2024年初中物理競賽及自主招生專題講義第六講熱學第一節(jié)溫度與溫標物態(tài)變化含解析

Page1第六講熱學熱現(xiàn)象是日常生活中最常見的物理現(xiàn)象之一，冰雪溶化、冬霧充滿、熱脹冷縮等，都和熱現(xiàn)象有關(guān)。熱現(xiàn)象即和溫度有關(guān)的自然現(xiàn)象。本講將闡述有關(guān)溫度溫標、物態(tài)變更以及物質(zhì)的比熱容的相關(guān)學問。第一節(jié)溫度與溫標物態(tài)變更一、溫度與溫標（一）溫度溫度在宏觀上是表示物體冷熱程度的物理量，例如，開水的溫度要比冰水的溫度高。溫度在微觀上表示分子無規(guī)則運動的猛烈程度。物質(zhì)都是由分子構(gòu)成的，分子又在永不停息地做無規(guī)則運動，但是即使是同一物體內(nèi)的分子，它們做無規(guī)則運動的速率也是不盡相同的，有些分子速率大些，有些分子速率小些，所以每個分子無規(guī)則運動的動能也不盡相同。溫度事實上是分子平均動能的唯一標記，溫度越高，分子做無規(guī)則運動的平均動能越大。（二）溫標溫度的凹凸僅憑人的感覺來推斷是不行靠的，溫度只能通過物體隨溫度變更的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。測量溫度的工具叫溫度計，日常生活中常用的溫度計是液體溫度計，主要構(gòu)造是玻璃泡、細管、玻璃管以及測溫液體（比如水銀、酒精和煤油等）。溫度計的測量原理是利用液體的熱脹冷縮。如圖6.1所示，設(shè)溫度計的玻璃泡容積為，細管粗細勻稱，橫截面積為，當溫度為時測溫液體恰好全部在玻璃泡內(nèi)，當溫度為時測溫液體在細管內(nèi)的高度為，測溫液體的體積膨脹系數(shù)為（即溫度每上升一個單位，體積增加量為原來的倍），則溫度從上升到時，液體體積增加了，解得，可見，在這種構(gòu)造的溫度計中，細管中的液柱高度與溫度是一次函數(shù)關(guān)系，即定值。上式亦可寫為的形式，即不同的液柱高度對應(yīng)了不同的溫度。這樣，我們就可以據(jù)此來制定溫標，從而精確地測量溫度。1．攝氏溫標攝氏溫標是18世紀瑞典天文學家攝爾西斯建立的，攝氏溫標的單位是“攝氏度”，符號為“℃”。攝氏溫標定義為：在一個標準大氣壓下，把冰水混合物的溫度規(guī)定為0℃，把沸水的溫度規(guī)定為100℃，在0℃和100℃之間等分100份，每一份就是1℃?，F(xiàn)在世界上很多國家都是運用攝氏度作為溫度的常用單位。常用的液體溫度計，液柱在細管中的高度與溫度成一次函數(shù)關(guān)系。最小分度值相同時，相鄰兩刻度線之間的距離越大，代表著該溫度計越精確。如前文所述。同一種液體（即膨脹系數(shù)相同），玻璃泡容積越大，細管的橫截面積越小，溫度變更相同時，液柱高度變更越大，溫度計對溫度的變更越敏感，溫度計越精確。例1（上海第14屆大同杯初賽）量程相同、最小刻度都是1℃的甲、乙、丙三支酒精溫度計，玻璃泡的容積甲稍大一些，乙和丙相同，丙玻璃管的內(nèi)徑稍粗一些，甲和乙相同，由此可推斷相鄰兩刻度線之間的距離是（）。A．甲最長 B．乙最長 C．丙最長 D．一樣長分析與解結(jié)合，變形得，取，于是玻璃泡容積越大，細管內(nèi)徑越小（即越?。瑒t液柱高度的變更越大，因此，甲溫度計相鄰兩刻度線之間的距離最長，本題正確選項為。