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1．温度和温标
第二章 气体、固体和液体
整体感知·自我新知初探
[学习任务] 任务1．知道状态参量与平衡态。
任务2．知道热平衡，理解热平衡定律及温度的意义。
任务3．知道温标、摄氏温标和热力学温标，知道摄氏温度与热力学温度的转换关系。
[问题初探] 问题1．处于稳定状态的气体不变的量有哪些？
问题2．“平衡态”就是“热平衡”吗？
问题3．建立一种温标需要的三要素是什么？
问题4．物体温度升高了1 ℃就是升高了273.15 K吗？
[思维导图]
探究重构·关键能力达成
[链接教材] 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。这里研究对象是谁？混合前两部分气体各自的p、V、T
是否稳定？混合后的p、V、T是否稳定？处于稳
定状态的气体不变的量有哪些？
知识点一 状态参量与平衡态
提示：研究对象是容器内的气体，即混合前的两部分气体。混合前两部分气体、混合后的气体的“状态”都是稳定的，处于稳定状态的气体其温度、体积和压强等都不变化。
1．热力学系统：由大量分子组成的____。
2．外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体。
3．状态参量：为确定系统的状态需要用到的一些物理量，如：____、____、温度等。
4．平衡态：在没有外界影响的情况下，系统内各部分的________稳定的状态。
[微提醒] 平衡态的特点：系统所有状态参量都不随时间变化。
系统
体积
压强
状态参量
如图所示为医用氧气瓶。
问题1．在热学中如果我们要描述一个氧气瓶中氧气的状态，需要哪些物理量呢？
问题2．一个氧气瓶使用一段时间后瓶中氧气的状态参量是否发生变化？(假设氧气温度不变)
问题3．使用后的氧气瓶，关闭阀门，剩余的氧气经过足够长的时间能否再次稳定？
提示：1．体积、温度和压强。
2．氧气瓶中的氧气的状态参量发生了变化，质量减小，压强减小。
3．能
1．热力学系统的三个状态参量
(1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围。
(2)压强p：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质。
(3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度。
2．对平衡态的理解
(1)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，表现为系统不受外界的影响，三个状态参量(压强、体积、温度)不随时间变化。
(2)平衡态是一种理想情况，任何系统完全不受外界影响是不可能的。
(3)处于平衡态的系统各处温度相等，但温度各处相等的系统未必处于平衡态。
【典例1】 (对平衡态的理解)下列关于系统是否处于平衡态的说法，正确的是( )
A．将一根铁丝的一端插入100 ℃的水中，另一端插入0 ℃的冰水混合物中，经过足够长的时间，铁丝处于平衡态
B．两个温度不同的物体相互接触时，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
√
B [铁丝受到外界因素影响，不是处于平衡态，只是一种稳定状态，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，这两个物体组成的系统处于非平衡态，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，冰水混合物不是处于平衡态，C错误；压缩密闭容器中的空气，空气的体积、压强在变化，不是处于平衡态，D错误。]
【典例2】 (状态参量和平衡态)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、压强达到稳定状态，但体积仍可变化
√
A [如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量(温度、压强、体积)不再随时间发生变化，温度达到稳定值，但分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态，故A正确。]
[链接教材] B系统温度降低，A系统温度升高，最终A、B达到共同温度，A、B两系统达到热平衡。两个相互接触的物体经过一定的时间一定能够达到热平衡吗？
知识点二 热平衡与温度
提示：不一定，如果一个物体的温度持续升高，两个物体之间总存在一个温度差，此时就不是热平衡。
两个系统的热平衡过程
1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，经过一段时间，各自的状态参量________，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______。
[微提醒] 热平衡定律又叫热力学第零定律，是热力学的基本定律之一。
3．温度：热平衡中，表征“共同的____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____。
不再变化
热平衡
热学
温度
当热水中的温度计的读数不再升高的时候，我们自然认为此时温度计的温度(读数)就是热水的温度。
