1 温度和温标
[定位·学习目标] 1.阅读教材,理解状态参量、平衡态、温度、热力学温度的概念及热平衡定律,理解热力学温度与摄氏温度的区别和联系,形成物理观念。2.通过对比分析平衡态与热平衡之间的关系,知道温度是它们共同的热学性质,培养科学思维和科学探究精神。3.利用玻璃瓶模拟伽利略的温度计,知道温度计的原理,提升科学态度与责任。
知识点一 状态参量与平衡态
探究新知
1.热力学系统
研究某一容器中气体的热学性质时,容器中的大量分子组成的系统,叫作一个热力学系统,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外界。
3.状态参量
在热学中,为确定系统的状态所需要的一些物理量。
4.平衡态
在没有外界影响的情况下,经过足够长的时间,系统内各部分的状态参量能够达到的稳定状态。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)研究容器中一定质量的气体的热学性质时,气体和容器为一个系统。( × )
(2)一个系统处于静止或匀速直线运动时的状态即为平衡态。( × )
(3)系统处于平衡态时,系统的状态参量都不随时间变化。( √ )
知识点二 热平衡与温度
探究新知
1.热平衡
如果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,说明两个系统达到了热平衡。
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
(1)定义:当两个系统处于热平衡时,表征它们具有某个共同的热学性质的物理量。
(2)特点:达到热平衡的系统具有相同的温度。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)达到热平衡的系统,一定具有相同的压强。( × )
(2)相互接触且传热的两个系统,传热结束后一定达到了热平衡。( √ )
(3)判断两个系统是否达到热平衡,必须使两个系统接触。( × )
(4)处于热平衡状态的系统内的分子仍在不停地做无规则运动,热平衡是一种动态平衡。( √ )
知识点三 温度计与温标
探究新知
1.温标
定量地描述温度的一套方法。
2.温度计
选择一种测温物质后确定温标,根据这种物质的某个特性来制造温度计。
3.热力学温度与摄氏温度
(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 ℃;在0 ℃和 100 ℃ 之间均匀分成100等份,每份算作1 ℃。
(2)热力学温标:现代科学中用得更多的是热力学温标。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)摄氏温标与热力学温标的关系。
①摄氏温标由热力学温标导出。
②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。粗略运算中,可取T=t+273 K。
③表示温度差时,1 ℃与1 K相等。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)0 ℃的温度可以用热力学温度粗略表示为 273 K。( √ )
(2)温度升高了10 ℃也就是升高了10 K。( √ )
(3)在绝对零度附近分子已停止热运动。( × )
(4)物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关。( × )
要点一 对平衡态与热平衡的理解
要点归纳
1.对平衡态的理解
平衡态与力学的平衡意义不同。热力学的平衡态是对大量做无规则运动的分子的统计,效果不随时间变化。系统内各部分的状态参量达到稳定状态,表现为系统的宏观性质不随时间变化。而力学中的平衡是运动个体的状态处于静止或匀速直线运动状态。
2.热平衡
(1)一切达到热平衡的物体都具有相同的温度。
(2)两个系统达到热平衡过程的温度随时间变化的图像如图所示。
(3)若物体与系统A处于热平衡,它同时也与系统B处于热平衡,则系统A的温度等于系统B的温度。
3.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 两个系统
判断 依据 系统内各部分的状态参量不变 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
4.热平衡定律的意义
热平衡定律是温度测量的理论依据。当比较各物体温度时,不需要将各个物体直接接触,只需将作为标准的温度计分别与各物体接触,即可比较温度的高低。
典例研习
[例1] (多选)有甲、乙、丙三个温度不同的物体,它们都是热的良导体,将甲和乙接触很长一段时间后分开,再将乙和丙接触很长一段时间后分开。假设只有在它们相互接触时有传热,不接触时与外界没有传热,则( )
