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1.温度和温标
第二章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道状态参量和热平衡的概念。
2.理解热平衡定律及温度的意义。
3.知道温度计的构造,理解温标、热力学温度的意义。
1.通过状态参量、热平衡的概念的学习形成物理观念。
2.通过热平衡、温度的学习,掌握科学思维方式。
3.通过热力学温标、摄氏温标的学习形成严谨的科学态度。
自主预习 新知导学
一、状态参量与平衡态
1.热力学系统。
研究某一容器中气体的热学性质,其研究对象是容器中的 大量分子 组成的系统,这在热学中叫作一个热力学系统。
2.状态参量。
在热学中,为确定系统的状态,需要用到一些物理量,这些物理量叫作系统的状态参量。常用的有 体积V 、压强 p 、温度T 。
3.平衡态。
在没有外界影响的情况下,只要经过足够长的时间,系统内各部分的状态参量能够达到稳定状态。这种状态叫作平衡态。
二、热平衡与温度
1.热平衡。
两个系统相互接触而传热,经过一段时间,各自的状态参量不再变化了,这说明两个系统达到了平衡。这种平衡叫作热平衡。
2.热平衡定律。
如果两个系统分别与第三个系统达到 热平衡 ,那么这两个系统彼此之间也必定处于 热平衡 。
3.温度。
表征热平衡系统的“ 共同的热学性质 ”的物理量。
4.热平衡的性质。
达到热平衡的系统具有相同的 温度 。
5.“平衡态”就是“热平衡”吗
答案：不是。“平衡态”指的是一个系统的状态,“热平衡”指的是两个系统之间的关系,二者的本质不同。
三、温度计与温标
1.摄氏温标:规定标准大气压下 冰的熔点 为0 ℃, 水的沸点 为100 ℃,据此把玻璃管上0 ℃刻度与100 ℃刻度之间均匀分成100等份,每份算作1 ℃,这种表示温度的方法即为摄氏温标,表示的温度叫作 摄氏温度 。
2.热力学温标:热力学温标表示的温度叫作热力学温度,它是国际单位制中七个基本物理量之一,用符号 T 表示,单位是 开尔文 ,简称开,符号为 K 。
3.摄氏温标由热力学温标导出,摄氏温标所确定的温度用t表示,它与热力学温度T的关系是T= t+273.15 K。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)温度可以从高温物体传递到低温物体。( )
(2)处于热平衡的几个系统的温度一定相等。( )
(3)0 ℃的温度可以用热力学温度粗略表示为273 K。( )
(4)温度升高了10 ℃也就是升高了10 K。( )
(5)在绝对零度附近分子已停止热运动。( )
(6)物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关。( )
×
×
×
√
√
√
2.关于热力学温标和摄氏温标,下列说法正确的是( )
A.某物体摄氏温度10 ℃,即热力学温度10 K
B.热力学温度升高1 K大于摄氏温度升高1 ℃
C.热力学温度升高1 K小于摄氏温度升高1 ℃
D.热力学温标中的每1 K与摄氏温标中每1 ℃大小相等
解析：摄氏温标与热力学温标的关系为T=t+273.15 K,某物体摄氏温度为10 ℃,即热力学温度为283.15 K,故A错误。由T=t+273.15 K得,ΔT=Δt,可知,热力学温度升高1 K等于摄氏温度升高1 ℃,故B、C错误。热力学温标中的每1 K与摄氏温标中每1 ℃大小相等,故D正确。
D
合作探究 释疑解惑
知识点一
状态参量与平衡态
【问题引领】
一根长铁丝,一端插入100 ℃的沸水中,另一端放入0 ℃恒温热源中,经过足够长的时间,温度随铁丝有一定的分布,而且不随时间变化,这种状态是否为平衡态
提示：不是,只是一种稳定状态,因为存在外在因素的影响。
【归纳提升】
1.热力学系统的状态参量
(1)体积V:它可以确定系统的空间范围,属于系统的几何参量。
(2)压强p:它可以描述系统的力学性质,属于系统的力学参量。
(3)温度T:它可以确定系统的冷热程度,属于系统的热学参量。