问题1．“平衡态”就是“热平衡”吗？
问题2．我们凭什么说这个时候温度计的温度就是热水的温度？
提示：1．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。
2．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，它们的温度不再升高，这两个系统达到热平衡，所以说温度计的温度就是热水的温度。
1．热平衡定律的作用
给出了温度的宏观定义，为温度的测量提供理论依据，是温度计测量物体温度的原理。
2．平衡态与热平衡的区别和联系
状态 平衡态 热平衡
区别 研究对象 一个系统 两个接触的系统
判断依据 系统不受外界影响，状态参量不变 两个系统的温度相同
联系 处于热平衡的两个系统都处于平衡态
3．对温度的理解
(1)宏观角度：表示物体的冷热程度。
(2)微观角度：反映物体内分子热运动的剧烈程度，是大量分子热运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集中表现，具有统计意义，对个别分子来说温度是没有意义的。
(3)热平衡角度：两个处于热平衡的系统存在一个相同的物理量，这个物理量就是温度。
【典例3】 (对热平衡定律的理解)下列对热平衡的理解正确的是
( )
A．标准状态下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
B．A、B两系统分别与C系统达到热平衡，则A、B两系统达到热平衡
C．甲、乙、丙三个物体温度不相等，先把甲与乙接触达到热平衡，再将丙与乙接触达到热平衡，则甲与丙也处于热平衡
D．热平衡时，两系统的温度相同，压强、体积也一定相同
√
B [标准状态下冰水混合物的温度为0 ℃，与0 ℃的水达到了热平衡，选项A错误；根据热平衡定律，A、B两系统分别与C系统达到热平衡，则A、B两系统达到热平衡，故B正确；甲、乙、丙三个物体温度不相等，先把甲与乙接触达到热平衡，再将丙与乙接触达到热平衡，此时乙、丙的温度与甲的温度不一定相等，所以甲与丙不一定处于热平衡，故C错误；根据热平衡的特点可知，两个系统达到热平衡的标志是它们的温度相同，但压强、体积不一定相同，故D错误。]
【典例4】 (对热平衡的理解)关于热平衡，下列说法错误的是( )
A．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量
B．如果两个系统分别同时与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定达到热平衡
C．温度是反映两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量
D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理
√
A [温度是反映两个系统是否达到热平衡的唯一物理量，两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的温度，但不能说它们具有相同的热量，A错误，C正确；根据热平衡定律知，当两个系统分别同时和第三个系统达到热平衡时，这两个系统必定达到热平衡，这是温度计的测温原理，B、D正确。本题选错误的，故本题应选A。]
1．温标：定量描述____的方法。
2．温度计：选择一种测温物质，根据这种物质的________来制造温度计。
3．摄氏温标t与热力学温标T
(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法，规定标准大气压下冰的熔点为_____，水的沸点为_______，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成___等份，每份算作1 ℃。
知识点三 温度计与温标
温度
某个特性
0 ℃
100 ℃
100
(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法，热力学温标表示的____叫作热力学温度，用符号__表示，单位是______，简称__，符号为__。
(3)摄氏温度t与热力学温度T的关系：T＝t＋_________。
[微提醒] 根据国家标准，在表示温度差时可以用摄氏度(℃)代替开尔文(K)，即1 ℃与1 K相等。因此这个式子中T的单位用K，t的单位用℃。
温度
T
开尔文
开
K
273.15 K
某小说中有这样一段对话：
其中的102度指的是华氏温度，40度是指摄氏温度。
问题1．同学们可以查阅资料，进一步了解它们之间的关系。并把102度转化为摄氏温度。
问题2．热力学温标与摄氏温标之间的关系是什么？并把上述中40度换成热力学温度。
1．温度计的测温原理
若物体与A处于热平衡，它同时也与B处于热平衡，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。
2．摄氏温标和热力学温标的比较
摄氏温标 热力学温标
提出者 摄尔修斯 英国物理学家开尔文
零度的规定 一个标准大气压下冰水混合物的温度 －273.15 ℃，即绝对零度
温度名称 摄氏温度 热力学温度
温度符号 T T
摄氏温标 热力学温标
单位名称 摄氏度 开尔文
单位符号 ℃ K
关系 T＝t＋273.15 K
粗略表示T＝t＋273 K
