物理熱學知識複習資料

1.熱學小知識：無需燃料的船

文章摘要：一艘船是否可以不需煤或石油，採用下面的方法加熱鍋爐並帶動自身前進。將温暖的海水抽進來，從中吸取熱量並集中到鍋爐，然後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成了冰。這種無需燃料的船存在嗎？答案是否定的。…

思考一下這個問題：一艘船是否可以不需煤或石油，採用下面的方法加熱鍋爐並帶動自身前進。將温暖的海水抽進來，從中吸取熱量並集中到鍋爐，然後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成了冰。

第一個問題是：這種設想違反能量守恆定律嗎？答案是否。

上述設想並不違背能量守恆，因為鍋爐裏的熱量是從設想的海水那兒得來的，我們並未創造能量，只是使能量由一個物體（水）轉移到另一物體（鍋爐）而已。

第二個問題：這種設想可行嗎？答案仍是否。

如果它可行，我們早就這樣做了，但我們發現這種情況在我們的生活中是不可能發生的。物理定律是從人類的總體經驗中總結出來的。這類過程不可能發生的結論來自熱力學第二定律。熱量總是由高温處傳遞到低温處，它自己無法從温暖的海水裏轉移到温度高得多的鍋爐裏，如同一個球不可能自己向上滾一樣。熱量可以在外力作用下由低温處轉移到高温處——冰箱便是如此。但迫使熱量由低温處轉移到高温處需要能量，且這個能量必定大於鍋爐獲得的能量。

船的世界就是海面。如果整個世界温度相同、那麼無論温度多高，無論這個世界上的熱能有多少，都無法將其變為功。

2.熱學小知識：黑白金屬

文章摘要：我們知道一個好的吸收器必是一個很好的輻射器。在白色表面上，對於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。一個好的反射體卻是一個很糟的輻射體。黑白表面之間的能量流是相等的，因為白色表面輻射較少是由它反射較多熱量來補償的。

黑色金屬

表面一黑一白，大小相同的兩塊金屬都加熱到 500℃，哪個輻射的能量多？是黑色。設想你有一個密封的盒子加熱到 500℃，盒內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，一部分由後者輻射到前者。這兩部分必定相等，否則散發熱量多的一邊將很快變得比另一邊冷。淨能量自動地由低温處流向高温處是不可能的。表面是黑色的一側，能把所有的輻射到它上面的熱量都吸收，若物體温度保持恆定，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。

我們知道一個好的吸收器必是一個很好的輻射器。在白色表面上，對於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。一個好的反射體卻是一個很糟的輻射體。黑白表面之間的能量流是相等的，因為白色表面輻射較少是由它反射較多熱量來補償的。由此我們得出在 500℃時，黑色金屬比白色金屬輻射的熱量多。這便是為什麼好的散熱器表面總要塗成黑色。

另外，如果白色表面被破壞了，它的反射能力就會減弱。相應就會吸收更多的輻射。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，這樣它對熱輻射的吸收應該同黑色表面一樣。它就和黑色表面起一樣的作用，這就意味着它應和黑色表面一樣輻射能量。

我們是怎樣改變白色表面的呢？我們在白色表面上刻下許多劃痕，當劃痕很深時，它們就象小空腔一樣起到能隔住進入其中的輻射作用。大部分進入空腔的輻射是不能被反射出來的，它們最終被吸收了，空腔起了輻射陷阱的作用。事實上，無論空腔是由金、銀、銅、鐵，還是碳製成的，它們的效果都如同黑色的空腔。設想在一個陽光燦爛的日子裏，有一幢敞開窗户的房子。敞開的窗子便是一個空腔，無論房間裏的牆壁塗成什麼顏色（銀白、金黃等等），從外面看去，房間裏是黑色的。

3.熱學小知識：温度有條“底線”

文章摘要：有了温度計，人們可以更深入、更準確地研究熱。最初，科學家們認為熱是一種單獨存在的物質。這個理論被稱為“熱質説”。這種説法把傳熱過程看作是“熱質”的流動過程，並且產生了“熱質守恆定律”。這種學説沒法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰。…

