第二章 气体、固体和液体
1.温度和温标
教学设计·高端引领
新课导入
人体的正常体温是36.8
℃,这种测温的方法是以标准大气压下冰水混合物的温度为0
℃,沸水的温度为100
℃,在这两温度之间等分100个等份,每一等份为
1
℃,这种标注温度的方法是摄氏温标。在我们的生活中还有其他的标注温度的方法吗?它们与摄氏温度有什么关系呢?
教学建议
本节内容在我们的生活中经常用到,但对于它们的原理并不明确,建议从以下三个方面进行学习。
(1)通过对平衡态和非平衡态的对比探究,了解平衡态是系统不受外界影响的理想的动态平衡。
(2)通过学习和探讨热平衡定律,明确测量温度的理论,依据温度计测量某物体温度的原理,了解用不同测温物质的温度计测量温度的原理。
(3)通过温标的建立,明确用不同温标表示温度的方法及其关系,进一步认识用温度表示物体的冷热程度的科学性、准确性及实用性。
课
程
标
准
素
养
目
标
1.知道热力学系统的状态参量。2.了解温度计的原理。
1.了解系统的状态参量以及平衡态的概念。(物理观念)2.掌握热平衡的概念及热平衡定律。(物理观念)3.掌握温度与温标的定义以及热力学温标的概念。(物理观念)4.通过学习温度与温标,体会热力学温度与摄氏温度的关系。(科学思维)5.探究温度计的工作原理。(科学探究)6.观察生活中的热平衡现象,体会热力学温度的应用。(科学态度与责任)
必备知识·素养奠基
一、状态参量与平衡态
1.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,简称系统。用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。
2.状态参量:热学中描述系统状态的物理量。常用状态参量为压强、体积、温度。通常用体积描述它的几何性质,用压强描述力学性质,用温度描述热学性质。
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,否则就是非平衡态。
4.平衡态的特点:系统所有状态参量都不随时间变化。
二、热平衡与温度
思考
两个系统达到热平衡的标志是什么?
提示:两个系统的温度相同。
1.热平衡:两个相互接触的热力学系统的状态参量不再变化,此时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:热平衡定律表明,当两个系统A、B处于热平衡时,它们必然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。一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。
三、温度计与温标
1.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;确定一个温标时首先要选择一种测温物质,根据这种物质的某个特性来制造温度计。确定了测温物质和这种物质用以测温的某种性质以后,还要确定温度的零点和分度的方法。
2.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: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。?
4.下列说法正确的是(1)(2)(5)。
(1)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。
(2)温度升高了1
℃就是升高了1
K。
(3)物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关。
(4)摄氏温度是国际单位制中七个基本物理量之一。
(5)在国际单位制中温度的单位是开尔文,符号为K。
关键能力·素养形成
一 平衡态和热平衡的比较
1.热力学系统的状态参量:
(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,表现为系统的宏观性质不随时间变化,而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动的状态。
(2)由于实际中并不存在完全不受外界影响,并且宏观性质绝对保持不变的系统,所以平衡态只是一个理想化的概念,它是在一定条件下对实际情况的抽象和概括。
3.对热平衡的理解:
(1)决定系统是否达到热平衡的最主要状态参量是温度,也就是说只要温度不再发生变化,那么这两个系统就达到了热平衡。理解热平衡定律一定要抓住温度这一状态量。
(2)平衡态不是热平衡: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;分别处于平衡态的两个系统在相互接触时,它们的状态可能会发生变化,直到温度相同时,两系统便达到了热平衡。达到热平衡的两个系统都处于平衡态。
4.对温度的理解:
(1)温度的宏观物理意义:决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态。
(2)与热平衡的关系:处于热平衡的每个系统内部各部分的温度相同;两系统达到热平衡后,两系统的温度相同。
【思考·讨论】
只要温度不变,系统就处于平衡态吗?