2.对平衡态的理解
(1)系统各部分的参量并不相同,而且可能正在变化,然而在没有外界影响的情况下,只要经过足够长的时间,系统内的各部分的状态参量会达到稳定,即达到平衡态。
(2)把不同压强、不同温度的气体混合在同一个容器中,如果容器与外界没有能量交换,经过一段时间后,容器内各点的压强、温度就会变得一样,即达到平衡态。
画龙点睛 热力学的平衡态是一种动态平衡,组成系统的分子仍在不停地做无规则运动,只是分子运动的平均效果不随时间变化,表现为系统的宏观性质不随时间变化。
【典型例题】
【例题1】 (多选)下列说法正确的是( )
A.状态参量是描述系统状态的物理量,故当系统的状态变化时,其各个状态参量都会改变
B.系统不受外界影响,且经过足够长的时间,其内部各部分状态参量将会达到稳定
C.只有处于平衡态的系统才有状态参量
D.两个物体发生热传递时,它们组成的系统处于非平衡态
BD
解析：由于描述系统的各种性质需要不同的物理量,只要其中某个量变化,系统的状态就会发生变化,不一定各个状态参量都发生变化,A错误。系统处于平衡态或非平衡态,只是状态参量有无变化,C错误。当系统不受外界影响时,系统总要趋于平衡,其内部各部分状态参量趋于稳定,B正确。两个物体发生热传递时,两个物体组成的系统内部仍存在温差,故系统处于非平衡态,D正确。
规律方法
处理平衡态的问题要注意以下三点
(1)平衡态与热平衡不同,平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡。
(2)必须要经过较长一段时间,直到系统内所有性质都不随时间变化为止。
(3)系统与外界没有能量的交换。
【变式训练1】 (多选)下列关于系统是否处于平衡态的说法不正确的是
( )
A.开空调2 min,教室内的气体处于平衡态
B.两个温度不同的物体相互接触,这两个物体组成的系统处于非平衡态
C.0 ℃的冰水混合物放入1 ℃的环境中,冰水混合物处于平衡态
D.压缩密闭容器中的空气,空气处于平衡态
解析：开空调2 min教室内的气体温度要变化,故不是平衡状态,A错误。两物体温度不同,接触后高温物体会向低温物体传热,是非平衡态,B正确。0 ℃的冰水混合物放入1 ℃的环境中,周围环境会向冰水混合物传热,不是平衡态,C错误。压缩密闭容器中的空气,要对空气做功,机械能转化为内能,不是平衡态,D错误。
ACD
【问题引领】
知识点二
热平衡与温度
用温度计测量一杯热水的温度时,要等到温度计的示数稳定后再读数,并且要使温度计留在水中,原因是什么
提示：温度计测量温度的原理是热平衡定律。当两个系统达到热平衡时,两个系统的温度相同。所以,当温度计的示数稳定后,说明温度计和热水达到热平衡,温度相同。当把温度计从水中取出后,破坏了温度计与水之间的热平衡,此时温度计的示数不等于热水的温度。
【归纳提升】
1.理解热平衡的两个层面
(1)原来两个系统不是热平衡,接触后最终达到热平衡。
(2)原来两个系统处于热平衡,再接触,两个系统的状态不发生变化。
2.热平衡与温度
(1)一切达到热平衡的物体都具有相同的温度。
(2)温度计的测温原理
若物体与A处于热平衡,它同时也与B达到热平衡,则A的温度等于B的温度,这就是温度计用来测量温度的基本原理。
科学思维 处理热平衡问题时,应把握以下两点:
(1)发生热交换时,高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量;
(2)达到热平衡时,系统一定具有相同的温度,其他参量未必相同。
【典型例题】
【变式训练2】 下列有关热平衡的说法正确的是( )
A.如果两个系统在某时刻处于热平衡状态,则这两个系统永远处于热平衡状态
B.热平衡定律只能研究三个系统的问题
C.如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化,这两个系统又不受外界影响,那么这两个系统一定处于热平衡状态
D.两个处于热平衡状态的系统,温度可以有微小的差别
