溫度和溫標
目標導航
（1）知道什么是狀態參量，什么是平衡態。
（2）知道什么是熱平衡，什么是熱平衡定律。
（3）知道溫度的表示方法。
（4）知道常見溫度計的構造，會使用常見的溫度計。
（5）理解攝氏溫標和熱力學溫標的轉換關系。
誘思導學
1．平衡態和狀態參量
在物理學中，通常把所研究的對象稱為系統。
（１）狀態參量
用來描述系統狀態的物理量，叫做系統的狀態參量。
（２）平衡態
系統宏觀性質不再隨時間變化，這種情況下就說系統達到了平衡態。
２．熱平衡與溫度
（１）溫度
溫度是表示物體冷熱程度的物理量，反映了組成物體的大量分子的無規則運動的激烈程度。
（２）熱平衡
一切達到熱平衡的系統都具有相同的溫度。
３．溫度計與溫標
（１）溫度計
是測量溫度的工具。
家庭和物理實驗室常用溫度計是利用水銀、酒精、煤油等液體的熱膨脹規律來制成的。另外，還有金屬電阻溫度計、壓力表式溫度計、熱電偶溫度計、雙金屬溫度計、半導體熱敏電阻溫度計、磁溫度計、聲速溫度計、頻率溫度計等等。
（２）溫標
溫度的數值表示法叫做溫標。
用攝氏溫標表示的溫度叫做攝氏溫度；在國際單位制中，常采用熱力學溫標表示的溫度，叫熱力學溫度。
熱力學溫度(T)與攝氏溫度(t)的關系為：
T＝t+273。15 （K）
說明：兩種溫度數值不同，但改變1 K和1℃的溫度差相同。
０K是低溫的極限，只能無限接近，但不可能達到。
典例探究
例１ 細心觀察可以發現，常見液體溫度計的下部的玻璃泡較大，壁也比較薄，上部的管均勻而且很細，想一想，溫度計為什么要做成這樣呢？
解析：這樣做的目的都是為了使測量更準確、更方便。下部較大而上部很細，這樣下部儲存的液體就比較多，當液體膨脹收縮時，膨脹或收縮不大的體積，在細管中的液面就有較大的變化，可以使測量更精確；下部的壁很薄，可以使玻璃泡內的測溫物質的溫度較快地與待測物質的溫度一致；細管的粗細是均勻的，是為了使刻度均勻，更便于讀數。
課后問題與練習點擊
1．略
2．略
3．解析： 物理量X與熱力學溫度T成正比，即：X＝ C·T （C為常量），又因為T＝t+273．15 K，所以X＝C·（t +273．15），因此，t＝X／C-273．15（℃）
4．電流表上代表t１、t２的兩點，t１應該標在電流比較大的溫度上。
解析：由圖７．４－２甲可以看出，t１溫度下金屬絲電阻比較小，因為電路中電池的電動勢和內阻都是不變的，根據閉合電路的歐姆定律可以知道，此時電路中電流比較大。
基礎訓練
１．兩個物體放在一起彼此接觸，它們若不發生熱傳遞，其原因是( )
A．它們的內能相同
B．它們的比熱相同
C．它們的分子總動能相同
D．它們的溫度相同
２．下列關于熱力學溫度的說法中，不正確的是( )
A．熱力學溫度的零度是－273。15 ℃
B．熱力學溫度的每一度的大小和攝氏溫度是相同的
C．絕對零度是低溫的極限，永遠達不到
D．1℃就是1 K
３．冬天，北方的氣溫最低可達-40℃，為了測量那里的氣溫應選用（ ）
A． 水銀溫度計
B．酒精溫度計
C．以上兩種溫度計都可以
D．以上兩種溫度計都不行
4．在25℃左右的室內，將一只溫度計從酒精中拿出，觀察它的示數變化情況是（ ）
A．溫度計示數上升 B．溫度計示數下降
C．溫度計示數不變 D．示數先下降后上升
5．常用的溫度計是利用液體的________來測量溫度的。攝氏溫度把標準大氣壓下________的溫度規定為0度。
6．體溫計的測量范圍是________，最小刻度值是________。
7．一支讀數為37。8℃的體溫計，不經甩過，先后依次測量兩個人的體溫，若他們的真實體溫分別是36。5℃和38℃，那么這支體溫計的讀數依次是________、________。