[A] 甲、乙、丙三个物体都达到了平衡态
[B] 只有乙、丙达到了平衡态,甲没有达到平衡态
[C] 乙、丙两个物体都和甲达到了热平衡
[D] 乙、丙两个物体达到了热平衡
【答案】 AD
【解析】 甲、乙、丙三个物体均与外界没有传热,分开后甲、乙、丙三个物体都处于平衡态,A正确,B错误;甲和乙接触一段时间后分开,甲和乙达到了热平衡,但乙和丙接触一段时间后,乙的温度又发生了变化,甲和乙不再处于热平衡,乙和丙接触后再分开,两物体达到了热平衡,C错误,D正确。
判断系统达到热平衡的两个方法
(1)根据两个相接触且传热的系统在没有外界影响的情况下,状态参量是否发生变化判断。如果不发生变化,则处于热平衡,发生变化则不处于热平衡。
(2)根据两个系统的温度是否相同判断。如果相同,则处于热平衡,不相同则不处于热平衡。
要点二 对温度计与温标的理解
情境探究
如图甲为水银体温计,图乙为电子体温计,图丙为气温计。
探究:(1)甲、乙、丙三种温度计的测温物质分别是什么 是根据测温物质的什么特性来制造的
(2)测温物质具有怎样的特性,刻度才能均匀
(3)如何使用温度计测量物体的温度
【答案】 (1)水银体温计的测温物质是水银,是根据水银热膨胀的性质来制造的;电子体温计的测温物质是热敏电阻,是根据电阻与温度的线性关系来制造的;气温计的测温物质是酒精(或煤油),是根据液体的热胀冷缩来制造的。
(2)测温物质的特性应是随温度线性变化,这样温度计刻度是均匀的。
(3)使用时应使温度计的测温物质部分与待测物体充分接触,使二者达到热平衡,此时温度计的示数即为待测物体的温度。
要点归纳
1.“温度”定义的两种说法
宏观 角度 温度表示物体的冷热程度。这样的定义带有主观性,因为冷热是由人体的感觉器官比较得到的,往往是不准确的
热平 衡角度 温度是两个系统相互处于热平衡时,存在一个具有“共同的热学性质”的物理量
2.温标
(1)建立温标的要素。
①选择某种具有测温属性的测温物质。
②明确测温物质的测温属性随温度变化的关系。
③确定温度零点和分度的方法。
(2)常见温标:摄氏温标、华氏温标、热力学温标。
3.摄氏温度与热力学温度的比较
项目 摄氏温度 热力学温度
零点的 规定 标准大气压下冰 水混合物的温度 -273.15 ℃, 绝对零度
温度名称 摄氏温度 热力学温度
续 表
项目 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 表示温度差时,1 ℃与1 K相等
T=t+273.15 K, 一般计算中取T=t+273 K
4.温度计测温原理
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。
典例研习
[例2] [热力学温度与摄氏温度的关系] (多选)下列关于热力学温标与摄氏温标的说法不正确的是( )
[A] 热力学温标与摄氏温标的每一分度的大小是相同的
[B] 热力学温度的0 K对应于-273.15 ℃
[C] 温度升高3 ℃,在热力学温度中温度升高276.15 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】 CD
【解析】 由T=t+273.15 K可知ΔT=Δt,即热力学温标与摄氏温标的每一分度的大小是相同的,故A正确;热力学温度与摄氏温度的关系是T=t+273.15 K,当T=0 K时,t=-273.15 ℃,故B正确;温度升高3 ℃也就是温度升高了3 K,故C错误;虽然热力学温度和摄氏温度的温标不同,但可通过关系式T=t+273.15 K进行转换和比较,故D错误。
(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,用不同的温标表示时,数值不同,这是因为零值选取不同。
(2)表示温度差的时候,热力学温度升高(或降低)1 K,则摄氏温度升高(或降低) 1 ℃。
(3)绝对零度是低温的极限,只能接近,永远达不到,故热力学温度不能出现负值,但摄氏温度可以出现负值。
[例3] [温度计测温原理] 自然界中任何高于绝对零度的物体都在随时随地的向外辐射能量。单位时间内,物体表面单位面积上所发射的总辐射能叫辐射功率,辐射功率与该物体的温度有确定的关系,非接触式温度测量即是测量辐射功率的大小,并由此得到一个与该物体温度成一定关系的信号。红外测温枪是能够测量物体辐射功率大小并转化为物体温度的仪器。根据以上信息和学过的知识,作出如下判断,其中正确的是( )
[A] 水银体温计可以用来测量沸水的温度
[B] 水银体温计离开人体后,水银迅速流回玻璃泡
[C] 红外测温枪向人体发射红外线,从而测量人体温度
[D] 红外测温枪测量人体温度时,离人体越远,显示温度越低
【答案】 D
