 、气 温 变 化 外 ，还 有
“降水概率”。 这个“降水概率”表示什么意思呢？
“降水概率”是气象的专业用语，它表示下雨可能 性 的 大 小 。 如果在以往的气象记录中， 有100 天的天气变化跟今天相似，而 且通过计算机运算，又发现这100 天中有70 天的次日会下雨，于 是气象台预报说：“明天的降水概率是70 ％。” 这意味着明天有七 成可能会下雨。
概率反映的不是一种必然结果， 它是在大量资料的基础上，
对不确定事件做出的一种估计，资料越丰富、越全面，估计就越可 靠。
有些 同 学 常 会 说 ：“老师明 天八成 会 提 问 我 这 道 题 的 解 法 。”
我们也常说某件事“十有八九会成功”。 雅典奥运会之前，许多人 估计射击老将王义夫有 90％能拿到金牌……。 这些说法里都包含 着什么概念？
科技活动 投掷硬币的游戏
我们把硬币有国徽的一面称为正面，另一面称为反面。 用一 枚硬币随意投掷， 落地时不是出现正面就是出现反面。 你投掷2 次 、3 次 ，或 者 5 次 ，有 可 能 都 出 现 正 面 或 反 面 ，完 全 没 有 规 律 可 言。
如果投掷很多次，情况会怎样呢？
在数学上， 把发生某 一 随机事件的可能性的大小定 义为概率。例如，在N次事件 中， 如果出现事件A的次数 为 Δn， 则 当 N 足 够 大 时 ，
Δn
N 即为事件A的概率。
图1-17 电视台在播出天气预报
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请你做一个实验，用一枚硬币随意投掷 10 次和 100 次，并分 别做出统计结果：
投掷次数N 出现正面的次数N1 出现反面的次数N2
10 100
计 算 出 现 正 面 和 反 面 的 次 数 占 总 投 掷 次 数 的 百 分比。
从 这 次 活 动 中 ，你 能 悟 出什么规律吗？
不 管 你 掷 几 次，每次出现正面 或 反 面 的 概 率 都
是1/2。
统计方法及其特点
在投掷硬币的 活动中 ，硬币的 每一次投掷，都 是 个 别 的 独 立 事件，即这次的投掷结果同那次的投掷结果没有关系。 在投掷次 数较少时，出现正面或反面都是偶然的。 但如果投掷的次数很多，
就可以发现，出现正面和反面的次数占总投掷次数的比例都接近 50％。投掷次数越多，接近程度越好。这就意味着，在大量的偶然事 件中蕴 含 着 一 种 规 律 ，这 种 规 律 是通 过 收 集 大 量 资 料 ，并 对 之 加 以整理分析后显示出来的。
这种研究大量事件所采用的方法叫做统计方法。 它所揭示的 是大量事件在整体上的本质和必然的联系，是一种必须用“概率”
来描述的统计规律，而不是个别事件的特性或偶然联系。 这种方 法的可靠 性 跟 统计事 件 的 数 量 有 关 ，事 件 数 量 越 多 ，呈 现的 规 律 性越稳定，越明显。
对于大 量 分 子 的 集 合体 （气 体 、液体 或 固体 ）的 行为 ，必 须 使 用这种 统 计方法，才 能 对 有 关 的 物 理 现 象 做出正确 的 解 释 ，并 找 出其中的规律。
气体压强的统计解释
研究大气压强的时候，有一个问题常使人迷惑不解：在“大气
图1-19 “大气海洋”的底层 图1-18 投掷硬币的游戏
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
重 量 ００１２ １４
电子秤
海洋”底层的物体（包括人体）， 受到上方厚厚的大气所产生的压 强， 这个压强为什么会跟地面附近一小瓶气体所产生的压强一样 呢？
根据分子动理论，运用统计的观点，就很容易给出回答。
气体分子可以看成是一群弹性小球。 分子撞击器壁的运动就 像乒乓球对坚硬墙壁的碰撞， 每次撞击都会给器壁一定的压力。
大量分子频繁 地 碰 撞，会 对 器 壁 形 成一个 持 续 稳 定 的 压力 ，从 而 形成对器壁的压强。 可见气体压强的产生就是一种统计平均的结 果，而不是个别分子的行为。
