热学的研究对象及研究方法是什么？

热学的研究对象是由大量微观粒子组成的系统，研究和讨论的是物质的热运动及其与其他运动形式间的转化规律。它的宏观理论称为热力学，微观理论称为统计物理学，它们从不同的方面讨论与热现象有关的问题，前者讨论的是宏观物理量间的规律，后者则认为宏观物理性质是大量微观粒子运动的统计平均效果。

一切与物体冷热程度有关的现象，称为热现象。热学就是物理学中研究与热现象有关的部分，它的研究对象和研究方法都与力学有所不同。

一、热学的研究对象

热学的研究对象是由大量微观粒子（包括分子、原子、离子等）组成的系统。所谓热运动，从宏观上说，是组成该系统的大量微观粒子的无规则运动在总体上所表现出的一种运动形态，从微观上说，它是众多微观粒子的无规则运动，受热后它们的这种运动会加剧，这就是把它称为热运动的原因。

热运动是物质运动形态中的一种，它与物质的其他运动形态，例如机械运动、电磁运动、化学运动等，存在着广泛而深刻的联系。例如，物体受热后体积要膨胀，导体受热后电阻要增大，空气受热后传播声音的速度变大，磁体受热后磁性会消失等，这些都是物质受热后的宏观表现。热运动与其他运动形态之间的转化规律是热学的重要组成部分。

热学所研究和讨论的是物质的热运动及其与其他运动形态间的转化规律。

二、热学的研究方法

热学有两种研究方法，即从宏观的角度或从微观的角度进行研究，分别称为宏观理论和微观理论。宏观，一般是指线度大于 10⁻⁶ ~ 10⁻⁴ cm 范围内的物质系统所表现出来的现象；而微观，则是指线度小于 10⁻⁷ ~ 10⁻⁶ cm 的粒子（包括分子、原子、离子等）在微小范围内所发生的现象。描述宏观现象的物理量称为宏观量，如物体的温度、体积、压强、比热容等，描述微观现象的物理量称为微观量，如分子质量、分子速度、分子动能等，阿伏伽德罗常量 N_A = 6.022×10²³ mol⁻¹。1，它被称为联系宏观量与微观量的桥梁，是物理学中的一个重要常量。

从宏观的角度研究热现象，不涉及物质的微观结构，主要关注由观察和实验总结出来的宏观现象所遵循的基本规律，这套理论称为热力学。几个热力学定律是热力学的核心内容，中学阶段主要讲关于内能变化规律的热力学第一定律，并定性地说明实际宏观过程的不可逆性，这实际上是热力学第二定律。热力学的发展给热机的设计和制造提供了理论支持，从而有力地推动了以热机为主要动力的第一次工业革命，极大地提高了生产力，并改变了人类的社会结构。

从微观的角度研究热现象，即认为一切热现象都源于组成物质的大量微观粒子的无规则运动随冷热程度的不同而产生的平均效果。这套理论已经发展成为统计物理学，它与热力学的发展相辅相成，对热力学的结论做出了完满的解释，成为普遍的热力学原理的重要补充。

统计物理学理论的建立经过了一段漫长的过程，大约 17 世纪以后，人们在思考“热是什么”的问题时，便出现了一些定性的分子运动的假说，直到 1850 年前后，人们才普遍承认了热和分子运动的联系，并逐渐发展成为定量的理论，这个理论称为分子运动论，或者分子动理论，它的主要观点是三个，高中物理在热学部分一开始就予以讲述：①宏观物体都是由大量不连续的微观粒子组成的，一般把它们称为分子（这里所说的分子，与化学中所说的分子含义不同，它包括分子、原子、离子等各种组成物质的微粒），分子间存在着间隙；②分子都在不停地做无规则的运动，这种运动在物体受热后变得更为激烈；③分子间存在着相互作用的引力和斥力，引力和斥力都随距离的增加而急剧减小，因此它们都是短程力，但分子间的距离增加时，斥力减小得比引力减小得更快，当两个分子的距离为某一值时，引力与斥力大小相等，合力为零，这个位置称为两个分子的平衡位置，当二者的距离小于这个距离时，分子间的作用力表现为斥力，而当二者的距离大于这个距离时，分子间的作用力表现为引力，当二者距离大于平衡位置距离的 10 倍以上时，分子间的相互作用力完全可以忽略。

其实，分子运动论还有一个重要的观点，简称为统计观点，即认为大量分子这种无规则运动的统计规律，可似解释宏观物体的一系列与冷热有关的性质，即物质的宏观性质是大量微观粒子运动的平均效果，例如分子动能是微观量，而大量分子的平均平动动能，就决定了温度这个宏观量。一般来说，宏观物理量是微观量的统计平均值。中学阶段不讲统计平均这个概念，因此没有明确地把这个观点写出来，但委婉地表达了这个意思。

三、用分子运动论的观点定性解释物体的热膨胀

中学物理是基础教育的一部分，不能详细讲述热力学及统计物理学的完整理论，也不严格区分宏观理论和微观理论，而是从一开始就把二者结合在一起，用分子运动的基本观点解释遇到的宏观问题，只不过更多的是定性的讨论。

下面我们利用学习过的热学知识定性地解释物体的热膨胀现象。图 1 中的实线是分子的势能曲线，虚线是分子的作用力曲线，其中 r = r₀ 处表示的是两分子间的平衡位置，这时分子间的作用力（引力和斥力的合力）为零，相应地，该处为两分子组成的系统的势能（分子势能）的最低点。作用力曲线的最低点，即分子引力的最大值处，对应着分子势能曲线的拐点，如果在该处作一条分子势能曲线的切线，则该曲线分别位于切线的两侧。

固体有一定的体积和形状，这是因为固体的分子都在其平衡位置附近做无规则振动，液体分子也基本在自己的平衡位置附近振动，只是它们振动一段时间后会发生移动，因此液体的体积虽然一定，形状却不固定。

做振动的分子，在平衡位置时的势能最小而动能最大，而温度是分子平均平动动能的标志，因此温度升高，分子的平均动能变大。分子在平衡位置时的动能变大，则它振动所到达的最大位移随之变大。从分子的势能曲线可以看出，它关于 r = r₀ 的竖直线不对称，即左边较陡而右边较缓，表示振动过程中，偏离平衡位置的距离变近得较少而距离变远得较多，这样两分子间的平均距离就随温度的升高而变大，因此物体的体积随温度的升高而变大，这就是对热膨胀的通俗的解释。

发布时间：2024/10/5 上午9:33:41  阅读次数：991