人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第2章 第1节　温度和温标学案

第二章　气体、固体和液体
第1节　温度和温标
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.知道什么是热力学系统；什么是状态参量。
2.知道平衡态、热平衡的定义。
3.掌握热平衡定律的内容。
4.明确温度的定义及判断系统处于热平衡的条件。
5.知道什么是温标，摄氏温度和热力学温度的转换关系。 1.体会两个不同系统接触后建立热平衡的过程。
2.体会生活中的热平衡现象。 利用各种物质热学参量的不同，解释生产生活中自动化设备。
知识点一　状态参量与平衡态
[观图助学]
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？
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不再变化。
1.热力学系统和外界
(1)热力学系统：由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外界。
2.状态参量：用来描述系统状态的物理量。常用的状态参量有体积V、压强p、温度T等。
3.平衡态：在没有外界影响的情况下，系统所有状态参量都不随时间而变化的稳定状态。
[思考判断]
(1)只要温度不变且处处相等，系统就一定处于平衡态。(×)
(2)两个系统在接触时它们的状态不发生变化，这两个系统原来的温度是相等的。(√)
知识点二　热平衡与温度
[观图助学]
两个系统的热平衡过程
A、B两个系统接触后，不受外界的影响，其温度变化情况如图所示，由图可知，A的温度逐渐升高，B的温度逐渐降低，经过一段时间二者达相同的温度T，且T以后不再随时间变化，我们用热平衡来描述这种现象。
1.热平衡：两个相互接触的热力学系统，最后两个系统的状态参量都不再改变，这时两个系统具有“共同性质”，我们就说这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：热平衡中具有的“共同热学性质”叫做温度。这就是温度计能够用来测量温度的基本原理。
[思考判断]
(1)两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量。(×)
(2)热平衡就是平衡态。(×)
(3)热平衡时，两系统的温度相同，压强、体积也一定相同。(×)
知识点三　温度计与温标
1.温标
(1)定义：定量描述温度的方法。
(2)温标的种类
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，规定摄氏温度的－273.15 ℃为零值，它的一度等于摄氏温度的一度。
2.摄氏温度与热力学温度
(1)摄氏温度：摄氏温标表示的温度，用符号t表示，单位摄氏度，符号表示为℃。
(2)热力学温度：热力学温标表示的温度，用符号T表示，单位开尔文，符号表示为K。
(3)换算关系：T＝t＋273.15__K。
3.温度计
温度计是用来测量物体(系统)温度的仪器，温度计的种类很多，常见的有水银温度计、金属电阻温度计、气体温度计、热电偶温度计等。
[思考判断]
(1)温度计测温原理就是热平衡定律。(√)
(2)温度与温标是一回事。(×)
(3)1 K就是1 ℃。(×)
(4)摄氏温度升高1 ℃，在热力学温标中温度升高274.15 K。(×)
平衡态与稳定状态有什么区别？试举例说明。
结论：(1)相同点：平衡态和稳定状态的状态参量都不随时间发生变化。
(2)不同点：二者最主要的区别是受不受外界的影响，如不受外界的影响系统的状态参量不变为平衡态，反之为稳定状态。
(3)实例：如教室内的空气，不开空调，空气的温度不变是平衡态，而打开空调，虽然温度不变化，但由于存在外界的影响，是稳定状态。
(1)一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。
(2)“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。
(3)分别处于平衡态的两个系统在相互接触时，它们的状态可能发生变化，直到温度相同时，两个系统便达到了热平衡，达到了热平衡的两个系统都处于平衡态。
温标的确定原则
(1)选择一种测温的物质，且这种物质的某一物理量与温度直接相关。
(2)确定温度的零点和分度的方法。
(1)表示温度变化时ΔT＝Δt如1 K与1 ℃相等。
(2)表示温度时T≠t。
关于热力学温标
(1)热力学温度是国际单位制中七个基本物理量之一，因此它的单位属于基本单位。因为热力学温标在科学计算中特别体现在热力学方程中，使方程更简单、更科学。
(2)热力学温标是与具体的测温物质无关的温标。因此是一种更为科学的温标。
(3)热力学温标的零值即0 K，是低温的极限，摄氏温度等于－273.15 ℃，它是根据数学表达式经过推理而得出的，实际上可以无限接近但永远达不到。
核心要点 　状态参量与平衡态
[要点归纳]
三个 概念 系统 在物理学中，通常把所研究的对象称为系统
外界 系统以外的其他物体称之为外界或环境，系统与外界之间往往存在相互的作用
状态
参量 描述系统状态的物理量叫作系统的状态参量。物理学中，需要研究系统的各种性质，包括几何性质、力学性质、热学性质、电磁性质等
三个 参量 体积V 描述系统的几何性质，为了确定系统的空间范围
压强p 描述系统的力学性质，为了确定外界与系统之间或系统内部各部分之间的力的作用