【解析】 水银体温计的量程一般是35 ℃～42 ℃,一标准大气压下沸水的温度为100 ℃,如果将水银体温计放入沸水内,沸水的温度超过水银体温计的测量范围,水银会把水银体温计胀破,故A错误;水银体温计离开人体后缩口处的水银断开,直玻璃管内的水银不会退回玻璃泡内,这样水银体温计离开人体后仍然表示人体的温度,故B错误;人体的温度与人体所发出的红外线辐射功率大小是相关的,红外测温枪可以将人体所发出的红外线所具有的辐射能转变成电信号,通过测定电信号的大小来得到人体的温度数值,即红外测温枪是通过接收人体辐射的红外线测量人体温度,故C错误;红外测温枪测量人体温度时,离人体越远,接收到的人体红外线辐射功率越小,显示温度越低,故D正确。
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,其状态参量都会改变
[C] 两系统发生传热时,两系统处于平衡态
[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
【答案】 D
【解析】 不处于平衡态的系统也有状态参量,A错误;状态参量是描述系统状态的物理量,当系统状态变化时,有的状态参量会改变,有的状态参量不变,B错误;两系统发生传热时,一定存在温度差,温度将发生变化,两系统不处于平衡态,C错误;0 ℃ 的冰水混合物放入0 ℃的环境中,因为温度相同,所以冰水混合物处于平衡态,D正确。
2.下列对热平衡的理解正确的是( )
[A] 标准状况下冰水混合物与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] 热平衡时,两系统的温度、压强可以不相同,体积一定不相同
[D] 热平衡时,两系统的温度相同,压强、体积也一定相同
【答案】 B
【解析】 标准状况下冰水混合物的温度为0 ℃,与0 ℃的水达到了热平衡,故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;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C、D错误。
3.(多选)下列关于热力学温度的说法正确的是( )
[A] -33 ℃相当于240.15 K
[B] 温度变化1 ℃,也就是温度变化1 K
[C] 水的沸点为100 ℃,用热力学温度表示即为373.15 K
[D] 温度由t ℃升至2t ℃,对应的热力学温度升高了(t+273.15)K
【答案】 ABC
【解析】 热力学温度与摄氏温度的关系为T=t+273.15 K,则可知-33 ℃相当于240.15 K,故A正确;由T=t+273.15 K,可知ΔT=Δt,即热力学温度的变化总等于摄氏温度的变化,温度变化 1 ℃,也就是温度变化1 K,故B正确;根据T=t+273.15 K,可知100 ℃相当于热力学温度(100+273.15)K=373.15 K,故C正确;初态温度为t ℃对应热力学温度为(t+273.15)K,末态温度为2t ℃对应热力学温度为(2t+273.15)K,则对应的热力学温度升高了t K,故D错误。
4.图甲表示某电阻R随摄氏温度t变化的情况。把该电阻与电池、电流表串联起来,如图乙所示,用该电阻做测温探头,把电流表的刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简易温度计。下列说法正确的是( )
[A] 该电阻R与热力学温度T是线性关系
[B] 摄氏温度与电流是线性关系
[C] 温度越高,电源的总功率越大
[D] tA与tB相比,tB应标在电流较大的刻度上
【答案】 A
【解析】 由题图甲得电阻R=R0+kt,由于T=(t+273.15)K,联立可得R=(R0-273.15k)+kT,可知该电阻R与热力学温度T是线性关系,故A正确;由闭合电路欧姆定律得I=,解得t=-,可知摄氏温度与电流是非线性关系,故B错误;由题图甲可知,温度越高,R阻值越大,由闭合电路欧姆定律知回路中的电流越小,根据P=EI可知,电源的总功率越小,故C错误;由题图甲可知,tA对应的电阻阻值较小,由闭合电路欧姆定律知对应电路中的电流较大,则tA应标在电流较大的刻度上,故D错误。
课时作业
(分值:60分)
基础巩固练
考点一 对状态参量、平衡态和热平衡的理解
1.(6分)(多选)关于状态参量,下列说法正确的是( )
[A] 体积是几何参量 [B] 压强是力学参量
[C] 温度是热学参量 [D] 压强是热学参量
【答案】 ABC
【解析】 热学中,为了描述系统所处的状态,所用到的物理量称为状态参量。确定系统的空间范围用到的体积,是一个几何参量;确定外界与系统之间或系统内部各部分之间力的作用用到的压强,是一个力学参量;确定系统的冷热程度用到的温度,是一个热学参量,A、B、C正确,D错误。
2.(4分)下列关于系统是否处于平衡态的说法正确的是( )
[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
【答案】 B