在地面附近的大气中，瓶内外每单位体积空气的分子数可认 为相等，而且 由 于 分子间 频 繁 地 碰 撞 ，空气分子向 各 个 方 向 运动 的概率都相等，它们的平均速率也相等。 因此，大气中的空气分子 冲撞物体表面 （单位面 积）和 一 个 小 瓶 子中的空 气分子冲 撞器 壁 表面的统计效果是相等的，所以它们的压强也相等。
科技活动 用统计观点解释现象
根据分子动理论和统计观点研究一下：
密闭容器内的气体对各处产生的压强为什么总跟器壁垂直，
且各处大小相等？
在布朗运动的实验中可以发现，悬浊液中较大的颗粒几乎是 不动的，这是为什么？
统计方法的普遍意义
统计的观点是物理学思想史上一场全新的变革。 统计规律与 经典 力 学 的 规 律 不 同 ， 它 不 描 述 某 一 事 件 一 定 发 生或 一 定 不 发 生，而只是说以一定的概率发生。
统计规律不仅普遍存在于自然现象中，也广泛应用于社会现 象中。 例如，国家经常进行人口普查，对普查资料统计分析，就可 计算出人口的增长率 ，为 计划 生育 、人口 控 制 、入 学和 就业 安 排 、 经济增长等方面提供有价值的依据。 又如，为了规划高速公路，就 需要对汽车的流量进行统计，为合理选址，确定建造规模、公路等 级等提供依据。 企业要统计消费者的需求，作为设计新产品的依 据。 电视台要统计收视率，以了解所播节目受观众的喜爱程度。 医
图1-20 小钢珠持续快速地落 在 秤 盘 上 ， 会 对 秤 盘 产 生 持 续 均匀的压力
研究表明， 在标准状况 下，一个空气分子在1s内跟 其 他 分 子 的 碰 撞 竟 达65亿 次之多。
图1-21 分子碰撞器壁产生压 强
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科普选读
统计方法步入物理学殿堂
科学家认识自然的观念和进行科学研究的指导思想， 从来就跟科学家的哲学思想有着千丝 万缕的联系。
近代科学发展初期的许多启蒙大师， 基本上是从寻求事物的因果联系起步的。 伽利略（G.
Galilei）认为，科学研 究 不 能 只 是 简 单 地 描 述 现 象 和 罗 列 事 实 ，还 必 须 阐 明 现 象 的 因 果 联 系 和 规 律。 英国哲学家弗兰西斯·培根认为：“真正的知识是根据原因得到的知识。”前辈学者们的这些思 考，到牛顿时代便得到了最确切最完美的表现。
牛顿以三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了经典力学体系，形成了严格的因果决定 关系，使人们在原则上有可能用严格的力学规律对物体的运动做出完善的解释和预言。 同时，牛 顿还力图把这种“原因”和“结果”的机械决定论模式推广到整个宇宙的一切自然现象中去。
牛顿在他的伟大著作《自然哲学的数学原理》的序中写道：“……哲学的全部任务看来就在于 从各种运动现象来研究各种自然的力，尔后用这些力去论证其他的现象。” “……我希望能用同 样的推理方法从力学原理中推导出自然界的其他许多现象；因为有许多理由使我猜想，这些现象 都是和某些力相联系着的。”
人们根据牛顿力学，准确地预报了哈雷彗星的回归，从笔尖下发现了海王星。 以牛顿力学原 理为表征的因果律取得的一次次辉煌胜利，引起了人们理念上的一次次巨大震动，人们对机械决 图1-22 核外电子的概率分布
原子核
在这个区域，电子 出现的概率很小 在这个区域，电子 出现的概率较大
学上的统计分析指出，抽烟和肺癌有 关， 一天抽10 支烟的人患肺癌的概 率比不抽烟的人高5 倍左右。 据有关 报道，最近日本地震研究人员通过分 析历史数据，推测未来东京发生大地 震 的 可 能 性 随 着 时 间 推 移 在 逐 渐 增 加：在未来10 年内，发生里氏 7 级地 震的概率只 有30 ％；在未 来 30 年 内 这一 概率达 70 ％； 在未 来 50 年 内 ， 这一概率上升到90 ％……
