§1 温度和温标
第二章 气体、固体和液体
选择性必修 第三册
假如一个容器用挡板K隔开,容器中的气体被分成A、B两部分,它们的压强分别为pA、PB,温度分别为TA、TB。打开挡板K后,如果容器与外界没有能量交换,经过一段时间后,容器内的气体会是什么状态?
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压强大的气体会向压强小的一方流动,温度高的气体会向温度低一侧传热,经过一段时间后,容器内各点的压强和温度都相同且不再变化。
1、热力学系统(系统):
在热学中,把某个范围内大量分子组成的研究对象叫做热力学系统,简称系统。
2、外界:
系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称为外界。
例如:酒精灯加热容器中的气体
把气体作为研究对象,它就是一个热力学系统。
而容器和酒精灯就是外界。
在物理学中所研究的对象,称为系统.
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一、状态参量与平衡状态
气(液)体就是系统
箱子就是外界
力学:为确定物体(质点)机械运动的状态:
引入物理量 →(热力学)系统状态参量
压强P
坐标
速度
热学:为确定研究对象(系统)的状态:
引入物理量
为确定系统的空间范围
体积V
几何参量:
为确定外界与系统之间或系统内部各部分之间的力的作用
力学参量:
为确定系统的冷热程度
温度T
热学参量:
状态参量:为了确定系统的状态,需要用到一些物理量,表示系统某种性质的物理量称为状态参量。
热力学系统的常用状态参量
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一、状态参量与平衡状态
平衡态: 一个封闭系统,在经过足够长的时间,系统各部分的状态参量达到稳定(不随时间变化)时的状态 。
5atm
60oC
0oC
2atm
系 统
平衡态
分子做无规则运动
宏观性质
压强大的气体会向压强小的一方流动。
温度高的会向温度低的一方传热。
经过一段时间后,容器各点的压强和温度都不再变化。
如果容器与外界没有能量交换
非平衡态
平衡态
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一、状态参量与平衡状态
1、热平衡:如果两个系统相互接触而传热,这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改变。经过一段时间后,各自的状态参量不再变化(达到了相同的温度),这说明两个系统达到了平衡,我们就说两个系统达到了热平衡。(两个系统是通过热传递达到的平衡)
甲
60℃
乙
20℃
30℃
30℃
2、两个系统达到热平衡的实质:接触时两系统不再进行热传递。不传热的充分条件是温度相同,因此两系统达到热平衡时,两个系统不再变化的状态参量是温度T。
3、理解:①平衡态不是热平衡。平衡态是对某一系统而言的,而热平衡是对两个接触的系统而言的。
②即使两个物体没接触过,但只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化,我们就说这两个系统原来就处于热平衡。
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二、热平衡与温度
①平衡态指的是一个系统的状态。
②热平衡指的是两个系统之间的关系。
水银温度不再升高,这个系统达到平衡态
水的温度不再升高,这个系统达到平衡态
它们的温度不在升高,这两个系统达到热平衡。
③先达到平衡态,才有热平衡。
即两个系统要达到热平衡,那么各个系统必须分别先达到平衡态。
我们凭什么说这个时候温度计的温度就是热水的温度?
即:在无外界影响下,一个系统内部的状态参量(P,V,T)都不再改变。
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二、热平衡与温度
平衡态
热平衡
区别
研究对象
判断依据
联系
一个系统
两个接触的系统
系统不受外界影响,状态参量(P,V,T)不变
两个系统温度相同
处于热平衡的两个系统都处于平衡态
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二、热平衡与温度
4、热平衡定律(热力学第零定律)
实验表明: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。
热平衡
A
热平衡
B
A B
热平衡
热平衡定律表明,当两个系统A、B处于热平衡时,它们必定具有某个共同的热学性质,我们就把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度(temperature)。
C
C
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二、热平衡与温度
5、温度
一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。温度是标志一个系统与另一个系统是否处于热平衡状态的物理量,这就是常用温度计能够用来测量温度的基本原理.
即:两系统处于热平衡时,存在一个数值相等的态函数,这个态函数就是温度。定义中“共同的热学性质”就是初中所说的“冷热程度”
热平衡定律表明,当两个系统A、B处于热平衡时,它们必定具有某个共同的热学性质,我们就把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度(temperature)。
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二、热平衡与温度
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二、热平衡与温度
1、温度计:用来测量物体(系统)温度的仪器。常用的是液体温度计。
(1)常用温度计原理:一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。
(2)注意:
①温度计是利用物质的某一物理属性随温度变化(比如热胀冷缩的特性)来标志温度的。
细管
玻璃泡
液体
玻管
②温度计是选择的标准物体,标准物体所表示的就是待测物体的温度。
③温度计的热容量必须很小,以便它与待测物体接触并进行热交换时,几乎不改变待测物体的状态。
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三、温度计合温标
1593年,伽利略发明了第一支空气温度计。
这种气体温度计是用一根细长的玻璃管制成的。
它的一端制成空心圆球形;
另一端开口,事先在管内装进一些带颜色的水,并将这一端倒插入盛有水的容器中。
在玻璃管上等距离地标上刻度。
这样,当外界温度升高时,玻璃球内气体膨胀,使玻璃管中水位降低;
反之,温度较低时,玻璃球内气体收缩,玻璃管中的水位就上升。
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三、温度计和温标
水银
酒精
气体
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三、温度计和温标
2、温标
(1)温标:定量描述温度的方法。
如果要定量地描述温度,就必须有一套方法,这套方法就是温标。
①温度计中用于测量温度的物质。(水银/铂/气体/热电偶……)
②了解测温物质随温度变化的函数关系。为了测温读数准确一般要保证测温物质的测温属性随温度变化的函数关系为线性关系
③确定温度零点和分度方法.