例2（上海第6屆初中物理競賽復(fù)賽改編）一只刻度勻稱但刻度線位置不準的溫度計，把它放在一標準大氣壓的沸水中，讀數(shù)是90℃；把它放在冰水混合物中，讀數(shù)是6℃。（1）用這只溫度計去測量某物體的溫度，當它的示數(shù)為27℃時，該物體的真實溫度是（）A．21℃ B．25℃ C．26℃ D．29℃（2）若溫度計示數(shù)恰與此時真實溫度相同，則真實溫度為________。（3）該溫度計示數(shù)與實際溫度的關(guān)系式為________（寫出詳細的函數(shù)解析式）。分析與解（1）畫出如圖6.2所示的示意圖，并將真實溫度與溫度計示數(shù)一一對應(yīng)標出，由于溫度計刻度勻稱，無論示數(shù)是否精確，溫度的變更量與細管內(nèi)液柱的長度的變更量的比值為一恒定值，而液柱長度的變更量可以用溫度計的示數(shù)變更來表示，因此有，解得，選項B正確。（2）設(shè)真實溫度為時，溫度計示數(shù)恰好也為，則有，解得。（3）事實上，溫度計示數(shù)與實際溫度是一次函數(shù)關(guān)系，不妨設(shè)，將（100℃，90℃）以及（0℃，6℃）代入，可解得，此即為溫度計的示數(shù)與實際溫度的函數(shù)解析式。2．華氏溫標華氏溫標由德國物理學家華倫海特建立，符號為“℉”，華氏溫標規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為32℉，水的沸點為212℉，中間有180等份，每一等份為1℉。與攝氏溫標相比，華氏溫標的一度要比攝氏溫標的一度小，當都精確到整數(shù)時，華氏溫標比攝氏溫標精確。另外，華氏溫標的0度比攝氏溫標的0度要低，在表達常用溫度時，通?？梢员荛_負數(shù)的運用。目前世界上只有包括美國在內(nèi)的少數(shù)幾個國家在運用華氏溫標。例3（上海第26屆大同杯復(fù)賽改編）1724年，華倫海特引入華氏溫度。他把肯定濃度的鹽水凝固時的溫度定為零華氏度，把純水凝固時的溫度定為32華氏度，把標準大氣壓下水沸騰的溫度定為212華氏度，中間分為180等份，每一等份代表1華氏度。用符號℉表示華氏溫度。依據(jù)上述文字，回答以下問題：（1）華氏溫度與攝氏溫度的轉(zhuǎn)換式是什么？（2）在哪個攝氏溫度下，華氏溫度恰與攝氏溫度數(shù)值相同？分析與解（1）明顯，攝氏溫度與華氏溫度是一次函數(shù)關(guān)系，設(shè)，將（0℃，32℉）和（100℃，212℉）代入，可得，，解得。（2）令，則，解得。即時，華氏溫度的數(shù)值也恰為。3．開爾文溫標開爾文溫標的命名是為紀念英國物理學家開爾文，又稱熱力學溫標、肯定溫標。開爾文溫標簡稱開氏溫標，用符號表示，是國際單位制七個基本物理量之一，單位為開爾文，簡稱開，符號為“”。熱力學溫度又被稱為肯定溫度，是熱力學和統(tǒng)計物理中的重要參數(shù)之一。開爾文溫標以肯定零度（）為最低溫度，規(guī)定在一個標準大氣壓下，水的凝固點的溫度為，沸水的溫度為，可見，溫度變更和變更1℃，變更量是相同的，即，在表示溫度差和溫度間隔時，用和用℃的值相同。熱力學溫度與人們慣用的攝氏溫度的關(guān)系是。當攝氏溫度時，肯定溫度對應(yīng)，叫做肯定零度。事實上肯定零度是低溫的極限，在這個溫度下，分子的無規(guī)則運動將停止，肯定零度是無法達到的。二、物態(tài)變更通常狀況下，物質(zhì)的存在有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。