现 代 科 学 研 究 指 出 ， 在 原 子 内 部，电子与原子核之间的距离并不是 固定不变的，电子可以处于原子核外 各个不同的位置上。 在离原子核不同 的地方出现电子的概率不同，传统观 念中的“轨道”已被概率分布所取代（图1-22）。
总之，统计方法跟我们的日常生活、经济建设、科学研究都有 着密切的联系。
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第1章 人 类 对 热 现 象 的 探 索
1. 请你在不同的季节对当地气象台天气预报中 的 “明 天 降 水 概 率 ”做 连 续10天 或1个 月 的 记录，并对照次日的实际天气情况，填入自己 设计的表格中， 对气象台不同季节降水预报 的准确度进行评价。
2. 请你和同学们一起调查本校1～2个 年 级 （或 1～2个年龄段）的同学喜爱足球、篮球、排球、
羽毛球、 乒乓球等运动的情况， 列表统计结 果，并对照学校目前的设施，对学校的体育发 展规划提出相应的建议。
3. 走访校医务室，统 计 全 校 不 同 年 龄 段 的 同 学 患近视眼的情况， 并对怎样预防近视眼提出 合理化的建议。
家 庭 作 业 与 活 动
定性因果律的信念大大增强。
法国杰出的数学家、物理学家拉格朗日（J. L. Lagrange）把《自然哲学的数学原理》誉为人类心 灵的最高产物，把牛顿看作是人类历史上最伟大也是最幸运的天才，“因为宇宙只有一个，而在世 界历史上也只有一个人能做它的定律解释者”。
这种机械论的自然观，到了19世纪中叶，更成为统治整个物理学界的普遍信念。
1847年，德国物理学家亥姆霍兹(H. L. F. von Helmholtz) 在《论力的守恒》中写道，物理学的 任务，就在于把物理现象都归结为其强度只与距离有关的引力和斥力，一旦完成这个归结，科学 的任务便算终结了。
因此，随着力学理论的形成和发展，这种机械决定论也得到广泛的流传，并影响着对不同物 理现象的正确解释，同样也阻碍着统计思想进入物理领域。
但是，统计思想还是渐渐地进了物理学。 它首先从大量分子组成的热学系统找到了突破口。
1856年，德国物理学家克勒尼希（A. K. Kr觟nig）在一篇论文里说：“按照概率理论的定律……，
我们可以用完全的规律替代完全的不规则性。” 虽然克勒尼希没有具体利用概率理论进行运算，
对概率理论在物理学中的重要性也认识不足，但他的话像一道明亮的闪电，照亮了气体分子动理 论前进的方向。
1857年，德国物理学家克劳修斯（R. Clausius）发表了分子动理论的奠基性论文，大胆地将概 率思想引入物理学及其计算之中。
接着，在1859年，英国物理学家麦克斯韦（J. C. Maxwell）成 功 地 找 出 了 分 子 速 率 分 布 的 函 数，明确地向世人宣告：描述分子运动与牛顿力学的描述宏观客体是不一样的，这里需要新的物 理思想和方法。 描述分子运动必须应用统计规律。
至此，统计方法终于庄严地步入物理学的殿堂。 麦克斯韦传记的作者埃弗里特曾指出，麦克 斯韦的新方法“标志着物理学新纪元的开始”。
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第 2 章
热力学定律与能量守恒
图2-1 热的杰作（微波炉中的爆米花）
日出月落 ，斗转星 移，我们生 活的物质世界 在 不 断 地 运 动 变 化着。 在这纷纭复杂的变化背后，是否存在着某种简单而不变的 秩序呢？ 在《物理2》中，我们已经知道自然界中有一条最基本、最 普遍的规律———能量转化与守恒定律。
你知道能量转化与守恒定律是怎样发现的吗？
这条规律在物体内能变化的过程中是怎样体现的？
能量可以被人们不断地反复使用吗？ 内能可以全部用来做有 用功吗？
热传递和扩散现象中的方向性蕴含着怎样的物理原理？