提示:当系统内包括温度在内的所有状态参量都不随时间变化时,系统才会处于平衡态。
【典例示范】
(多选)关于平衡态和热平衡,下列说法中正确的有
( )
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,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
【解析】选B、D。一般来说,描述系统的状态参量不止一个,根据平衡态的定义可以确定,A错误;根据热平衡的定义可知,B、D正确;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。
【误区警示】解决平衡态问题要注意四点:
(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。
(4)达到热平衡时,系统一定具有相同的温度,其他状态参量未必相同。
【素养训练】
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】选C。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;温度相同是热平衡的标志,必须相同,故D错误。
【补偿训练】
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
【解析】选A。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。综上所述,A正确。
二 温度和温标
1.“温度”含义的两种说法:
(1)宏观角度:表示物体的冷热程度。
(2)热平衡角度:两个处于热平衡的系统存在一个数值相等的物理量,这个物理量就是温度。
2.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,其温度与待测物体相同。
3.摄氏温标与热力学温标的比较:
摄氏温标
热力学温标
零度的规定
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
单位类型
常用单位
国际单位的基本单位
单位符号
℃
K
关系
(1)T=t+273.15
K(2)ΔT=Δt
【思考·讨论】
摄氏温标:在1954年以前,标准温度的间隔是用两个定点确定的。它们是水在一个标准大气压下的沸点(汽化点)和冰在一个标准大气压下与空气饱和的水相平衡时的熔点(冰点)。摄氏温标(以前称为百分温标)是由瑞典天文学家A·摄尔修斯设计的。如图所示,以冰点定作0
℃,汽化点定作100
℃,因此在这两个固定点之间共为100
℃,即一百等份,每等份代表1
℃,用摄氏温标表示的温度叫作摄氏温度。摄氏温标用℃作单位,常用t表示。
热力学温标由英国科学家开尔文创立,把-273.15
℃作为零度的温标,叫作热力学温标(或绝对温标)。热力学温标用K表示单位,常用T表示。
试思考:
(1)热力学温度的绝对零度与摄氏温度的零摄氏度表示的冷热程度一样吗?
提示:不一样,热力学温度的绝对零度对应的摄氏温度为-273.15
℃。
(2)物体的温度升高1
℃,用热力学温标表示,物体的温度升高了多少?
提示:由T=t+273.15
K,则可得ΔT=Δt。即物体温度升高了1
℃与升高了1
K是等效的。
【典例示范】
(多选)下列有关温度的说法正确的是
( )
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.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,也可以说成温度变化274
K
【解析】选A、B。温标是用来定量描述温度的方法,常用的温标有摄氏温标和热力学温标,A正确;两种温标表示同一温度时,数值不同,但在表示同一温度变化时,数值是相同的,B正确;若物体的温度升高1
K,也可以说物体的温度升高1
℃,但在表示物体的温度时,物体的温度为1
K,而不能说成物体的温度为1
℃,C、D错误。
【误区警示】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,而不是ΔT=Δt+273.15
K。
(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。
【素养训练】
1.小硕用一种特殊材料制成了一个新的温度计,他将标准大气压下冰的熔点与水的沸点之间的温度等分为200格,且将冰的熔点的温度定为50
m,今小硕测量一杯水的温度为200
m,则该温度用摄氏温度表示为
( )
A.60
℃
B.50
℃
C.75
℃
D.100
℃
【解析】选C。每格表示的摄氏度为
℃=0.5
℃,比冰的熔点高出的温度为(200-50)×0.5
℃=75
℃,选项C正确,A、B、D错误。
2.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.热力学温标规定在标准大气压下冰的熔点为0
K
【解析】选A。相同的冷热程度,温度相同,用不同温标表示的数值可以是不同的,A正确,B错误;热力学温标是从理论上作出的规定,故C错误,热力学温标规定在标准大气压下冰的熔点为273.15
K,D错误。
【补偿训练】
(多选)关于热力学温度,下列说法中正确的是
( )
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
【解析】选A、C。热力学温标和摄氏温标是温度的两种不同的表示方法,对同一温度来说,用不同的温标表示数值不同,这是因为它们零值的选取不同,但两种温标表示的温差一定相同,由T=t+273.15
K知A正确;摄氏温度可取负值,但热力学温度没有负值,B错误;由ΔT=Δt知C正确;温度由t升高到2t,摄氏温度升高了t,热力学温度也升高了t,D错误。
【拓展例题】热力学温度与摄氏温度的关系
【典例】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。
【解析】从图像看,物理量x与热力学温度成正比关系,用k表示比例系数,有x=kT。由于t=T-273.15
℃,因此x与t的关系图像如图所示。
答案:见解析图
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.下列说法不正确的是
