宁波住房公积金:关于热能的问题

“热能”究竟是什么？
林飞达

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关于初中自然科学中的重要概念“热能”的涵义，存在着两种不同的看法：一种认为，热能是物体内大量分子无规则运动的动能和分子之间相互作用的势能的总和，即内能；另一种则认为，热能只是物体内大量分子无规则运动的动能。
浙江省初中《自然科学》课本及相应的《教学参考书》对这个问题也没有明确的阐述。
课本中《热能》一节中指出：“物体内大量分子做无规则运动具有的能叫热能”。这里“热能”既可以理解成分子动能和势能和总和，即内能，也可以理解成只是分子的动能。接着课本指出：“物体的温度越高，热能越大。”这里的“热能”似乎只是指分子的动能，因为跟分子热运动相联系的是分子的动能。接着在“热传递改变物体热能”一段里又指出：“物体吸收热量，热能增大；物体放出热量，热能减小”。这个“热能”则应该理解成内能，因为物体吸收或放出热量时，温度不一定改变，所以分子的动能也不一定改变，改变的是物体的内能。
《教学参考书》的《热能和化学能》一章的“本章概述”中指出：“本章上承机械运动和机械能，下接电磁运动和电能，讨论是物体的内能，主要学习热能和化学能”。显然作者把“内能”和“热能”看作两个不同的概念。接着在“参考资料”中说：“热能有两个含义：一是内能；二是物体内大量分子无规则运动的动能。在初中阶段，要求不十分严格的情况下，编者未用内能这个准确概念，而含糊地用热能这个名词，实际涵义指前者（内能）”。
这样，由于对“热能”的不同理解，会对同一个问题作出截然相反的回答。例如，晶体熔化时热能是否改变？如果认为是前者，则晶体在熔化时要吸收热量，转化为物体的热能，物体的热能增大；如果认为是后者，晶体在熔化时温度不变，分子的平均动能不变，则物体的热能不变。对教学造成一定的混乱。
那么，究竟应该怎样来理解“热能”这个概念呢？下面是笔者的一些不成熟的看法，提出来和各同行们讨论。
“热能”是一种通俗说法。通常把热能看作是能量的一种形式，可以和机械能、电能、化学能等其它形式的能相互转化。例如，物体克服摩擦力做功时，机械能转化为热能；气体膨胀对外做功时，热能转化为机械能。在这些现象中，一般情况下物体的温度和体积会同时改变，热能应包括分子无规则运动的动能和分子之间相互作用势能的。
“热能”作为一个宏观物理量，必须具有确定的值，并且可以用实验进行测定，否则将是毫无意义的。而分子的动能是无法被单独测定的，只有跟分子热能一起测定，即可以进行测定的是物体的内能。内能的大小可由热力学第一定律来确定：物体内能的变化等于物体吸收的热量和外界对物体所做的功之和。物体吸收的热量和外界对物体所做的功都可以由实验测定，有确定的值，因此内能的变化也有确定的值，若选取物体的某个状态的内能为零，这样任意状态物体的内能也就确定了。这样定义的内能才有明确的物理意义。而“物体的内能就是分子的动能和分子的势能总和”只是对内能的微观解释，并不反映物体的内能跟分子的动能和分子势能之间的数量关系，宏观上决不能把分子的动能或分子的势能看作是一个独立的物理量。因为分子的动能或分子势能无法用实验单独测定，没有确定的值。这一点“热能”和“机械能”有明显的区别，物体的机械能等于动能和势能之和，反映了机械能跟动能和势能之间的数量关系，物体的动能和势能都可以单独测定，是独立的物理量，也可以看作是能量的形式。而分子的动能和势能则不能。
下面，我们从《自然科学》里《热能》一节的教学内容来分析一下“热能”的涵义。这一节的教学内容主要有两点：
1、热能的概念。
2、改变热能的方法：做功和热传递。
不难看出，第2点实际上就是热力学第一定律的雏形，热力学第一定律是物质运动的基本规律之一，是能的转化和守恒定律的数学形式。不仅在物理学，还在化学，乃至在整个自然科学里面都有十分重要的意义。尽管在初中阶段还不能定量地讨论这一规律，但通过这一节的教学。可以让学生了解热力学第一定律的基本思想，应用这些初步知识可以解决一些简单的实际问题，并为今后的进一步学习打下基础，这是十分必要的，是这一节内容的重点。如果把热能理解成仅仅是分子无规则运动的动能，那么做功和热传递改变的仅仅是分子的动能，显然违反了热力学第一定律，是不科学的。
综上所述，笔者以为“热能”应该理解成分子无规则运动的动能和分子相互作用的势能的总和，即把热能看作是内能的通俗说法。
那么是不是应该用科学概念“内能”来代替不严格的说法“热能”呢？目前，许多初中物理教材已用“内能”代替了原来的“热能”。笔者认为，这也是不合适的。因为在初中阶段，没有学习分子的势能，也就无法理解内能的真正涵义，而采用“内能”这一名词，无疑会大大增加理解的难度，而对学习热力学初步知识，即教材中改变热能的方法没有丝毫的好处，因此是不足取的。
笔者以为，在初中阶段，还是应采用“热能”这个通俗说法，具体的教学内容应限于物体热能的变化只是由于温度的变化即分子动能变化而变化的，不应该涉及分子势能发生变化的问题。如物态变化时热能的改变问题，由于涉及分子势能的改变，显然超出了初中的教学要求，教学中应当避免。到了高中，学习了分子的势能后，再引进“内能”这个科学的概念，就水到渠成了，同时指出我们在初中时候学习的热能是内能的不严格的说法，使热能概念进一步深化，并且把初、高中的知识有机地衔接起来，符合由浅入深的教学原则。

注：此文发表于《浙江教学研究》1999年第4期