本章将 在分子动理论 的基础上， 首先引 入 一种 新的 能 量 形 式———内能；接着，研究改变内能的两种方式，介绍热力学第一定 律；进而以 各种运 动形式的相互 转 化为 线索 ，以 迈尔 、焦耳、亥姆 霍兹的工作为重点，较详细地展示能量转化与守恒定律的发现过 程及其伟大意义；最后，根据自然过程的方向性，提出热力学第二 定律，并以热传递为例，揭示宏观过程方向性的微观实质，由此引 入熵的概念，介绍熵的广泛应用。
一串闪光的名字 镌刻在
能量守恒的丰碑上 一个陌生的概念 指引着
宇宙演化的方向
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第2章 热力学定律与能量守恒
太阳中心温度约 1.5×107K（1.5×107℃）
闪电的平均温度 30000K（30000℃）
太阳表面温度 5800K（5530℃）
金属能被熔焊 3300K（3027℃）
铁的熔点 1808K（1535℃）
天然气火焰 933K（660℃）
铅的熔点 600K（327℃）
木头燃点 523K（250℃）
纸张燃点 457K（184℃）
水的沸点 373.15K（100℃）
汞的凝固点 234K（-39℃）
绝对零度 0K（-273.15℃）
空气液化 73K（-200℃）
水的冰点 273.15K（0℃）
2．1
揭开温度与内能之谜
从对冷热程度的直接感觉到伽利略制成第一支温度计，人类 经历了漫长的岁月。 如今，对各种物体的温度已可进行精确的测 定， 在实验室里能产生的最高温度已达 108K， 最低温度则低至 10-8K，相差 16 个数量级。 如果把目前已知的温度从小到大依次排 列起来，就可以得到一个跨度达50 个数量级的温度阶梯。
面对这 个温度阶梯，很自然地 会想到 一 个 问 题 ：温 度 的 物 理 意义究竟是什么？ 它跟物体的内能有什么联系呢？
要回答这些问题，必须回到物质的微观结构上。
温度之谜
我们知道，扩散现象和布朗运动都是由于物质分子 的运动产生的，而且，它们都跟温度有关。 温度越高，扩 散得越快，布朗运动越剧烈。 由此可见，温度的高低跟物 质分子的运动有关。 物质分子运动得越剧烈，在宏观上 反映出来的温度就越高。
物理学上把分子的无规则运动称为热运动(thermal motion)。
理论研究指出，温度的高低联系着分子热运动的平
图2-2 生活中常见的温度值
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均动能。 物体内分子热运动的平均动能增加，温度升高；物体内分 子热运动的平均动能减少，温度降低。 因此，从分子动理论的观点 看，微观的分子运动决定着宏观的温度。
温度是物体内分子平均动能的标志。
在初中 物理中，把温度 定 义为“物 体冷 热的程度”，而现在 我 们根据物质的微观 结构 ，把温度 定 义为“物体内分子平 均 动能 的 标志”。 请比较这两种定义的联系与不同。
分子由于热运动而具有动能，那么分子之间是否还存在着相 互作用的势能呢？
内能之谜
■ 相互作用的联想
在《物理2》中已经知道，两个物体间存在着万有引力作用，当 物体克服引力做功时，势能增加，反之，则势能减小。
由于地球的万有引力，地面上的物体都具有重力势能。
电荷与电荷间存在着静电相互作用，因此电荷具有电势能。
分子间也有相互作用，因此分子同样具有由这种相互作用所 决定的势能，叫做分子势能。
分子间的相互 作用是更 微 观层次上静电作 用 的 一 种 综 合 表 现，它既包含引力，又包含斥力，而且跟分子间的距离有关。 物体 内分子间的距离发生了变化，在宏观上就表现为物体的体积发生 了变化，所以，分子势能跟物体的体积有关。
现在 我 们知道，分子不 仅有动能，而且有 分子势能。 物 理学 中，把物体 内 所有分子的 热运 动动 能和 分子势能的 总和，叫 做物 体的内能（internal energy），又叫热力学能。