【典例5】 (温标的理解)下列关于温标、温度的说法正确的是( )
A．今天最高气温是25 ℃，用热力学温标来表示即为25 K
B．今天最低气温是283 K，用摄氏温标来表示即为13 ℃
C．今天从早晨到中午，气温上升了10 ℃，用热力学温标来表示即上升了10 K
D．今天从早晨到中午，气温上升了10 ℃，用热力学温标来表示即上升了283 K
思路点拨：解答本题的关键是掌握热力学温度与摄氏温度的关系。
√
C [根据热力学温度与摄氏温度的关系T＝(273＋t)K可得，今天最高气温是25 ℃，用热力学温标来表示即为298 K，故A错误；今天最低气温是283 K，用摄氏温标来表示即为t＝(283－273)℃＝10 ℃，故B错误；今天从早晨到中午，气温上升了Δt＝10 ℃，由于数值上ΔT＝Δt，所以用热力学温标来表示即上升了10 K，故C正确，D错误。]
规律方法 解决热力学温度与摄氏温度关系问题的四个关键点
(1)T＝t＋273.15 K是解决有关摄氏温度与热力学温度问题的基础。
(2)温度变化1 ℃与变化1 K是等效的，此时ΔT＝Δt，而ΔT≠Δt＋273.15 K。
(3)绝对零度(T＝0 K)是低温的极限，只能无限接近，不能达到。
(4)根据T＝t＋273.15 K，若以T 为纵轴，t为横轴，可得图像如图所示，注意理解图像的物理意义。
【典例6】 (温度计的原理与使用)温度计是生活、生产中常用的测温装置。如图所示为一个简易温度计，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。当外界温度发生变化时，水柱位置将上下变化。已知A、D间的测
量范围为20～80 ℃，A、D间刻度均匀分布。由图可知，
A、D及有色水柱下端所示温度分别为( )
A．20 ℃、80 ℃、64 ℃ B．20 ℃、80 ℃、68 ℃
C．80 ℃、20 ℃、32 ℃ D．80 ℃、20 ℃、34 ℃
√
【典例7】 (温度计的测温原理)(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成的
√
√
CD [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，实际测温物质是球形瓶中封闭的空气，该温度计是利用空气的热胀冷缩性质制成的，故A、B错误，C、D正确。]
应用迁移·随堂评估自测
1．如图所示是四种测液体温度的方法，其中正确的是( )
√
2
4
3
题号
1
A B C D
D [用温度计测量液体温度时，温度计必须置于液体中，而且不能与器壁或容器底接触。故选D。]
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两个系统的问题
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
2
3
题号
1
4
√
C [处于热平衡状态的两个系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，热平衡状态可能被破坏，故A错误；热平衡定律可以研究三个系统，对三个以上的系统也适用，故B错误；如果两个系统彼此接触而状态参量不再变化，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，故C正确；两个系统处于热平衡状态时，它们的温度一定相同，温度相同是达到热平衡状态的标志，故D错误。]
2
3
题号
1
4
3．小明自定一种新温标p，他将冰熔点与水沸点之间的温度等分为200格，且将冰熔点的温度定为50p(上述皆为标准大气压下)，今小明测量一杯水的温度为150p时，则该温度用摄氏温标表示时应为( )
A．30 ℃ B．40 ℃
C．50 ℃ D．60 ℃
2
3
题号
4
1
√
4．(多选)实际应用中，常用到一种双金属温度计，它是利用铜片与铁片压合在一起的双金属片的弯曲程度随温度的变化而变化的原理制成的，如图所示。已知图甲中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列叙述正确的是( )
A．该温度计的测温物质是铜、铁两种线膨
胀程度不同的金属
B．双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的
C．由图甲可知，铜的线膨胀程度大于铁的线膨胀程度
D．由图乙可知，双金属片的内层一定为铜，外层一定为铁
2
4
3
题号
1
√
√
√
ABC [双金属温度计是利用线膨胀程度不同的铜、铁两种金属制成的，双金属片的弯曲程度随温度变化而变化，A、B正确。题图甲中，加热时，双金属片弯曲程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下层线膨胀程度较大，即铜的线膨胀程度较大，C正确。题图乙中，温度计示数是沿顺时针方向增大的，说明当温度升高时温度计指针沿顺时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大，故可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D错误。]
2
4
3
题号
1
回归本节知识，完成以下问题：
1．常用的状态参量有哪三个？
提示：体积V、压强p、热力学温度T(或摄氏温度t)。
2．平衡态是热平衡吗？为什么？
