1、4 温度和温标,一、状态参量与平衡态 1.热力学系统:由大量分子组成的一个研究对象,在热学中就叫做一个热学系统,简称系统。 2.外界:系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称外界。 3.状态参量:在热学中,为确定系统的状态所需要的物理量叫做系统的状态参量。 常用的状态参量有:几何参量体积V、力学参量压强p、热学参量温度T。 4.平衡态:在没有外界影响的情况下,无论其初始状态如何,只要经过足够长的时间,系统内各部分的状态参量能够达到稳定,这种情况就叫做系统达到平衡态。,二、热平衡与温度 1.热平衡:两个相互接触的热力学系统,经过一段时间以后,这两个系统的状态参量都不再变化,我们说这两个系统达到了
2、热平衡。达到热平衡的两个系统具有相同的温度。 2.热平衡定律:如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必然处于热平衡,这个结论称为热平衡定律,它又叫热力学第零定律。,三、温度计与温标 1.温度计:选择一种测量物质,根据这种物质随温度变化而变化的某个特性来制造温度计。 2.常见温度计的测温原理,3.温标 (1)定义:定量描述温度的方法称为温标。 (2)两种温标。 摄氏温标:一种常用的表示温度的方法,这种温标规定标准大气压下冰的熔点为0 ,水的沸点为100 。在0 和100 之间均匀分成100等份,每份算作1 。 热力学温标:现代科学中常用的表示温度的方法,这种温标规定摄氏
3、温度的-273.15 为零值。 (3)摄氏温度与热力学温度。 摄氏温度:用摄氏温标表示的温度,用符号t表示,单位是摄氏度,用符号表示。 热力学温度:用热力学温标表示的温度,它是国际单位制中七个基本物理量之一,用符号T表示,单位是开尔文,简称开,符号为 K。 换算关系:T=t+273.15 K。,自我检测 1.判断正误,对的画“”,错的画“”。,(1)摄氏温度和热力学温度的最低温度都是零度。( ) 解析:摄氏温度可以取负值,不是从零开始的。 答案: (2)0 的温度可以用热力学温度粗略表示为273 K。( ) 解析:由T=t+273 K知,当t=0 时,T=273 K。 答案: (3)温度升高了
4、10 也就是升高了10 K。( ) 解析:摄氏温度变化1 与热力学温度变化1 K是相等的。 答案:,2.探究讨论。 (1)描述热力学系统的主要参量有哪些? 答案:主要有体积、压强和温度三个参量。 (2)摄氏温标和热力学温标有什么区别和联系? 答案:摄氏温标和热力学温标是表示温度的不同方法,最大区别是规定的零点不同。 (3)两个相互接触的物体经过一定的时间一定能够达到热平衡吗? 答案:不一定,如果一个物体的温度持续升高,两个物体之间总存在一个温度差,此时就不是热平衡状态。 (4)一根长铁丝一端插入100 的沸水中,另一端放入0 的恒温源中,经过足够长的时间,温度随铁丝有一定的分布,而且不随时间变
5、化,这种状态是否为平衡态? 答案:这种状态不是平衡态,只是一种稳定状态,因为铁丝存在外在因素的影响。,探究一,探究二,平衡态与热平衡 问题探究 刀剑淬火是制作刀剑的重要过程,如图所示,是刀剑刚入水淬火的瞬间,在这一瞬间,刀剑和水组成的系统是否达到热平衡状态?经过一段时间后,是否达到热平衡状态?达到热平衡状态的标志是什么?要点提示淬火瞬间由于一部分刀剑在水的外部,一部分处于水的内部,温度不相同,没有达到热平衡状态;当经过一段时间后,它们的温度相等,达到了热平衡状态,达到热平衡状态的标志是温度相等。,知识归纳 1.对平衡态的理解 (1)热力学的平衡态是一种动态平衡,组成系统的分子仍在不停地做无规则
6、运动,只是分子运动的平均效果不随时间变化,表现为系统的宏观性质不随时间变化,而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动状态。 (2)平衡态是一种理想情况,因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。系统处于平衡态时,仍可能发生偏离平衡态的微小变化。 (3)两个系统达到热平衡后再把它们分开,如果分开后它们都不受外界影响,再把它们重新接触,它们的状态不会发生新的变化。因此,热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。因此可以说,只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化,我们就说这两个系统原来是处于热平衡的。,探究一,探究二,探究一,探究二,2.对热平衡的理解 (1)相互接触的两个系统