【解析】 开空调2 min教室内的气体温度要变化,故不是平衡态,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,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,不是平衡态,C错误;压缩密闭容器中的空气,容器中的空气状态参量发生变化,空气不是平衡态,D错误。
3.(6分)(多选)两个处于热平衡状态的系统,由于受外界影响,状态参量发生了变化,下列关于它们后来是否能处于热平衡状态的说法正确的是( )
[A] 不能
[B] 可能
[C] 要看它们后来的温度是否相同
[D] 取决于压强是否相同
【答案】 BC
【解析】 只要两个系统的温度相同,两个系统就处于热平衡状态,而与其他状态参量是否相同无关,故B、C正确。
考点二 温度计与温标
4.(4分)关于温度与温标,下列说法正确的是( )
[A] 温度与温标是一回事,所以热力学温标也称为热力学温度
[B] 摄氏温度与热力学温度都可以取负值
[C] 摄氏温度升高3 ℃,在热力学温标中温度升高276.15 K
[D] 热力学温度每一开的大小与摄氏温度每一度的大小相等
【答案】 D
【解析】 温标是温度的表示方法,分华氏温标、热力学温标、摄氏温标,而温度表示的是物体的冷热程度,所以温度与温标不是一回事,故A错误;热力学温度不可以取负值,故B错误;热力学温标的分度与摄氏温标的分度是相等的,所以摄氏温度升高3 ℃,对应热力学温度升高3 K,故C错误;热力学温标的分度与摄氏温标的分度是相等的,即热力学温度每一开的大小与摄氏温度每一度的大小相等,故D正确。
5.(6分)(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。下列说法正确的是( )
[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】 因不考虑外界大气压的变化,所以细长颈的球形瓶内气体的压强不变,当温度发生变化时,瓶内的气体将发生热胀冷缩,体积发生变化,细管中的液面将发生变化,从而可反映出温度的变化,由此制成了温度计,所以测温物质是瓶内的空气,该温度计的原理是利用了测温物质的热胀冷缩的性质,选项A、B错误,C、D正确。
6.(4分)气体初始温度为27 ℃,升高了20 ℃。用热力学温度表示为( )
[A] 初始温度为27 K,升高了20 K
[B] 初始温度为300.15 K,升高了20 K
[C] 初始温度为27 K,升高了293.15 K
[D] 初始温度为300.15 K,升高了293.15 K
【答案】 B
【解析】 气体初始温度为27 ℃,摄氏温度与热力学温度的关系是T=t+273.15 K,可知气体初始温度用热力学温度表示为T=(27+273.15)K=300.15 K,升高了ΔT=20 K,故选B。
综合提升练
7.(6分)(多选)两个原来处于热平衡状态的系统分开后,由于外界的影响,其中一个系统的温度升高了5 K,另一个系统温度升高了5 ℃,下列说法不正确的是( )
[A] 两个系统不再是热平衡系统了
[B] 两个系统仍处于热平衡
[C] 两个系统的状态都发生了变化
[D] 两个系统的状态没有变化
【答案】 AD
【解析】 由于热力学温度和摄氏温度每一度表示的冷热差别是相同的,所以两系统温度均升高5 ℃,温度仍然相等,因此两个系统的状态虽然均已变化,但是仍处于热平衡,B、C正确,A、D错误。
8.(6分)(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。下列相关叙述正确的是( )
[A] 该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属
[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,铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数
[D] 由图乙可知,其双金属片的内层一定为铜,外层一定为铁
【答案】 ABC
【解析】 双金属温度计是利用热膨胀系数不同的铜、铁两种金属制成的,其双金属片的弯曲程度随温度变化而变化,选项A、B正确;在题图甲中,加热时双金属片向上弯曲,说明双金属片下层热膨胀系数较大,即铜的热膨胀系数较大,选项C正确;在题图乙中,温度计示数顺时针方向增大,说明当温度升高时温度计指针顺时针方向转动,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是铁,外层是铜,选项D错误。
9.(8分)已知某物理量x与热力学温度T成正比,它们的图像关系如图所示,试用图像表示某物理量x与摄氏温度t的关系。
【答案】 见解析
【解析】 从图像看,物理量x与热力学温度成正比关系,用a表示比例系数,有x=aT,