温度T 描述系统的热学性质，确定系统的冷热程度
平衡 态的
三点
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，表现为系统的宏观性质不随时间变化，而力学中的平衡态是指物体处于静止或匀速直线运动的状态
②平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。系统处于平衡态时，由于涨落，仍可能发生偏离平衡状态的微小变化
③平衡态的特点：系统温度、压强、体积不发生变化。由于系统处于平衡态时，所有的性质都不随时间变化，就能比较容易地描述这些性质，所以中学阶段只描述平衡态的问题
[试题案例]
[例1] (多选)在热学中，要描述一定气体的宏观状态，需要确定下列哪些物理量(　　)
A.每个气体分子的运动速率 　　　 B.压强
C.体积 　　　 D.温度
解析　描述系统的宏观状态，其参量是宏观量，每个气体分子的运动速率是微观量，不是气体的宏观状态参量。气体的压强、体积、温度分别是从力学、几何、热学三个角度对气体的性质进行的宏观描述，是确定气体宏观状态的三个状态参量。显然B、C、D选项正确。
答案　BCD
[针对训练1] 下列说法中正确的是(　　)
A.状态参量是描述系统状态的物理量，系统处于非平衡状态时各部分的参量不发生变化
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相同
C.只有处于平衡状态的系统才有状态参量
D.两物体发生传热时，它们组成的系统处于平衡状态
解析　处于非平衡状态的系统也有状态参量，而且参量会发生变化，经过足够长的时间，系统若不受外界影响就会达到平衡状态，各部分状态参量将会相同，故B项正确，A、C项错误：处于传热过程中的两系统处于非平衡状态，故D项错误。
答案　B
核心要点 　热平衡与温度
[要点归纳]
1.热平衡的理解
相互接触的两个系统，各自的状态参量将会相互影响而分别改变，最后，两个系统的状态参量将不再变化，我们就说两系统达到了热平衡。一切达到热平衡的系统都具有相同的温度，所以两个系统达到热平衡的标准是系统具有相同的温度。
2.热平衡定律及意义
(1)内容
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，这个结论称为热平衡定律。
(2)热平衡定律的意义
热平衡定律为温度的测量提供了理论依据。因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以比较各物体温度时，不需要将各个物体直接接触，只需将作为标准物体的温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低。
3.温度
(1)对温度的理解
①宏观上，表示物体的冷热程度。
②微观上，反映分子热运动的剧烈程度。
③一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。
(2)用物体的冷热程度定义温度，具有主观性，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。温度的严格定义是建立在热平衡定律基础上的。热平衡定律表明，两个系统处于热平衡时，存在一个数值相等的状态参量，这个状态参量就是温度，这样的定义更具有科学性。
(3)若温度计跟物体A处于热平衡，它同时也跟物体B处于热平衡，根据热平衡定律，A的温度便与B的温度相等，这就是温度计能够用来测量温度的基本原理。
系统达到热平衡的宏观标志就是温度相同，若温度不同，即系统处于非平衡态，则系统一定存在着热交换。
[试题案例]
[例2] 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错误；热平衡定律对多个系统也适用，故B错误；由热平衡的意义知，C正确；温度是热平衡的标志，必须相同，故D错误。
答案　C
温馨提示　要正确解答热平衡的问题，必须明确热平衡状态的意义，理解热平衡定律的含义。
[针对训练2] (多选)下列说法中正确的有(　　)
A.处于热平衡的两个系统的状态参量不再变化
B.达到热平衡的两个系统分开后，再接触时有可能发生新的变化
C.两个未接触的系统不可能处于热平衡
D.处于热平衡的几个系统的温度一定相等
解析　根据热平衡的定义，两个处于热平衡的系统，无论分开，还是再接触，系统的状态参量都不再发生变化，故A正确，B错误；一切达到热平衡的系统一定都具有相同的温度，两个未接触的系统也可能处于热平衡，故C错误，D正确。
答案　AD
核心要点 　温度计与温标
[要点归纳]
1.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。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。
2.温标
(1)常见的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标。
(2)温标要素：第一，选择某种具有测温属性的测温物质；第二，了解测温物质随温度变化的函数关系；第三，确定温度零点和分度的方法。
(3)温度的两种数值表示法：摄氏温标和热力学温标
摄氏温标 热力学温标
提出者 安德斯·摄尔修斯 开尔文
零点的规定 一个标准大气压下冰水混合物的温度 －273.15 ℃
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 (1)T＝t＋273.15 K，粗略表示：T＝t＋273 K
(2)每一开尔文与每一摄氏度相等