解析：本题考查的知识点是热平衡。处于热平衡状态的系统,如果受到外界的影响,状态参量会随之变化,温度也会变化,故A错。热平衡定律对多个系统也适用,故B错。由热平衡的意义可知,C正确。温度相同是热平衡的标志,两个处于热平衡状态的系统,温度必定相同,故D错。
C
【问题引领】
知识点三
原子结构 化学用语
“在我国西部某些地区,夏季昼夜温差达15 ℃”“在我国东部沿海地区,秋、冬两季最高气温相差15 K”,以上两种叙述中的温度差哪个大些
提示：一样大。因为用热力学温度和摄氏温度表示温度变化时,每变化1 ℃和每变化1 K数值上是相等的,只是它们的零值规定不同。
【归纳提升】
1.温标要素
(1)选择某种具有测温属性的测温物质;
(2)了解测温物质随温度变化的函数关系;
(3)确定温度零点和分度的方法。
2.热力学温度T与摄氏温度t的关系
(1)公式:T=t+273.15 K。
(2)注意:摄氏温标的1 ℃的分格与热力学温标1 K的分格是等价的,故用热力学温标表示的温度和摄氏温标表示的温度,虽然起点不同,但表示温度的温度差是相同的,即ΔT=Δt。
3.温度计的种类与测温原理
(1)水银温度计:根据水银的热膨胀的性质来测量温度。
(2)金属电阻温度计:根据金属铂的电阻随温度的变化来测量温度。
(3)气体温度计:根据气体压强随温度的变化来测量温度。
(4)热电偶温度计:根据不同导体因温差产生电动势的大小来测量温度。
画龙点睛 在表示温度差时“1 K=1 ℃”是正确的,即ΔT=Δt。但在表示温度高低时却不正确。
【典型例题】
【例题3】 (多选)关于热力学温度下列说法正确的是( )
A.-33 ℃=240 K
B.温度变化1 ℃,也就是温度变化1 K
C.摄氏温度与热力学温度都可能取负值
D.-136 ℃比136 K温度高
解析：T=273 K+t,由此可知-33 ℃=240 K,A正确,同时B正确。对于摄氏温度可取负值的范围为0 ℃到-273 ℃,因绝对零度达不到,故热力学温度不可能取负值,故C错。根据T=t+273 K,可知-136 ℃=137 K,D正确。
ABD
科学思维 (1)热力学温度与摄氏温度的关系是T=t+273.15 K,因此对于同一温度来说,用不同的温标表示,数值不同,这是因为零值选取不同。
(2)在热力学温标与摄氏温标中,热力学温度升高(或降低)1 K,则摄氏温度也升高(或降低)1 ℃。
【变式训练3】 (多选)下列关于热力学温度的说法正确的是( )
A.热力学温度的零值等于-273.15 ℃
B.热力学温度变化1 K和摄氏温度变化1 ℃,变化量的大小是相等的
C.绝对零度是低温的极限,永远达不到
D.1 ℃就是1 K
解析：根据热力学温标零值的规定可知A正确。热力学温度变化1 K和摄氏温度变化1 ℃的变化量大小是相等的,但1 ℃不是1 K,B正确,D错误。绝对零度是低温的极限,只能无限接近而永远不可能达到,C正确。
ABC
课堂小结
随堂练习
1.(热平衡特征)两个温度不同的物体相互接触,达到热平衡后,它们具有相同的物理量是( )
A.质量
B.密度
C.温度
D.重力
解析：由热平衡的定义可知,C选项正确。
C
2.(热力学温标与摄氏温标)(多选)一个系统的温度由200 K升高到300 K,另一个系统的温度由200 ℃升高到300 ℃,则有关这两个温度及其变化的说法正确的是( )
A.它们升高了相同的温度
B.它们升高的温度不同
C.它们后来的温度相同
D.它们后来的温度不同
解析：由T=t+273.15 K和两种温标下温度的变化特点Δt=ΔT判断,可知A、D正确,B、C错误。
AD
3.(对热平衡的理解)下列说法正确的是( )
A.两个系统处于热平衡时,它们一定具有相同的温度
B.相互间达到热平衡的两物体的热量一定相等
C.从平衡位置开始增大分子间距离,分子间的引力将增大、斥力将减小
D.人如果感觉到某个物体很冷,就说明这个物体的温度很低
解析：两个系统处于热平衡时,它们一定具有相同的温度,选项A正确,B错误。从平衡位置开始增大分子间距离,分子间的引力将减小、斥力将减小,选项C错误。人们对物体冷热程度的感觉具有相对性,选项D错误。
A