“布莫讓星雲”是宇宙中已知最冷的地方。有了温度計，人們可以更深入、更準確地研究熱。最初，科學家們認為熱是一種單獨存在的物質。這個理論被稱為“熱質説”。這種説法把傳熱過程看作是“熱質”的流動過程，並且產生了“熱質守恆定律”。這種學説沒法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰。

1798年，英國物理學家倫福德通過摩擦生熱的實驗提出熱是物質的一種運動形式。1799年，英國科學家戴維的冰摩擦生水的實驗更推翻了熱質説。現在，科學家已經確認熱不是一種單獨的物質，而是物質內粒子無規則運動造成的現象，而温度正是度量這種無規則運動強度的方法。所以，我們可以這樣粗略地理解温度：温度高就説明物質內粒子無規則運動速度大，反之説明物質內無規則運動速度小。實際上，物質內粒子的運動速度並不相同，温度是“粒子運動激烈程度（動能）平均值的一個指標”。它是一個相當不容易理解的概念。

根據温度的定義，無論是攝氏温度還是華氏温度，它們的“零度”都不是真正的“零度”。因為在此温度下物體的粒子還在做着相當激烈的運動。那麼，温度有沒有最低值呢？科學家認為，這個最低温度確實存在，被稱為“絕對零度”，它等於-273.15℃.過，宇宙中沒有什麼地方是絕對零度，因為只要有物質，多少會受到周圍輻射等因素的作用而產生粒子的運動。宇宙中最冷的天體“布莫讓星雲”（Boomerang Nebula）的温度是-272℃.

同時，根據熱力學第三定律，熱量只能從温度高的物體傳到温度低的物體，要使物體降温到絕對零度，只能用低於這個温度的物體來吸取它的熱量，這肯定是不可能的，所以人工也沒法制造出絕對零度。現在，科學家只能製造出比絕對零度高出10-10攝氏度的低温。有“絕對零度”，就有“絕對温度”。絕對温度以絕對零度為零度，温度間隔和攝氏度一樣，其單位是開爾文（K），絕對温度等於攝氏温度加273.15.

4.熱學小知識：流星的軌跡

文章摘要：流星劃過天空產生的明亮的軌跡，有時可以保留幾秒鐘，而閃電在空中形成的閃光在幾分之一秒內即消失。產生這種現象的原因是：流星是在空氣稀薄的高空飛過，而閃電發生在氣壓很高的低空。

流星劃過天空產生的明亮的軌跡，有時可以保留幾秒鐘，而閃電在空中形成的閃光在幾分之一秒內即消失。產生這種現象的原因是：流星是在空氣稀薄的高空飛過，而閃電發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，它在空氣中運動很快而且能夠打掉空氣原子中的電子，從而形成一個等離子區。丟失電子的空氣或氣體原子構成了等離子區，它是由裸露的原子和自由電子共同組成的。等離子區過去也稱作電離氣。在大約一秒鐘量級的時間之內，自由電子再次與原子結合並釋放能量，這能量正是迫使它離開初始位置時所需的能量。在結合過程中的能量是流星尾巴發光的`能量來源。閃電也同樣形成一個等離子區，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），那裏氣壓很低，即空氣中原子相隔很遠，因此自由電子找到原子並與它結合而釋放能量需要一秒鐘左右，而閃電發生在低空，或許只有一兩英里高，近地面處氣壓很高，意味着空氣原子相距很近，因此自由電子只需幾分之一秒內就恢復為常規氣體。空氣變成等離子氣要從閃電中吸收能量。當等離子氣又恢復成空氣時將釋放出能量，如光、熱、聲。多數情況下，閃電中能量大於流星的能量，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，閃電呈現藍色，而流星呈黃色——這説明閃電的等離子區温度更高。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能形成的。但不管等離子氣是如何形成的，由它恢復成正常空氣所需時間是由自由電子找到它所要結合的原子所需的時間決定的。

