物理熱學(xué)知識(shí)復(fù)習(xí)資料
1.熱學(xué)小知識(shí)：無(wú)需燃料的船
文章摘要：一艘船是否可以不需煤或石油，采用下面的方法加熱鍋爐并帶動(dòng)自身前進(jìn)。將溫暖的海水抽進(jìn)來(lái)，從中吸取熱量并集中到鍋爐，然后將冷卻的海水排入大洋。如果從水中吸收的熱量足夠多，那末排出的海水很可能結(jié)成了冰。這種無(wú)需燃料的船存在嗎？答案是否定的�！�
思考一下這個(gè)問(wèn)題：一艘船是否可以不需煤或石油，采用下面的方法加熱鍋爐并帶動(dòng)自身前進(jìn)。將溫暖的海水抽進(jìn)來(lái)，從中吸取熱量并集中到鍋爐，然后將冷卻的海水排入大洋。如果從水中吸收的熱量足夠多，那末排出的海水很可能結(jié)成了冰。
第一個(gè)問(wèn)題是：這種設(shè)想違反能量守恒定律嗎？答案是否。
上述設(shè)想并不違背能量守恒，因?yàn)殄仩t里的熱量是從設(shè)想的海水那兒得來(lái)的，我們并未創(chuàng)造能量，只是使能量由一個(gè)物體（水）轉(zhuǎn)移到另一物體（鍋爐）而已。
第二個(gè)問(wèn)題：這種設(shè)想可行嗎？答案仍是否。
如果它可行，我們?cè)缇瓦@樣做了，但我們發(fā)現(xiàn)這種情況在我們的生活中是不可能發(fā)生的。物理定律是從人類的總體經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的。這類過(guò)程不可能發(fā)生的結(jié)論來(lái)自熱力學(xué)第二定律。熱量總是由高溫處傳遞到低溫處，它自己無(wú)法從溫暖的海水里轉(zhuǎn)移到溫度高得多的鍋爐里，如同一個(gè)球不可能自己向上滾一樣。熱量可以在外力作用下由低溫處轉(zhuǎn)移到高溫處——冰箱便是如此。但迫使熱量由低溫處轉(zhuǎn)移到高溫處需要能量，且這個(gè)能量必定大于鍋爐獲得的能量。
船的世界就是海面。如果整個(gè)世界溫度相同、那么無(wú)論溫度多高，無(wú)論這個(gè)世界上的熱能有多少，都無(wú)法將其變?yōu)楣Α?/p>
2.熱學(xué)小知識(shí)：黑白金屬
文章摘要：我們知道一個(gè)好的吸收器必是一個(gè)很好的輻射器。在白色表面上，對(duì)于輻射到其上的熱量大部分將被反射，而只吸收一小部分。因此它輻射的熱量也少。一個(gè)好的反射體卻是一個(gè)很糟的輻射體。黑白表面之間的能量流是相等的，因?yàn)榘咨砻孑椛漭^少是由它反射較多熱量來(lái)補(bǔ)償?shù)摹?/p>
黑色金屬
表面一黑一白，大小相同的兩塊金屬都加熱到 500℃，哪個(gè)輻射的能量多？是黑色。設(shè)想你有一個(gè)密封的盒子加熱到 500℃，盒內(nèi)一半襯有表面是黑色的金屬，一半襯有表面白色的金屬，兩者不接觸，所以它們只有通過(guò)輻射交換熱量。一部分熱量由黑金屬塊輻射到金屬塊，一部分由后者輻射到前者。這兩部分必定相等，否則散發(fā)熱量多的一邊將很快變得比另一邊冷。凈能量自動(dòng)地由低溫處流向高溫處是不可能的。表面是黑色的一側(cè)，能把所有的輻射到它上面的熱量都吸收，若物體溫度保持恒定，它將輻射出同樣多的熱量——物體表面吸收的熱量與其放出的相同。
我們知道一個(gè)好的吸收器必是一個(gè)很好的輻射器。在白色表面上，對(duì)于輻射到其上的熱量大部分將被反射，而只吸收一小部分。因此它輻射的熱量也少。一個(gè)好的反射體卻是一個(gè)很糟的輻射體。黑白表面之間的能量流是相等的，因?yàn)榘咨砻孑椛漭^少是由它反射較多熱量來(lái)補(bǔ)償?shù)摹Ｓ纱宋覀兊贸鲈?500℃時(shí)，黑色金屬比白色金屬輻射的熱量多。這便是為什么好的散熱器表面總要涂成黑色。
另外，如果白色表面被破壞了，它的反射能力就會(huì)減弱。相應(yīng)就會(huì)吸收更多的輻射。如果我們將白色表面破壞得使它的反射能力和黑色表面一樣，這樣它對(duì)熱輻射的吸收應(yīng)該同黑色表面一樣。它就和黑色表面起一樣的作用，這就意味著它應(yīng)和黑色表面一樣輻射能量。