7、,各自的状态参量将会相互影响而分别改变,最后,两个系统的状态参量将不再变化,我们就说两系统达到了热平衡。 (2)一切达到热平衡的系统都具有相同的温度,所以两个系统达到热平衡的标志是系统具有相同的温度。 (3)如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。,探究一,探究二,3.平衡态与热平衡概念的区别 (1)平衡态不是热平衡,平衡态是对某一系统而言的,热平衡是对两个接触的系统而言的。 (2)分别处于平衡态的两个系统在相互接触时,它们的状态可能会发生变化,直到温度相同时,两系统便达到了热平衡。达到热平衡的两个系统都处于平衡态。,典例剖析 【例题1】如果一个系统达到
8、了平衡态,那么这个系统各处的( ) A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化 B.温度一定达到了某一稳定值,但压强和体积仍是可以变化的 C.温度一定达到了某一稳定值,并且分子不再运动,达到了“凝固”状态 D.温度、压强稳定,但体积仍可变化 【思考问题】 平衡态的标志是什么? 提示各状态参量不再发生变化。 解析:如果一个系统达到了平衡态,系统内各部分的状态参量如温度、压强和体积等不再随时间发生变化。温度达到稳定值,分子仍然是运动的,不可能达到所谓的“凝固”状态。 答案:A,探究一,探究二,探究一,探究二,处理平衡态问题的注意事项 (1)平衡态指的是一个系统内部达到的一种平衡。 (2)必须
9、要经过较长一段时间,直到系统内所有状态参量都不随时间变化为止。 (3)系统与外界没有能量的交换。,探究一,探究二,变式训练1(多选)下列状态中处于平衡态的是 ( ) A.将一金属块放在沸水中加热足够长的时间 B.冰水混合物处在0 环境中 C.突然被压缩的气体 D.开空调2分钟内教室中的气体 解析:系统处于平衡态时,其状态参量稳定不变。金属块放在沸水中加热足够长的时间,冰水混合物在0 环境中,其温度、压强、体积都不再变化,是平衡态,故A、B对;突然被压缩的气体温度升高,压强变大,故其不是平衡态,C错;开空调2分钟内教室中的气体温度、体积均要变化,故其不是平衡态,D错。 答案:AB,探究一,探究二
10、,温度计与温标 问题探究 1.温度计能够用来测量温度的基本原理是什么? 要点提示热平衡定律。例如,温度计跟物体A处于热平衡,它同时也跟物体B达到热平衡,那么A的温度与B的温度相等。温度计与待测物体达到热平衡时,二者温度相同。 2.海明威在短篇小说一天的等待中有这样一段对话: 爸爸:“人发烧到一百零二度是不会死的,你真是在说傻话。” 儿子:“我知道会的。在法国上学的时候,同学们告诉我,发烧到四十度就活不了了。我已经一百零二度了。”其中的102度是指的华氏温度,40度是指的摄氏温度,同学们可以查阅资料,进一步了解它们之间的关系,并把40 换算成热力学温度。 要点提示40 换算成热力学温度为313.
11、15 K。,知识归纳 1.“温度”含义的两种说法 (1)温度表示物体的冷热程度,这样的定义带有主观性,因为冷热是由人体的感觉器官比较得到的,往往是不准确的。 (2)温度的严格定义是建立在热平衡定律基础上的。热平衡定律指出,两个物体相互处于热平衡时,存在一个数值相等的态函数,这个态函数就是温度,这样的定义更具有科学性。 2.对温标的理解 (1)温标:如果要定量地描述“温度”,就必须有一套方法,这套方法就是温标。 (2)摄氏温标。 规定标准大气压下冰水混合物的温度为0 ,沸水的温度为100 ,在0 和100 之间分成100等份,每一等份就是1 ,这种表示温度的方法就是摄氏温标,表示的温度叫做摄氏温
12、度(t)。,探究一,探究二,探究一,探究二,(3)热力学温标。 1848年,开尔文建立了热力学温标,它不依赖于测温物体的具体性质。 规定摄氏温度的-273.15 为零值,它的1度也等于摄氏温度的1度,这种表示温度的方法就是开尔文温标,也叫热力学温标。表示的温度叫热力学温度(T),单位为开尔文,简称开(K)。热力学温标的零度(0 K)是低温的极限,永远达不到。它是国际单位制的七个基本物理量之一。 1960年,国际计量大会确定了摄氏温标与热力学温标的关系:摄氏温标由热力学温标导出,摄氏温标所确定的温度用t表示,它与热力学温度T的关系是T=t+273.15 K。,探究一,探究二,(4)温度的两种数值
