摘 要：對“第三章 熱力學(xué)定律”的編寫意圖進(jìn)行梳理，明確說明章結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，展現(xiàn)教科書編寫的邏輯線索，深入挖掘教科書中關(guān)于學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí).在具體說明中，圍繞本章的具體內(nèi)容逐節(jié)細(xì)致說明并給出教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)定律;物理核心素養(yǎng);編寫說明

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0014-04

作者簡介：曹寶龍（1960-），男，浙江富陽人，博士，博士生導(dǎo)師，教授，中學(xué)正高級教師，中學(xué)特級教師，研究方向：學(xué)科教育（物理學(xué)、科學(xué)）與心理發(fā)展，教學(xué)管理與研究.

1 全章概述

本冊第一章、第二章學(xué)習(xí)了分子動理論和氣體、固體和液體，學(xué)生已經(jīng)掌握了分子動理論的基本規(guī)律和氣體、固體和液體的基本性質(zhì)和規(guī)律，本章學(xué)習(xí)熱力學(xué)定律.熱力學(xué)定律建立在對熱現(xiàn)象的研究基礎(chǔ)上，體現(xiàn)熱力學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)原理.本章以兩個(gè)熱力學(xué)定律為核心，定律一主要總結(jié)了系統(tǒng)內(nèi)能變化與做功、傳熱的關(guān)系，能量的轉(zhuǎn)化和守恒問題;定律二主要研究與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性問題.熱力學(xué)的宏觀研究路徑是觀察、實(shí)驗(yàn)以及對觀察、實(shí)驗(yàn)獲得的信息進(jìn)行分析、歸納和概括.因此，實(shí)驗(yàn)和觀察對于熱力學(xué)具有更加突出的意義.本章可以有效地培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力、歸納思維能力、宏觀現(xiàn)象的微觀解釋能力、運(yùn)用理論解決實(shí)際問題的能力.

本章共4節(jié)課文，其知識線索可分為四部分：第一是功、熱和內(nèi)能的改變（第1節(jié)），從熱力學(xué)的角度認(rèn)識功與能的關(guān)系，改變內(nèi)能的方式;第二是熱力學(xué)第一定律（第2節(jié)），介紹改變系統(tǒng)內(nèi)能與做功、傳熱之間的關(guān)系，并且對系統(tǒng)改變內(nèi)能進(jìn)行必要的計(jì)算與解釋;第三是能量守恒定律（第3節(jié)），介紹人類在長期的生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)研究中對運(yùn)動本質(zhì)的認(rèn)識，對能量觀念、能量守恒觀念的形成和發(fā)展過程，能量守恒定律的表達(dá)和永動機(jī)問題也進(jìn)行了重點(diǎn)闡述;第四是熱力學(xué)第二定律（第4節(jié)），介紹了熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述，同時(shí)介紹了能源的本質(zhì).

在初中物理（科學(xué)）中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過內(nèi)能概念和改變內(nèi)能的兩種方式等知識，但高中物理在初中內(nèi)能概念的基礎(chǔ)上，對熱力學(xué)做了更深入的研究和探討.首先用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞浇榻B了內(nèi)能的概念、功能的關(guān)系、改變內(nèi)能的方式等，并且用定量的方式探討了內(nèi)能的改變與做功、內(nèi)能的改變與傳熱之間的關(guān)系;然后從大量熱現(xiàn)象用歸納思維的方式概括出了熱力學(xué)第一定律，并且用熱力學(xué)第一定律計(jì)算與解釋有關(guān)系統(tǒng)的能量、功和熱的問題;第三部分重點(diǎn)介紹了人類認(rèn)識運(yùn)動與能量、用能量觀念認(rèn)識各種運(yùn)動的基本思想的研究與發(fā)展過程;本章的最后一部分用實(shí)驗(yàn)觀察與實(shí)驗(yàn)分析與歸納等方法總結(jié)歸納熱力學(xué)第二定律，這是解釋自然界中運(yùn)動變化過程的方向性問題的基本規(guī)律.

