熱現(xiàn)象與人的生活關(guān)系密切,人類的文明大概就是從學會用火開始的。對熱現(xiàn)象的研究可以說開始很早,但真正成為一門科學還是近幾百年的事�？茖W的發(fā)展是與生產(chǎn)技術(shù)的進步、生產(chǎn)力的發(fā)展密切相關(guān)的,18世紀初,第一部蒸汽機問世,為1760-1840年的工業(yè)革命準備了條件。

由于蒸汽機的出現(xiàn)和應用,熱現(xiàn)象的研究受到重視,到18世紀前半期,制造出了一些供實際應用的溫度計,相繼建立了華氏、攝氏等經(jīng)驗溫標,系統(tǒng)的計溫學初步建立,在定量研究熱現(xiàn)象方面邁出了重要的一步。溫度計的發(fā)明和改進,又進一步促進了量熱學的發(fā)展,熱量、熱容、比熱、潛熱等概念初步形成,量熱器開始使用,熱平衡方程建立起來,量熱學形成系統(tǒng)的科學。

隨著計溫學和量熱學的建立,對熱現(xiàn)象的研究走上了實驗科學的道路。18世紀后期,英國人瓦特對蒸汽機的改進起了關(guān)鍵性的作用,這大大促進了生產(chǎn)力的發(fā)展,也促進了對熱現(xiàn)象的更深人的研究。由于對熱本質(zhì)的研究不斷深人,熱是一種物質(zhì)的說法徹底破產(chǎn),能量守恒定律,即熱力學第一定律在19世紀得以建立。這期間,一大批科學工作者在各個不同的領(lǐng)域作出了自己的貢獻,其中最著名的有邁爾、焦耳、亥姆霍茲三位。德國醫(yī)生邁爾思維敏捷、視野開闊、善于總結(jié),最先提出能量守恒思想,認為熱是能量的一種形式,可與對機械能相互轉(zhuǎn)化。英國物理學家焦耳是一個孜孜不倦的實驗物理學家,他在長達40年的時間里,進行了大量精確的實驗,令人信服地證明了,熱量和功之間存在著確定的數(shù)量關(guān)系,為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。而德國的亥姆霍茲在論述能量守恒的普遍性上起著重要的作用。

以上對熱現(xiàn)象的研究,都是根據(jù)對現(xiàn)象的觀察和實驗所總結(jié)出來的宏觀熱現(xiàn)象的基本規(guī)律,用嚴密的、科學的邏輯推理方法,研究和討論熱學系統(tǒng)的性質(zhì),稱為熱現(xiàn)象的宏觀理論。早在熱力學第一定律建立之前,法國工程師卡諾對熱機理論作了深入的研究,在此基礎(chǔ)上,德國物理學家克勞修斯和英國物理學家開爾文分別于1850年和1851年獨立地發(fā)現(xiàn)了熱力學第二定律,論述了熱學過程的不可逆性,找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的相應的熱力學函數(shù),這套理論發(fā)展到現(xiàn)在,稱為“熱力學”。

在熱力學理論發(fā)展的同時,人們已注意到熱現(xiàn)象與組成物質(zhì)的大量微觀粒子的無規(guī)則運動有著密切關(guān)系,從微觀的角度研究熱現(xiàn)象的工作也已開始,在19世紀中葉以后得到飛躍的發(fā)展。首先是氣體動理論(以前稱為氣體分子運動論或氣體分子動理論)的提出和完善,概率統(tǒng)計方法的運用,使氣體動理論從定性的論述發(fā)展成為定量的理論,這就是關(guān)于熱現(xiàn)象研究的微觀理論。氣體動理論發(fā)展為分子物理學,再進一步發(fā)展,就是“統(tǒng)計物理學”。熱現(xiàn)象的各種宏觀性質(zhì)都與微觀粒子的運動情況有關(guān),各宏觀物理量都是相應微觀量的統(tǒng)計平均值,任何宏觀的平衡態(tài)都必然伴隨著永不停息的微小漲落,這就是關(guān)于熱現(xiàn)象的微觀理論的主要觀點。

20世紀50年代以后,關(guān)于非平衡態(tài)的熱力學和統(tǒng)計物理學理論得到迅速發(fā)展,已經(jīng)從平衡態(tài)和近平衡態(tài)向著遠離平衡態(tài)的方向推進,這為尋找從無序到有序轉(zhuǎn)化的途徑提供了新的思想和新的概念,但相對于平衡態(tài)理論來講,非平衡態(tài)理論還顯得很不完善,這是今后繼續(xù)研究和發(fā)展的重點方向。

熱學是物理學的重要組成部分,熱運動是物質(zhì)運動的一種重要形式,熱運動對應的能量棗熱力學能(內(nèi)能)是一種重要的能量形式,因此,熱學部分的知識歷來是中學物理課程的重要組成部分。熱學與力學相比,研究對象、研究內(nèi)容和研究方法都大不相同,力學研究的是宏觀物體(其模型是質(zhì)點、質(zhì)點組或剛體等),以牛頓定律為基礎(chǔ),研究其機械運動規(guī)律以及機械能的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移等等。

而熱學的研究對象是由大量微觀粒子(分子、離子、原子等)組成的熱學系統(tǒng),研究與大量分子無規(guī)則運動有關(guān)的熱學現(xiàn)象,包括溫度及溫度的測量、熱量的傳遞與量度、物體受熱后體積的膨脹、大量分子無規(guī)則運動所對應的能量(即內(nèi)能)、內(nèi)能與機械能等其他能量間的轉(zhuǎn)化與守恒、內(nèi)能的應用、熱機及熱機效率的提高、固體、液體、氣體的性質(zhì)及物質(zhì)狀態(tài)的變化,等等。研究熱現(xiàn)象,與研究宏觀物體的機械運動的方法完全不同,要想去追尋每一個分子,用力學的方法研究它們的運動狀態(tài),既不可能,也無必要。熱現(xiàn)象的宏觀性質(zhì),是這些大量分子集體的運動的宏觀表現(xiàn),研究熱現(xiàn)象所采用的方法是統(tǒng)計方法。對于中學生來說,數(shù)學基礎(chǔ)有限,對于什么是統(tǒng)計平均尚不能真正理解,很多問題還不能進人定量階段,只能進行初步的定性討論。但對于一些基本的觀點和思想,必須向?qū)W生介紹,使他們在認識能力上有所提高,在學習方法上有所適應。

初中階段對熱現(xiàn)象的學習,主要是了解一些與生活密切相關(guān)的、常見的熱現(xiàn)象,包括溫度和常用的液體溫度計、溫度測量的基本方法、熱量傳遞的初步知識、比熱容和燃料燃燒值的概念和簡單計算、內(nèi)能的初步概念和對熱機的簡單介紹,也介紹了氣體動理論(分子運動論)的幾個基本觀點。對于固體、液體、氣體的性質(zhì)以及物質(zhì)狀態(tài)的變化,狀態(tài)變化過程中熱量的傳遞及內(nèi)能的變化等占用了較大的篇幅,并從分子熱運動的角度定性解釋有關(guān)現(xiàn)象,促使學生初步建立分子熱運動的圖像,初步領(lǐng)會分子無規(guī)則運動與物質(zhì)宏觀性質(zhì)間有著密切的聯(lián)系。初中階段的熱現(xiàn)象教學以定性為主,雖然在比熱和熱量計算方面有一定的計算問題,但重點決不應放在數(shù)學計算上。但也要注意另一種傾向,即不能因為熱學部分計算量少而輕視這部分的教學。

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