摩擦生热与热力学第一定律之间的“矛盾”及其解决专题4
更新时间:2023-07-23 16:03:01 阅读量: 实用文档 文档下载
- 热一 热力学第一定律推荐度:
- 相关推荐
高中物理优质学案(自学辅导科学高效)摩擦生热现象与热力学第一定律之间的“矛盾”问题及其解决
、问题的提出
热力学第一定律指出,做功和热传递都能改变物体内能,且有:
W+Q=AU,即物体内能增量等于外界对物体做的功和外界向物体传递
的热量之和。
F面考察这样一个问题:一个物块在固定的粗糙桌面上运动,分析桌面内能增量的来源。
我们知道,物块对桌面未做功,但是桌面内能增加了——这个内能
增加来自何处?如果你回答是摩擦生热——这个回答,并没有能够从
热力学第一定律角度对桌面内能增量给予解释!难道是摩擦力只对物
块做负功,因此只是使物块内能增加,物块温度升高,然后再向桌面
传热?但明显,这个解释你会觉得很别扭!那么,桌面内能增量如何
在不违背热力学第一定律的前提下予以解释?
二、问题的解决
首先,我们要捋清三个问题: 其一,功的计算式中的位移必须是“ 力直接作用在其上的物体”的
位移;
其二,一旦涉及内能,就涉及到了分子运动,也就是分子动能和分
子势能;
其三,所谓“粗糙”的实际含义,应该从微观层次理解,即相互接
高中物理优质学案(自学辅导科学高效)触的两物体在接触面上的分子之间存在相互作用力。
高中物理优质学案(自学辅导科学高效)
然后,我们来看问题的解决:
在前述物块和桌面的摩擦问题中,物块滑动时,其表面分子对桌面
表面分子是有力的作用的,在这个力的作用下,桌
面表面的分子速度、分子间距就发生了变化,也就
是说,实际上物块对桌面表面的分子是做了功的!
这个功简单可以理解为分子碰撞传递的能量,于是
通过物块和桌面接触面上分子间的碰撞,物块的机械能传递给了桌面,
使桌面内能增加。
右图是一个模拟摩擦力的毛刷模型,从这个模型很容易看出,桌面
(下面的毛刷)的表面分子在发生怎样的位移;当然,这个模型还不
能教全面的反映实际发生的过程旦“刷毛”弯曲形变确定后,
摩擦力还对桌面做功吗?我们可以这样修正:刷毛间隙较大,在上下两根刷毛错开之后,弯曲的刷毛会弹回进而振动,即分子无规则振动动能增加,并通过“刷毛”而将这种振动动能传递到更深层分子;当
F—个刷毛过来时,又会对桌面做功
浙江省嵊州市高级中学龚赛军
老师在他的论文《摩擦现象分析》
中将分子相互接近又相互分离的
元过程以直观的一幅图展现在大
家的面前:
另外,通过前述模型的分析,我们还发现,桌面摩擦力对物块做的功,也不再等于摩擦力乘以物块位移,而应该乘以一个较小的位移,
高中物理优质学案(自学辅导科学高效)
因为物块下表面的“刷毛”向后弯曲了!而且,从刷毛的振动(或者龚赛军老师的“元过程”)可以看出,物块的动能如何通过桌面分子对它的摩擦阻碍而转化为物块的分子振动动能——物块对刷毛做正功
(或说,刷毛对物块做负功),使物块下表面分子振动加剧,内能增
加。
最后的问题一一内能增量如何计算呢?从微观层次,由于涉及到大
量分子间的复杂相互作用,而且还存在接触面上分子和内层分子之间的相互作用,这显然是很麻烦的;因此,当我们从微观层次可以理解内能增加的机制后,完全可以从宏观层面计算物块动能的损失,进而计算出整个系统内能的增量,也就是大
家所熟悉的W强、=-FfS相对=-Q ;不过,这就无法确定桌面、物块各分得了多少热量,只能计算系统整
体内能的增量。可以设想,如果我们能从微观层次进行计算,我们一定能够计算出热量的分配比例。
、问题的延伸
从摩擦生热现象与热力学第一定律之间的“矛盾”问题的解决中,我们能得到如下几个方面的启示:
其一,当涉及到内能问题时,已然涉及到了分子的运动,因此,计算功的时候,位移就不能再用宏观位移,而必须微观到分子的位移—功的计算式中位移必须是“力直接作用在其上的物体”的位移,即