8．液體溫度計越精確，則其玻璃泡的容積與細管的容積相差必定越（填“大”或“小”）_______________，此時玻璃泡里的液體有微小的膨脹，細管里的液柱 。
9．能不能用體溫計作為寒暑表使用？試說明理由。
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溫度計和溫標的發明
公元前200一100年間，古希臘菲隆和希隆各自制造過一種以空氣膨脹為原理的測溫器。其后，人們還在三個容器中分別裝上冷、溫、熱水來判斷物體的冷熱：用手摸進行比較。
1592或1595年，伽利略制成了第一個氣體溫度計。玻璃管與玻璃泡相連，管內有有色液體，倒置于水杯之中。當被測溫度的物體與泡接觸時，泡內空氣就會因熱脹冷縮而發生體積變化，使有色液柱上升或下降，再由玻管上標有“熱度”(即現在所說的“溫度”)的刻度讀出。這是有史以來的第一支有刻度的溫度計。顯然，這種溫度計不完善：變化著的大氣壓也會使液柱升降，測量范圍極其狹窄。
物理學中熱力學里有一門叫計溫學的分支學科，它是利用物質的熱效應來研究測溫技術的。它包括溫度分度法、溫度參照點的選擇、溫度計按不同用途的設計、制定各種測溫標準、提高測溫精度、準確度、測定實用溫標和熱力學溫標的差值等。伽利略發明氣體溫度計后，人們的工作就大致按這些內容進行。
1611年，伽利略的同事桑克托留斯改進了伽利略的氣體溫度計，制成一種蛇狀玻璃管氣體溫度計，玻管上有llO個刻度，可測體溫。
1629年，約瑟夫·德米蒂哥這位物理學家兼猶太教師出版了一本叫《花園中的噴泉》的書，書中載有盛有白蘭地的玻璃泡溫度計，它旁邊的小字上寫著“oleb”(上升)。有人認為這是人類第一支較準確的溫度計。但現未能查明其發明者，而只能猜測是伽利略或他在帕多瓦大
學的同事德米蒂哥。具體發明年代只能大致確定在17世紀初。
1631—1632年，法國化學家詹·雷伊把伽利略的玻璃管倒轉過來，并直接用水而不是空氣的體積變化來測定溫度。這是第一支用水作工作物質的溫度計。但因管口末密封，水會蒸發而產生越來越大的誤差。
1641年，第一支以酒精為工作物質的溫度計首次出現在意大利托斯卡納大公爵費迪南二世的宮庭里。1644—1650年間，這位大公將其不斷完善：用蠟把紅色酒精溫度計的玻管口封位，在玻管上刻度。可見，這支溫度計已具有現代溫度計的雛型，以致不少人將溫度計的發明歸功于這位大公。1654年，這種溫度計已在佛羅倫薩普及，以致這一年被一些人認為是溫度計誕生之年。它還被傳到英國和荷蘭。
1646年，意大利物理學家萊納爾第尼明智地提出以水的冰點和沸點作為溫度計刻度的兩個定點。但無奈當時流行的酒精溫度計里酒精的沸點(78.5℃)低于水的沸點(100℃)，所以用水的沸點為第二個定點對酒精溫度計顯然不切實際，所以這一建議當時未能實施。
1657年成立的意大利佛羅倫薩實驗科學院在其存在的10年間地進行了水銀和酒精溫度計的
研究，制作過40(或80)個等分標度的沒有定點的酒精溫度計：它在1660年冬最冷時顯示11—12“度”，冰的熔點顯示13.5“度”，夏天最熱時為40“度”。
1658年，法國天文學家伊斯梅爾·博里奧制成第一支用水銀作工作物質的溫度計。
1660年，意大利材料測試研究所也制成了水銀溫度計。
1665年，荷蘭物理學、數學家惠更斯地提議把水的冰點和沸點作溫度計刻度的兩個定點，以便各種溫度計標準化。同年，英國物理學、化學家波義耳根據他于1662年發現的氣體定律(即玻義耳定律，后經法國物理學家馬略特完善后稱波義耳一馬略特定律，簡稱波一馬定律)，指出氣體溫度計不準的原因及其他缺點。其后，人們大多轉向其他工作物質的溫度計的研究。