提示：不是。平衡态是对某一系统而言的，热平衡是对两个接触的系统而言的。
3．温度计的测温原理是什么？
提示：一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。使温度计与待测物体接触，达到热平衡，其温度与待测物体的温度相同。
4．摄氏温标和热力学温标的零点相同吗？变化1 ℃和1 K的大小相同吗？
提示：不同；相同。
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温度大观
根据宇宙大爆炸理论，宇宙诞生于100多亿年前的大爆炸中，初生时它的温度在1039K以上。此后，宇宙不断膨胀，温度急剧下降。几分钟后，当温度降到109 K时，宇宙中合成了第一个稳定的复合核素——4He。几十万年过去了，宇宙温度降到了4 000 K时，随着中性原子的有效复合，宇宙变得透明了。今天，宇宙的温度已经冷却到2.735 K(微波背景辐射的温度)。
太阳中心的温度是107 K，这是热核聚变所需的温度。太阳表面温度是6 000 K。金星表面的温度是460 ℃，即733 K左右，在那里铅、锌都要熔化。地球表面的平均温度为15 ℃，即288 K左右，109种生物大分子可以在这样的环境中生存。在一个大气压下，氧在90 K时液化，氮在77 K时液化，液态氢的最高温度是20 K，而氦在4 K的低温下变成液体。因此，粒子加速器中用液氦包裹线路，以实现低温超导。
当代科学实验室里能够产生的最高温度是108 K，最低温度是2×10-8 K。
人类生存的环境，一般在300 K左右，上下变化不超过几十开。如果地球的温室效应使平均气温升高3 K，海平面将上涨2～5 m，海水所淹没的肥沃土地将令农业减产25%，10亿人将被迫背井离乡。在地球发展史上产生的冰河期，平均温度降低10 ℃左右，就导致大批物种灭绝。可见，保护地球，保护我们的家园，是多么重要。
问题 请同学们讨论温标存在的意义。
提示：(1)为了保证温度数值的统一和标准而建立的一个用来衡量温度的标准尺度。
(2)确定了温度的单位，各种温度计的数值都是由温标决定的。
(3)有利于行业间的有效沟通，长远发展。1．温度和温标
[学习任务] 任务1．知道状态参量与平衡态。
任务2．知道热平衡，理解热平衡定律及温度的意义。
任务3．知道温标、摄氏温标和热力学温标，知道摄氏温度与热力学温度的转换关系。
[问题初探] 问题1．处于稳定状态的气体不变的量有哪些？
问题2．“平衡态”就是“热平衡”吗？
问题3．建立一种温标需要的三要素是什么？
问题4．物体温度升高了1 ℃就是升高了273.15 K吗？
[思维导图]
状态参量与平衡态
[链接教材] 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。这里研究对象是谁？混合前两部分气体各自的p、V、T是否稳定？混合后的p、V、T是否稳定？处于稳定状态的气体不变的量有哪些？
提示：研究对象是容器内的气体，即混合前的两部分气体。混合前两部分气体、混合后的气体的“状态”都是稳定的，处于稳定状态的气体其温度、体积和压强等都不变化。
1．热力学系统：由大量分子组成的系统。
2．外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体。
3．状态参量：为确定系统的状态需要用到的一些物理量，如：体积、压强、温度等。
4．平衡态：在没有外界影响的情况下，系统内各部分的状态参量稳定的状态。
[微提醒] 平衡态的特点：系统所有状态参量都不随时间变化。
如图所示为医用氧气瓶。
问题1．在热学中如果我们要描述一个氧气瓶中氧气的状态，需要哪些物理量呢？
问题2．一个氧气瓶使用一段时间后瓶中氧气的状态参量是否发生变化？(假设氧气温度不变)
问题3．使用后的氧气瓶，关闭阀门，剩余的氧气经过足够长的时间能否再次稳定？
提示：1．体积、温度和压强。
2．氧气瓶中的氧气的状态参量发生了变化，质量减小，压强减小。
3．能
1．热力学系统的三个状态参量
(1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围。
(2)压强p：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质。
(3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度。
2．对平衡态的理解
(1)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，表现为系统不受外界的影响，三个状态参量(压强、体积、温度)不随时间变化。
(2)平衡态是一种理想情况，任何系统完全不受外界影响是不可能的。
(3)处于平衡态的系统各处温度相等，但温度各处相等的系统未必处于平衡态。
【典例1】 (对平衡态的理解)下列关于系统是否处于平衡态的说法，正确的是( )
A．将一根铁丝的一端插入100 ℃的水中，另一端插入0 ℃的冰水混合物中，经过足够长的时间，铁丝处于平衡态
B．两个温度不同的物体相互接触时，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
