熱學(xué)教學(xué)中幾個值得商榷的問題

李秀斌 陳曉斌

(1.南京市江寧區(qū)教研室,江蘇 南京 211103;2.南京市東山外國語學(xué)校,江蘇 南京 211103)

問題1:熱棒真是在夏天將路基中的熱散發(fā)到空氣中嗎？

案例1.蘇科版八(上)物理課本第51頁是這樣說的:

“保持路基凍土是青藏鐵路建設(shè)中的難題之一.冬季凍土堅(jiān)硬,而夏季凍土?xí)刍?路基硬度減小,火車的重壓會使路基及鐵軌嚴(yán)重變形.因此,必須設(shè)法保持凍土不受夏季高溫影響.我國科學(xué)工作者通過熱棒等技術(shù),創(chuàng)造性地解決了這一難題.”

“熱棒這種不用電的空調(diào)器,如圖1所示,路基兩旁插有碗口粗細(xì)、看上去像護(hù)欄的金屬棒,這就是熱棒.熱棒是封閉的、中空的,里面灌有很容易汽化的液態(tài)氨,上端有散熱片(圖2).當(dāng)外界溫度較高時,液態(tài)氨受熱汽化,上升到熱棒的上端,通過散熱片向空氣中散熱,氣態(tài)氨又液化成液態(tài)氨,下沉到熱棒的下部.如此循環(huán)往復(fù),不斷地將路基中的熱散發(fā)到空氣中,使路基的溫度基本不變,從而保證了路基的堅(jiān)固、穩(wěn)定.”

圖1

圖2

課本中的這兩段話似乎讓我們認(rèn)為熱棒是在夏天將熱從路基中散發(fā)到空氣中,真是這樣嗎？

分析:熱棒是一個中空的雙層管,在冷季,氣溫低于地溫,熱棒中的液體吸收周圍土體的熱量后成為蒸汽,蒸汽從內(nèi)管上升到頂端后被周圍的冷空氣冷卻液化,釋放出熱量,然后再從外管壁回流下來.如此循環(huán),以降低土體的溫度.到了暖季后,氣溫高于地溫,熱棒停止工作.由于路基在暖季要吸收大量的熱,冷季通過熱棒儲存下來的“冷量”除了被消耗還可以有一定的剩余,這樣經(jīng)過長年累月的積累路基下凍土的溫度就會不斷下降,而土體的強(qiáng)度就越大,路基也就越穩(wěn)定.另外,從“能量轉(zhuǎn)移具有方向性”的角度來分析,熱量也不可能自動從溫度低的地方傳遞到溫度高的地方.

綜上所述,夏天(暖季),熱棒停止工作.

問題2:雪地上撒鹽只是為了降低雪的熔點(diǎn)嗎？

案例2.下雪后,護(hù)路工人為了便于清除積雪,常在路面上撒大量的鹽,這是由于撒鹽后

(A)積雪的溫度上升到0℃.

(B)提高了冰的熔點(diǎn).

(C)降低了水的凝固點(diǎn).

(D)積雪會吸收鹽放出的熱量而熔化.

答案:(C).

分析:當(dāng)鹽剛?cè)錾先サ臅r候,雪還是固體,鹽還沒有進(jìn)到雪中,所以簡單地說是“降低了水的凝固點(diǎn)”可能欠妥.

撒鹽是為了增加凝結(jié)核,和人工降雨原理差不多,打到空中的干冰,升華時吸熱可以降低高空水蒸氣的溫度,另外一個作用就是提供凝結(jié)核,使水蒸氣液化成雨滴.如果沒有鹽,環(huán)境溫度即使高于0℃,雪也不容易融化,撒鹽后,提供了凝結(jié)核,溫度稍微高于0℃就開始熔化.另外,鹽的最大特性就是吸水性強(qiáng),鹽撒在雪上后能吸附雪表層的水蒸氣,從而使自己越來越“潮”,逐步變成鹽水溶液,而鹽水溶液凝固點(diǎn)一般都低于0℃.這幾個因素綜合在一起從而導(dǎo)致撒了鹽的雪更容易熔化.

結(jié)論:撒鹽后,鹽提供了凝結(jié)核,鹽利用其吸水性強(qiáng),且鹽水溶液凝固點(diǎn)低的特點(diǎn),共同作用,導(dǎo)致了雪易熔化.

問題3:霧凇屬于凝固還是凝華現(xiàn)象？

圖3

分析:霧凇非冰非雪,是寒冷北方冬季可以見到的一種類似霜的自然現(xiàn)象(見圖3),是顆粒狀霜晶,它其實(shí)也是霜的一種.

形成原理:霧凇是由過冷水滴凝結(jié)而成.過冷水滴(溫度低于零度)碰撞到同樣低于凍結(jié)溫度的物體(如樹枝、電線)時,在物體迎風(fēng)面上形成白色或乳白色不透明冰層,便是霧凇.霧凇由小冰粒構(gòu)成,在它們之間有氣孔,這樣便造成典型的白色外表和粒狀結(jié)構(gòu).被過冷卻云環(huán)繞的山頂上最容易形成霧凇.

結(jié)論:從概念上講霧凇不屬于凝華,因?yàn)樗沁^冷水滴凝結(jié)而成的,但它的晶體像霜,所以從形成過程來講它是凝固,從外形來看,它更像凝華形成的.

問題4:內(nèi)能與熱能是同一個概念？

分析:從分子運(yùn)動論觀點(diǎn)看,熱能的本質(zhì)是物體內(nèi)部所有分子無規(guī)則運(yùn)動的動能之和,而內(nèi)能除包括物體內(nèi)部所有分子無規(guī)則運(yùn)動的動能之外,還包括分子間勢能的總和,以及組成分子的原子內(nèi)部的能量、原子核內(nèi)部的能量、物體內(nèi)部空間的電磁輻射能等.所以,熱能、化學(xué)能、原子能、電磁輻射能等都屬于內(nèi)能的范疇.但在一般熱現(xiàn)象中,不涉及分子結(jié)構(gòu)和原子核的變化,并且無電磁場相互作用,化學(xué)能、原子能以及電磁輻射能都為常數(shù).因?yàn)槿藗兺ǔＱ芯康氖悄芰恐?所以,這幾種內(nèi)能通常不需考慮.因此,內(nèi)能通常是指物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動的動能與分子間勢能的總和.

綜上所述,熱能只是內(nèi)能中的一部分能量.