王志紅　李衛(wèi)平

摘要：本文詳細(xì)闡述了熱力學(xué)第一定律中關(guān)于系統(tǒng)的功和內(nèi)能增量與參考系的關(guān)系，得出了這兩個(gè)物理量與參考系無(wú)關(guān)的結(jié)論，又推出熱力學(xué)第一定律的運(yùn)用與參考系無(wú)關(guān)的結(jié)論。從而使中學(xué)生加深對(duì)功及能量守恒定律的理解。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)系統(tǒng)；功；內(nèi)能增量

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2009)4(S)-0039-2

0 引言

力學(xué)中的力所做的功，相對(duì)不同的慣性參考系其值可能不同。所以，力學(xué)中涉及功時(shí)，一般須指明參考系。熱力學(xué)第一定律反映的是熱力學(xué)系統(tǒng)與外界的能量交換關(guān)系。無(wú)論是中學(xué)物理教材，還是大學(xué)物理教材，都強(qiáng)調(diào)熱力學(xué)系統(tǒng)做的功與系統(tǒng)所經(jīng)歷的過(guò)程有關(guān)，在計(jì)算過(guò)程中，并沒(méi)有特別指明參考系。為什么對(duì)參考系的選取不加以說(shuō)明?是否與參考系的選擇無(wú)關(guān)?

對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)的“內(nèi)能”，高中物理教材中說(shuō)的是“物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和”。［1］仍然沒(méi)有明確說(shuō)明其中分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能的參照系。有些大學(xué)物理教材特別指出是相對(duì)質(zhì)心參考系而言的：“在討論熱學(xué)規(guī)律時(shí)，將不考慮或忽略物體的整體運(yùn)動(dòng)，而只是在物體，即質(zhì)心參考系中來(lái)分析問(wèn)題?！崩碛墒牵骸盁釋W(xué)是在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子層次上研究熱現(xiàn)象規(guī)律，它只涉及系統(tǒng)內(nèi)分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，對(duì)質(zhì)心參考系來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)內(nèi)不存在任何分子集體的宏觀運(yùn)動(dòng)”。［2］對(duì)此，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生這樣的疑惑：當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)宏觀的運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)能是否也是對(duì)質(zhì)心參考系而言的?內(nèi)能增量是否也必須對(duì)質(zhì)心參考系而言?

在中學(xué)物理教學(xué)中通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的解決，可以幫助學(xué)生更深刻地理解功的內(nèi)涵及外延，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解熱力學(xué)第一定律和能量守恒與轉(zhuǎn)化定律；擴(kuò)展對(duì)經(jīng)典分子運(yùn)動(dòng)論的認(rèn)識(shí)，初步理解熱學(xué)中的微觀解釋方法，理解宏觀與微觀的聯(lián)系。

1 熱力學(xué)系統(tǒng)的功和內(nèi)能增量與參考系的關(guān)系

1．1 熱力學(xué)系統(tǒng)的功與參考系無(wú)關(guān)

以理想氣體膨脹作功為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖1所示。

設(shè)有一絕熱氣缸中裝有一定質(zhì)量的理想氣體，其中氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的面積為S，氣缸相對(duì)地面以速度v向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，氣體膨脹作功。設(shè)活塞可以無(wú)摩擦地滑動(dòng)，活塞在Δt時(shí)間內(nèi)相對(duì)氣缸移動(dòng)了Δs。