第1節 溫度和溫標
學習目標 | 核心素養形成脈絡 |
1.知道什么是狀態參量，知道熱平衡的概念。(重點) 2．理解熱平衡定律及溫度的意義。(重點) 3．知道溫度計的構造，會使用常見溫度計。(重點) 4．理解溫標、熱力學溫度的意義，掌握攝氏溫度與熱力學溫度的區別與聯系。(重點、難點) | |
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一、狀態參量與平衡態
1．熱力學系統和外界
(1)熱力學系統：在熱學中，把某個范圍內大量分子組成的研究對象叫作一個熱力學系統，簡稱系統。
(2)外界：系統之外與系統發生相互作用的其他物體統稱為外界。
2．狀態參量
描述系統熱學性質的物理量，常用的物理量有幾何參量體積V、力學參量壓強p、熱學參量溫度T。
3．平衡態
沒有外界影響的情況下，系統內各部分的狀態參量都不隨時間而變化的穩定的狀態。
二、熱平衡與溫度
1．熱平衡
兩個相互接觸的熱力學系統的狀態參量不再變化。
2．熱平衡定律
如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統彼此之間也必定處于熱平衡。
3．溫度
表征熱平衡系統的“共同的熱學性質”的物理量。
4．熱平衡的性質
一切達到熱平衡的系統都具有相同的溫度。
三、溫度計與溫標
1．溫度計
名稱 | 原理 |
水銀溫度計 | 根據水銀的熱膨脹的性質來測量溫度 |
氣體溫度計 | 根據氣體壓強隨溫度的變化來測量溫度 |
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2.溫標
溫度的數值表示法叫作溫標。
(1)攝氏溫標：規定標準大氣壓下冰的熔點為0 ℃，水的沸點為100 ℃，把玻璃管上0 ℃刻度與100 ℃刻度之間均勻分成100等份，每份就是1 ℃，這種表示溫度的方法即為攝氏溫標，表示的溫度叫作攝氏溫度。
(2)熱力學溫標：規定攝氏溫標的－273.15 ℃為零值，這種表示溫度的方法即為熱力學溫標。
熱力學溫標表示的溫度叫作熱力學溫度(T)，單位為開爾文(K)。
(3)攝氏溫度與熱力學溫度
①攝氏溫度 | 攝氏溫標表示的溫度，用符號t表示，單位是攝氏度，符號為 ℃ |
②熱力學溫度 | 熱力學溫標表示的溫度，用符號T表示，單位是開爾文，符號為K |
③換算關系 | T＝t＋273.15K |
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思維辨析
(1)溫度可以從高溫物體傳遞到低溫物體。( )
(2)處于熱平衡的幾個系統的溫度一定相等。( )
(3)0 ℃的溫度可以用熱力學溫度粗略表示為273 K。( )
(4)溫度升高了10 ℃也就是升高了10 K。( )
(5)在絕對零度附近分子已停止熱運動。( )
(6)物體的溫度由本身決定，數值與所選溫標無關。( )
提示：(1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)×
深度思考
(1)在一個寒冷的冬天，小明同學在室外接觸鐵棒和木頭時，感覺到鐵棒明顯比木頭涼，由于表示物體冷熱程度的是溫度，于是小明得出“鐵棒比木頭溫度低”的結論，你認為他的結論對嗎？
(2)嚴冬，湖面上結了厚厚的冰，但冰下魚兒仍在游動。為了測出冰下水的溫度，甲、乙兩同學在冰上打了一個洞，拿來一支實驗室溫度計，甲同學用線將溫度計拴牢從洞中放入水里，待較長時間后從水中提出，讀出示數；乙同學取一塑料飲水瓶，將溫度計懸吊在瓶中，再將瓶拴住從洞中放入水里，水灌滿瓶后待較長時間，然后將瓶提出，立即從瓶外觀察溫度計的示數。你認為哪個同學的做法更好？
提示：(1)不對。由于鐵棒和木頭都與周圍的環境達到熱平衡，故它們的溫度是一樣的。感覺到鐵棒特別涼，是因為人在單位時間內傳遞給鐵棒的熱量比傳遞給木頭的熱量多，所以他的結論不對。
(2)乙同學。要測量冰下水的溫度，必須使溫度計與冰下的水達到熱平衡時，再讀出溫度計的示數，但因隔著冰無法直接讀數，把溫度計取出來，顯示的也不再是原熱平衡狀態下的溫度。
平衡態與熱平衡
問題導引
1．只要溫度不變，系統就處于平衡態嗎？
2．平衡態就是熱平衡嗎？
[要點提示] 1.當系統內包括溫度在內的所有狀態參量都不隨時間變化時，系統才是處于平