13、表示法:摄氏温标和热力学温标。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】 (多选)关于热力学温度和摄氏温度,以下说法正确的是( )A.热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位之一 B.温度升高了1 就是升高了1 K C.物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关 D.0 的温度可用热力学温度粗略地表示为273 K 解析:热力学温度“K”是国际单位制中七个基本物理量之一,其单位称为基本单位,选项A正确;用摄氏温标与热力学温标表示同一物体的温度数值不同,必有T=t+273.15 K,可知选项C错误,选项D正确;两种温标每变化一度的大小相同,选项B正确。 答案:ABD,探究一,探究二,摄氏温标和热力
14、学温标 (1)摄氏温标和热力学温标的零点不同。 (2)就一个分度而言,1 和1 K相等,即T=t。,探究一,探究二,变式训练2下图是四种测液体温度的方法,其中正确的是( )解析:用温度计测量液体温度时,温度计必须置于液体中,而且不能与器壁接触,只有D正确。 答案:D,1,2,3,4,5,1. (多选)在热学中,要描述一定气体的宏观状态,需要确定下列哪些物理量( ) A.每个气体分子的运动速率 B.压强 C.体积 D.温度 解析:描述系统的宏观状态,其参量是宏观量,每个气体分子的运动速率是微观量,不是气体的宏观状态参量。气体的压强、体积、温度分别是从力学、几何、热学三个角度对气体的性质进行的宏观
15、描述,是确定气体宏观状态的三个状态参量。显然选项B、C、D正确。 答案:BCD,1,2,3,4,5,2. 关于平衡态和热平衡,下列说法正确的是( ) A.只要温度不变且处处相等,系统就一定处于平衡态 B.两个系统在接触时它们的状态不发生变化,这两个系统原来的温度是相等的 C.热平衡就是平衡态 D.处于热平衡的几个系统的压强一定相等 解析:一般来说,描述系统的状态参量不止一个,根据平衡态的定义要所有性质都不变化才行,可以确定A项错误。根据热平衡的定义:处于热平衡的两个系统温度相同,可知B项正确,D项错误。平衡态是针对某一系统而言的,热平衡是两个系统相互影响的最终结果,可见C项错误。 答案:B,1
16、,2,3,4,5,3.(多选)下列关于热力学温度的说法中,正确的是( ) A.-136 比136 K温度高 B.0 等于273.15 K C.1 就是1 K D.升高1 就是升高274.15 K 解析:根据T=t+273.15 K可知-136 等于137.15 K,0 等于273.15 K,选项A、B正确;由T=t判断选项C、D错误。 答案:AB,1,2,3,4,5,4. (多选)下列有关温度的说法正确的是( ) A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法 B.用两种温度表示温度的变化时,两者的数值相等 C.1 K就是1 D.当温度变化1 时,也可以说成温度变化274 K 解析:温
17、标是用来定量描述温度的方法,常用的温标有摄氏温标和热力学温标,两种温标表示同一温度时,数值不同,但在表示同一温度变化时,数值是相同的。若物体的温度升高1 K,也可以说物体的温度升高1 ,但在表示物体的温度时,物体的温度为1 K,而不能说成物体的温度为1 ,A、B两项正确。 解析:AB,1,2,3,4,5,5.摄氏温标:在1954年以前,标准温度的间隔是用两个定点确定的。它们是水在标准大气压下的沸点(汽化点)和冰在标准大气压下与饱和空气的水相平衡时的熔点(冰点)。摄氏温标(以前称为百分温标)是由瑞典物理学家摄尔修斯设计的。如图所示,以冰点定为0 ,汽化点定为100 ,因此在这两个固定点之间共为1
18、00 ,即一百等份,每等份代表1度,用1 表示,用摄氏温标表示的温度叫做摄氏温度。摄氏温标用度作单位,常用t表示。热力学温标由英国科学家威廉汤姆逊(开尔文)创立,把-273.15 作为零度的温标,叫做热力学温标(或绝对温标)。热力学温标用K表示单位,常用T表示。则,1,2,3,4,5,解析:(1)摄氏温标冰点温度为0 ,汽化点温度为100 ,且用t表示;而热力学温标是把-273.15 作为零开尔文的,用T表示,所以热力学温标与摄氏温标之间的关系为T=t+273.15 K。 答案:(1)T=t+273.15 K (2)0 273 100 373 (3)1,(1)热力学温标与摄氏温标之间的关系为: 。 (2)如果可以粗略地取-273 为绝对零度。在一标准大气压下,冰的熔点为 ,即为 K,水的沸点是 ,即 K。 (3)如果物体的温度升高1 ,那么,物体的温度将升高 K。,