1672年，休賓在巴黎發明了第一個不受大氣壓影響的空氣溫度計。
1688年，達蘭西的溫度計以水和牛油熔解時的兩個溫度作溫度計刻度的兩個固定點。
18世紀初，形形色色的溫度標準(溫標)已多達30余種。例如，丹麥天文學家羅默(他以1676
年用觀測木星衛星蝕的方法第一次證實光的傳播是等速運動而聞名于世)以人體溫度為22.5“度”和水的沸點為60“度”作溫度計上刻度的兩個定點。牛頓于1701—1703年制作的亞麻子油(一說蓖麻油)溫度計把雪的熔點0“度”和人體的溫度12“度”作溫度計的兩個定點。
法國物理學家阿蒙東最先指出測溫液體是規則膨脹的，“有絕對零度存在”也是他最先指出的，他于1703年也制成了一支實用氣體溫度計。
在18世紀以前，溫標不統一且不太實用。這些工作歷史地落在華倫海特等人的肩上。
遷居荷蘭的德國玻璃工華倫海特也在英國居住過。他經過1709—1714年的研究，把冰、水、氯化銨的混合物平衡溫度定為0℉，人體溫度定為96℉(如以今天我國標準體溫37℃，則應為98．6℉，可見他采用的體溫不是今天我國的標準體溫)，其間分為96格，每格為1℉。1724年，他又把水的沸點定為2120℉。但遺憾的是，他未能將冰的熔點定為0℉，而是定為32℉。這就是華氏溫標，其符號為tF。這是曾長期使用且至今仍在香港和世界許多地方使用的第一種溫標。他還發明了在填充水銀時進行凈化的方法，制成了第一種實用的水銀溫度計。
1730年，主要研究物理學和動物學的法國博物學家列奧繆爾制成了一種酒精溫度計，他把水的冰點0oR和沸點80oR刻在溫度計上作兩個定點，再把其問分為80格，每隔為1oR。這是其后流行了多年的第二種溫標——列氏溫標，其符號為tR。
1742年，瑞典物理學家、天學家攝爾修斯制成的水銀溫度計則把水的沸點和冰的熔點分別定為0℃和100℃，其間分為100格，每格為1℃，這是第三種得到廣泛流行的實用溫標——攝氏溫標，其符號為t或tc。1743年，克里森指出上述定點不符合越熱的物體溫度越高的習慣，8年以后的1750年，攝爾修斯接受同事斯特默爾的建議，把上述兩定點的溫度對調，這才成了現在的攝氏溫標即百分溫標。
上述三種溫標都是初級原始的溫標，其缺點有二。一是溫度值只有在兩個定點是準確的其余各點都不準確；二是定義范圍很窄，例如水銀溫度計測量范圍是—38．87—+356．9℃。以下第四種溫標克服了這些缺點。
1848年，英國物理學家湯姆遜即開爾文提出熱力學溫標。其符號為TK或T，并于1854年指出只需選用一個固定點數值，這種溫標就能確定。這個點就是“絕對零度”。然而，在實際建立熱力學溫度單位時，考慮到歷史傳統和當時的技術條件，他不得不用攝爾修斯的0—100℃的間隔作為100個新溫度的間隔，即新溫度的每個間隔為1開氏度(1oK)與 l攝氏度(1℃)相當。這就是開氏溫標。歷史上類似而含義不盡相同的名稱還有理想氣體溫標、熱力學絕對溫標等。這第四種溫標的特點是：與任何物體的性質無關，不受工作物質的影響，解除了工作物質因凝固、汽化而受到的限制，僅與熱量有關。1927年，第七屆國際計量大會確定它為最基本的溫標。1954年大會又決定把273.16oK這一水的三相點作為這一溫標的唯一定點。這一溫標實際包含的另一定點是不能用物質的已知性質來定義的，它是理論上推導出來的最低溫度——絕對零度。1967年，第十三屆國際計量大會將這種溫標的單位“開氏度”(oK)改為“開爾文”(K)，而前述“開氏溫標”及“開氏溫度”被分別代之以“新國際實用溫標”和“熱力學溫度”，我國也最終由國務院于1984年2月27日下達命令在1991年1月1日起正式施行使用。