( )
A.热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理
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.两个系统处于热平衡时,它们一定具有相同的热量
【解析】选D。由热平衡定律可知,若物体与A处于热平衡,它同时也与B达到热平衡,则A的温度便等于B的温度,这也是温度计用来测量温度的基本原理,故A、B项正确;热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度,故D项错误,C项正确。
2.下列状态中处于平衡态的是
( )
A.将一金属铜块放在沸水中加热足够长的时间
B.冰水混合物处在0.1
℃的环境中
C.突然被压缩的气体
D.开空调1
min内教室内的气体
【解析】选A。系统处于平衡态时,其状态参量稳定不变,金属铜块放在沸水中加热足够长的时间,温度、压强、体积都不再变化,是平衡态,故A项正确;冰水混合物在0.1
℃环境中两个系统之间有温度差,不是平衡态,B项错误;突然被压缩的气体温度升高,压强变大,故其不是平衡态,C项错;开空调1
min内教室内的气体,温度有变化,故其不是平衡态,D项错。
3.在青藏高原上,兴趣小组的同学想用实验的方法测量水沸腾时的温度到底是多少,它应选用
( )
A.水银温度计
B.酒精温度计
C.以上两种温度计都可以
D.以上两种温度计都不行
【解析】选A。不能选用酒精温度计,在青藏高原上水的沸点在80摄氏度左右,而酒精的沸点更低,也就是70摄氏度左右。故选A。
【补偿训练】
下列关于热力学温度的说法中,错误的是
( )
A.热力学温度的零值等于-273.15
℃
B.热力学温度的1
K的大小和摄氏温度的1
℃的大小是相等的
C.绝对零度是低温的极限,永远达不到
D.某物体摄氏温度1
℃就是热力学温度1
K
【解析】选D。由热力学温度(T)与摄氏温度(t)的关系T=t+273.15
K可知,A、B正确,D错误;绝对零度是低温的极限,永远不可能达到,C正确。
4.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.该温度计的测温物质是细玻璃管
【解析】选C。测温物质要有明显的热胀冷缩的性质,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的情况,测温物质是球形瓶中封闭的空气,该温度计是利用测温物质的热胀冷缩的性质制造的,故A、B、D错误,C正确。
情境: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铆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。已知图中双金属片被加热时,其弯曲程度会增大,则
问题:(1)测温物质应具备怎样的特性?
(2)测温物质具有怎样的特性,刻度才能均匀?
(3)使用时应注意哪些问题?
【解析】(1)测温物质的热胀冷缩性质变化显著。
(2)测温物质的特性随温度线性变化时,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,读数时温度计一般不离开待测物体等。
答案:见解析课时素养评价
四 温度和温标
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.在热学中,要描述一定气体的宏观状态,需要确定下列哪个物理量
( )
A.每个气体分子的运动速率
B.分子的平均动能
C.分子的体积
D.温度
【解析】选D。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、分子的平均动能和分子体积是微观量,不是气体的宏观状态参量,A、B、C错误。气体的温度是从热力学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参量,D正确。
2.热力学系统的平衡态是一种
( )
A.定态平衡
B.动态平衡
C.分子已经不动
D.只是温度一定达到了某一稳定值
【解析】选B。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,系统的状态参量均不随时间发生变化,所以A、C、D错误,B正确。
3.关于热平衡定律理解正确的是
( )
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两系统也达到热平衡
C.甲、乙、丙物体温度不相等,先把甲、乙接触,最终达到热平衡,再将丙与乙接触最终也达到热平衡,则甲、丙是处于热平衡的
D.热平衡时,两系统的温度相同,压强、体积也一定相同
【解析】选B。两个系统处于热平衡的标志是它们温度相同但压强、体积不一定相同,故选项A、D错误;选项C中最后只有丙、乙平衡,而丙与甲未平衡,故选项C错误;选项B符合热平衡定律,故B正确。
4.下列关于热力学温度的说法正确的是
( )
A.热力学温度的零点是0
℃
B.-126
℃比126
K温度高
C.在国际单位制中温度的单位是摄氏度
D.1
℃就是1
K
【解析】选B。热力学温度的零点是-273.15
℃,A错误;由热力学温度与摄氏温度的关系T=273.15
K+t可知,-126
℃
等于147.15
K,所以-126
℃比126
K温度高,B正确;在国际单位制中温度的单位是开尔文,则C错误;1
℃就是274.15
K,故D错误。
【补偿训练】
物体的温度从27
℃降低到0
℃,用热力学温度表示,以下说法正确的是
( )
A.物体的温度降低了273.15
K
B.物体的温度降低了300.15
K
C.物体的温度降低到273.15
K
D.物体的温度降低到0
K
【解析】选C。由T=t+273.15
K知0
℃时对应的热力学温度为273.15
K,温度降低27
℃,对应的热力学温度降低27
K。故C正确。
二、非选择题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.将未定温标的水银温度计刻划摄氏温标时,发现冰点(0
℃)和沸点(100
℃)间水银柱高度差为16
cm,问在25
℃时水银柱最高点和冰点刻度的距离为多少?