科技活动 关于内能的讨论
根据内能的含义可以知道，物体的内能大小由它所包含的分 子数的 多 少、 分子运 动的剧烈程度 及分子 间相互作用的 情 况 决 定，而分子间的相互作用又跟分子间的距离有关。
你能比较图2-3 各组中物体内能的大小吗？
你能知道图２－３ 中各物体内能的大小吗？
平均动能就是所有分子 动能的平均值，即
Ek = 1
n （Ek1 + Ek2 + …）
热力学理论证明， 它跟 温度直接有关。
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第2章 热力学定律与能量守恒
100℃
水 1kg
100℃
水汽 1kg
1. 许多不同的物体———铁合页、铜电线、塑料刻 度尺、木桌椅以及水、空气等，它们同处一室。
这些物体内分子的平均动能是否相同？ 这些 物体内分子的平均速度大小是否相同？ 为什 么？
2.根据温度的微观意义，有人提出以下的说法：
（1） 物体的温度升高，物体内每一个分子的动 能都一定增加；物体的温度降低，物体内 每一个分子的动能都一定减少。
（2） 现有甲、乙两个同种材料构成的物体，若 甲的温度比乙的温度高， 那么甲物体 内 每个分子的动能一定都比乙物体内每 个
分子的动能大。
你认为这两种说法对不对？ 为什么？
3. 根据分子 间 相 互 作 用 与 分 子 间 距 离 的 关 系 ， 请讨论分子势能与分子间距离的关系。
4.分析下列说法中，正确的是
A. 物体的机械能大，它的内能一定也大 B.物体可以同时具有内能和机械能
C. 物体的机 械 能 可 以 等 于 零 ，物 体 的 内 能 不 会等于零
D. 物体的机械能改变时，它 的 内 能 也 一 定 变 化；物体的内能改变时，它的机械能也一定 变化
家 庭 作 业 与 活 动
图2-3 比较内能的大小 50℃
水 1kg
50℃
水
10kg
内能是区别于机械能的另一种形式的能。 由于任何物体的分 子都在 不 停 地 运 动，分子间 又存在着相 互 作用，所以任 何物体都 有内能。 但是，某物体在一个确定状态下的内能究竟多大，却无法 计算。 在处理实际问题时有意义的也不是物体内能的大小，而是 内能变化量的大小。
50℃
水 1kg
80℃
水 1kg
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2．2
热力学第一定律
据我国古代传说，燧人氏发明钻木取火，使我们的祖先脱离 了茹毛饮血的生活。 从此，熟食增强了人类的体质，促进了人脑的 发育，提高了人类的生存能力，推动了人类进化的步伐。
从物理学的观点看，钻木取火的传说中包含着什么道理？
改变内能的两种方式
做功可以改变物体的内能，这在生活、生产中非常普遍。 例 如：冬天人们常搓手取暖；用车刀切削金属时，要在刀具和工件上 加 冷 却 液 ，以 防 止 温 度 过 高 ；用 气 筒 给 自 行 车 胎 打 气 ，若 时 间 较 长，气筒壁会明显发烫；内燃机在压缩冲程中，对汽缸内的气体做 功，气体的内能增大，温度升高，而在做功冲程中，高温高压的气 体膨胀推动活塞对外做功，气体的内能减小，温度降低。
你还能举出其他通过做功改变物体内能的事例吗？
科技活动 做功改变物体的内能
如图2-6所示，在一个厚壁玻璃筒里放一小块硝化棉，用力 很快压下活塞，对气体做功，使气体的内能增大，温度升高，硝化 棉在瞬间燃烧，发出明亮的火花。
除了通过机械运动对物体做功改变物体内能外，还可以通过
图2-4 原始人钻木取火
图2-5 火 柴 与 火 柴 盒 磷 皮 相 擦，内能增加，点燃火柴
图2-6 压缩气体使硝化棉燃烧
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第2章 热力学定律与能量守恒