[试题案例]
[例3] (多选)关于温度与温标，下列说法正确的是(　　)
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.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
解析　温标是温度数值的表示方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，A正确；摄氏温度可以取负值，但是热力学温度不能取负值，因为热力学温度的零点是低温的极限，故选项B错误；摄氏温度升高3 ℃，也就是热力学温度升高了3 K，故选项C错误；摄氏温度的每一度与热力学温度的每一开的大小相等，选项D正确。
答案　AD
方法总结　热力学温度与摄氏温度关系的理解
(1)T＝t＋273.15 K是解决有关热力学温度与摄氏温度关系问题的基础。
(2)摄氏温度变化1 ℃与热力学温度变化1 K是等效的，即ΔT＝Δt。
(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。
[针对训练3] (多选)下列关于热力学温度的说法中正确的是(　　)
A.热力学温度与摄氏温度的每一度的大小是相同的
B.热力学温度的零度等于－273.15 ℃
C.热力学温度的零度是不可能达到的
D.气体温度趋近于绝对零度时，其体积趋近于零
解析　每升高(或降低)1 K等价于升高(或降低)1 ℃，故A正确；热力学温度的0 K是摄氏温度的－273.15 ℃，因此B正确；热力学温度的零度只能无限接近，却不可能达到，且趋近于绝对零度时，气体液化或凝固，但有体积，故C正确，D错误。
答案　ABC
1.(平衡态概念的理解)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，假设水和冰水混合物的温度恒定，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
解析　铁丝受到外界因素影响，不是平衡态，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，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。
答案　B
2.(热平衡与温度)(多选)关于热平衡，下列说法中正确的是(　　)
A.系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值
B.标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
C.量体温时体温计需和身体接触5分钟左右是为了让温度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
解析　两个系统达到热平衡的标志是它们的温度相同，或者说它们的冷热程度相同，故选项A、C、D正确，B错误。
答案　ACD
3.(温度与温标)有关温标的说法正确的是(　　)
A.温标不同，测量时得到的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
解析　温标不同，测量时得到的同一系统的温度数值一般不同，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 ℃表示一个标准大气压下冰的熔点，100 ℃ 为一个标准大气压下水的沸点，C错误；热力学温标和摄氏温标在数值上的关系为T＝t＋273.15 K，D错误。
答案　A
4.(温度和温标)关于热力学温标的示数273.15 K和摄氏温标的示数0 ℃的大小关系，下列说法正确的是(　　)
A.273.15 K>0 ℃ B.273.15 K<0 ℃
C.273.15 K＝0 ℃ D.温标不同无法比较
解析　根据热力学温标和摄氏温标的转化关系T＝t＋273.15 K可以进行两者之间的转化，把它们转化为同一温标后进行大小比较，C正确。
答案　C
基础过关
1.(多选)关于热平衡的下列说法中正确的是(　　)
A.100 ℃的水与100 ℃的水蒸气未达到热平衡
B.100 ℃的水与100 ℃的水蒸气达到热平衡
C.世界上第一个温度计(即空气温度计)是由一个细长颈的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中，该温度计的测温物质是球形瓶中的空气
D.两个温度不同的物体相互接触，达到热平衡后，它们的比热相同
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A错误，B正确；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，C正确；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温度，D错误。
答案　BC
2.关于热力学温度和摄氏温度，下列说法中正确的是(　　)
A.某物体的摄氏温度为10 ℃，则热力学温度为10 K
B.热力学温度升高1 K，对应摄氏温度升高1 ℃
C.摄氏温度升高10 ℃，对应热力学温度升高283.15 K
D.热力学温度和摄氏温度对应的温标不同，两者表示的温度无法比较
解析　热力学温度与摄氏温度的关系为T＝t＋273.15 K，知ΔT＝Δt，所以B正确，C错误；10 ℃对应热力学温度283 K，A错误；两温度可以比较，D错误。
答案　B
