關于熱力學系統(tǒng)作功問題的探討

王志紅　李衛(wèi)平

摘要：本文詳細闡述了熱力學第一定律中關于系統(tǒng)的功和內能增量與參考系的關系，得出了這兩個物理量與參考系無關的結論，又推出熱力學第一定律的運用與參考系無關的結論。從而使中學生加深對功及能量守恒定律的理解。

關鍵詞：熱力學系統(tǒng)；功；內能增量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2009)4(S)-0039-2

0 引言

力學中的力所做的功，相對不同的慣性參考系其值可能不同。所以，力學中涉及功時，一般須指明參考系。熱力學第一定律反映的是熱力學系統(tǒng)與外界的能量交換關系。無論是中學物理教材，還是大學物理教材，都強調熱力學系統(tǒng)做的功與系統(tǒng)所經歷的過程有關，在計算過程中，并沒有特別指明參考系。為什么對參考系的選取不加以說明?是否與參考系的選擇無關?

對熱力學系統(tǒng)的“內能”，高中物理教材中說的是“物體中所有分子的熱運動的動能和分子勢能的總和”。［1］仍然沒有明確說明其中分子熱運動的動能和勢能的參照系。有些大學物理教材特別指出是相對質心參考系而言的：“在討論熱學規(guī)律時，將不考慮或忽略物體的整體運動，而只是在物體，即質心參考系中來分析問題?！崩碛墒牵骸盁釋W是在物質結構的分子層次上研究熱現(xiàn)象規(guī)律，它只涉及系統(tǒng)內分子的無規(guī)則運動，對質心參考系來說，系統(tǒng)內不存在任何分子集體的宏觀運動”。［2］對此，學生會產生這樣的疑惑：當熱力學系統(tǒng)有一個宏觀的運動時，內能是否也是對質心參考系而言的?內能增量是否也必須對質心參考系而言?

在中學物理教學中通過對上述問題的解決，可以幫助學生更深刻地理解功的內涵及外延，幫助學生進一步理解熱力學第一定律和能量守恒與轉化定律；擴展對經典分子運動論的認識，初步理解熱學中的微觀解釋方法，理解宏觀與微觀的聯(lián)系。

1 熱力學系統(tǒng)的功和內能增量與參考系的關系

1．1 熱力學系統(tǒng)的功與參考系無關

以理想氣體膨脹作功為例進行說明，如圖1所示。

設有一絕熱氣缸中裝有一定質量的理想氣體，其中氣體的壓強為p，活塞的面積為S，氣缸相對地面以速度v向右做勻速直線運動，同時，氣體膨脹作功。設活塞可以無摩擦地滑動，活塞在Δt時間內相對氣缸移動了Δs。