本章教材在編寫上做了一些改進(jìn).

第一，因?yàn)檎n時(shí)調(diào)整的關(guān)系，從熱力學(xué)的知識結(jié)構(gòu)考慮，要突出主干知識，刪除了一些非主干知識.本章簡化和刪除了熱力學(xué)第二定律的微觀解釋的內(nèi)容.熱力學(xué)第二定律的微觀解釋體現(xiàn)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的思想，思想方法很好但有一定難度，所以調(diào)整到了拓展性學(xué)習(xí)的內(nèi)容.這樣安排既可以讓有能力的學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)，而不對所有選修物理的學(xué)生做統(tǒng)一要求.

第二，把功與內(nèi)能的關(guān)系和熱傳遞與內(nèi)能的關(guān)系這兩部分內(nèi)容合在一節(jié)中呈現(xiàn)，原因之一是這些內(nèi)容在初中物理（科學(xué)）中已經(jīng)比較熟悉，原因之二是合在一起可以讓學(xué)生對內(nèi)能改變與功與熱之間的關(guān)系更有整體性的理解，同時(shí)與熱力學(xué)第一定律有更好的思維銜接.

第三，刪除了可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)容.課程標(biāo)準(zhǔn)把可持續(xù)發(fā)展內(nèi)容調(diào)整到了必修課程，因此本章不再安排可持續(xù)發(fā)展這一節(jié)內(nèi)容了.

編者在編寫教材時(shí)，注意在學(xué)習(xí)概念、歸納和運(yùn)用規(guī)律的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，教師也應(yīng)注意從核心素養(yǎng)的角度去進(jìn)行教學(xué).

1.1 物理觀念

物理觀念是人們對物理現(xiàn)象和規(guī)律的基本認(rèn)識.本章的物理觀念認(rèn)識主要體現(xiàn)在：（1）改變系統(tǒng)的內(nèi)能可以通過做功和傳熱兩種方式，且這兩種方式效果相同、本質(zhì)不同;（2）可以用系統(tǒng)的概念來分析系統(tǒng)內(nèi)能改變，且可以定量計(jì)算;（3）能量是各種不同的運(yùn)動的共同特征量，因此能量是描述運(yùn)動的普適物理量;（4）自然界發(fā)生的所有變化過程都遵守能量守恒定律，但不是所有遵守能量守恒的過程都可能發(fā)生的;（5）熱力學(xué)第一定律主要研究能量的守恒問題，第二定律則研究自然過程的方向性問題;（6）因?yàn)槟芰看嬖谄焚|(zhì)差異，所以能源是有限的.

1.2 科學(xué)思維

本章的科學(xué)思維培養(yǎng)主要體現(xiàn)在：（1）絕熱過程模型.絕熱過程是為了研究內(nèi)能改變與做功之間的關(guān)系創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方法，是控制變量的要求，時(shí)間極短而來不及傳熱的過程可看成絕熱過程.（2）系統(tǒng)模型.可以建立系統(tǒng)能量的“邊界”模型，計(jì)算和解釋系統(tǒng)內(nèi)能問題，把做功和傳熱的量分成有助于增加系統(tǒng)內(nèi)能和減少系統(tǒng)內(nèi)能兩類，以確定熱力學(xué)第一定律中W和Q的正負(fù).（3）第一類永動機(jī)的模型.第一類永動機(jī)的本質(zhì)可以理解成：只做功而不消耗任何能量的機(jī)器.（4）熱力學(xué)第二定律本質(zhì)（模型）：機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，但內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能.