B [铁丝受到外界因素影响，不是处于平衡态，只是一种稳定状态，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，这两个物体组成的系统处于非平衡态，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，冰水混合物不是处于平衡态，C错误；压缩密闭容器中的空气，空气的体积、压强在变化，不是处于平衡态，D错误。]
【典例2】 (状态参量和平衡态)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、压强达到稳定状态，但体积仍可变化
A [如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量(温度、压强、体积)不再随时间发生变化，温度达到稳定值，但分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态，故A正确。]
热平衡与温度
[链接教材] B系统温度降低，A系统温度升高，最终A、B达到共同温度，A、B两系统达到热平衡。两个相互接触的物体经过一定的时间一定能够达到热平衡吗？
两个系统的热平衡过程
提示：不一定，如果一个物体的温度持续升高，两个物体之间总存在一个温度差，此时就不是热平衡。
1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，经过一段时间，各自的状态参量不再变化，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。
[微提醒] 热平衡定律又叫热力学第零定律，是热力学的基本定律之一。
3．温度：热平衡中，表征“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。
当热水中的温度计的读数不再升高的时候，我们自然认为此时温度计的温度(读数)就是热水的温度。
问题1．“平衡态”就是“热平衡”吗？
问题2．我们凭什么说这个时候温度计的温度就是热水的温度？
提示：1．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。
2．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，它们的温度不再升高，这两个系统达到热平衡，所以说温度计的温度就是热水的温度。
1．热平衡定律的作用
给出了温度的宏观定义，为温度的测量提供理论依据，是温度计测量物体温度的原理。
2．平衡态与热平衡的区别和联系
状态 平衡态 热平衡
区别 研究对象 一个系统 两个接触的系统
判断依据 系统不受外界影响，状态参量不变 两个系统的温度相同
联系 处于热平衡的两个系统都处于平衡态
3．对温度的理解
(1)宏观角度：表示物体的冷热程度。
(2)微观角度：反映物体内分子热运动的剧烈程度，是大量分子热运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集中表现，具有统计意义，对个别分子来说温度是没有意义的。
(3)热平衡角度：两个处于热平衡的系统存在一个相同的物理量，这个物理量就是温度。
【典例3】 (对热平衡定律的理解)下列对热平衡的理解正确的是( )
A．标准状态下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
B．A、B两系统分别与C系统达到热平衡，则A、B两系统达到热平衡
C．甲、乙、丙三个物体温度不相等，先把甲与乙接触达到热平衡，再将丙与乙接触达到热平衡，则甲与丙也处于热平衡
D．热平衡时，两系统的温度相同，压强、体积也一定相同
B [标准状态下冰水混合物的温度为0 ℃，与0 ℃的水达到了热平衡，选项A错误；根据热平衡定律，A、B两系统分别与C系统达到热平衡，则A、B两系统达到热平衡，故B正确；甲、乙、丙三个物体温度不相等，先把甲与乙接触达到热平衡，再将丙与乙接触达到热平衡，此时乙、丙的温度与甲的温度不一定相等，所以甲与丙不一定处于热平衡，故C错误；根据热平衡的特点可知，两个系统达到热平衡的标志是它们的温度相同，但压强、体积不一定相同，故D错误。]
【典例4】 (对热平衡的理解)关于热平衡，下列说法错误的是( )
A．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量
B．如果两个系统分别同时与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定达到热平衡
C．温度是反映两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量
D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理
A [温度是反映两个系统是否达到热平衡的唯一物理量，两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的温度，但不能说它们具有相同的热量，A错误，C正确；根据热平衡定律知，当两个系统分别同时和第三个系统达到热平衡时，这两个系统必定达到热平衡，这是温度计的测温原理，B、D正确。本题选错误的，故本题应选A。]
温度计与温标
1．温标：定量描述温度的方法。
2．温度计：选择一种测温物质，根据这种物质的某个特性来制造温度计。
3．摄氏温标t与热力学温标T