同一種物體，在不同溫度時，所處的狀態(tài)也可能不同。物質(zhì)從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過程，就叫做物態(tài)變更。1．熔化與凝固熔化是指固體變?yōu)橐后w的過程，要吸熱。熔化現(xiàn)象比較常見，例如冰塊溶化成水。凝固是指液體變?yōu)楣腆w，凝固會放熱。例如火山噴發(fā)出的熔巖凝固成巖石。利用液體凝固放出熱量可以起到肯定的保溫作用，如深秋初冬的晚上向大棚內(nèi)灌水防凍害。2．汽化與液化汽化是指液體變成氣體的過程，要吸熱。汽化分為兩種：蒸發(fā)和沸騰。蒸發(fā)是發(fā)生在液體表面的比較緩慢的汽化現(xiàn)象。沸騰是指在液體達到沸點時，液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的猛烈的汽化的現(xiàn)象。蒸發(fā)覺象很常見，抹上酒精的毛玻璃片暴露于空氣中變干了、夏天灑在地上的水一會兒就干了、曬在太陽下的濕衣服變干都屬于蒸發(fā)覺象。要使蒸發(fā)加快，可以對液體加熱、增大液體表面積、加快液體表面空氣流淌等。鍋中的沸水，隨著時間推移，水越來越少，這就是水的沸騰現(xiàn)象，標準大氣壓下水的沸點為100℃，氣壓越低，水的沸點越低。同一條件下，不同液體的沸點不同，例如，油的沸點比水高。液化是指氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程，要放出熱量夏天，冰棍四周冒“白氣”，就是空氣中的水蒸氣遇冷液化成小水珠形成的。早晨，草木上會有小水滴（液化）；天冷時，暖和的屋子的窗玻璃內(nèi)部表面出現(xiàn)的水珠；夏天，從冰箱保鮮室取出的原本表面干燥的玻璃器皿，一會兒，表面便有小水珠出現(xiàn)；自來水管外會掛有水珠；戴眼鏡的摯友在吃飯時，常常被“攔住”視線；冬天，人的口中會呼出“白氣”；秋天會有霧形成；燒開水時，容器蓋子上方四周出現(xiàn)的“白氣”等，都是液化現(xiàn)象。3．升華與凝華升華是指固體不經(jīng)過液態(tài)，干脆變?yōu)闅鈶B(tài)的過程，要吸熱。白熾燈的燈絲（鎢絲）變細、冬天冰凍的衣服變干、干冰（固態(tài)二氧化碳）變成氣體、樟腦丸變小等，都是升華現(xiàn)象。凝華是指氣體不經(jīng)過液態(tài)，干脆變?yōu)楣虘B(tài)的過程，要放熱。例如，水蒸氣變?yōu)檠┗?、水蒸氣變?yōu)橄?、冬天的霧凇景觀、冬天窗子內(nèi)的冰花、碘蒸氣遇冷干脆變成固態(tài)碘、用久的燈泡內(nèi)壁變黑（鎢在燈絲處升華，在燈泡壁凝華）舞臺用干冰制作的“煙霧”的“煙”（干冰升華吸熱，導致溫度變低，空氣中水蒸氣干脆凝華為固態(tài)的小冰晶）等，這些都是凝華現(xiàn)象。上述的六種物態(tài)變更以及吸熱、放熱狀況，可以用圖6.3表示如下。地球上最常見的液體是水，水在不同溫度下以不同的形態(tài)存在。諸如固態(tài)，冰、冰雹是凝固形成的，霜、霧凇和雪是凝華形成的，液態(tài)的露珠、霧、雨滴是液化形成的，冬天哈出的“白氣”也是液化而成的。氣態(tài)的水指的是水蒸氣，留意水蒸氣不行見，可見的是水珠，哈出的“白氣”事實上是極其微小的水珠。例4（上海第29屆大同杯初賽）有的工廠的煙囪里會冒出“白煙”，主要緣由是（）。