3.目前世界上最大的强子对撞机在法国和瑞士的边境建成，并投入使用。加速器工作时，需要注入约1万吨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，请将该温度用热力学温标来表示(　　)
A.2 K B.271 K C.4 K D.0.1 K
解析　由热力学温标与摄氏温标的关系式T＝t＋273 K和t＝－271 ℃得T＝2 K。故A项正确。
答案　A
4.达到热平衡的两个物体，其(　　)
A.动能相同 B.体积相同
C.温度相同 D.热量相同
解析　达到热平衡的两个物体(或系统)的温度一定相同，其他状态参量不一定相同，所以C正确。
答案　C
5.(多选)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热量
B.如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡
C.温度是决定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
解析　热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故A项错误，C项正确；由热平衡定律，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，这也是温度计用来测量温度的基本原理，故B、D项正确。
答案　BCD
6.(多选)关于温度，下列说法正确的是(　　)
A.温度在宏观上反映物体的冷热程度，感觉冷的物体温度低
B.温度是分子热运动剧烈程度的标志
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
解析　温度在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；人体感受的物体冷热程度，一方面取决于被感受物体的温度，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，故A错误；温度在微观上反映了分子做无规则运动的剧烈程度，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，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，故B、C正确，D错误。
答案　BC
7.寒冷的冬天，人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，于是有人得出当时“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。
能力提升
8.关于温度，下列说法中正确的是(　　)
A.0 K即0 ℃
B.分子运动越剧烈，分子的温度越高
C.温度是大量分子热运动剧烈程度的宏观反映
D.温度越高，物体的动能一定越大
解析　热力学温标与摄氏温标之间的关系是T＝t＋273.15 K，A错误；温度是大量分子热运动的宏观反映，对单个分子运动而言没有意义，B错误，C正确；物体的动能与温度无关，D错误。
答案　C
9.(多选)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.温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量
C.热力学温标零度是低温的下限
D.任何物体，温度下降到某一点就不能再降
解析　温度是决定两个系统是否达到热平衡的标志，达到热平衡的两个系统温度一定相同，但绝对零度是低温的极限，永远达不到，故A错误，B、C、D正确。
答案　BCD
10.(多选)关于热力学温度和摄氏温度，以下说法正确的是(　　)
A.热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位
B.温度升高1 ℃就是升高了1 K
C.1 ℃就是1 K
D.0 ℃的温度可用热力学温度粗略地表示为273 K
解析　热力学温度的单位“K”是国际单位制中七个基本单位之一，故A正确；由T＝t＋273.15K得ΔT＝Δt，则知温度升高了1 ℃就是升高了1 K，故B正确；热力学温度和摄氏温度的关系是T＝t＋273.15 K，可知1 ℃与1 K表示的温度不同，故C错误。根据T＝t＋273.15 K知，当t＝0 ℃时，T≈273 K，故D正确。
答案　ABD
11.填写下列空格：
(1)某物体的温度为50 ℃，用热力学温度表示为________；
(2)对水加热，温度升高了50 ℃，则升高了________K；
(3)某物体温度为－20 ℃，用热力学温度表示为________；
(4)对某物体降温20 ℃，则降低了________K。
解析　由于T＝t＋273 K所以t＝50 ℃时T＝323 K，t＝－20 ℃时，T＝253 K，由于ΔT＝ΔK，所以温度升高50 ℃时，温度升高50 K；物体降温20 ℃时降低了
20 K。
答案　(1)323 K　(2)50　(3)253 K　(4)20
12.如图甲所示为某金属丝的电阻R随摄氏温度t变化的情况，把这段金属丝与电池、电流表串联起来(如图乙所示)，用这段金属丝做温度探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，于是就得到一个简单的电阻温度计。请判断：如果电池的电动势和内阻都是不变的，电流表上代表t1、t2的两点，哪个应该标在电流比较大的位置上？
解析　由闭合电路欧姆定律I＝知，若R较小，则I较大，可确定所标温度的高低。由题图甲可知t1答案　t1