4.(对绝对零度的理解)下列叙述正确的是( )
A.若不断冷冻,物体的温度就不断地下降,没有止境
B.目前尚不知最低温是多少,最高温是多少
C.-373 ℃是低温的下限
D.绝对零度达不到
解析：根据绝对零度无法达到可知,温度不会不断下降,故A错误。目前已知最低温度为-273.15 ℃,故B、C错误。绝对零度无法达到,故D正确。
D
本 课 结 束1.温度和温标
课后训练 巩固提升
基础巩固
1.(多选)热平衡系统的平衡态( )
A.是一种静态平衡
B.是一种动态平衡
C.分子已经不动
D.分子仍做无规则运动
答案：BD
解析：热平衡是一种动态平衡,是大量分子的平均效果。
2.如果一个系统达到了平衡态,那么这个系统各处的( )
A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化
B.温度一定达到了某一稳定值,但压强和体积仍是可以变化的
C.温度一定达到了某一稳定值,并且分子不再运动,达到了“凝固”状态
D.温度、压强就会变得一样,但体积仍可变化
答案：A
解析：如果一个系统达到了平衡态,系统内各部分的状态参量,如温度、压强和体积等不再随时间发生变化。温度达到稳定值,分子仍然是运动的,不可能达到所谓的“凝固”状态。
3.(多选)关于热力学温度和摄氏温度,下列说法错误的是( )
A.某物体摄氏温度为10 ℃,即热力学温度为10 K
B.热力学温度升高1 K等于摄氏温度升高1 ℃
C.摄氏温度升高10 ℃,对应热力学温度升高283 K
D.热力学温度和摄氏温度的温标不同,两者表示的温度无法比较
答案：ACD
解析：热力学温度与摄氏温度的关系T=t+273.15 K,所以选项A错误。对于T=t+273.15 K,有许多同学错误地认为可变形为ΔT=Δt+273.15 K,而认为C选项正确,实际上ΔT=T2-T1=t2-t1=Δt,即用摄氏温度表示的温差等于用热力学温度表示的温差,所以选项B正确,选项C、D错误。
4.(多选)两个原来处于热平衡状态的系统,分开后,由于受外界的影响,其中一个系统的温度升高了5 K,另一个系统的温度升高了5 ℃,则下列说法正确的是( )
A.两个系统不再是热平衡状态
B.两个系统此时仍是热平衡状态
C.两个系统的状态都发生了变化
D.两个系统的状态都没有发生变化
答案：BC
解析：由于两个系统原来处于热平衡状态,温度相同,当分别升高5 ℃和5 K后,温度仍相同,两个系统仍为热平衡状态,故A错误、B正确。由于温度发生了变化,系统的状态也发生了变化,故C正确、D错误。
5.入冬以来,冷空气频繁来袭,气温不断下降,最低低至-5 ℃,如果用热力学温度表示该温度为 K;高温超导材料是各国争相研究的新型导体材料,有着非常广阔的应用前景,目前临界温度比较高的超导体是铋锶钙铜氧超导体,临界温度为110 K,用摄氏温度表示为 ℃。
答案：268 -163
解析：由T=t+273 K可得-5 ℃的热力学温度为268 K,110 K的摄氏温度为-163 ℃。
6.一个寒冷的冬天,小明同学在室外拿铁棒和木头时,感觉到铁棒明显比木头凉,由于表示物体冷热程度的是温度,于是小明得出当时“铁棒比木头温度低”的结论,你认为他的结论对吗
答案：不对。由于铁棒和木头都与周围的环境达到热平衡,故它们的温度是一样的。感觉到铁棒特别凉,是因为人在单位时间内传递给铁棒的热量比传递给木头的热量多,所以他的结论不对。
7.细心观察可以发现,常见液体温度计的下部的玻璃泡较大,壁也比较薄,上部的管均匀而且很细,想一想,温度计为什么要做成这样呢
答案：这样做的目的是使测量更准确、更方便。下部较大而上部很细,这样下部储存的液体就比较多,当液体膨胀或收缩不大时,在细管中的液面就可能有较大的变化,可以使测量更精确;下部的壁很薄,可以使玻璃泡内的测温物质的温度较快地与待测物质的温度一致;细管的粗细是均匀的,是为了使刻度均匀,便于读数。
能力提升
1.(多选)下列物体处于热平衡状态的是( )
A.冰水混合物处在0 ℃的环境中
B.将一铝块放入沸水中加热足够长的时间
C.冬天刚打开空调的教室内的空气