我們是怎樣改變白色表面的呢？我們?cè)诎咨砻嫔峡滔略S多劃痕，當(dāng)劃痕很深時(shí)，它們就象小空腔一樣起到能隔住進(jìn)入其中的輻射作用。大部分進(jìn)入空腔的輻射是不能被反射出來(lái)的，它們最終被吸收了，空腔起了輻射陷阱的作用。事實(shí)上，無(wú)論空腔是由金、銀、銅、鐵，還是碳制成的，它們的效果都如同黑色的空腔。設(shè)想在一個(gè)陽(yáng)光燦爛的日子里，有一幢敞開窗戶的房子。敞開的窗子便是一個(gè)空腔，無(wú)論房間里的墻壁涂成什么顏色（銀白、金黃等等），從外面看去，房間里是黑色的。
3.熱學(xué)小知識(shí)：溫度有條“底線”
文章摘要：有了溫度計(jì)，人們可以更深入、更準(zhǔn)確地研究熱。最初，科學(xué)家們認(rèn)為熱是一種單獨(dú)存在的物質(zhì)。這個(gè)理論被稱為“熱質(zhì)說(shuō)”。這種說(shuō)法把傳熱過(guò)程看作是“熱質(zhì)”的流動(dòng)過(guò)程，并且產(chǎn)生了“熱質(zhì)守恒定律”。這種學(xué)說(shuō)沒(méi)法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰(zhàn)�！�
“布莫讓星云”是宇宙中已知最冷的地方。有了溫度計(jì)，人們可以更深入、更準(zhǔn)確地研究熱。最初，科學(xué)家們認(rèn)為熱是一種單獨(dú)存在的物質(zhì)。這個(gè)理論被稱為“熱質(zhì)說(shuō)”。這種說(shuō)法把傳熱過(guò)程看作是“熱質(zhì)”的流動(dòng)過(guò)程，并且產(chǎn)生了“熱質(zhì)守恒定律”。這種學(xué)說(shuō)沒(méi)法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰(zhàn)。
1798年，英國(guó)物理學(xué)家倫福德通過(guò)摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)提出熱是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式。1799年，英國(guó)科學(xué)家戴維的冰摩擦生水的實(shí)驗(yàn)更推翻了熱質(zhì)說(shuō)。現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)熱不是一種單獨(dú)的物質(zhì)，而是物質(zhì)內(nèi)粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的現(xiàn)象，而溫度正是度量這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的方法。所以，我們可以這樣粗略地理解溫度：溫度高就說(shuō)明物質(zhì)內(nèi)粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)速度大，反之說(shuō)明物質(zhì)內(nèi)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)速度小。實(shí)際上，物質(zhì)內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)速度并不相同，溫度是“粒子運(yùn)動(dòng)激烈程度（動(dòng)能）平均值的一個(gè)指標(biāo)”。它是一個(gè)相當(dāng)不容易理解的概念。
根據(jù)溫度的`定義，無(wú)論是攝氏溫度還是華氏溫度，它們的“零度”都不是真正的“零度”。因?yàn)樵诖藴囟认挛矬w的粒子還在做著相當(dāng)激烈的運(yùn)動(dòng)。那么，溫度有沒(méi)有最低值呢？科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)最低溫度確實(shí)存在，被稱為“絕對(duì)零度”，它等于-273.15℃.過(guò)，宇宙中沒(méi)有什么地方是絕對(duì)零度，因?yàn)橹灰形镔|(zhì)，多少會(huì)受到周圍輻射等因素的作用而產(chǎn)生粒子的運(yùn)動(dòng)。宇宙中最冷的天體“布莫讓星云”（Boomerang Nebula）的溫度是-272℃.
