溫度和溫標(biāo)高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第二章氣體、固體和液體物體是由大量分子組成的，分子在做永不停息的無規(guī)則運(yùn)動，分子之間存在著相互作用力。這些因素決定了分子的三種不同的聚集狀態(tài)：氣體、固體和液體。物體處于不同狀態(tài)時具有不同的物理性質(zhì)。人類對物質(zhì)屬性的認(rèn)識是從宏觀到微觀不斷深入的過程。相應(yīng)地，人們對新材料或傳統(tǒng)材料新功能的開發(fā)和研制也從來沒有停止過。從遠(yuǎn)古的石器時代，到后來的青銅器時代、鐵器時代……新材料在人類文明進(jìn)程中扮演了重要的角色。2.1溫度和溫標(biāo)打開擋板K后，A、B兩部分氣體分子做無規(guī)則熱運(yùn)動，發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，如果容器與外界沒有能量交換，經(jīng)過一段時間后，容器內(nèi)氣體會混合均勻，達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，即兩部分氣體溫度相同，壓強(qiáng)也相同，達(dá)到平衡.?狀態(tài)參量與平衡態(tài)系統(tǒng)研究某一容器中氣體的熱學(xué)性質(zhì)，其研究對象是容器中的大量分子組成的系統(tǒng)，這在熱學(xué)中叫作一個熱力學(xué)系統(tǒng)(thermodynamicsystem)，簡稱系統(tǒng)。物理學(xué)中，把所研究的對象稱為系統(tǒng)．系統(tǒng)之外與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的其他物體統(tǒng)稱外界。例如，用酒精燈加熱容器中的氣體，把氣體作為研究對象，它就是一個熱力學(xué)系統(tǒng)，而容器和酒精燈就是外界。

在物理學(xué)研究中，對系統(tǒng)內(nèi)部問題，往往采取“隔離”分析方法，對系統(tǒng)與外界的相互作用問題，往往采取“整體”分析的方法．狀態(tài)參量在力學(xué)中，為描述物體(質(zhì)點)的運(yùn)動狀態(tài)，我們使用了物體的位置和速度這兩個物理量。在熱學(xué)中，為確定系統(tǒng)的狀態(tài)，也需要用到一些物理量，這些物理量叫作系統(tǒng)的狀態(tài)參量(stateparameter)。描述物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)的宏觀物理量叫做狀態(tài)參量。物理學(xué)中，需要研究系統(tǒng)的各種性質(zhì)，包括幾何性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)等等。為了描述系統(tǒng)的狀態(tài)，需要用到一些物理量。例如，為了確定系統(tǒng)的空間范圍，要用到體積V，這是一個幾何參量；為了確定外界與系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間力的作用，要用到壓強(qiáng)p，這是一個力學(xué)參量；而要確定系統(tǒng)的冷熱程度，就要用到一個熱學(xué)參量——溫度T。平衡態(tài)要定量地描述系統(tǒng)的狀態(tài)往往很難，因為有時系統(tǒng)的參量會隨時間變化。然而在沒有外界影響的情況下，只要經(jīng)過足夠長的時間，系統(tǒng)內(nèi)各部分的狀態(tài)參量就能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這種狀態(tài)叫作平衡態(tài)

(equilibriumstate)，否則就是非平衡態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，系統(tǒng)所有狀態(tài)參量都不隨時間變化，我們就能比較準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的狀態(tài)。在中學(xué)階段，我們主要處理平衡態(tài)的問題。熱學(xué)系統(tǒng)所處的平衡態(tài)往往是一種動態(tài)的平衡，這種動態(tài)平衡性質(zhì)充分說明熱運(yùn)動是物質(zhì)運(yùn)動的一種特殊形式。典例探究例題1：在熱學(xué)中，要描述一定氣體的宏觀狀態(tài)，需要確定下列哪些物理量(

)A．每個氣體分子的運(yùn)動速率B．壓強(qiáng)C．體積D．溫度BCD?

熱平衡與溫度上面所說的平衡態(tài)，指的是一個系統(tǒng)的狀態(tài)參量不再改變。下面我們要研究一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)相互作用的問題。熱平衡如果兩個系統(tǒng)相互接觸而傳熱，這兩個系統(tǒng)的狀態(tài)參量將會互相影響而分別改變。經(jīng)過一段時間，各自的狀態(tài)參量就不再變化了，這說明兩個系統(tǒng)達(dá)到了平衡。這種平衡叫作熱平衡(thermalequilibrium)。熱平衡概念也適用于兩個原來沒有發(fā)生過作用的系統(tǒng)．因此可以說，只要兩個系統(tǒng)在接觸時它們的狀態(tài)不發(fā)生變化，我們就說這兩個系統(tǒng)原來是處于熱平衡的．熱平衡定律(又叫熱力學(xué)第零定律)實驗表明：如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個系統(tǒng)彼此之間也必定處于熱平衡，這個結(jié)論稱為熱平衡定律。溫度熱平衡定律表明，當(dāng)兩個系統(tǒng)A、B處于熱平衡時，它們必定具有某個共同的熱學(xué)性質(zhì)，我們就把表征這一“共同的熱學(xué)性質(zhì)”的物理量叫作溫度

(temperature)。換句話說，溫度是決定一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)是否達(dá)到熱平衡的物理量，它的特點就是“達(dá)到熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度”(圖2.1-1)。下表列出了部分人們已觀測的溫度。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的宏觀標(biāo)志就是溫度相同，若溫度不同即系統(tǒng)處于非平衡態(tài)，則系統(tǒng)一定存在著熱交換。若溫度計跟物體

A

處于熱平衡，它同時也跟物體

B

處于熱平衡，根據(jù)熱平衡定律，A

的溫度便與

B

的溫度相等.典例探究例題2：一金屬棒的一端與0℃冰接觸，另一端與100℃水接觸，并且保持兩端冰、水的溫度不變．問當(dāng)經(jīng)過充分長時間后，金屬棒所處的狀態(tài)是否為熱平衡態(tài)?為什么?答案：否，因金屬棒各部分溫度不相同，存在能量交換．?