分子的位移;
其二,我们熟知,保守力场中,动能和势能之和保持不变,即能量
守恒;但是一涉及到摩擦等耗散问题时,似乎动能、势能之和就不再
高中物理优质学案(自学辅导科学高效)
守恒,我们就不得不引入“内能”以维持能量守恒,而宏观上讲“内能”是怎么回事,无法言说。这时,我们深入到微观层次,问题立马解决一一摩擦等耗散力(非保守力),并不是基本相互作用,它可以看作是大量分子间的电磁相互作用的宏观表现,而电磁相互作用的保守力,我们在此基础上引入分子力、分子势能、分子动能概念时,能量守恒的结论再一次在保守力体系下得以维持。在电流的热效应问题中,也只有微观到电子和金属阳离子的运动与碰撞,微观到带电粒子间的电磁相互作用时,才能很好的理解这个过程中的能量转化与守恒。
其三,物质是由大量存在相互作用、永不停息的做无规则运动的分子组成,也就是分子动理论,是宏观的热力学理论和力学理论保持内在一致的必要假设;当涉及到内能(热现象及其他相关问题)时,必然的需要微观到分子运动甚至原子、电子尺度,才能够做到理论的内在协调一致。
正在阅读:
摩擦生热与热力学第一定律之间的“矛盾”及其解决专题407-23
排土场稳定性分析项目建议书 - 图文10-17
电子商务认识实习报告05-31
杭州(2006)20号地块初步可行性报告 - 图文06-21
《人生难免有挫折》教学设计07-29
二年级生命教育教案下册汇总03-25
2021工程项目建筑工地新冠肺炎疫情防控常态化工作方案范文模板(完整版)05-03
我国金融中心体系建设研究05-17
可编程控制器实验指导书10-04
- 教学能力大赛决赛获奖-教学实施报告-(完整图文版)
- 互联网+数据中心行业分析报告
- 2017上海杨浦区高三一模数学试题及答案
- 招商部差旅接待管理制度(4-25)
- 学生游玩安全注意事项
- 学生信息管理系统(文档模板供参考)
- 叉车门架有限元分析及系统设计
- 2014帮助残疾人志愿者服务情况记录
- 叶绿体中色素的提取和分离实验
- 中国食物成分表2020年最新权威完整改进版
- 推动国土资源领域生态文明建设
- 给水管道冲洗和消毒记录
- 计算机软件专业自我评价
- 高中数学必修1-5知识点归纳
- 2018-2022年中国第五代移动通信技术(5G)产业深度分析及发展前景研究报告发展趋势(目录)
- 生产车间巡查制度
- 2018版中国光热发电行业深度研究报告目录
- (通用)2019年中考数学总复习 第一章 第四节 数的开方与二次根式课件
- 2017_2018学年高中语文第二单元第4课说数课件粤教版
- 上市新药Lumateperone(卢美哌隆)合成检索总结报告
- 热力学
- 定律
- 摩擦
- 矛盾
- 之间
- 及其
- 解决
- 专题
- 2011年高考试题——文综政治(山东卷)解析版
- 艺能幼儿园第二学期期终试卷
- 科技研发人员薪酬管理制度
- 考研试题马原部分内容2008-2012
- 2010年注册税务师考试试题-财务与会计考试测验模拟试题 (16)
- 2005年置业集团内部控制管理手册销售管理制度
- MR510变速器的使用说明书
- 绿网先锋收藏版545-达摩洗髓易筋经
- 兄弟连PHP视频教程-Linux系统安装
- 对视歌词,泰语的音译
- ST兰光:2011年半年度报告摘要 2011-07-23
- 电子信息工程技术专业基于工作过程的课程体系的设置研究
- 特定要素模型(Specific.
- Nginx使用epoll 源代码分析
- (3)(合伙)股份合作公司章程
- 生物学:生物化学
- 酸洗磷化工艺规程
- 2020年大冶市电网员工招聘《综合能力》试题及答案
- 2015上海市化学模拟试卷
- 六年级数学苏教版上册期末总复习(一)