1852年， 英国物理学家 焦耳和威廉·汤姆生（William Thomson） 发 现 ， 充 分 预 冷 的 空气迅速膨胀后， 温度会降 低 。 此 即 “焦 耳-汤 姆 生 效 应”，它为制冷技术开辟了一 条新途径。
什么方式对物体做功改变内能呢？ 请你举几个实例。
改变物体内能的另一种方式是热传递。 用手摸一块冰，热量 从温度较高的手传递给温度较低的冰，冰的内能增加；用手摸一 杯热茶，热量从温度较高的杯子传递给温度较低的手，使杯子的 内能减少。
你知道热传递有哪几种形式吗？ 请对每种热传递形式举一个 例子，并分别说明它们是怎样改变物体内能的。
人体与周围环境之间时刻发生着热传递，那么，人体是怎样 使体温几乎保持不变的呢？
改变物体内能有两种方式：做功和热传递。
用做功的方式改变物体的内能，实质上是其他形式能量与内 能的相互转化；用热传递方式改变物体的内能，只是不同物体之 间或同一物体不同部分之间内能的转移， 能量的形式并没有改 变。 做功和热传递是两种不同的物理过程，但它们在改变物体内 能上殊途同归，完全等效。
一根金属棒的温度升高了，也就是说它的内能增加了。 你能 判断出它是通过哪种方式增加内能的吗？ 为什么？
热力学第一定律
进入19世纪后，热机在欧洲大陆的普遍应用，促进了人们对 热和功之间关系的研究。
人们认识到，如果一个物体（或热力学系统）跟外界没有热交 换，那么外界对它做多少功，它的内能就增加多少；反之，它对外 界做多少功，它的内能就减少多少。 同样，如果外界不对这个物体 做 功 ，物 体 也 不 对 外 做 功 ，那 么 它 吸 收 多 少 热 量 ，内 能 就 增 加 多 少；放出多少热量，内能就减少多少。
一般情况下，当外界对一个物体（或热力学系统）做功W，同 时给这个物体传递热量Q时， 这个物体内能的增加应为两者之 和。 这就是热力学第一定律（first law of thermodynamics）。
1853年， 英国物理学家威廉·汤姆生在焦耳等人研究的基础 上，对上述关系做出了精确的表述，并用公式表示为
驻U = U2 - U1= W + Q
图2-7 热传递 高温
高温 低温
低温 内能流
内能流
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图2-8 热 力 学 第 一 定 律 的 能 流图
图2-9 压缩过程中的能流图
U1 U2
做功Ｗ
吸热Ｑ
U1 U2
做功Ｗ
放热Ｑ
其能流图如图2-8所示。
例如，某空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气体做功 2.0
× 105J， 气体向外界放出热量0.5 × 105 J， 其能流图如图2-9 所 示。 气体的内能变化可以表示为
驻U = W - Q = 2.0 × 105J - 0.5 × 105 J
= 1.5 × 105 J
这说明空气的内能增加了1.5 × 105 J。
科技活动 对热力学第一定律的讨论
1． 请应用热力学第一定律讨论下列情况中的功、内能变化和 热量的传递情况：
（1） 在水平公路上行驶的汽车，关闭发动机后，速度越来越 小，最后停了下来；
（2） 发射枪弹时，火药爆炸产生燃气，子弹从枪膛射出去，射 入一个物体后停止运动。
2． 有些人想设计制造一种机器，它不需要吸收任何热量，却 能不断地对外做功。 你认为这可能吗？ 为什么？
1. 给 你 一 小 段 细 铁 丝 、一 盒 火 柴 和 一 小 块 粗 糙 的布片， 请你用两种不同的方法使铁丝的温 度升高。 比较这两种方法的效果，并说出其中 的道理。
2.在图2-10所示的实验装置中，用打气筒向瓶 内打气时， 会看到气体温度计内的红色液柱 上升；打气后迅速拔掉橡皮管，会看到红色液
柱迅速下降，请解释这个现象*。
3. 图2-11所示的装置称为丁铎尔实验仪。 在一 个弓形夹具上有一根黄铜管， 把夹具固定在 桌边， 在铜管内倒入少量乙醚， 将塞子塞好
