第1節(jié) 溫度和溫標(biāo)
學(xué)習(xí)目標(biāo) | 核心素養(yǎng)形成脈絡(luò) |
1.知道什么是狀態(tài)參量，知道熱平衡的概念。(重點(diǎn)) 2．理解熱平衡定律及溫度的意義。(重點(diǎn)) 3．知道溫度計(jì)的構(gòu)造，會(huì)使用常見溫度計(jì)。(重點(diǎn)) 4．理解溫標(biāo)、熱力學(xué)溫度的意義，掌握攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的區(qū)別與聯(lián)系。(重點(diǎn)、難點(diǎn)) | |
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一、狀態(tài)參量與平衡態(tài)
1．熱力學(xué)系統(tǒng)和外界
(1)熱力學(xué)系統(tǒng)：在熱學(xué)中，把某個(gè)范圍內(nèi)大量分子組成的研究對象叫作一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱系統(tǒng)。
(2)外界：系統(tǒng)之外與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物體統(tǒng)稱為外界。
2．狀態(tài)參量
描述系統(tǒng)熱學(xué)性質(zhì)的物理量，常用的物理量有幾何參量體積V、力學(xué)參量壓強(qiáng)p、熱學(xué)參量溫度T。
3．平衡態(tài)
沒有外界影響的情況下，系統(tǒng)內(nèi)各部分的狀態(tài)參量都不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)定的狀態(tài)。
二、熱平衡與溫度
1．熱平衡
兩個(gè)相互接觸的熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)參量不再變化。
2．熱平衡定律
如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定處于熱平衡。
3．溫度
表征熱平衡系統(tǒng)的“共同的熱學(xué)性質(zhì)”的物理量。
4．熱平衡的性質(zhì)
一切達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。
三、溫度計(jì)與溫標(biāo)
1．溫度計(jì)
名稱 | 原理 |
水銀溫度計(jì) | 根據(jù)水銀的熱膨脹的性質(zhì)來測量溫度 |
氣體溫度計(jì) | 根據(jù)氣體壓強(qiáng)隨溫度的變化來測量溫度 |
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2.溫標(biāo)
溫度的數(shù)值表示法叫作溫標(biāo)。
(1)攝氏溫標(biāo)：規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)為0 ℃，水的沸點(diǎn)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(biāo)，表示的溫度叫作攝氏溫度。
(2)熱力學(xué)溫標(biāo)：規(guī)定攝氏溫標(biāo)的－273.15 ℃為零值，這種表示溫度的方法即為熱力學(xué)溫標(biāo)。
熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度叫作熱力學(xué)溫度(T)，單位為開爾文(K)。
(3)攝氏溫度與熱力學(xué)溫度
①攝氏溫度 | 攝氏溫標(biāo)表示的溫度，用符號t表示，單位是攝氏度，符號為 ℃ |
②熱力學(xué)溫度 | 熱力學(xué)溫標(biāo)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(guān)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(gè)系統(tǒng)的溫度一定相等。( )
(3)0 ℃的溫度可以用熱力學(xué)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(yùn)動(dòng)。( )
(6)物體的溫度由本身決定，數(shù)值與所選溫標(biāo)無關(guān)。( )
提示：(1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)×
深度思考
(1)在一個(gè)寒冷的冬天，小明同學(xué)在室外接觸鐵棒和木頭時(shí)，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(jié)論，你認(rèn)為他的結(jié)論對嗎？
(2)嚴(yán)冬，湖面上結(jié)了厚厚的冰，但冰下魚兒仍在游動(dòng)。為了測出冰下水的溫度，甲、乙兩同學(xué)在冰上打了一個(gè)洞，拿來一支實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)，甲同學(xué)用線將溫度計(jì)拴牢從洞中放入水里，待較長時(shí)間后從水中提出，讀出示數(shù)；乙同學(xué)取一塑料飲水瓶，將溫度計(jì)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(shí)間，然后將瓶提出，立即從瓶外觀察溫度計(jì)的示數(shù)。你認(rèn)為哪個(gè)同學(xué)的做法更好？
提示：(1)不對。由于鐵棒和木頭都與周圍的環(huán)境達(dá)到熱平衡，故它們的溫度是一樣的。感覺到鐵棒特別涼，是因?yàn)槿嗽趩挝粫r(shí)間內(nèi)傳遞給鐵棒的熱量比傳遞給木頭的熱量多，所以他的結(jié)論不對。
(2)乙同學(xué)。要測量冰下水的溫度，必須使溫度計(jì)與冰下的水達(dá)到熱平衡時(shí)，再讀出溫度計(jì)的示數(shù)，但因隔著冰無法直接讀數(shù)，把溫度計(jì)取出來，顯示的也不再是原熱平衡狀態(tài)下的溫度。
平衡態(tài)與熱平衡
問題導(dǎo)引
1．只要溫度不變，系統(tǒng)就處于平衡態(tài)嗎？
2．平衡態(tài)就是熱平衡嗎？
[要點(diǎn)提示] 1.當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)包括溫度在內(nèi)的所有狀態(tài)參量都不隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)才是處于平
衡態(tài)。
2．各自處于平衡態(tài)的兩個(gè)物體溫度不一定相同，它們接觸后各自的狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化，直到達(dá)到熱平衡為止。
【核心深化】
1．平衡態(tài)