【解析】0
℃和沸点100
℃间水银柱高度差为16
cm,则每1
℃代表的单位长度是0.16
cm,因25
℃代表的长度是0.16
cm/℃×25
℃=4
cm,所以水银柱最高点和冰点刻度的距离为4
cm。
答案:4
cm
(10分钟·20分)
6.(6分)把摄氏温标和热力学温标作成函数关系图,正确的是
( )
【解析】选C。由T=t+273.15
K可知,热力学温度T与t成正比,斜率为正值,则B错误;在T=0
K时t为负值,则A和D错误。故C正确。
7.(14分)如图甲表示某金属丝的电阻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(图乙),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,于是就得到一个最简单的电阻温度计,请判断:如果电池的电动势和内电阻都是不变的,电流表上代表t1、t2的两点,哪个应该标在电流比较大的温度上?
【解析】由甲图可知,t1答案:t1
【补偿训练】
在某一温度计的管子上刻有150格均匀的标度,在1标准大气压下,当温度计的玻璃泡浸入冰水混合物中时,水银柱位置在40刻度处;当玻璃泡浸入沸水中时,水银柱的位置在90刻度处。当水银柱上升到100刻度处时,应相当于多少摄氏度?相当于热力学温度多少度?
【解析】摄氏温标规定:冰水混合物的温度为0
℃,1标准大气压下沸水温度为100
℃,由此可见,题中所说的40刻度处就是0
℃,90刻度处就是指100
℃。从40到90有50等份,每1等份的实际温度是
℃=2
℃。
当水银柱上升到100刻度处时,共占有的等份数是:100-40=60。所以100刻度处的实际温度是:2
℃×60=120
℃。
由热力学温度与摄氏温度的关系式
T=t+273.15
K可得,120
℃相当于热力学温度
T=(120+273.15)
K=393.15
K。
即该温度计100刻度处相当于120
℃,相当于393.15
K。
答案:120
℃ 393.15
K
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第二章 气体、固体和液体
1.温度和温标
必备知识·素养奠基
一、状态参量与平衡态
1.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,简称系统。用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_____,而容器和酒精灯就是_____。
2.状态参量:热学中描述_________的物理量。常用状态参量为_____、_____、
_____。通常用_____描述它的几何性质,用_____描述力学性质,用_____描述热
学性质。
系统
外界
系统状态
压强
体积
温度
体积
压强
温度
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_________,这种状态叫作平衡态,否则就是_________。
4.平衡态的特点:系统所有状态参量都不随
_____变化。
稳定状态
非平衡态
时间
二、热平衡与温度
思考
两个系统达到热平衡的标志是什么?
提示:两个系统的温度相同。
1.热平衡:两个相互接触的热力学系统的状态参量_________,此时两个系统达
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_______,那么这两个系统
彼此之间也必定处于热平衡。
3.温度:热平衡定律表明,当两个系统A、B处于热平衡时,它们必然具有某个共
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。一切达
到热平衡的系统都具有相同的_____。
不再变化
热平衡
温度
三、温度计与温标
1.如果要定量地描述温度,就必须有一套方法,这套方法就是_____;确定一个
温标时首先要选择一种测温物质,根据这种物质的某个特性来制造_______。
确定了测温物质和这种物质用以测温的某种性质以后,还要确定温度的_____
和_____的方法。
2.___________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K。
3.摄氏温标与热力学温标的关系:摄氏温标由___________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=