同時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第三定律，熱量只能從溫度高的物體傳到溫度低的物體，要使物體降溫到絕對(duì)零度，只能用低于這個(gè)溫度的物體來(lái)吸取它的熱量，這肯定是不可能的，所以人工也沒(méi)法制造出絕對(duì)零度。現(xiàn)在，科學(xué)家只能制造出比絕對(duì)零度高出10-10攝氏度的低溫。有“絕對(duì)零度”，就有“絕對(duì)溫度”。絕對(duì)溫度以絕對(duì)零度為零度，溫度間隔和攝氏度一樣，其單位是開爾文（K），絕對(duì)溫度等于攝氏溫度加273.15.
4.熱學(xué)小知識(shí)：流星的軌跡
文章摘要：流星劃過(guò)天空產(chǎn)生的明亮的軌跡，有時(shí)可以保留幾秒鐘，而閃電在空中形成的閃光在幾分之一秒內(nèi)即消失。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：流星是在空氣稀薄的高空飛過(guò)，而閃電發(fā)生在氣壓很高的低空。
流星劃過(guò)天空產(chǎn)生的明亮的軌跡，有時(shí)可以保留幾秒鐘，而閃電在空中形成的閃光在幾分之一秒內(nèi)即消失。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：流星是在空氣稀薄的高空飛過(guò)，而閃電發(fā)生在氣壓很高的低空。
流星通常是宇宙空間闖入地球大氣層的宇宙砂粒，它在空氣中運(yùn)動(dòng)很快而且能夠打掉空氣原子中的電子，從而形成一個(gè)等離子區(qū)。丟失電子的空氣或氣體原子構(gòu)成了等離子區(qū)，它是由裸露的原子和自由電子共同組成的。等離子區(qū)過(guò)去也稱作電離氣。在大約一秒鐘量級(jí)的時(shí)間之內(nèi)，自由電子再次與原子結(jié)合并釋放能量，這能量正是迫使它離開初始位置時(shí)所需的能量。在結(jié)合過(guò)程中的能量是流星尾巴發(fā)光的能量來(lái)源。閃電也同樣形成一個(gè)等離子區(qū)，它是由形成閃電電流的電子將原子中的電子打掉而形成的。
流星在大氣層的高處（也許二十里），那里氣壓很低，即空氣中原子相隔很遠(yuǎn)，因此自由電子找到原子并與它結(jié)合而釋放能量需要一秒鐘左右，而閃電發(fā)生在低空，或許只有一兩英里高，近地面處氣壓很高，意味著空氣原子相距很近，因此自由電子只需幾分之一秒內(nèi)就恢復(fù)為常規(guī)氣體�？諝庾兂傻入x子氣要從閃電中吸收能量。當(dāng)?shù)入x子氣又恢復(fù)成空氣時(shí)將釋放出能量，如光、熱、聲。多數(shù)情況下，閃電中能量大于流星的能量，而且閃電釋放能量的速度更快些，因此閃電放出的功率將比流星大。再者，閃電呈現(xiàn)藍(lán)色，而流星呈黃色——這說(shuō)明閃電的等離子區(qū)溫度更高。閃電的等子氣是由電能形成的，流星尾部的等離子氣是由流星體的動(dòng)能形成的。但不管等離子氣是如何形成的，由它恢復(fù)成正�？諝馑钑r(shí)間是由自由電子找到它所要結(jié)合的原子所需的時(shí)間決定的。
5.熱學(xué)小知識(shí)：熱帶氣候
文章摘要：太陽(yáng)升起時(shí)，氣溫漸高，空氣就能容納更多的水汽，于是水就蒸發(fā)進(jìn)入空氣中，此時(shí)，露水以及身上的汗水也就蒸發(fā)進(jìn)入空氣中，這使你感到干燥而涼爽——但為時(shí)不長(zhǎng)，天氣將又是高溫而悶熱了。這是為什么呢？…
