热力学第一定律论文经典范6篇之第六篇：热力学第一定律教学方法
摘要：热力学第一定律在热学中占有重要的地位， 但内容多而散， 知识点高度密集。文章依据内容之间的相互关系， 对一般教材中的准静态过程、热力学第一定律、功、热量、内能等有关问题进行了合理的重组， 中间穿插提出了一些教学心得， 以期对今后的教学有一定的价值。
关键词：热力学第一定律； 讲述；
Abstract:
Thermodynamics one laws occupy in the heat learn importance of position, but contents many but spread, knowledge point height intensive.This text according to the correlation of contents, the quasi-static state process, thermodynamics in the rightness general teaching material one laws, achievement, calories, inside ability etc.relevant the problem carried on reasonable of reorganization, in the center added to put forward some teaching insight, with period to aftertime of the teaching have certain of value.
Keyword:
Thermodynamics;First laws;Relate;
热学是研究热现象的理论， 热现象的理论主要由热力学宏观理论和统计物理学微观理论组成。而热力学第一定律掌握的好坏将直接影响到整个热力学宏观理论的学习， 以下笔者按重组的顺序展开讨论并穿插一些教学心得。
笔者讲授热力学第一定律的顺序是先讲准静态过程的模型， 再讲热力学第一定律， 然后讲内能、功和热量， 最后讲理想气体的性质和热力学第一定律对理想气体等值过程的应用。那么， 笔者为什么这样安排呢？
1 关于建立准静态过程的模型
首先是建立一个准静态过程的模型， 主要是考虑到全体学生的知识建构能力， 研究力学时需要建立模型， 如平动时需要建立质点模型， 转动时要建立刚体模型；振动时要建立弹簧振子模型；波动时需要建立连续介质模型。同样， 研究过程需要建立一个过程模型， 即准静态过程。
准静态过程从微观的角度来讲， 为什么是准静态过程呢？例如汽缸膨胀时， 气体分子碰到活塞时， 反弹速度变慢， 则靠近活塞部分的压强小于活塞的压强， 反之， 汽缸压缩时， 气体分子碰到活塞时， 反弹速度变快， 则靠近活塞部分的压强大于活塞的压强， 因此可以总结：无限缓慢的过程为准静态过程。
又如， 升温时：方式一是直接升温；方式二是逐渐加热， 即当ΔT趋近于零时， 相当于有无数多个热源， 总而言之， 相当于过程非常缓慢， 无限缓慢的过程是准静态过程。
学习热力学第一定律之前， 让学生先在头脑中建构物理模型即准静态过程， 这样安排， 降低了学生学习热力学第一定律的难度。
文献[1,2,3,4]中关于准静态过程模型的建立部分的讲述与笔者的讲述有所不同。
2 关于热力学第一定律的讲解
讲解完准静态过程之后， 紧接着直接提出热力学第一定律， 这样安排的理由是众所周知的， 热力学第一定律的本质就是能量转化和守恒定律在热现象中的具体表现， 直接引入基本没有问题。热力学第一定律的一般形式为：U2-U1=Q+W, 微分形式为：dU=dQ+dW, 其中微分形式需要知道， 内能、功和热量的具体情况， 微分形式先交代一下， 以后学生会进一步向学习， 这里面有两个细节问题：式中"d"是假微分， 热量和功都是过程量；功和热量的正负号问题， 一般把功定义为外界对系统做的功， 而把热量定义为系统吸收的热量。
3 关于内能、功和热量部分
在讲完热力学第一定律以后， 热力学第一定律中的三个主要概念及其相关的问题进行讲述。
3.1 内能
这种安排比较合理， 内能的微观定义：内能从微观的角度可看成体积和温度的函数， 原因是分子热运动能决定于温度， 而分子势能决定于体积， 即内能是分子热运动能和分子势能的总合， 其中分子热运动能应该是平动动能、转动动能、振动动能及振动势能， 振动中振动动能和振动势能是相伴存在的， 这是一个容易被忽略的问题。
内能的宏观定义：U2-U1=W绝热利用绝热过程和过程无关的性质， 对一个确定的状态1, 给定一数值U1, 那么对于状态2, 我们可利用性质亦可给定一数值U2, U2-U1=W绝热， 按照这种办法， 可以建立一个状态与数值的对应关系， 这种对应关系就是函数， 由于这个函数的自变量是状态， 应变量是数值， 这样就建立了一个状态函数U, U的物理意义可通过表达式给出。
由于功是能量改变的量度， 而U2-U1就是能量差， 那么U就是能量， 外界作功改变了系统的内部状态， 这个功就应该是内能。
这种分析方法对学习热力学第一定律并不重要， 从微观的角度已经对内能有深刻地了解， 但是这种方法是热力学第二定律的学习熵的概念的唯一途径， 因为熵的物理意义并不能先从微观的角度直接搞清楚， 我们在这里先打个基础。
这里还存在两个漏洞， 一是两个状态并不能都从绝热过程联系起来， 定义不够完善；二是为什么能量只考虑分子这一层次呢。这两个问题可参考文献[5].