____________。?
温标
温度计
零点
分度
热力学温标
热力学温度
开尔文
热力学温标
t+273.15
K
4.下列说法正确的是__________。
(1)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。
(2)温度升高了1
℃就是升高了1
K。
(3)物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关。
(4)摄氏温度是国际单位制中七个基本物理量之一。
(5)在国际单位制中温度的单位是开尔文,符号为K。
(1)(2)(5)
关键能力·素养形成
一 平衡态和热平衡的比较
1.热力学系统的状态参量:
(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,表现为系统的宏观性质不随时间变化,而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动的状态。
(2)由于实际中并不存在完全不受外界影响,并且宏观性质绝对保持不变的系统,所以平衡态只是一个理想化的概念,它是在一定条件下对实际情况的抽象和概括。
3.对热平衡的理解:
(1)决定系统是否达到热平衡的最主要状态参量是温度,也就是说只要温度不再发生变化,那么这两个系统就达到了热平衡。理解热平衡定律一定要抓住温度这一状态量。
(2)平衡态不是热平衡: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;分别处于平衡态的两个系统在相互接触时,它们的状态可能会发生变化,直到温度相同时,两系统便达到了热平衡。达到热平衡的两个系统都处于平衡态。
4.对温度的理解:
(1)温度的宏观物理意义:决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态。
(2)与热平衡的关系:处于热平衡的每个系统内部各部分的温度相同;两系统达到热平衡后,两系统的温度相同。
【思考·讨论】
只要温度不变,系统就处于平衡态吗?
提示:当系统内包括温度在内的所有状态参量都不随时间变化时,系统才会处于平衡态。
【典例示范】
(多选)关于平衡态和热平衡,下列说法中正确的有
( )
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,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
【解析】选B、D。一般来说,描述系统的状态参量不止一个,根据平衡态的定义可以确定,A错误;根据热平衡的定义可知,B、D正确;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。
【误区警示】解决平衡态问题要注意四点:
(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。
(4)达到热平衡时,系统一定具有相同的温度,其他状态参量未必相同。
【素养训练】
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】选C。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;温度相同是热平衡的标志,必须相同,故D错误。
【补偿训练】
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
【解析】选A。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。综上所述,A正确。
二 温度和温标
1.“温度”含义的两种说法:
(1)宏观角度:表示物体的冷热程度。
(2)热平衡角度:两个处于热平衡的系统存在一个数值相等的物理量,这个物理量就是温度。
2.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,其温度与待测物体相同。
3.摄氏温标与热力学温标的比较:
摄氏温标
热力学温标
零度的规定
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
单位类型
常用单位
国际单位的基本单位
单位符号
℃
K
关系
(1)T=t+273.15
K
(2)ΔT=Δt
【思考·讨论】
摄氏温标:在1954年以前,标准温度的间隔是用两个定点确定的。它们是
水在一个标准大气压下的沸点(汽化点)和冰在一个标准大气压下与空气饱和
的水相平衡时的熔点(冰点)。摄氏温标(以前称为百分温标)是由瑞典天文学
家A·摄尔修斯设计的。如图所示,以冰点定作0
℃,汽化点定作100
℃,因此
在这两个固定点之间共为100
℃,即一百等份,每等份
代表1
℃,用摄氏温标表示的温度叫作摄氏温度。
摄氏温标用℃作单位,常用t表示。
热力学温标由英国科学家开尔文创立,把-273.15
℃作为零度的温标,叫作热力学温标(或绝对温标)。热力学温标用K表示单位,常用T表示。
试思考:
(1)热力学温度的绝对零度与摄氏温度的零摄氏度表示的冷热程度一样吗?
提示:不一样,热力学温度的绝对零度对应的摄氏温度为-273.15
℃。
(2)物体的温度升高1
℃,用热力学温标表示,物体的温度升高了多少?