新奧爾良及海灣地區(qū)的夏季氣候高溫而濕潤(rùn)，在這種氣候里，一天中什么時(shí)間最舒服？答案是：太陽(yáng)初升后氣溫略有上升時(shí)。熱帶氣候不舒服的主要原因是潮濕。汗從你的皮膚上蒸發(fā)掉要帶走一些熱量，而使你降溫，而如果空氣非常潮濕，其中水汽已飽和，那么汗就要留在你的皮膚上。一立方米空氣所能含有的水的克數(shù)由氣溫決定，高氣溫時(shí)空氣能含的水分更多些。太陽(yáng)落山后，氣溫逐漸降低，空氣所含水的能力減小，這種時(shí)候的空氣不利于你身上的汗水的蒸發(fā)。當(dāng)氣溫降得更低，空氣中的水汽便會(huì)冷凝出來(lái)，這就是夜晚的露水。
太陽(yáng)升起時(shí)，氣溫漸高，空氣就能容納更多的水汽，于是水就蒸發(fā)進(jìn)入空氣中，此時(shí)，露水以及身上的汗水也就蒸發(fā)進(jìn)入空氣中，這使你感到干燥而涼爽——但為時(shí)不長(zhǎng)，天氣將又是高溫而悶熱了。
為什么蒸發(fā)可以降溫？因?yàn)橐后w中分子運(yùn)動(dòng)速度不同。例如，在20℃水中，水分子并不都是20℃，有些是30℃，有些是20℃，也有些是10℃，平均溫度是20℃，哪種分子首先蒸發(fā)呢？運(yùn)動(dòng)速度快、或者說(shuō)熱的分子，如30℃的，這樣就降低了平均溫度的等級(jí)。留下的是20℃或10℃的分子，平均溫度或許就降到15℃（這由液體中不同溫度的分子相對(duì)數(shù)量決定）。因此，當(dāng)高速或高溫分子離開后，剩下的液體平均溫度就降低了。
6.熱學(xué)小知識(shí)：圓盤的擴(kuò)大
張開你想象的翅膀，設(shè)想我們稱作太陽(yáng)的圓盤變得很大很大，并假定隨著圓盤的擴(kuò)大，每一小部分的強(qiáng)度減弱，因此我們得到的總能量是不變的�，F(xiàn)在假設(shè)這個(gè)大圓盤充滿了整個(gè)天空，于是沒(méi)有了晝夜之別，不管在任何地方都可在24小時(shí)內(nèi)得到均勻的太陽(yáng)光，而不是只在白天。我們獲得的能量與太陽(yáng)擴(kuò)大之前是一樣的。假設(shè)上述情況真的發(fā)生了，那么地球的平均溫度將：不變。
在太陽(yáng)擴(kuò)大后，地球獲得的能量沒(méi)有變，地球溫度必須保持足夠高，以便將從太陽(yáng)獲得的能量輻射回空間中去，因此，即使太陽(yáng)布滿了整個(gè)天空，地球溫度是不變的。但是，太陽(yáng)的溫度卻是要改變的。因此使同樣的能量分散，使它從一個(gè)大的面積上輻射出來(lái)，必然導(dǎo)致其溫度下降。所以，隨著圓盤的擴(kuò)大，它的溫度會(huì)降低，太陽(yáng)也就由黃色變?yōu)榻埸S再變?yōu)榧t色。
7.熱學(xué)小知識(shí)：熱望遠(yuǎn)鏡
文章摘要：將溫度計(jì)的水銀球插入襯有鋁箔的咖啡紙杯中，這就制成了一架熱望遠(yuǎn)鏡。在一個(gè)涼爽干燥、晴朗的夜里，先將望遠(yuǎn)鏡指向天空，讀出溫度，然后再將望遠(yuǎn)鏡指向地面，也讀出溫度。你的結(jié)果表明：地面比天空熱�！�
將溫度計(jì)的水銀球插入襯有鋁箔的咖啡紙杯中，這就制成了一架熱望遠(yuǎn)鏡。在一個(gè)涼爽干燥、晴朗的夜里，先將望遠(yuǎn)鏡指向天空，讀出溫度，然后再將望遠(yuǎn)鏡指向地面，也讀出溫度。你的結(jié)果表明：地面比天空熱；夜晚，地面將白天獲得的熱量輻射回到空間中去。（否則，地面將一天比一天熱）。當(dāng)熱望遠(yuǎn)鏡向下指時(shí)，一部分由地面回到天空中去的熱輻射（紅外線輻射）就進(jìn)入其中，而當(dāng)它指向天空時(shí)，是收集不到這種熱輻射的。
順便講一下，外層空間的溫度僅高于絕對(duì)零度4度，僅有溫度計(jì)和咖啡紙杯是無(wú)法測(cè)出這種低溫輻射的。首先測(cè)出此溫度的實(shí)驗(yàn)工作者，由于他們的努力而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
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