3.2 功
关于功的表示， 热学教材称为体积功， 元功的表达式为dW=-Fdx=PdV, 一般表达式为W=∫V2V1V1V2PdV.
功是个过程量， 当始末状态一定时， 过程不一样， 过程曲线下的面积不一样， 示功图 （P-V） 图， 曲线下所围的面积等于功的值， 因此功是个过程量。
dW 中的"d" 是假微分， 由于功是过程量。
3.3 几种等值的热容量
即等容过程、等压过程和绝热过程。
热容量的定义式是C=limΔQΔTC=limΔQΔΤ， 同速度的引入一样， 在一般的过程中， 温度变化的相同间隔内， 吸收的热量不一定相等， 它也是个过程量， 但直接看不出， 而是通过功看出来的， 因此用符号"dQ"表示。因为dU=dQ+dW中， 状态一定时， dW为过程量， dQ也为过程量。
cv=（limΔT→0ΔQΔT）V=（limΔT→0dQdT）Vcv=（limΔΤ→0ΔQΔΤ）V=（limΔΤ→0dQdΤ）V
在讲定压热容量时引入焓的概念， 它是个辅助物理量， 没有明确的物理意义， 即U+PV, 在化学工程技术中， 焓是个很重要的概念， 在一般的生产实践活动中是在自然条件下 （1个大气压下） 进行的， 在等压过程中， 焓的变化量就等于热量。
等温过程的热容量为∞、绝热过程的热容量为0.
4 关于理想气体的性质部分
我们把理想气体的所有性质都归纳进去了。
（1） 理想气体的状态方程：PV=γRT0.
（2） 焦耳实验， 体积变化， 内能未变化， 气体与体积变化无关， 内能是温度的单一函数， 即U=U （T） .
由于内能是分子热运动能和分子势能的总和， 温度不变意味着热运动能不变， 而上面的分析中整个内能是不变的， 所以分子势能也没变化， 而我们从微观角度来讲理想气体的定义， 不考虑分子间的相互作用力， 不考虑分子势能， 所以理想气体一定没有温度、分子势能的变化， 或者说不考虑分子势能的变化。
（3） 公式CV=dUdTCV=dUdΤ， 这个公式在讲解时不直接给出， 而是通过全微分推导的：dU=（？U?T）VdT+（？U?V）TdvdU=（？U?Τ）VdΤ+（？U?V）Τdv, CV=（？U?T）V=dUdTCV=（？U?Τ）V=dUdΤ。
为何进行这样的推导， 原因在于热力学第一定律在等值过程的应用当中内能的变化量写成dU=CVdT, 这里容易发生一个错误， 根据这个公式的形式， 学生总以为这是计算等容过程热容量的计算公式， 实际上它适合于任何过程的热容量的计算， 因为推导过程没有提到是哪一个过程， 因此它适合于任何过程。
（4） 迈耶关系， 即H=U+γRT, 其中比热比、CP和CV中的任何两项， 第三项就可知道。
（5） 温度变化不大， CP和CV可看作常数。
5 关于热力学第一定律对理想气体等值过程的应用
几本教材对这部分的推导基本一致， 基本公式有四个：dU=CVdT;dQ=CdT;dW=-PdV;dU=dQ+dW.