(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法，规定标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成100等份，每份算作1 ℃。
(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法，热力学温标表示的温度叫作热力学温度，用符号T表示，单位是开尔文，简称开，符号为K。
(3)摄氏温度t与热力学温度T的关系：T＝t＋273.15 K。
[微提醒] 根据国家标准，在表示温度差时可以用摄氏度(℃)代替开尔文(K)，即1 ℃与1 K相等。因此这个式子中T的单位用K，t的单位用℃。
某小说中有这样一段对话：
其中的102度指的是华氏温度，40度是指摄氏温度。
问题1．同学们可以查阅资料，进一步了解它们之间的关系。并把102度转化为摄氏温度。
问题2．热力学温标与摄氏温标之间的关系是什么？并把上述中40度换成热力学温度。
提示：1．华氏温标与摄氏温标的关系为F＝t＋32 °F，则102 °F＝t＋32 °F，故t≈38.9 ℃。
2．热力学温标和摄氏温标的关系为：T＝t＋273.15 K。T＝40 ℃＋273.15 K＝313.15 K。
1．温度计的测温原理
若物体与A处于热平衡，它同时也与B处于热平衡，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。
2．摄氏温标和热力学温标的比较
摄氏温标 热力学温标
提出者 摄尔修斯 英国物理学家开尔文
零度的规定 一个标准大气压下冰水混合物的温度 －273.15 ℃，即绝对零度
温度名称 摄氏温度 热力学温度
温度符号 t T
单位名称 摄氏度 开尔文
单位符号 ℃ K
关系 T＝t＋273.15 K 粗略表示T＝t＋273 K
【典例5】 (温标的理解)下列关于温标、温度的说法正确的是( )
A．今天最高气温是25 ℃，用热力学温标来表示即为25 K
B．今天最低气温是283 K，用摄氏温标来表示即为13 ℃
C．今天从早晨到中午，气温上升了10 ℃，用热力学温标来表示即上升了10 K
D．今天从早晨到中午，气温上升了10 ℃，用热力学温标来表示即上升了283 K
思路点拨：解答本题的关键是掌握热力学温度与摄氏温度的关系。
C [根据热力学温度与摄氏温度的关系T＝(273＋t)K可得，今天最高气温是25 ℃，用热力学温标来表示即为298 K，故A错误；今天最低气温是283 K，用摄氏温标来表示即为t＝(283－273)℃＝10 ℃，故B错误；今天从早晨到中午，气温上升了Δt＝10 ℃，由于数值上ΔT＝Δt，所以用热力学温标来表示即上升了10 K，故C正确，D错误。]
解决热力学温度与摄氏温度关系问题的四个关键点
(1)T＝t＋273.15 K是解决有关摄氏温度与热力学温度问题的基础。
(2)温度变化1 ℃与变化1 K是等效的，此时ΔT＝Δt，而ΔT≠Δt＋273.15 K。
(3)绝对零度(T＝0 K)是低温的极限，只能无限接近，不能达到。
(4)根据T＝t＋273.15 K，若以T 为纵轴，t为横轴，可得图像如图所示，注意理解图像的物理意义。
【典例6】 (温度计的原理与使用)温度计是生活、生产中常用的测温装置。如图所示为一个简易温度计，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。当外界温度发生变化时，水柱位置将上下变化。已知A、D间的测量范围为20～80 ℃，A、D间刻度均匀分布。由图可知，A、D及有色水柱下端所示温度分别为( )
A．20 ℃、80 ℃、64 ℃ B．20 ℃、80 ℃、68 ℃
C．80 ℃、20 ℃、32 ℃ D．80 ℃、20 ℃、34 ℃
C [根据题意可知，温度越高，水柱上升的高度越高，A点温度最高，D点温度最低，故选项A、B错误。由于A、D间的刻度均匀分布，故有色水柱下端的温度为×3 ℃＋20 ℃＝32 ℃，选项C正确，D错误。]
【典例7】 (温度计的测温原理)(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成的
CD [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，实际测温物质是球形瓶中封闭的空气，该温度计是利用空气的热胀冷缩性质制成的，故A、B错误，C、D正确。]
1．如图所示是四种测液体温度的方法，其中正确的是( )
A B C D
D [用温度计测量液体温度时，温度计必须置于液体中，而且不能与器壁或容器底接触。故选D。]
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两个系统的问题
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
C [处于热平衡状态的两个系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，热平衡状态可能被破坏，故A错误；热平衡定律可以研究三个系统，对三个以上的系统也适用，故B错误；如果两个系统彼此接触而状态参量不再变化，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，故C正确；两个系统处于热平衡状态时，它们的温度一定相同，温度相同是达到热平衡状态的标志，故D错误。]