1.3 科學(xué)探究

本章的科學(xué)探究主要體現(xiàn)在：（1）用絕熱過程模型來探究做功與系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的關(guān)系，體現(xiàn)了控制變量的實(shí)驗(yàn)思想;（2）描述各種運(yùn)動的共同物理量——能量，初步體現(xiàn)了統(tǒng)一性理論的創(chuàng)建;（3）在熱力學(xué)定律的研究過程，主要體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)歸納與推理的基本方法.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

本章是實(shí)踐性和應(yīng)用性比較強(qiáng)的內(nèi)容，因此要特別關(guān)注以下幾個(gè)問題：（1）對能量觀念和能量守恒的探索歷程，體現(xiàn)了人類認(rèn)識自然需要有實(shí)踐的過程;（2）對永動機(jī)的探索過程體現(xiàn)了科學(xué)探索的艱辛與曲折性;（3）對自然現(xiàn)象的歸納、熱機(jī)的研究是熱力學(xué)定律建立的基礎(chǔ)，說明了科學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐的緊密聯(lián)系.

課時(shí)安排建議

第1節(jié) 功、熱和內(nèi)能的改變2課時(shí)

第2節(jié) 熱力學(xué)第一定律1課時(shí)

第3節(jié) 能量守恒定律1課時(shí)

第4節(jié) 熱力學(xué)第二定律1課時(shí)

2 具體說明

（1）第1節(jié)“功、熱和內(nèi)能的改變”涉及焦耳實(shí)驗(yàn)、功與內(nèi)能的改變、熱與內(nèi)能的改變等三個(gè)部分內(nèi)容，這些內(nèi)容的核心是為熱力學(xué)第一定律打下基礎(chǔ).本節(jié)涉及的物理概念比較多，例如，絕熱過程、功、系統(tǒng)、內(nèi)能等，準(zhǔn)確理解這些概念對正確把握本節(jié)內(nèi)容和后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容尤其重要.

本節(jié)教學(xué)需要突出以下三個(gè)方面的內(nèi)容：一是焦耳實(shí)驗(yàn)的控制變量的思想方法;二是根據(jù)焦耳實(shí)驗(yàn)結(jié)果和功能關(guān)系，采用類比方法構(gòu)建內(nèi)能的宏觀定義;三是建立兩個(gè)表達(dá)式.即在絕熱條件下，ΔU=W; 以及在不做功的條件下，ΔU=Q.這兩個(gè)結(jié)論是建立熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ).

焦耳實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)史上的獨(dú)特地位是熱力學(xué)定律的奠基性實(shí)驗(yàn).本節(jié)從焦耳實(shí)驗(yàn)出發(fā)，介紹了焦耳在19世紀(jì)30年代所做的功與熱的等效性實(shí)驗(yàn).經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)結(jié)論深度歸納后引入系統(tǒng)內(nèi)能的概念，最終得出做功與系統(tǒng)內(nèi)能變化之間的關(guān)系.

內(nèi)能的定義也是這節(jié)的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容.在第一章中我們知道，從微觀的意義看內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)所有分子的動能與勢能的總和;本節(jié)從內(nèi)能的宏觀定義來看，內(nèi)能表達(dá)了系統(tǒng)處于過程中某一狀態(tài)的能量.這樣對于內(nèi)能的認(rèn)識就經(jīng)歷了從第一章中微觀揭示到本節(jié)中宏觀定義的過程，完整且又縝密，意義重大.橫向看，內(nèi)能的宏觀定義使它與“功是能量變化的量度”的普遍觀點(diǎn)保持一致，使得我們對于能量與功的理解更加深化;縱向看，內(nèi)能與溫度、壓強(qiáng)等其他熱學(xué)物理量一樣，都具有宏觀意義和微觀解釋，使得學(xué)生在對熱學(xué)量的認(rèn)識方面具有了一致性、相關(guān)性和遷移性.

我們可以從焦耳實(shí)驗(yàn)得出做功與內(nèi)能改變的關(guān)系：在Q=0（絕熱）的實(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)內(nèi)能的改變量就等于外界對系統(tǒng)做的功W，即ΔU=W.絕熱過程可以分為兩種情況：一種是用絕熱材料將系統(tǒng)與外界隔離傳熱，使系統(tǒng)不能與外界發(fā)生熱交換，焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)就屬于這種情況;第二種情況是系統(tǒng)的做功非?？?，經(jīng)歷時(shí)間極短，在這么短的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)與外界“來不及”發(fā)生熱交換.顯然壓縮引火實(shí)驗(yàn)就是第二種絕熱過程.