其中， 算出两个量后， 第三个量有两种方法， 一个是它自己的公式或用热力学第一定律。
其中公式dQ=CdT是如何得来的呢？
由定义式C=limΔQΔTC=limΔQΔΤ：极限并不一定是导数， 当因变量是状态量时极限存在， 当因变量是过程量时极限不存在。为了便于计算， 我们还是把它写成一个确定的公式， 仍然用微分公式来表达， 但是这个微分是个假微分， 其中的"假"用"d"来表示， 即C=dQdTC=dQdΤ。按难易顺序依次推导等容、等温和等压过程， 所有的教材基本雷同， 这里不再赘述， 对其中的绝热过程说明两点：其一是推导PVγ=C, 即
PV=γRTU2?U1=A→PdV+VdP=γRdTCVdF=?PdV?→？？？CV=γRγ？1PdV+VdPPdV=γ？1→dPP+γdVV=0→PVγ=CΡV=γRΤU2-U1=A→ΡdV+VdΡ=γRdΤCVdF=-ΡdV→CV=γRγ-1ΡdV+VdΡΡdV=γ-1→dΡΡ+γdVV=0→ΡVγ=C
推导它的意义是将公式PV=γRT; U2-U1=A;Q=0.改成微分形式表示小过程当中的dV, dP, dT的关系， 消去dT, 剩下dV, dP, 再积分， 为大过程中的V, P的关系。其二是绝热过程的推导：Q=0
W=?∫V2V1PdV=?P1Vγ1∫V2V1dVVγ=?P1Vγ1?γ？1（V?γ+12?V?γ+11）=P1V1γ？1[（V1V2）γ？1?1]=1γ？1（P2V2?P1V1）=CV（T2?T1）=U2?U1W=-∫V1V2ΡdV=-Ρ1V1γ∫V1V2dVVγ=-Ρ1V1γ-γ-1（V2-γ+1-V1-γ+1）=Ρ1V1γ-1[（V1V2）γ-1-1]=1γ-1（Ρ2V2-Ρ1V1）=CV（Τ2-Τ1）=U2-U1
推导后， 表明Q=0, 功整好等于内能的变化。
总之， 笔者讲授顺序与其它他几种教材的讲授顺序有所不同：与文献[1]的不同之处是：第一是把热功当量试验放在理想气体性质部分， 或把它与内能、焓、热容量等合起来作为理想气体性质。第二是直接引入热力学第一定律放到了功、内能、热量之前， 第三是将循环过程从第一定律中除去， 放到第二定律中；与文献[2,3,4]不同之处是， 第一点是把功、内能、焓、热容量等合起来讲。第二直接引入热力学第一定律放到了功、内能、热量之前， 第三将循环过程从第一定律中除去， 放到第二定律中。
笔者讲授顺序在实践教学中取得了一定的成效， 特别是讲解热力学第一定律之前首先建立了准静态过程的模型， 把多而零散的知识进行了有机地整合， 化解了学生知识建构的难度， 为学生很好地学习热力学第一定律提供了切实可行的科学性、条理性的方法。
参考文献
[1]黄淑清， 聂宜如， 申先甲。热学教程[M] （第二版） .北京：高等教育出版社， 1997-12:47-104.
[2] 汪志诚。热力学。统计物理[M] （第四版） .北京：高等教育出版社， 2008-12:3-27
[3]李椿， 章立源， 钱尚武。钱尚武， 章立源， 李椿修订。热学[M] （第二版） .北京：高等教育出版社， 2008-6:107-134.
[4]李平。热学[M] （第一版） .北京：北京师范大学出版社， 1987-6:51-87.
[5]魏蔚。内能的宏观定义及其层次性[J].新疆师范大学学报 （自然科学版） , 2009, （2） .