由于T=t+273.15 K,
则有x=a(t+273.15 ℃),
因此x与t的关系图像如图所示。
10.(10分)某同学在家制作了一个简易温度计。用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 50 ℃。A、D间刻度均匀分布。
(1)该温度计的测温物质是什么
(2)该温度计的原理是什么
(3)由图可知,图中有色水柱下端所示温度为多少摄氏度
【答案】 (1)被封闭的气体 (2)烧瓶内气体热胀冷缩 (3)26 ℃
【解析】 (1)该温度计所用测温物质为被封闭的气体。
(2)根据气体热胀冷缩的性质,温度升高时,气体体积增大,水柱向上移动;温度降低时,气体体积减小,水柱向下移动。
(3)由题图知A、D间共有15个小格,每个小格表示的温度为 ℃=2 ℃,有色水柱的下端离D点 3个小格,即3×2 ℃=6 ℃,所以温度为t=20 ℃+6 ℃=26 ℃。(共42张PPT)
1 温度和温标
第二章 气体、固体和液体
1.阅读教材,理解状态参量、平衡态、温度、热力学温度的概念及热平衡定律,理解热力学温度与摄氏温度的区别和联系,形成物理观念。2.通过对比分析平衡态与热平衡之间的关系,知道温度是它们共同的热学性质,培养科学思维和科学探究精神。3.利用玻璃瓶模拟伽利略的温度计,知道温度计的原理,提升科学态度与责任。
[定位·学习目标]
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一 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时,容器中的 组成的系统,叫作一个热力学系统,简称系统。
2.外界
系统之外与系统发生 的其他物体统称外界。
大量分子
相互作用
3.状态参量
在热学中,为确定 的状态所需要的一些物理量。
4.平衡态
在没有外界影响的情况下,经过足够长的时间,系统内各部分的状态参量能够达到的 状态。
系统
稳定
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)研究容器中一定质量的气体的热学性质时,气体和容器为一个系统。
( )
(2)一个系统处于静止或匀速直线运动时的状态即为平衡态。( )
(3)系统处于平衡态时,系统的状态参量都不随时间变化。( )
×
「新知检测」
×
√
「探究新知」
知识点二 热平衡与温度
1.热平衡
如果两个系统 而传热,经过一段时间,各自的 不再变化,说明两个系统达到了 。
2.热平衡定律
如果两个系统分别与 系统达到热平衡,那么这两个系统
也必定处于热平衡。
相互接触
状态参量
热平衡
第三个
彼此之间
3.温度
(1)定义:当两个系统处于热平衡时,表征它们具有某个共同的 的物理量。
(2)特点:达到热平衡的系统具有 的温度。
热学性质
相同
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)达到热平衡的系统,一定具有相同的压强。( )
(2)相互接触且传热的两个系统,传热结束后一定达到了热平衡。( )
(3)判断两个系统是否达到热平衡,必须使两个系统接触。( )
(4)处于热平衡状态的系统内的分子仍在不停地做无规则运动,热平衡是一种动态平衡。( )
×
「新知检测」
√
×
√
「探究新知」
知识点三 温度计与温标
1.温标
定量地描述 的一套方法。
2.温度计
选择一种测温物质后确定温标,根据这种物质的 来制造温度计。
3.热力学温度与摄氏温度
(1)摄氏温标: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 ℃。
温度
某个特性
0 ℃
100 ℃
100
(2)热力学温标:现代科学中用得更多的是热力学温标。热力学温标表示的温度叫作 ,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 ,简称开,符号为 。
(3)摄氏温标与热力学温标的关系。
①摄氏温标由 导出。
②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=
。粗略运算中,可取T=t+273 K。
③表示温度差时,1 ℃与1 K 。
热力学温度
开尔文
K
热力学温标
t+273.15 K
相等
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)0 ℃的温度可以用热力学温度粗略表示为 273 K。( )
(2)温度升高了10 ℃也就是升高了10 K。( )
(3)在绝对零度附近分子已停止热运动。( )
(4)物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关。( )
「新知检测」
×
√
√
×
突破·关键能力