傳熱與內(nèi)能改變的關(guān)系控制條件是W=0，這時(shí)系統(tǒng)從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的改變量ΔU就等于外界對系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU=Q.

從本質(zhì)上說，傳熱是不同物體（或一個(gè)物體的不同部分）之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，它只是內(nèi)能的傳遞，不發(fā)生熱運(yùn)動與其它運(yùn)動形式之間的轉(zhuǎn)化，所發(fā)生的相互作用是通過熱交換或物質(zhì)交換進(jìn)行的.熱量就是為了量度傳熱過程中所傳遞的能量的多少而引入的概念.而做功過程總是伴隨著其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化，如機(jī)械能與內(nèi)能、電能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化.同時(shí)，一定會伴隨著其他運(yùn)動形式與熱運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)化，如機(jī)械功伴隨著機(jī)械運(yùn)動與熱運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)化，電功伴隨著電磁運(yùn)動與熱運(yùn)動之間的轉(zhuǎn)化.

（2）第2節(jié)“熱力學(xué)第一定律”主要涉及兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)既有做功，又由于存在溫度差而與外界交換熱量的情況下，系統(tǒng)內(nèi)能變化的定量表達(dá)式;二是熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用.

使系統(tǒng)的熱運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，既可以通過做功的方式，也可以通過傳熱的方式.自然界實(shí)際發(fā)生的熱力學(xué)過程往往是上述兩種基本過程的綜合，即系統(tǒng)既有做功的過程發(fā)生，又由于存在溫度差而與外界交換熱量，所以我們有必要將單純絕熱過程和單純傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的定量表達(dá)式推廣到一般情況，也就是得出普遍適用的熱力學(xué)第一定律.一般情況下既有熱傳遞又有做功的情況下，ΔU=W+Q.從ΔU=W和ΔU=Q推導(dǎo)出ΔU=W+Q的過程是一種典型的歸納推理過程，這在牛頓第二定律的歸納推理中也應(yīng)用過.

在熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q中，ΔU是內(nèi)能的增量，W表示外界對系統(tǒng)所做的功，Q表示系統(tǒng)從外界吸收的熱量.對氣體來說，要求學(xué)生明確，壓縮氣體時(shí)外界對氣體做功，氣體膨脹時(shí)氣體對外界做功.對于正、負(fù)符號，教學(xué)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生自主認(rèn)識、歸納總結(jié).W和Q符號規(guī)則可以用非常簡單清晰的方法：因?yàn)橥饨鐚ο到y(tǒng)做功或外界對系統(tǒng)傳熱都有助于系統(tǒng)的內(nèi)能增加，因此此時(shí)W和Q符號都取正;反之都取負(fù).熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用關(guān)鍵在于從問題背景信息的分析中判斷ΔU、W和Q這三個(gè)量的正負(fù).例如，氣體膨脹的過程，可以想像成氣缸的活塞向外推動，因此是氣體對外界做功;液體的汽化也相當(dāng)于氣體膨脹，因此是系統(tǒng)對外界做功的過程.

（3）第3節(jié)“能量守恒定律”主要內(nèi)容是三個(gè)部分：一是能量守恒定律的探索歷史;二是能量守恒定律;三是永動機(jī)不可能制成.人類對能量的認(rèn)識并不是某一時(shí)間發(fā)現(xiàn)的過程，而是在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)探索中逐步形成能量的概念，并且逐步探索和發(fā)現(xiàn)能量守恒的規(guī)律的.因此本節(jié)的主要任務(wù)是認(rèn)識能量和能量守恒觀念的發(fā)展歷史，理解能量守恒定律，并且根據(jù)能量守恒定律這一規(guī)律知道永動機(jī)不可能制成的原因.

能量守恒定律的探索歷史內(nèi)容非常豐富，因此教材對這些探索歷史的內(nèi)容進(jìn)行了歸類.一方面是人類對能量概念的認(rèn)識過程;另一方面是對能量守恒思想的認(rèn)識過程.我們可以利用能量守恒的研究歷史來促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)史的深度研究.表1中的內(nèi)容可以作為課堂教學(xué)設(shè)計(jì)問題的素材.