(1)熱力學(xué)的平衡態(tài)是一種動(dòng)態(tài)平衡，組成系統(tǒng)的分子仍在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，只是分子運(yùn)動(dòng)的平均效果不隨時(shí)間變化，表現(xiàn)為系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化，而力學(xué)中的平衡態(tài)是指物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。
(2)平衡態(tài)是一種理想情況，因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)完全不受外界影響是不可能的。系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，由于外界影響，系統(tǒng)仍可能發(fā)生偏離平衡狀態(tài)的微小變化。
(3)平衡態(tài)的特點(diǎn)：系統(tǒng)溫度、壓強(qiáng)、體積不發(fā)生變化。由于系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，所有的性質(zhì)都不隨時(shí)間變化，就能比較容易地描述這些性質(zhì)，所以中學(xué)階段只描述平衡態(tài)的問題。
2．熱平衡
相互接觸的兩個(gè)系統(tǒng)，各自的狀態(tài)參量將會(huì)相互影響而分別改變，最后，兩個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)參量將不再變化，我們就說兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡。一切達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度，所以兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)具有相同的溫度。
3．平衡態(tài)與熱平衡概念的區(qū)別
(1)平衡態(tài)不是熱平衡，平衡態(tài)是對某一系統(tǒng)而言的，熱平衡是對兩個(gè)接觸的系統(tǒng)而言的。
(2)分別處于平衡態(tài)的兩個(gè)系統(tǒng)在相互接觸時(shí)，它們的狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生變化，直到溫度相同時(shí)，兩系統(tǒng)便達(dá)到了熱平衡。達(dá)到熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)都處于平衡態(tài)。
4．熱平衡定律
如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定處于熱平衡，這個(gè)結(jié)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(jù)。因?yàn)榛闊崞胶?/span>的物體具有相同的溫度，所以比較各物體溫度時(shí)，不需要將各個(gè)物體直接接觸，只需將作為標(biāo)準(zhǔn)物體的溫度計(jì)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(gè)系統(tǒng)與另一個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)的物理量。
(2)熱平衡的條件方面：達(dá)到熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，它們一定具有相同的熱量
B．如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)也必定處于熱平衡
C．溫度是決定兩個(gè)系統(tǒng)是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)的唯一物理量
D．熱平衡定律是溫度計(jì)能夠用來測量溫度的基本原理
[思路點(diǎn)撥] 處理熱平衡問題時(shí)，應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：
(1)發(fā)生熱交換時(shí)，高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量；
(2)達(dá)到熱平衡時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)都具有相同的狀態(tài)參量——溫度，故A錯(cuò)誤，C正確；由熱平衡定律，若物體與系統(tǒng)A處于熱平衡，它同時(shí)也與系統(tǒng)B達(dá)到熱平衡，則系統(tǒng)A的溫度便等于系統(tǒng)B的溫度，這也是溫度計(jì)用來測量溫度的基本原理，故B、D正確。
[答案] BCD
【針對訓(xùn)練】
1. (多選)關(guān)于平衡態(tài)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(tǒng)就一定處于平衡態(tài)
B．兩個(gè)系統(tǒng)在接觸時(shí)它們的狀態(tài)不發(fā)生變化，說明這兩個(gè)系統(tǒng)原來的溫度是相等的
C．熱平衡就是平衡態(tài)
D．處于熱平衡的幾個(gè)系統(tǒng)的壓強(qiáng)一定相等
解析：選ACD。一般來說，描述系統(tǒng)的狀態(tài)參量不只是一個(gè)，根據(jù)平衡態(tài)的定義知所有性質(zhì)都不隨時(shí)間變化，系統(tǒng)才處于平衡態(tài)，A錯(cuò)誤；根據(jù)熱平衡的定義知處于熱平衡的兩個(gè)系統(tǒng)溫度相同，故B正確，D錯(cuò)誤；平衡態(tài)是針對某一系統(tǒng)而言的，熱平衡是兩個(gè)系統(tǒng)相互影響的最終結(jié)果，C錯(cuò)誤。
2．(多選)下列有關(guān)熱平衡的說法，不正確的是( )
A．如果兩個(gè)系統(tǒng)在某時(shí)刻處于熱平衡狀態(tài)，則這兩個(gè)系統(tǒng)永遠(yuǎn)處于熱平衡狀態(tài)
B．熱平衡定律只能研究三個(gè)系統(tǒng)的問題
C．如果兩個(gè)系統(tǒng)彼此接觸而不發(fā)生狀態(tài)參量的變化，這兩個(gè)系統(tǒng)又不受外界影響，那么這兩個(gè)系統(tǒng)一定處于熱平衡狀態(tài)
D．兩個(gè)處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，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(tài)的系統(tǒng)，如果受到外界的影響，狀態(tài)參量會(huì)隨之變化，溫度也會(huì)變化，故A錯(cuò)誤；熱平衡定律對多個(gè)系統(tǒng)也適用，故B錯(cuò)誤；由熱平衡的意義可知，C正確；溫度相同是熱平衡的標(biāo)志，必須相同，故D錯(cuò)誤。