要点一 对平衡态与热平衡的理解
「要点归纳」
1.对平衡态的理解
平衡态与力学的平衡意义不同。热力学的平衡态是对大量做无规则运动的分子的统计,效果不随时间变化。系统内各部分的状态参量达到稳定状态,表现为系统的宏观性质不随时间变化。而力学中的平衡是运动个体的状态处于静止或匀速直线运动状态。
2.热平衡
(1)一切达到热平衡的物体都具有相同的温度。
(2)两个系统达到热平衡过程的温度随时间变化的图像如图所示。
(3)若物体与系统A处于热平衡,它同时也与系统B处于热平衡,则系统A的温度等于系统B的温度。
3.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 两个系统
判断 依据 系统内各部分的状态参量不变 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
4.热平衡定律的意义
热平衡定律是温度测量的理论依据。当比较各物体温度时,不需要将各个物体直接接触,只需将作为标准的温度计分别与各物体接触,即可比较温度的高低。
[例1] (多选)有甲、乙、丙三个温度不同的物体,它们都是热的良导体,将甲和乙接触很长一段时间后分开,再将乙和丙接触很长一段时间后分开。假设只有在它们相互接触时有传热,不接触时与外界没有传热,则( )
[A] 甲、乙、丙三个物体都达到了平衡态
[B] 只有乙、丙达到了平衡态,甲没有达到平衡态
[C] 乙、丙两个物体都和甲达到了热平衡
[D] 乙、丙两个物体达到了热平衡
「典例研习」
AD
【解析】 甲、乙、丙三个物体均与外界没有传热,分开后甲、乙、丙三个物体都处于平衡态,A正确,B错误;甲和乙接触一段时间后分开,甲和乙达到了热平衡,但乙和丙接触一段时间后,乙的温度又发生了变化,甲和乙不再处于热平衡,乙和丙接触后再分开,两物体达到了热平衡,C错误,D正确。
·规律方法·
判断系统达到热平衡的两个方法
(1)根据两个相接触且传热的系统在没有外界影响的情况下,状态参量是否发生变化判断。如果不发生变化,则处于热平衡,发生变化则不处于热平衡。
(2)根据两个系统的温度是否相同判断。如果相同,则处于热平衡,不相同则不处于热平衡。
要点二 对温度计与温标的理解
「情境探究」
如图甲为水银体温计,图乙为电子体温计,图丙为气温计。
探究:(1)甲、乙、丙三种温度计的测温物质分别是什么 是根据测温物质的什么特性来制造的
【答案】 (1)水银体温计的测温物质是水银,是根据水银热膨胀的性质来制造的;电子体温计的测温物质是热敏电阻,是根据电阻与温度的线性关系来制造的;气温计的测温物质是酒精(或煤油),是根据液体的热胀冷缩来制造的。
【答案】 (2)测温物质的特性应是随温度线性变化,这样温度计刻度是均匀的。
(2)测温物质具有怎样的特性,刻度才能均匀
(3)如何使用温度计测量物体的温度
【答案】 (3)使用时应使温度计的测温物质部分与待测物体充分接触,使二者达到热平衡,此时温度计的示数即为待测物体的温度。
「要点归纳」
1.“温度”定义的两种说法
宏观 角度 温度表示物体的冷热程度。这样的定义带有主观性,因为冷热是由人体的感觉器官比较得到的,往往是不准确的
热平 衡角度 温度是两个系统相互处于热平衡时,存在一个具有“共同的热学性质”的物理量
2.温标
(1)建立温标的要素。
①选择某种具有测温属性的测温物质。
②明确测温物质的测温属性随温度变化的关系。
③确定温度零点和分度的方法。
(2)常见温标:摄氏温标、华氏温标、热力学温标。
3.摄氏温度与热力学温度的比较
项目 摄氏温度 热力学温度
零点的 规定 标准大气压下冰 水混合物的温度 -273.15 ℃,
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 表示温度差时,1 ℃与1 K相等
T=t+273.15 K, 一般计算中取T=t+273 K
4.温度计测温原理
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。
[例2] [热力学温度与摄氏温度的关系] (多选)下列关于热力学温标与摄氏温标的说法不正确的是( )
[A] 热力学温标与摄氏温标的每一分度的大小是相同的
[B] 热力学温度的0 K对应于-273.15 ℃
[C] 温度升高3 ℃,在热力学温度中温度升高276.15 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
CD
「典例研习」
【解析】 由T=t+273.15 K可知ΔT=Δt,即热力学温标与摄氏温标的每一分度的大小是相同的,故A正确;热力学温度与摄氏温度的关系是T=t+273.15 K,当T=0 K时,t=-273.15 ℃,故B正确;温度升高3 ℃也就是温度升高了3 K,故C错误;虽然热力学温度和摄氏温度的温标不同,但可通过关系式T=
t+273.15 K进行转换和比较,故D错误。