能量守恒定律與熱力學(xué)第一定律既有聯(lián)系又有區(qū)別.能量守恒定律是自然界普遍遵守的規(guī)律，而熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)現(xiàn)象中的體現(xiàn);能量守恒定律對宏觀運(yùn)動和微觀現(xiàn)象均適用，而熱力學(xué)第一定律只是在熱現(xiàn)象中運(yùn)用;能量守恒定律在熱運(yùn)動中可以表現(xiàn)為熱力學(xué)第一定律，在機(jī)械運(yùn)動中可以表現(xiàn)為機(jī)械能守恒定律.

能量守恒定律的確立，具有重大的理論意義.一方面找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量，從而把各種自然現(xiàn)象與定量規(guī)律聯(lián)系了起來.這是人類科學(xué)探索過程中一次重要的統(tǒng)一性理論的探索，充分體現(xiàn)了科學(xué)的統(tǒng)一性理論的探索方法或探索方向.另一方面，這個(gè)定律的確立，突破了人們關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動的機(jī)械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種物質(zhì)運(yùn)動形式

之間相互轉(zhuǎn)化的可能性.

永動機(jī)不可能制成對于學(xué)生來說是一個(gè)很好的教育材料.一方面科學(xué)家們對永動機(jī)的探索歷史體現(xiàn)了人類科學(xué)探索的艱辛歷程，這些科學(xué)家的精神值得我們崇尚;另一方面體現(xiàn)了人類在探索過程中要善于及時(shí)地反思與總結(jié).

（4）第4節(jié)“熱力學(xué)第二定律”主要討論了與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過程的方向性問題，包括三個(gè)方面：一是從自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程是不可逆的事實(shí)出發(fā)，歸納出熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述;二是從熱機(jī)的效率分析概括出熱力學(xué)第二定律的開爾文表述;三是介紹了能源有限的基本道理.

與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過程的方向性分析主要通過實(shí)例分析進(jìn)行歸納總結(jié).例如，（1）紅墨水在水中的擴(kuò)散現(xiàn)象;（2）將熱雞蛋置于冷水中，熱量可以自發(fā)地從雞蛋轉(zhuǎn)移到冷水中，雞蛋降溫而使水溫升高;（3）輪胎里的壓縮氣體向外泄漏;（4）一個(gè)運(yùn)動小球在有摩擦的水平面上逐漸停下來.

我們還可以用另外的案例來說明可逆性問題.如圖1所示，一個(gè)滑塊在光滑固定的曲面上無初速釋放，你認(rèn)為這個(gè)過程可逆嗎？如果曲面與滑塊之間有摩擦，則這個(gè)過程可逆嗎？

分析這個(gè)案例我們可以發(fā)現(xiàn)，如果沒有熱現(xiàn)象發(fā)生，這個(gè)過程可能是可逆的，但一旦發(fā)生熱現(xiàn)象滑塊就不可能產(chǎn)生可逆現(xiàn)象了，不能回到原來的位置.

熱力學(xué)第二定律的開爾文表述是建立在對熱機(jī)的做功效率的分析之上的，因此關(guān)鍵是對熱機(jī)的工作原理的理解，并對熱機(jī)的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率進(jìn)行分析.熱機(jī)工作的過程中，必定會產(chǎn)生對周圍環(huán)境散熱、機(jī)器的器件運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的摩擦散熱、工作循環(huán)中的排氣散熱等，因此熱機(jī)不可能把產(chǎn)生的熱能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能.我們可以這樣說：任何熱機(jī)都不可能把熱能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能.從這樣的理解我們可以將其轉(zhuǎn)化成開爾文的表述：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響.其實(shí)，對“不產(chǎn)生其它影響”可以從另外一個(gè)角度來理解：它必定產(chǎn)生其它影響，例如向另外的低溫?zé)釒焐?，向周圍環(huán)境散熱等.

（收稿日期：2021-01-15）