提示:由T=t+273.15
K,则可得ΔT=Δt。即物体温度升高了1
℃与升高了1
K是等效的。
【典例示范】
(多选)下列有关温度的说法正确的是
( )
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.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,也可以说成温度变化274
K
【解析】选A、B。温标是用来定量描述温度的方法,常用的温标有摄氏温标和
热力学温标,A正确;两种温标表示同一温度时,数值不同,但在表示同一温度变
化时,数值是相同的,B正确;若物体的温度升高1
K,也可以说物体的温度升高
1
℃,但在表示物体的温度时,物体的温度为1
K,而不能说成物体的温度为
1
℃,C、D错误。
【误区警示】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,而不是ΔT=Δt+273.15
K。
(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。
【素养训练】
1.小硕用一种特殊材料制成了一个新的温度计,他将标准大气压下冰的熔点与水的沸点之间的温度等分为200格,且将冰的熔点的温度定为50
m,今小硕测量一杯水的温度为200
m,则该温度用摄氏温度表示为
( )
A.60
℃
B.50
℃
C.75
℃
D.100
℃
【解析】选C。每格表示的摄氏度为
℃=0.5
℃,比冰的熔点高出的温度为
(200-50)×0.5
℃=75
℃,选项C正确,A、B、D错误。
2.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.热力学温标规定在标准大气压下冰的熔点为0
K
【解析】选A。相同的冷热程度,温度相同,用不同温标表示的数值可以是不同的,A正确,B错误;热力学温标是从理论上作出的规定,故C错误,热力学温标规定在标准大气压下冰的熔点为273.15
K,D错误。
【补偿训练】
(多选)关于热力学温度,下列说法中正确的是
( )
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
【解析】选A、C。热力学温标和摄氏温标是温度的两种不同的表示方法,对同一温度来说,用不同的温标表示数值不同,这是因为它们零值的选取不同,但两种温标表示的温差一定相同,由T=t+273.15
K知A正确;摄氏温度可取负值,但热力学温度没有负值,B错误;由ΔT=Δt知C正确;温度由t升高到2t,摄氏温度升高了t,热力学温度也升高了t,D错误。
【拓展例题】热力学温度与摄氏温度的关系
【典例】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。
【解析】从图像看,物理量x与热力学温度成正比关系,用k表示比例系数,有x=kT。由于t=T-273.15
℃,因此x与t的关系图像如图所示。
答案:见解析图
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.下列说法不正确的是
( )
A.热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理
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.两个系统处于热平衡时,它们一定具有相同的热量
【解析】选D。由热平衡定律可知,若物体与A处于热平衡,它同时也与B达到热平衡,则A的温度便等于B的温度,这也是温度计用来测量温度的基本原理,故A、B项正确;热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度,故D项错误,C项正确。
2.下列状态中处于平衡态的是
( )
A.将一金属铜块放在沸水中加热足够长的时间
B.冰水混合物处在0.1
℃的环境中
C.突然被压缩的气体
D.开空调1
min内教室内的气体
【解析】选A。系统处于平衡态时,其状态参量稳定不变,金属铜块放在沸水中加热足够长的时间,温度、压强、体积都不再变化,是平衡态,故A项正确;冰水混合物在0.1
℃环境中两个系统之间有温度差,不是平衡态,B项错误;突然被压缩的气体温度升高,压强变大,故其不是平衡态,C项错;开空调1
min内教室内的气体,温度有变化,故其不是平衡态,D项错。
3.在青藏高原上,兴趣小组的同学想用实验的方法测量水沸腾时的温度到底是多少,它应选用
( )
A.水银温度计
B.酒精温度计
C.以上两种温度计都可以
D.以上两种温度计都不行
【解析】选A。不能选用酒精温度计,在青藏高原上水的沸点在80摄氏度左右,而酒精的沸点更低,也就是70摄氏度左右。故选A。
【补偿训练】
下列关于热力学温度的说法中,错误的是
( )
A.热力学温度的零值等于-273.15
℃
B.热力学温度的1
K的大小和摄氏温度的1
℃的大小是相等的
C.绝对零度是低温的极限,永远达不到
D.某物体摄氏温度1
℃就是热力学温度1
K
【解析】选D。由热力学温度(T)与摄氏温度(t)的关系T=t+273.15
K可知,A、B正确,D错误;绝对零度是低温的极限,永远不可能达到,C正确。
4.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.该温度计的测温物质是细玻璃管
【解析】选C。测温物质要有明显的热胀冷缩的性质,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的情况,测温物质是球形瓶中封闭的空气,该温度计是利用测温物质的热胀冷缩的性质制造的,故A、B、D错误,C正确。
【新思维·新考向】
情境: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铆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。已知图中双金属片被加热时,其弯曲程度会增大,则
问题:(1)测温物质应具备怎样的特性?
(2)测温物质具有怎样的特性,刻度才能均匀?
(3)使用时应注意哪些问题?
