“熱力學(xué)第一定律”教學(xué)淺析

武和全 張連喜

【摘要】詳細(xì)介紹了熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容，并指出了如何讓學(xué)生理解熱力學(xué)第一定律，幫助學(xué)生解答一些難點(diǎn)問(wèn)題，最后提出一些有效的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】熱力學(xué)第一定律 教學(xué)主線 物理概念 重點(diǎn)難點(diǎn) 教學(xué)方法

【基金項(xiàng)目】長(zhǎng)沙理工大學(xué)教改課題項(xiàng)目。

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）04-0229-01

引言

熱力學(xué)第一定律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得出來(lái)的。19世紀(jì)物理學(xué)家焦耳的許多實(shí)驗(yàn)使人們認(rèn)識(shí)到了物體內(nèi)能中與分子相關(guān)的那部分能量，從而建立了熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律是工程熱力學(xué)、大學(xué)化學(xué)、傳熱學(xué)等課程中重要的組成部分。因此提高熱力學(xué)第一定律章節(jié)的教學(xué)質(zhì)量是非常重要的。阿

1 熱力學(xué)第一定律表示方法

自然界一切物質(zhì)都具有能量。能量既不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，但能夠從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，或從一個(gè)（一些）物體傳遞至另一個(gè)（一些）物體，在轉(zhuǎn)換和傳遞的過(guò)程中能量的總和始終保持不變——能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。

熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用。在工程熱力學(xué)中，熱力學(xué)第一定律主要研究熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，它可以表述為：熱可以變成功，功也可以變成熱，一定的熱量被消滅時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定的功；消耗了一定量的功時(shí)，就一定會(huì)產(chǎn)生一定量的熱。這也就說(shuō)明第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。

2 引導(dǎo)學(xué)生理解熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容較多，教師應(yīng)該突出重點(diǎn)，明確教學(xué)的主線，圍繞教學(xué)主線對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)。

熱力學(xué)第一定律可分為三小節(jié)：熱力學(xué)的實(shí)質(zhì)和內(nèi)能，熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程的應(yīng)用。教師主要圍繞第一節(jié)和第二節(jié)進(jìn)行教學(xué)。

第一節(jié)主要描述了熱力學(xué)第一定律的文字表達(dá)式和熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)，其次還有一些名詞的解釋?zhuān)鐑?nèi)能和總能。第二節(jié)主要介紹三個(gè)方程，分別為：閉口系統(tǒng)的能量方程，穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程和開(kāi)口系統(tǒng)的能量方程。

3 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)

3.1 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)

因?yàn)闊崃W(xué)第一定律是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的，并不是通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式推導(dǎo)出來(lái)的。熱力學(xué)第一定律的建立是許多科學(xué)家辛勤勞動(dòng)的結(jié)晶， 它不是由某個(gè)或某些實(shí)驗(yàn)直接證明的，而是無(wú)數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，具有高度的可靠性和普遍性。所以學(xué)生理解起來(lái)是有困難的。往往學(xué)生只是知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容，卻不知道如何理解熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式一般表述為： Q = ΔU+ W。

教師 應(yīng)該多花時(shí)間對(duì)熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)進(jìn)行介紹，因?yàn)闊崃W(xué)第一定律為物理學(xué)理論的發(fā)展提供了有力的支柱。它同時(shí)也是自然界的所遵從的普遍法則，告訴了人們第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)也不可能造成的，讓學(xué)生們明白科學(xué)的重要性，發(fā)明創(chuàng)造需要遵循科學(xué)規(guī)律。

3.2 功，熱量和內(nèi)能的區(qū)別與聯(lián)系

功，熱量和內(nèi)能的區(qū)別常常被學(xué)生忽視，因而在對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解上不深入 ， 又由于它們?cè)谝欢l件下可以相互轉(zhuǎn)化，存在著密切聯(lián)系。所以，認(rèn)識(shí)清楚這三個(gè)物理量的區(qū)別和聯(lián)系，是學(xué)好本部分內(nèi)容的關(guān)鍵所在。

功是過(guò)程量，熱量也是過(guò)程量，過(guò)程不同，功和熱量的數(shù)值大小就不一樣。內(nèi)能是狀態(tài)量，狀態(tài)一定，內(nèi)能的大小就一定了。 這里指的功，是體積功，系統(tǒng)做功或外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)，常伴隨著熱運(yùn)動(dòng)與其它運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。熱量是由于溫度差而轉(zhuǎn)移的能量，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生傳熱現(xiàn)象時(shí)，一般沒(méi)有熱運(yùn)動(dòng)與其它運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，只有能量轉(zhuǎn)移。而內(nèi)能則是與狀態(tài)相聯(lián)系的，狀態(tài)固定，內(nèi)能就定了。

做功使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化。狀態(tài)變化了，內(nèi)能就變化了。熱量也能使內(nèi)能發(fā)生變化。熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)就是解決它們之間的聯(lián)系問(wèn)題。

4 熱力學(xué)第一定律的教學(xué)方法

4.1 教師提前備好課程

一堂精彩的課程是需要花費(fèi)教師大量時(shí)間準(zhǔn)備的，準(zhǔn)備課堂要講的內(nèi)容，要提問(wèn)的問(wèn)題，以及備課中不單要思考教師如何教，更要思考讓學(xué)生如何去學(xué)，找準(zhǔn)切入點(diǎn)，做到有的放矢。

4.2增強(qiáng)課堂氣氛

枯燥的課堂永遠(yuǎn)也激不起來(lái)學(xué)生的求知欲，課堂上教師是起著絕對(duì)的主導(dǎo)作用，教師可以讓學(xué)生充分參與課堂的討論活動(dòng)，說(shuō)出自己的理解，不要去批評(píng)那些說(shuō)錯(cuò)的同學(xué)，對(duì)于勇于嘗試的同學(xué)給予贊揚(yáng)，可以以增加平時(shí)分作為獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生們進(jìn)行回答。

4.3 改進(jìn)教學(xué)方法

教師在課堂教學(xué)中積極改變學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生獨(dú)自思考，合作探究，相互質(zhì)疑，通過(guò)實(shí)現(xiàn)學(xué)生與學(xué)生之間的交流，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

4.4 課后復(fù)習(xí)

課程學(xué)完之后不去復(fù)習(xí)的話，效果都會(huì)大大減半的，所以教師最好能做到讓學(xué)生有課后復(fù)習(xí)的好習(xí)慣。

5 結(jié)束語(yǔ)

熱力學(xué)第一定律是工程熱力學(xué)中非常重要的一章，它是熱力學(xué)的基礎(chǔ)，學(xué)生應(yīng)該掌握它的內(nèi)容，實(shí)質(zhì)，掌握它的難點(diǎn)和重點(diǎn)。了解熱力學(xué)第一定律是怎么得來(lái)的，要學(xué)會(huì)歸納總結(jié)，做到獨(dú)立思考。教師應(yīng)該花大工夫在如何把這一章教的有深度上。熱力學(xué)第一定律是自然界的普遍法則，蘊(yùn)含了大道理，驗(yàn)證了辯證唯物主義，所以教師應(yīng)該把教書(shū)育人的道理在這一章充分展現(xiàn)出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李岳林，劉志強(qiáng)，武和全.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

作者簡(jiǎn)介：

武和全（1982-），男，湖北仙桃人，長(zhǎng)沙理工大學(xué)講師，博士。