·规律方法·
(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,用不同的温标表示时,数值不同,这是因为零值选取不同。
(2)表示温度差的时候,热力学温度升高(或降低)1 K,则摄氏温度升高(或降低) 1 ℃。
(3)绝对零度是低温的极限,只能接近,永远达不到,故热力学温度不能出现负值,但摄氏温度可以出现负值。
[例3] [温度计测温原理] 自然界中任何高于绝对零度的物体都在随时随地的向外辐射能量。单位时间内,物体表面单位面积上所发射的总辐射能叫辐射功率,辐射功率与该物体的温度有确定的关系,非接触式温度测量即是测量辐射功率的大小,并由此得到一个与该物体温度成一定关系的信号。红外测温枪是能够测量物体辐射功率大小并转化为物体温度的仪器。根据以上信息和学过的知识,作出如下判断,其中正确的是( )
[A] 水银体温计可以用来测量沸水的温度
[B] 水银体温计离开人体后,水银迅速流回玻璃泡
[C] 红外测温枪向人体发射红外线,从而测量人体温度
[D] 红外测温枪测量人体温度时,离人体越远,显示温度越低
D
【解析】 水银体温计的量程一般是35 ℃～42 ℃,一标准大气压下沸水的温度为100 ℃,如果将水银体温计放入沸水内,沸水的温度超过水银体温计的测量范围,水银会把水银体温计胀破,故A错误;水银体温计离开人体后缩口处的水银断开,直玻璃管内的水银不会退回玻璃泡内,这样水银体温计离开人体后仍然表示人体的温度,故B错误;人体的温度与人体所发出的红外线辐射功率大小是相关的,红外测温枪可以将人体所发出的红外线所具有的辐射能转变成电信号,通过测定电信号的大小来得到人体的温度数值,即红外测温枪是通过接收人体辐射的红外线测量人体温度,故C错误;红外测温枪测量人体温度时,离人体越远,接收到的人体红外线辐射功率越小,显示温度越低,故D正确。
检测·学习效果
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,其状态参量都会改变
[C] 两系统发生传热时,两系统处于平衡态
[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
D
【解析】 不处于平衡态的系统也有状态参量,A错误;状态参量是描述系统状态的物理量,当系统状态变化时,有的状态参量会改变,有的状态参量不变,B错误;两系统发生传热时,一定存在温度差,温度将发生变化,两系统不处于平衡态,C错误;0 ℃ 的冰水混合物放入0 ℃的环境中,因为温度相同,所以冰水混合物处于平衡态,D正确。
2.下列对热平衡的理解正确的是( )
[A] 标准状况下冰水混合物与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] 热平衡时,两系统的温度、压强可以不相同,体积一定不相同
[D] 热平衡时,两系统的温度相同,压强、体积也一定相同
B
【解析】 标准状况下冰水混合物的温度为0 ℃,与0 ℃的水达到了热平衡,故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;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C、D错误。
3.(多选)下列关于热力学温度的说法正确的是( )
[A] -33 ℃相当于240.15 K
[B] 温度变化1 ℃,也就是温度变化1 K
[C] 水的沸点为100 ℃,用热力学温度表示即为373.15 K
[D] 温度由t ℃升至2t ℃,对应的热力学温度升高了(t+273.15)K
ABC
【解析】 热力学温度与摄氏温度的关系为T=t+273.15 K,则可知-33 ℃相当于240.15 K,故A正确;由T=t+273.15 K,可知ΔT=Δt,即热力学温度的变化总等于摄氏温度的变化,温度变化 1 ℃,也就是温度变化1 K,故B正确;根据T=t+273.15 K,可知100 ℃相当于热力学温度(100+273.15)K=373.15 K,故C正确;初态温度为t ℃对应热力学温度为(t+273.15)K,末态温度为2t ℃对应热力学温度为(2t+273.15)K,则对应的热力学温度升高了t K,故D错误。
4.图甲表示某电阻R随摄氏温度t变化的情况。把该电阻与电池、电流表串联起来,如图乙所示,用该电阻做测温探头,把电流表的刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简易温度计。下列说法正确的是( )
[A] 该电阻R与热力学温度T是线性关系
[B] 摄氏温度与电流是线性关系
[C] 温度越高,电源的总功率越大
[D] tA与tB相比,tB应标在电流较大的刻度上
A
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