溫度計與溫標(biāo)溫標(biāo)如果要定量地描述溫度，就必須有一套方法，這套方法就是溫標(biāo)(thermometricscale)。定量描述溫度的方法叫做溫標(biāo)。

確定一個溫標(biāo)時首先要選擇一種測溫物質(zhì)，根據(jù)這種物質(zhì)的某個特性來制造溫度計。例如，可以根據(jù)水銀的熱膨脹來制造水銀溫度計，這時我們規(guī)定細(xì)管中水銀柱的高度與溫度的關(guān)系是線性關(guān)系。還可以根據(jù)氣體壓強(qiáng)隨溫度的變化來制造氣體溫度計(圖2.1-2)，等等。確定了測溫物質(zhì)和它用以測溫的某種性質(zhì)之后，還要確定溫度的零點和分度的方法。例如，攝氏溫標(biāo)曾經(jīng)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點為0℃，水的沸點為100℃；并據(jù)此把玻璃管上0℃刻度與100℃刻度之間均勻分成100等份，每份算作1℃。溫標(biāo)的建立包含三個要素：①

選擇溫度計中用于測量溫度的物質(zhì)，即測溫物質(zhì)；②

對測溫物質(zhì)的測溫屬性隨溫度變化規(guī)律的定量關(guān)系作出某種規(guī)定；③

確定固定點即溫度的零點和分度方法．熱力學(xué)溫度現(xiàn)代科學(xué)中用得更多的是熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度叫作熱力學(xué)溫度(thermodynamictemperature)，它是國際單位制中七個基本物理量之一，用符號T

表示，單位是開爾文(kelvin)，簡稱開，符號為K。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在表示溫度差的時候可以用攝氏度(℃)代替開爾文(K)，即1℃與1K相等。因此這個式子中T的單位用K.t的單位用℃。1960年，國際計量大會確定了攝氏溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)的關(guān)系：攝氏溫標(biāo)由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出，攝氏溫標(biāo)所確定的溫度用t

表示，它與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系是T＝t

＋273.15K說明①攝氏溫標(biāo)的單位“℃”是溫度的常用單位，但不是國際制單位，溫度的國際制單位是開爾文，符號為K．在今后各種相關(guān)熱力學(xué)計算中，一定要牢記將溫度單位轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)溫度即開爾文；②由

T＝t＋273.15K

可知，物體溫度變化1℃與變化1K的變化量是等同的，但物體所處狀態(tài)為1℃

與1K是相隔甚遠(yuǎn)的；③一般情況下，T＝t＋273K典例探究例題3：實際應(yīng)用中，常用到一種雙金屬溫度計．它是利用銅片與鐵片鉚合在一起的雙金屬片的彎曲程度隨溫度變化的原理制成的，如圖7－4－1所示．已知左圖中雙金屬片被加熱時，其彎曲程度會增大，則下列各種相關(guān)敘述中正確的有(

)A．該溫度計的測溫物質(zhì)是銅、鐵兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬B．雙金屬溫度計是利用測溫物質(zhì)熱脹冷縮的性質(zhì)來工作的C．由左圖可知，銅的熱膨脹系數(shù)大于鐵的熱膨脹系數(shù)D．由右圖可知，其雙金屬征的內(nèi)層一定為銅，外層一定為鐵雙金屬溫度計圖7－4－1

ABC練習(xí)與應(yīng)用1.“在測定某金屬塊的比熱容時，先把質(zhì)量已知的金屬塊放在沸水中加熱。經(jīng)過一段時間后把它迅速放入質(zhì)量已知、溫度已知的水中并用溫度計測量水的溫度。當(dāng)水溫不再上升時這就是金屬塊與水的共同溫度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)就可以計算金屬塊的比熱容?！痹谶@樣的敘述中，哪個地方涉及了“熱平衡”的概念?解：在以上敘述中，有兩個地方涉及“熱平衡”.第一處是金屬塊放在沸水中，經(jīng)過一段時間后，金屬塊和沸水組成的系統(tǒng)溫度相同同，這兩個系統(tǒng)達(dá)到“熱平衡”第二處是將金屬塊迅速放入質(zhì)量已知、溫度已知的水中，并用溫度計測水溫，當(dāng)水溫不再升高，這時金屬塊、水和溫度計組成的系統(tǒng)溫度相同，它們也達(dá)到了“熱平衡”.2.天氣預(yù)報某地某日的最高氣溫是27℃，它是多少開爾文?進(jìn)行低溫物理的研究時，熱力學(xué)溫度是2.5K，它是多少攝氏度?解：由T＝t＋273.15K知，27℃是300.15K，2.5K是－270.65℃.3.已知某物理量X

與熱力學(xué)溫度T

成正比、請把這個關(guān)系式用等式表示出來?，F(xiàn)在用攝氏溫度

t來表示溫度，這個關(guān)系式又該怎么寫?分別畫出X－T

圖像和X－t

圖像的草圖。解：X＝kT，X＝k(t＋273.15K)，如圖所示.4.圖2.1-5甲表示某金屬絲的電阻R

隨攝氏溫度t

變化的情況。把這段金屬絲與電池、電流表串聯(lián)起來(圖2.1-5乙)，用這段金屬