A．排出的氣體中含有氣體遇冷凝聚，形成“白煙”B．排出的熱氣體與空氣中的水滴混合，形成“白煙”C．排出的氣體中含有大量的，等混合氣體，形成“白煙”D．排出的氣體中含有水蒸氣遇冷凝聚成小水滴，形成“白煙”分析與解工廠煙囪冒出的氣體中，含有大量的高溫水蒸氣，水蒸氣是無色的，我們看不到。但高溫水蒸氣在空氣中遇冷，會液化成小水滴，形成“白煙”。這里的白煙其實不是固體小顆粒，而是極其微小的大量液珠聚在一起形成的。選項正確。例5（上海第26屆大同杯初賽）室內(nèi)溫度為20℃，此時用蘸有少量酒精的棉花涂抹一下溫度計的玻璃泡，隨著酒精的快速蒸發(fā)，能比較正確反映溫度計示數(shù)隨時間變更的是（）。ABCD分析與解當在溫度計上涂抹酒精時，由于酒精快速蒸發(fā)，吸熱，因此溫度計溫度降低，當酒精蒸發(fā)完畢，溫度計示數(shù)要再上升，回到室溫。因此選項正確。練習題1．（上海第18屆大同杯復(fù)賽）同一個物體的溫度，可以利用攝氏溫標或熱力學溫標來表示。例如，某一天中午的自來水溫度，用攝氏溫標表示為20℃，用熱力學溫標表示為。那么，當自來水的溫度上升1℃時，用熱力學溫標表示這一溫度的上升，下列說法中正確的是（）。A．溫度上升大于B．溫度上升等于C．溫度上升小于 D．無法確定溫度上升的值與大小的關(guān)系2．（上海第7屆風華杯復(fù)賽）一支刻度勻稱但刻度線位置不準的溫度計，把它放在1標準大氣壓的沸水中，讀數(shù)是97℃，把它放在冰水混合物中，讀數(shù)是2℃。若用這支溫度計去測量某物體的溫度時，它的讀數(shù)恰好等于物體的實際溫度，則該物體的溫度是（）。A．50℃ B．47.5℃ C．40℃ D．38℃3．（上海第3屆大同杯初賽）一支沒有分度的溫度計旁邊放一根毫米刻度尺，溫度計的冰點對著刻度處。沸點對著刻度處，溫度計的水銀柱達到處的溫度是（）。A．40℃ B．47℃ C．48℃ D．50℃4．（上海第11屆大同杯初賽）一只自制溫度計有81根勻稱刻線，若把它插入正在溶化的冰水混合物中，水銀柱下降到第11根刻線，當把它插入在標準大氣壓下的沸水中時，水銀柱上升到第61根刻線?，F(xiàn)選用攝氏溫標，這個溫度計的測量范圍是（）。A．~110℃ B．~138℃C．~140℃ D．~142℃5．（上海第15屆大同杯初賽）某刻度勻稱但讀數(shù)不準的溫度計，用它測量冰水混合物的溫度時，示數(shù)是4℃；當冰溶化后，水溫上升到某一數(shù)值時，發(fā)覺它的示數(shù)恰好與真實溫度相等；讓水溫再增加10℃，而溫度計的示數(shù)只增加了9℃。那么，當用此溫度計去測量一個標準大氣壓下的沸水溫度時，示數(shù)將變?yōu)椋ǎ?。A．92℃ B．94℃ C．96℃ D．98℃6．（上海第30屆大同杯初賽）下列說法中正確的是（）。A．北方寒冷的冬天，室內(nèi)的玻璃窗上會出現(xiàn)冰花，屬于凝華現(xiàn)象B．燥熱的夏天，雪糕四周出現(xiàn)的“白氣”是雪糕升華的水蒸氣形成的C．將的冰塊放在冰箱的0℃保鮮室中，一段時間后，冰塊的內(nèi)能增加D．用鋸條鋸木板，鋸條的溫度上升，是由于鋸條從木板中汲取了熱量7．（上海第27屆大同杯初賽）以下關(guān)于“水”的說法中，正確的是（）。A．水沸騰時，產(chǎn)生的氣泡在上升的過程中體積肯定變大B．同質(zhì)量100℃的水蒸氣比沸水造成的燙傷肯定嚴峻C．水沸騰時，溫度肯定為100℃D．水溫上升，密度肯定減小8．