(2)温标建立的三要素:
(3)常见温标:摄氏温标、热力学温标、华氏温标
(4)热力学温度(T):在国际单位制中,用热力学温标表示的温度,叫热力学温度。它是国际单位制中七个基本物理量之一。单位:开尔文,简称开,符号为K.
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三、温度计和温标
选定温度零点和分度方法
把标准大气压下,冰水混合物的温度规定为0℃;水的沸腾温度(沸点)规定为100℃。
冰水混合物
0℃
100℃
沸腾的水
并据此把玻璃管上0℃刻度与100℃刻度之间均匀分成100等份,每份算做1℃。摄氏温度:用摄氏温标表示的温度叫做摄氏温度(t)。单位:摄氏度,“℃”
例如,人的正常体温(口腔温)是“37℃”,读作“37摄氏度”;北京一月份的平均气温是“-4.7℃”,读作“零下4.7摄氏度”或“负4.7摄氏度”。
摄氏温标
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三、温度计和温标
选定温度零点和分度方法
①热力学温标:1848年,开尔文建立了热力学温标(热力学温标它不依赖于测温物质的具体性质),规定摄氏温度的-273.15oC为零值,它的一度也等于摄氏温度的一度。这种表示温度的方法就是开尔文温标,也叫热力学温标,表示的温度叫热力学温度(T)。
③ 单位:开尔文,简称开。符号为K.
② 热力学零度(绝对零度): - 273.15 oC
④ 摄氏温度t与热力学温度T的关系:
T=t+273.15 K
1960年,国际计量大会确定了摄氏温标与热力学温标的关系:摄氏温标由热力学温标导出。
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三、温度计和温标
热力学温标(绝对温标)
形形色色的温度计
固体温度升高时会膨胀
把线膨胀程度不同的两种金属片压合在一起,温度变化时,双金属片的弯曲程度会发生变化,带动指针偏转,指示温度
把一条金属丝的两端分别与另一条不同材料金属丝的两端熔焊,接成闭合电路,倘若两个焊点之间有温度差,电路中就有电动势产生,温度差越大,电动势也越大。
根据电动势就可以度量两个焊点之间的温度差。
温差电现象
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四、科学漫步
状态参量与平衡态
平衡态:没有外界影响的情况下,系统所有性质都不随时间变化的稳定的状态
热平衡
与温度
热平衡:状态参量不再变化,两个系统对于传热已经达到平衡
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
温度:两个系统处于热平衡时,具有的共同的热学性质
温标
温度和温标
摄氏温标(t)
热力学温标(T)
关系式:T=t+273.15 K
状态参量
体积V
压强P
温度T
标准大气压下
100等份
冰水混合物
沸腾的水
100℃
0℃
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1.下列说法正确的是( )
A.只有处于平衡态的系统才有状态参量
B.状态参量是描述系统状态的物理量,故当系统状态变化时,其各个状态参量都会改变
C.两物体发生热传递时,两系统处于非平衡态
D.0℃的冰水混合物放入 0℃的环境中,冰水混合物处于平衡态
CD
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【答案】CD
【详解】AB.状态参量是描述系统状态的物理量,与系统是否处于平衡态无关,且系统状态变化时,不一定各个状态参量都改变,AB错误;
C.处于热传递过程中的两系统因温度不同发生热传递,最终两系统温度相同,处于非平衡态,C正确;
D.0℃的冰水混合物放入0℃的环境中,其温度、压强、体积都不再变化,冰水混合物处于平衡态,D正确。
故选CD。
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2.关于平衡态和热平衡,下列说法中正确的是( )
A.只要温度不变且处处相等,系统就一定处于平衡态
B.两个系统在接触时它们的状态不发生变化,说明这两个系统原来的温度是相等的
C.热平衡就是平衡态
D.处于热平衡的几个系统的温度一定相等
BD
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【答案】BD
【详解】A.一般来说,描述系统的状态参量不止一个,仅仅根据温度不变且处处相等不能得出系统一定处于平衡态的结论。A错误;
BD.由热平衡定义可知,只要温度相同,系统就处于热平衡,系统接触时它们的状态不再发生变化。B正确,D正确;
C.平衡态是针对某一系统而言的,热平衡是两个系统相互影响的最终结果。C错误。
故选BD。
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3.下列说法正确的是( )
A.温度计测温原理就是热平衡定律
B.温度计与被测系统的温度不相同时,读不出示数
C.温度计读出的示数是它自身这个系统的温度,若它与被测系统热平衡,这一示数也是被测系统的温度
D.温度计读出的示数总是被测系统的温度,无论是否达到热平衡
AC
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【答案】AC
【详解】ACD.温度计能测出被测物体的温度的原理就是热平衡定律,即温度计与被测物体达到热平衡时温度相同,其示数也就是被测物体的温度,故AC正确,D错误;
B.温度计与被测系统的温度不相同时,仍有示数,故B错误。
故选AC。
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4.下列关于热力学温度的说法中,正确的是( )
A.-136 ℃比136 K温度高
B.0 ℃等于273.15 K
C.1 ℃就是1 K
D.升高1 ℃就是升高274.15 K
AB
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【答案】AB
【详解】ABC.根据热力学温度和摄氏温度的关系有T=t+273.15K
可知-136 ℃=-136 +273.15K =137.15 K,0 ℃=0+273.15K =273.15K,1 ℃=1+273.15K =274.15K,AB正确,C错误;
D.根据热力学温度和摄氏温度的关系有T=t+273.15K可知ΔT=Δt可知,升高1 ℃就是升高1K,D错误。
故选AB。
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