3．小明自定一种新温标p，他将冰熔点与水沸点之间的温度等分为200格，且将冰熔点的温度定为50p(上述皆为标准大气压下)，今小明测量一杯水的温度为150p时，则该温度用摄氏温标表示时应为( )
A．30 ℃ B．40 ℃
C．50 ℃ D．60 ℃
C [每格表示＝0.5 ℃，比冰熔点高出的温度为(150－50)×0.5 ℃＝50 ℃，故选C。]
4．(多选)实际应用中，常用到一种双金属温度计，它是利用铜片与铁片压合在一起的双金属片的弯曲程度随温度的变化而变化的原理制成的，如图所示。已知图甲中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列叙述正确的是( )
A．该温度计的测温物质是铜、铁两种线膨胀程度不同的金属
B．双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的
C．由图甲可知，铜的线膨胀程度大于铁的线膨胀程度
D．由图乙可知，双金属片的内层一定为铜，外层一定为铁
ABC [双金属温度计是利用线膨胀程度不同的铜、铁两种金属制成的，双金属片的弯曲程度随温度变化而变化，A、B正确。题图甲中，加热时，双金属片
弯曲程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下层线膨胀程度较大，即铜的线膨胀程度较大，C正确。题图乙中，温度计示数是沿顺时针方向增大的，说明当温度升高时温度计指针沿顺时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大，故可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D错误。]
回归本节知识，完成以下问题：
1．常用的状态参量有哪三个？
提示：体积V、压强p、热力学温度T(或摄氏温度t)。
2．平衡态是热平衡吗？为什么？
提示：不是。平衡态是对某一系统而言的，热平衡是对两个接触的系统而言的。
3．温度计的测温原理是什么？
提示：一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。使温度计与待测物体接触，达到热平衡，其温度与待测物体的温度相同。
4．摄氏温标和热力学温标的零点相同吗？变化1 ℃和1 K的大小相同吗？
提示：不同；相同。
温度大观
根据宇宙大爆炸理论，宇宙诞生于100多亿年前的大爆炸中，初生时它的温度在1039K以上。此后，宇宙不断膨胀，温度急剧下降。几分钟后，当温度降到109 K时，宇宙中合成了第一个稳定的复合核素——4He。几十万年过去了，宇宙温度降到了4 000 K时，随着中性原子的有效复合，宇宙变得透明了。今天，宇宙的温度已经冷却到2.735 K(微波背景辐射的温度)。
太阳中心的温度是107 K，这是热核聚变所需的温度。太阳表面温度是6 000 K。金星表面的温度是460 ℃，即733 K左右，在那里铅、锌都要熔化。地球表面的平均温度为15 ℃，即288 K左右，109种生物大分子可以在这样的环境中生存。在一个大气压下，氧在90 K时液化，氮在77 K时液化，液态氢的最高温度是20 K，而氦在4 K的低温下变成液体。因此，粒子加速器中用液氦包裹线路，以实现低温超导。
当代科学实验室里能够产生的最高温度是108 K，最低温度是2×10-8 K。
人类生存的环境，一般在300 K左右，上下变化不超过几十开。如果地球的温室效应使平均气温升高3 K，海平面将上涨2～5 m，海水所淹没的肥沃土地将令农业减产25%，10亿人将被迫背井离乡。在地球发展史上产生的冰河期，平均温度降低10 ℃左右，就导致大批物种灭绝。可见，保护地球，保护我们的家园，是多么重要。
请同学们讨论温标存在的意义。
提示：(1)为了保证温度数值的统一和标准而建立的一个用来衡量温度的标准尺度。
(2)确定了温度的单位，各种温度计的数值都是由温标决定的。
(3)有利于行业间的有效沟通，长远发展。
课时分层作业(四)
?题组一 状态参量与平衡态
1．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．当系统不受外界影响，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．处于平衡态的热力学系统，分子的热运动停止
B [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；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；系统处于平衡态或非平衡态，只是状态参量有无变化，状态参量无论是否变化都一直存在，C错误；处于平衡态的热力学系统，分子仍在不停地做无规则热运动，D错误。故选B。]
?题组二 热平衡与温度
2．关于热平衡，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，可以说两物体达到了热平衡
B [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传递，高温物体将向低温物体传热，最终使二者的温度达到相同，即达到热平衡，A、D正确，不符合题意；两个物体的温度相同时，不会发生热传递，B错误，符合题意；若a与b、c分别达到热平衡，三者温度一定相同，则b、c之间也达到了热平衡，C正确，不符合题意。故选B。]
3．(多选)关于温度，下列说法正确的是( )