（松紧适宜）， 然后把绳子在铜管上绕上一二 圈，双手拉住绳子两端快速地来回拉动，不一 会儿就能看到塞子向上飞起。 这是什么原因 呢？
家 庭 作 业 与 活 动
图2-10 图2-11
１
２
３
４
１. 吸滤瓶 2. 气体温度计 3. 橡皮管 4. 两用气筒
*要做这个实验，必须在老师指导下进行。
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第2章 热力学定律与能量守恒
图2-12 法 国 人 亨 内 考 设 计 的永动机
图2-13 英国人马尔基斯设计 的永动机
亨 内 考 是13 世 纪 的 一 个法国人， 他设计的这台早 期著名的永动机， 我们已在
《物理2》 的第4章中做过分 析。
马 尔 基 斯 是 17世 纪 的 英国人， 他设计的这台永动 机 ， 转 轮 直 径 达 4.3m， 有 40 个质量均为23kg的重球。 他 当时是一个囚犯， 据说英国 国王查理一世看了他的这台 机器，一时高兴，就把他释放 了。
2．3
伟大的守恒定律
热力学第一定律描述了物体的内能变化跟做功和热传递之 间的关系。 在一般情况下， 能量的转化与转移遵循怎样的规律 呢？
徒劳的设计
在欧洲的历史上，曾经有一批极富创造才能的人，他们绞尽 脑汁，想设计出一种机器，这种机器不需要消耗任何燃料或动力，
一经起动，就可以不停地运转。 这就是所谓的“永动机”。
请观察图 2-12 和图 2-13 所示的永动机，揣摩一下，设计者 当初是怎样想的？ 他们的设计能成功吗？
除了这两台永动机外，还有许多构思无比巧妙的永动机……
不过，一个 个 巧 妙的永动机设计方 案，都 像 阳 光 下 美 丽 的 肥 皂泡一样，很快地破灭了。
然而，人们对 永动机的热情依 然很 高，他 们 继 续 锲 而 不 舍 地 编织着他们那色彩绚丽的美梦……
就在人们仍然热衷于制造永动机的同时，有些科学家已从永 动机设计方案的失败中开始觉醒，他们似乎意识到，“天下没有免 费的午餐”，自然界也不可能无中生有地奉献。
15、16 世纪的意大利著名科学家、 艺术家达·芬奇（Leonardo da Vinci） 也设计过永动机。 他从自己的失败中似乎领悟到了什 么，于是他劝告人们：“永恒运动的幻想家们！ 你们的探索是何等 徒劳无功，还是去做淘金者吧！”
法国科学院在1775 年郑重地通过一项决议， 拒绝审理永动 机，并 且 解 释 说：“永动机的建造是绝 对不可能的，即使中间的摩 擦和阻力不致最终破坏原来的动力，这个动力也不能产生等于原 因的效果……”
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从1820年起，“功”的概 念开始在工程技术的论著中 建立。 “能”的概念最早是由 英 国 物 理 学 家 托 马 斯·杨
（Thomas Young） 于1807 年 提出的。
无论是达·芬奇的劝告，还是法国科学院的解释，对永动机的 判决都显得苍白无力。 一些科学家意识到，必须寻觅到永动机不 会成功的更本质的原因———他们需要一把达摩斯克剑，来斩断锁 住永动机迷们的幻想之链。
但是，剑在何方呢？
先驱者们的贡献
“山雨欲来风满楼”，19世纪初， 科学技术已发展到相当的水 平，发现能量转化与守恒定律的时机即将成熟。
在理论上，随着动力学的发展，人们逐渐形成了“功”和“能”
的概念。 通过对热本质的争论，热质说已受到严厉的批判，热是运 动的观点已基本确立。
在实践上，科学技术的发展已开始揭示自然界各种运动的联 系与转化。
1800年，意大利科学家伏打（A. Volta）制成“伏打电堆”，实现 了化学运动与电运动的转化。 后来，人们又利用它所提供的稳定 电流进行电解，实现了电运动向化学运动的转化。
1820年，丹麦物理学家奥斯特（H. C. Oersted）发现了电流磁 效应，揭示了电与磁的联系，打开了电能向机械能转化的大门。