衡態。
2．各自處于平衡態的兩個物體溫度不一定相同，它們接觸后各自的狀態可能會發生變化，直到達到熱平衡為止。
【核心深化】
1．平衡態
(1)熱力學的平衡態是一種動態平衡，組成系統的分子仍在不停地做無規則運動，只是分子運動的平均效果不隨時間變化，表現為系統的宏觀性質不隨時間變化，而力學中的平衡態是指物體的運動狀態處于靜止或勻速直線運動的狀態。
(2)平衡態是一種理想情況，因為任何系統完全不受外界影響是不可能的。系統處于平衡態時，由于外界影響，系統仍可能發生偏離平衡狀態的微小變化。
(3)平衡態的特點：系統溫度、壓強、體積不發生變化。由于系統處于平衡態時，所有的性質都不隨時間變化，就能比較容易地描述這些性質，所以中學階段只描述平衡態的問題。
2．熱平衡
相互接觸的兩個系統，各自的狀態參量將會相互影響而分別改變，最后，兩個系統的狀態參量將不再變化，我們就說兩個系統達到了熱平衡。一切達到熱平衡的系統都具有相同的溫度，所以兩個系統達到熱平衡的標準是系統具有相同的溫度。
3．平衡態與熱平衡概念的區別
(1)平衡態不是熱平衡，平衡態是對某一系統而言的，熱平衡是對兩個接觸的系統而言的。
(2)分別處于平衡態的兩個系統在相互接觸時，它們的狀態可能會發生變化，直到溫度相同時，兩系統便達到了熱平衡。達到熱平衡的兩個系統都處于平衡態。
4．熱平衡定律
如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統彼此之間也必定處于熱平衡，這個結論稱為熱平衡定律。
5．熱平衡的意義
熱平衡定律為溫度的測量提供了理論依據。因為互為熱平衡的物體具有相同的溫度，所以比較各物體溫度時，不需要將各個物體直接接觸，只需將作為標準物體的溫度計分別與各物體接觸，即可比較溫度的高低。
(1)熱平衡的特征方面：溫度是決定一個系統與另一個系統是否達到熱平衡狀態的物理量。
(2)熱平衡的條件方面：達到熱平衡的兩個系統一定具有相同的溫度。
【典題例析】
(多選)下列說法正確的是( )
A．兩個系統處于熱平衡時，它們一定具有相同的熱量
B．如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統也必定處于熱平衡
C．溫度是決定兩個系統是否達到熱平衡狀態的唯一物理量
D．熱平衡定律是溫度計能夠用來測量溫度的基本原理
[思路點撥] 處理熱平衡問題時，應把握以下兩點：
(1)發生熱交換時，高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量；
(2)達到熱平衡時，系統一定具有相同的溫度，其他參量未必相同。
[解析] 熱平衡的系統都具有相同的狀態參量——溫度，故A錯誤，C正確；由熱平衡定律，若物體與系統A處于熱平衡，它同時也與系統B達到熱平衡，則系統A的溫度便等于系統B的溫度，這也是溫度計用來測量溫度的基本原理，故B、D正確。
[答案] BCD
【針對訓練】
1. (多選)關于平衡態和熱平衡，下列說法中不正確的有( )
A．只要溫度不變且處處相等，系統就一定處于平衡態
B．兩個系統在接觸時它們的狀態不發生變化，說明這兩個系統原來的溫度是相等的
C．熱平衡就是平衡態
D．處于熱平衡的幾個系統的壓強一定相等
解析：選ACD。一般來說，描述系統的狀態參量不只是一個，根據平衡態的定義知所有性質都不隨時間變化，系統才處于平衡態，A錯誤；根據熱平衡的定義知處于熱平衡的兩個系統溫度相同，故B正確，D錯誤；平衡態是針對某一系統而言的，熱平衡是兩個系統相互影響的最終結果，C錯誤。
2．(多選)下列有關熱平衡的說法，不正確的是( )
A．如果兩個系統在某時刻處于熱平衡狀態，則這兩個系統永遠處于熱平衡狀態
B．熱平衡定律只能研究三個系統的問題
C．如果兩個系統彼此接觸而不發生狀態參量的變化，這兩個系統又不受外界影響，那么這兩個系統一定處于熱平衡狀態
D．兩個處于熱平衡狀態的系統，溫度可以有微小的差別
解析：選ABD。本題考查的知識是熱平衡。處于熱平衡狀態的系統，如果受到外界的影響，狀態參量會隨之變化，溫度也會變化，故A錯誤；熱平衡定律對多個系統也適用，故B錯誤；由熱平衡的意義可知，C正確；溫度相同是熱平衡的標志，必須相同，故D錯誤。