【解析】(1)测温物质的热胀冷缩性质变化显著。
(2)测温物质的特性随温度线性变化时,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,读数时温度计一般不离开待测物体等。
答案:见解析
课时素养评价
四 温度和温标
【基础达标】(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.在热学中,要描述一定气体的宏观状态,需要确定下列哪个物理量( )
A.每个气体分子的运动速率
B.分子的平均动能
C.分子的体积
D.温度
【解析】选D。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、分子的平均动能和分子体积是微观量,不是气体的宏观状态参量,A、B、C错误。气体的温度是从热力学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参量,D正确。
2.热力学系统的平衡态是一种
( )
A.定态平衡
B.动态平衡
C.分子已经不动
D.只是温度一定达到了某一稳定值
【解析】选B。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,系统的状态参量均不随时间发生变化,所以A、C、D错误,B正确。
3.关于热平衡定律理解正确的是
( )
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两系统也达到热平衡
C.甲、乙、丙物体温度不相等,先把甲、乙接触,最终达到热平衡,再将丙与乙接触最终也达到热平衡,则甲、丙是处于热平衡的
D.热平衡时,两系统的温度相同,压强、体积也一定相同
【解析】选B。两个系统处于热平衡的标志是它们温度相同但压强、体积不一定相同,故选项A、D错误;选项C中最后只有丙、乙平衡,而丙与甲未平衡,故选项C错误;选项B符合热平衡定律,故B正确。
4.下列关于热力学温度的说法正确的是
( )
A.热力学温度的零点是0
℃
B.-126
℃比126
K温度高
C.在国际单位制中温度的单位是摄氏度
D.1
℃就是1
K
【解析】选B。热力学温度的零点是-273.15
℃,A错误;由热力学温度与摄氏温度的关系T=273.15
K+t可知,-126
℃
等于147.15
K,所以-126
℃比126
K温度高,B正确;在国际单位制中温度的单位是开尔文,则C错误;1
℃就是274.15
K,故D错误。
【补偿训练】
物体的温度从27
℃降低到0
℃,用热力学温度表示,以下说法正确的是( )
A.物体的温度降低了273.15
K
B.物体的温度降低了300.15
K
C.物体的温度降低到273.15
K
D.物体的温度降低到0
K
【解析】选C。由T=t+273.15
K知0
℃时对应的热力学温度为273.15
K,温度降低27
℃,对应的热力学温度降低27
K。故C正确。
二、非选择题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.将未定温标的水银温度计刻划摄氏温标时,发现冰点(0
℃)和沸点(100
℃)间水银柱高度差为16
cm,问在25
℃时水银柱最高点和冰点刻度的距离为多少?
【解析】0
℃和沸点100
℃间水银柱高度差为16
cm,则每1
℃代表的单位长度是0.16
cm,因25
℃代表的长度是0.16
cm/℃×25
℃=4
cm,所以水银柱最高点和冰点刻度的距离为4
cm。
答案:4
cm
【能力提升】(10分钟·20分)
6.(6分)把摄氏温标和热力学温标作成函数关系图,正确的是
( )
【解析】选C。由T=t+273.15
K可知,热力学温度T与t成正比,斜率为正值,则B错误;在T=0
K时t为负值,则A和D错误。故C正确。
7.(14分)如图甲表示某金属丝的电阻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(图乙),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,于是就得到一个最简单的电阻温度计,请判断:如果电池的电动势和内电阻都是不变的,电流表上代表t1、t2的两点,哪个应该标在电流比较大的温度上?
【解析】由甲图可知,t1知连入RA时,电流I较大,
对应t1,故t1应标在电流较大的温度上。
答案:t1
【补偿训练】
在某一温度计的管子上刻有150格均匀的标度,在1标准大气压下,当温度计的
玻璃泡浸入冰水混合物中时,水银柱位置在40刻度处;当玻璃泡浸入沸水中时,
水银柱的位置在90刻度处。当水银柱上升到100刻度处时,应相当于多少摄氏
度?相当于热力学温度多少度?
【解析】摄氏温标规定:冰水混合物的温度为0
℃,1标准大气压下沸水温度为
100
℃,由此可见,题中所说的40刻度处就是0
℃,90刻度处就是指100
℃。从
40到90有50等份,每1等份的实际温度是
℃=2
℃。
当水银柱上升到100刻度处时,共占有的等份数是:100-40=60。所以100刻度处的实际温度是:2
℃×60=120
℃。
由热力学温度与摄氏温度的关系式
T=t+273.15
K可得,120
℃相当于热力学温度
T=(120+273.15)
K=393.15
K。
即该温度计100刻度处相当于120
℃,相当于393.15
K。
答案:120
℃ 393.15
K