5.熱學小知識：熱帶氣候

文章摘要：太陽升起時，氣温漸高，空氣就能容納更多的水汽，於是水就蒸發進入空氣中，此時，露水以及身上的汗水也就蒸發進入空氣中，這使你感到乾燥而涼爽——但為時不長，天氣將又是高温而悶熱了。這是為什麼呢？…

新奧爾良及海灣地區的夏季氣候高温而濕潤，在這種氣候裏，一天中什麼時間最舒服？答案是：太陽初升後氣温略有上升時。熱帶氣候不舒服的主要原因是潮濕。汗從你的皮膚上蒸發掉要帶走一些熱量，而使你降温，而如果空氣非常潮濕，其中水汽已飽和，那麼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由氣温決定，高氣温時空氣能含的水分更多些。太陽落山後，氣温逐漸降低，空氣所含水的能力減小，這種時候的空氣不利於你身上的汗水的蒸發。當氣温降得更低，空氣中的水汽便會冷凝出來，這就是夜晚的露水。

太陽升起時，氣温漸高，空氣就能容納更多的水汽，於是水就蒸發進入空氣中，此時，露水以及身上的汗水也就蒸發進入空氣中，這使你感到乾燥而涼爽——但為時不長，天氣將又是高温而悶熱了。

為什麼蒸發可以降温？因為液體中分子運動速度不同。例如，在20℃水中，水分子並不都是20℃，有些是30℃，有些是20℃，也有些是10℃，平均温度是20℃，哪種分子首先蒸發呢？運動速度快、或者説熱的分子，如30℃的，這樣就降低了平均温度的等級。留下的是20℃或10℃的分子，平均温度或許就降到15℃（這由液體中不同温度的分子相對數量決定）。因此，當高速或高温分子離開後，剩下的液體平均温度就降低了。

6.熱學小知識：圓盤的擴大

張開你想象的翅膀，設想我們稱作太陽的圓盤變得很大很大，並假定隨着圓盤的擴大，每一小部分的強度減弱，因此我們得到的總能量是不變的。現在假設這個大圓盤充滿了整個天空，於是沒有了晝夜之別，不管在任何地方都可在24小時內得到均勻的太陽光，而不是隻在白天。我們獲得的能量與太陽擴大之前是一樣的。假設上述情況真的發生了，那麼地球的平均温度將：不變。

在太陽擴大後，地球獲得的能量沒有變，地球温度必須保持足夠高，以便將從太陽獲得的能量輻射回空間中去，因此，即使太陽佈滿了整個天空，地球温度是不變的。但是，太陽的温度卻是要改變的。因此使同樣的能量分散，使它從一個大的面積上輻射出來，必然導致其温度下降。所以，隨着圓盤的擴大，它的温度會降低，太陽也就由黃色變為桔黃再變為紅色。

7.熱學小知識：熱望遠鏡

文章摘要：將温度計的水銀球插入襯有鋁箔的咖啡紙杯中，這就製成了一架熱望遠鏡。在一個涼爽乾燥、晴朗的夜裏，先將望遠鏡指向天空，讀出温度，然後再將望遠鏡指向地面，也讀出温度。你的結果表明：地面比天空熱。…

將温度計的水銀球插入襯有鋁箔的咖啡紙杯中，這就製成了一架熱望遠鏡。在一個涼爽乾燥、晴朗的夜裏，先將望遠鏡指向天空，讀出温度，然後再將望遠鏡指向地面，也讀出温度。你的結果表明：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）。當熱望遠鏡向下指時，一部分由地面回到天空中去的熱輻射（紅外線輻射）就進入其中，而當它指向天空時，是收集不到這種熱輻射的。

順便講一下，外層空間的温度僅高於絕對零度4度，僅有温度計和咖啡紙杯是無法測出這種低温輻射的。首先測出此温度的實驗工作者，由於他們的努力而獲得了諾貝爾獎。