A．温度宏观上反映物体的冷热程度，感觉冷的物体温度低
B．温度反映了分子热运动的激烈程度
C．温度相同且不再发生变化的两个系统一定处于热平衡状态
D．达到热平衡状态的物体的每个分子都具有相同的温度
BC [温度宏观上反映物体的冷热程度，但并不是感觉冷的物体温度就低，人体感受到的物体的冷热程度，一方面取决于被感受的物体的温度，另一方面还与被感受物体单位时间内吸收或放出的热量的多少有关。温度在微观上反映了分子做无规则运动的激烈程度，是大量分子热运动的集体表现，对于个别分子来说，温度是没有意义的，并非达到热平衡状态的物体的每个分子都具有相同的温度。只要两个系统温度相同且不再发生变化，它们就处于热平衡。]
?题组三 温度计与温标
4．加速器工作时，需要注入液氮对电路进行冷却，冷却的最低温度可达到零下271摄氏度，这时该温度用热力学温标来表示为( )
A．2 K B．271 K
C．4 K D．0.1 K
A [已知t＝－271 ℃，根据热力学温度与摄氏温度的关系T＝t＋273 K得，T＝(－271＋273 )K＝2 K，故选A。]
5．关于热力学温度，下列说法正确的是( )
A．27 ℃相当于300.15 K
B．摄氏温度与热力学温度都可能取负值
C．温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K
D．温度由t升至2t，对应的热力学温度升高了273.15 K＋t
C [表示温度变化量时，ΔT＝Δt，故A错误；因为绝对零度不能达到，故热力学温度不可能取负值，而摄氏温度可以取负值，故B错误；由热力学温度与摄氏温度关系式T＝t＋273.15 K可知ΔT＝Δt，所以温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K，故C正确；温度由t升至2t，初态温度为t＋273.15 K，末态温度为2t＋273.15 K，对应的热力学温度升高了t，故D错误。故选C。]
6．下列有关温标的说法，正确的是( )
A．温标不同，测量时得到同一系统的温度数值可能是不同的
B．不同温标表示的温度数值不同，则说明温度不同
C．温标的规定都是人为的，没有什么理论依据
D．热力学温标和摄氏温标是两种不同的温度表示方法，表示的温度数值没有关系
A [温标不同，测量同一系统的温度数值一般不同，故A正确，B错误；每一种温标的规定都有一定意义，如摄氏温标的0 ℃表示1标准大气压下冰的熔点，100 ℃为1标准大气压下水的沸点，故C错误；热力学温标和摄氏温标表示的温度，数值上的关系为T＝t＋273.15 K，故D错误。]
7．在25 ℃左右的室内，将一支温度计从酒精中拿出，观察它的示数变化情况是( )
A．上升 B．下降
C．不变 D．先下降后上升
D [把温度计从酒精中拿出后，因酒精挥发，温度计的示数下降，随后又和外界进行热交换而达到热平衡，示数上升，故D正确。]
8．如图甲、乙所示，规格相同的容器装了相同质量的纯净水，用不同的加热器加热，忽略散热，得到图丙所示的水温与时间的关系图线，则( )
A．乙中温度计的示数为43 ℃
B．加热相同的时间，两杯水吸收的热量相同
C．吸收相同的热量，甲杯中的水升温比乙杯中的水多
D．甲杯中的水加热2 min与乙杯中的水加热3 min吸收的热量相同
D [由题图乙知，温度计每10 ℃之间有10个小格，所以1个小格代表的温度是1 ℃，温度计显示的温度为37 ℃，故A错误；两杯水质量相同，相同时间内升高的温度不同，根据Q吸＝cmΔt，可知相同时间内两杯水吸收的热量不同，故B错误；两杯水的质量相同，根据Δt＝可知，吸收相同的热量，两杯水升高的温度相同，故C错误；根据题图丙可知，甲杯中的水加热2 min与乙杯中的水加热3 min升高的温度相同，又因为两杯水的质量相同，根据Q吸＝cmΔt可知，两杯水吸收的热量相同，故D正确。故选D。]
9．实验室有一支读数不准确的温度计。在测1标准大气压下冰水混合物的温度时，其读数为20 ℃；在测1标准大气压下沸水的温度时，其读数为80 ℃。下面分别是温度计示数为41 ℃时对应的实际温度和实际温度为60 ℃时温度计的示数，其中正确的是( )
A．41 ℃、60 ℃ B．21 ℃、40 ℃
C．35 ℃、56 ℃ D．35 ℃、36 ℃
C [此温度计1 ℃表示的实际温度为 ℃＝ ℃，当它的示数为41 ℃时，它的示数变化的格数为21格，对应的实际温度应为21× ℃＝35 ℃；当实际温度为60 ℃时，此温度计的示数应变化格＝36格，即它的示数应为(36＋20)℃＝56 ℃，所以C正确。]
10．某同学仿照实验室使用的液体温度计的原理，设计了一个简易的气体温度计，如图所示，瓶中装的是气体，瓶塞密封不漏气，瓶塞上面细弯管中有一段液柱。
(1)当温度升高时，液柱将向哪边移动？
(2)此温度计如何标上刻度呢？
(3)你能说出这个温度计的测温原理吗？
(4)为了提高此温度计的灵敏度，便于读数，可采取什么措施？
[解析] (1)当温度升高时，瓶内的气体受热膨胀挤压细弯管中的液柱，液柱就会向左移动。
(2)将此装置放在一个标准大气压下的冰水混合物中，稳定后在液柱正中间处标上0 ℃，将它放在一个标准大气压下的沸水中，稳定后在液柱正中间处标上100 ℃，然后将以上两个刻度之间的部分进行100等分，标上刻度就成了一个简易温度计。
(3)这个温度计的测温原理是气体的热胀冷缩。
(4)细弯管再细一点，瓶子再大些且气体再多些，细弯管内的液体适当少些等。
[答案] 见解析