1821年，德国物理学家塞贝克（T. J. Seebeck）首先发现“温差 电”现象；1834年，法国物理学珀耳帖（J. C. A. Peltier）发现了它的 逆效应。 这样，又实现了内能与电能之间的转化。
1831年，法拉第（M. Faraday）发现电磁感应现象并制成发电 机，实现了机械能与电能的转化。
1840 年和1842 年，焦耳和 楞 次 （Э. Х. Ленц）分 别 发 现 了 电 热定律，定量论证了电能与内能的转化关系。
……
这些发现，从各个侧面加深了人们对各种自然现象间的联系 与转化的认识。
总之，到了19 世纪40 年代前后，欧洲科学界已普遍弥漫着 一种气氛，认为应该以一种相互联系的观点去认识自然。 能量转 化与守恒定律，已犹如一轮喷薄欲出的红日。
俗话说：“时势造英雄。”在当时科学和技术发展的推动下，在 欧洲的几个不同领域中，出现了几位可敬的先驱者。
第一个对发现能量转化与守恒定律做出重大贡献的是法国 30
沪科教版
第2章 热力学定律与能量守恒
青年工程师卡诺。 他通过对热机的研究，于1830年在笔记中明确 提出了热的分子动理论和能量转化与守恒定律，得出1cal的热相
当于 3.63Ｊ的功。 可惜卡诺英年早逝，他的遗稿被长期搁置，直到
1878年才公布于世。 这时能量转化与守恒定律已是人们公认的一 条基本规律了。
卡诺之后,德国生理学家莫尔（C. F. Mohr）也于1837 年在《论 热的本质》一文中，表述了类似的思想。
1839年，法国工程学家塞甘（M. Seguin）也算出了热的机械功 当量。
1840年，俄国化学家盖斯（Г. И. Гесс）提出了关于化学反应中 释放热量的重要定律：在化学反应中释放的能量是一个跟中间过 程无关的恒量。 这揭示了化学变化过程中的能量守恒。
遗憾的是，这些先驱者的成果，有的没有及时发表，有的发表 后没有引起应有的重视。
在科学的攀登道路上， 不仅科学家常会遭受巨大的精神打 击，科学发现也常会“蒙难”，这是什么原因？ 你能列举一些其他的 事例吗？
探究能量守恒的三重奏
■ 迈尔的理性思考
在科学史上, 第一个发表能量转化与守恒原理的是德国青年 医生迈尔。迈尔的研究是从生命运动开始的。1840年，迈尔随船从 荷兰驶往东印度。 一日，船行至爪哇岛，一些海员不幸生病了。 迈 尔按照他在德国治疗这种病的办法，在静脉管上扎针放血。 偶然 间他发现病员的静脉血比在欧洲时更为鲜红，这是为什么呢？ 经 过思考，迈尔从拉瓦锡的氧化燃烧理论中得到启发。 他认为，人的 体温是靠氧在人体内产生的热来维持的，血液中的红色素是血液 中进行氧化反应的产物。 在赤道附近，气候炎热，人的体温不需要 用许多氧来维持，血液中的氧消耗不多，因此静脉管里的血更为 鲜红。
由此，迈尔展开联想：人体的热是怎样产生的呢？ 是由于心脏 的运动吗？ 他估算了一下，一颗约500 g的心脏，它的运动根本不 能维持人的体温。 迈尔认为，一定是人体内食物所含的化学能变 为内能的缘故。
回国后，迈尔继续进行研究。 他在一家纸厂设计了一个实验。
卡诺 （S. Carnot, 1796— 1832），法 国 物 理 学 家 、工 程 师。 毕业于巴黎综合工科学 校。1824年提出了关于热机 的卡诺循环和卡诺定律。
迈 尔 （J. R. Mayer，1814— 1878），德 国 物 理 学 家 ，能 量 转 化 与 守 恒 定 律 的 发 现 者 之一。1841年提出相当于能 量 的 “ 力 ” 的 概 念 ， 认 为 运 动 、 热 、 电 等 都 可 以 归 纳 为 一种“力”。 次年证明从热到 机 械 力 与 从 机 械 力 到 热 的 转 化 ， 并 做 出 “ 一 切 机 械 运 动 都 能 借 摩 擦 转 化 为 热 ”的 判断。
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