D.一个装有气体的密闭绝热容器匀速运动,容器突然停止运动时,容器内的气体
答案：AB
解析：冰水混合物的温度为0 ℃,和环境的温度相同,处于热平衡状态,A正确。铝块在沸水中加热足够长的时间,铝块和水的温度相同,处于热平衡状态,B正确。冬天刚打开空调的教室内的气体各部分温度不相同,未处于热平衡状态,C错误。匀速运动的容器突然停止运动时,机械能转化为气体的内能,容器内的气体温度升高,未达到热平衡状态,D错误。
2.下列说法错误的是( )
A.用温度计测量温度是根据热平衡的原理
B.温度相同的棉花和石头相接触,需要经过一段时间才能达到热平衡
C.若系统a与b、c分别达到热平衡,则b、c之间也达到了热平衡
D.两物体温度相同,可以说两物体达到热平衡
答案：B
解析：当温度计的液泡与被测物体紧密接触时,如果两者的温度有差异,它们之间就会发生热交换,高温物体将向低温物体传热,最终使二者的温度达到相等,即达到热平衡,故A、D正确。两个物体的温度相同时,不会发生热传递,故B错。若a与b、c分别达到热平衡,三者温度一定相等,所以b、c之间也达到了热平衡,故C正确。
3.小明自定一种新温标p,他将冰点与沸点之间的温度等分为200格,且将冰点的温度定为50p。小明测量一杯水的温度为150p,则该温度用摄氏温度表示时应为( )
A.30 ℃
B.40 ℃
C.50 ℃
D.60 ℃
答案：C
解析：每格表示的摄氏度为 ℃=0.5 ℃,比冰点高出的温度为(150-50)×0.5 ℃=50 ℃,C对,A、B、D错。
4.(多选)关于热平衡的下列说法正确的是( )
A.系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同数值
B.标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
C.测体温时,体温计须和身体接触5~10 min是为了让体温计跟身体达到热平衡
D.冷热程度相同的两系统处于热平衡状态
答案：ACD
解析：达到热平衡时温度相同,或者说温度相同时就表明两系统达到了热平衡,故B错,选A、C、D。
5.(多选)伽利略在1593年,制造了世界上第一个温度计——空气温度计,如图所示,一个细长颈的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中,细管中的液面清晰可见,如果不考虑外界大气压的变化,就能根据液面的变化测出温度的变化,则( )
A.该温度计的测温物质是槽中的液体
B.该温度计的测温物质是细管中的红色液体
C.该温度计的测温物质是球形瓶中的空气
D.该温度计是利用测温物质的热胀冷缩性质制造的
答案：CD
解析：细管中的红色液体是用来显示球形瓶中空气的体积随温度变化情况的,测温物质是球形瓶中封闭的空气,该温度计是利用它的热胀冷缩的性质制造的,故A、B错,C、D正确。
6.(多选)下列关于摄氏温标和热力学温标的说( )
A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法
B.用两种温标表示温度的变化时,两者的数值相等
C.1 K就是1 ℃
D.当温度变化1 ℃时,也可说成温度变化274.15 K
答案：AB
解析：中学常用的两种表示温度的方法就是摄氏温标和热力学温标,A正确。两者关系是T=t+273.15 K,所以用两者表示温度的变化时,两者的数值相等,B正确。当温度变化1 ℃时,也可说成温度变化1 K,不能说1 K就是1 ℃,只能是1开尔文的温差等于1摄氏度的温差,C、D错误。
7.小明在家制作了简易温度计,一根装有一小段有色水柱的细玻璃管穿过橡皮塞插入烧瓶内,封闭一定质量的气体。当外界温度变化时,水柱位置将上下移动。当有色水柱下端与D和A对齐时,温度分别为20 ℃和80 ℃。A、D间刻度均匀分布。由图可知,图中有色水柱下端所示温度为多少摄氏度
答案：32 ℃
解析：由题图知A、D间共有15个格,每个格表示温度为 ℃=4 ℃,有色水柱的下端离D点3个格即3×4 ℃=12 ℃,所以温度为t=20 ℃+12 ℃=32 ℃。