（上海第25屆大同杯初賽）近年來全球變暖最主要的緣由是（）。A．被大氣汲取的太陽輻射增加B．被大氣反射到太空的太陽輻射增加C．被大氣汲取的地表輻射增加D．被地表反射到太空的太陽輻射增加9．（上海第24屆大同杯初賽）水沸騰時，有大量的氣泡產(chǎn)生，氣泡中主要是（）。A．小水珠 B．空氣 C．水蒸氣 D．氧氣10．（上海第20屆大同杯初賽）下列現(xiàn)象中利用了熔化吸熱的是（）。A．運輸食品時利用干冰降溫防止食品腐爛B．天熱時向地上灑水會感到?jīng)隹霤．游泳后離開泳池時身上會感到有點冷D．向可樂中加冰塊會使飲料變得更涼11．（上海第19屆大同杯初賽）如圖6.4所示，甲容器內(nèi)裝有水，乙試管內(nèi)也裝有水，并通過甲容器密封蓋上的孔插入甲容器的水中，且乙試管與密封蓋緊密接觸?，F(xiàn)給甲容器加熱，則經(jīng)過一段時間后（）。A．甲容器內(nèi)的水先沸騰B．乙試管內(nèi)的水先沸騰C．甲容器、乙試管內(nèi)的水同時沸騰D．甲容器內(nèi)的水沸騰，乙試管內(nèi)的水不會沸騰12．（上海第10屆銀光杯復(fù)賽）一根水銀溫度計連水銀泡總長，最大刻度處離頂部。將此溫度計放入35℃的溫水中，液面升到處，離頂部，如圖6.5所示。再將此溫度計放入40℃的熱水中，液面升至離頂部處。此溫度計的最大刻度值是________℃，表示人體正常體溫的刻度值位置距頂部________。13．（上海第17屆大同杯初賽）用一支刻度勻稱、但讀數(shù)不準的溫度計來測量某物體的溫度時，測量值偏低1℃，當該物體的溫度上升10℃，再用溫度計來測量物體的溫度時，測量值卻偏高了0.5℃，將該物體的溫度接著上升10℃，此時用溫度計來測量時，測量值將________℃（填偏高或偏低多少℃），用這個溫度計分別來測量標準大氣壓下的沸水溫度和冰水混合物的溫度時，兩者的示數(shù)差為________℃。參考答案1．B。熱力學溫度與攝氏溫度（℃）的關(guān)系是，所以溫度上升1℃與上升是相同的。2．C。設(shè)讀數(shù)為時恰與真實溫度相同，由于溫度計的液柱長度隨溫度勻稱變更，因此實際溫度的變更量與讀數(shù)的變更量比值不變，則有，解得。3．B。當溫度計的液柱長度從增加到時，溫度從0℃上升到100℃，則液柱長度每增加，溫度上升的值為，當液柱從增加到時，液柱長度增加了，溫度應(yīng)上升，因此處的溫度應(yīng)為。選項正確。本題亦可寫出溫度（℃）與液柱長度的函數(shù)關(guān)系，即，將代入，也可得。4．C。相鄰兩根刻度線所代表的溫度值為，則該溫度計所能測的最高溫度為，當液面下降到第1根刻度線（留意不是第0根刻度線）時，為所能測的最低溫，所能測的最低溫度為。5．B。由題可知讀數(shù)每上升9℃實際溫度上升10℃，設(shè)水溫為100℃時的讀數(shù)為，則有，解得。6．AC。寒冷的冬天，室內(nèi)的水蒸氣遇到較冷的窗玻璃會凝華成小冰晶附著在上面，A項正確；夏天冰糕四周的“白氣”其實是雪糕四周的水蒸氣遇冷液化而成的細小的小水珠，B項錯誤；的冰溫度上升到0℃，內(nèi)能增加，C項正確；鋸木板時鋸條的溫度上升，是做功變更了鋸條的內(nèi)能，D項錯誤。7．AB。水沸騰時，底部的水會汽化成水蒸氣，形成上升的氣泡。氣泡上升過程中壓強不斷變小，體積會變大，A項正確。100℃的水蒸氣遇冷時，先放熱液化成100℃的水，然后100℃的水放熱接著降溫，因此水蒸氣降