山东省专用2020-2021学年高中物理第七章分子动理论第4节温度和温标讲义含解析新人教版选修3

第4节温度和温标1.平衡态：在没有外界影响的情况下，经过足够长的时间后，系统内各部分的状态参量都不再变化的状态。2．热平衡：两个相互接触的系统，经过一段时间以后状态参量不再发生变化，这说明两个系统对传热来说已经达到了平衡。3．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定处于热平衡。一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。4．摄氏温度t与热力学温度T的关系：T＝t＋273.15K。一、状态参量与平衡态1．热力学系统通常把由大量分子组成的研究对象称为热力学系统。2．外界指系统之外与系统发生相互作用的其他物体的统称。3．状态参量描述系统性质的物理量，常用的物理量有几何参量体积V、力学参量压强p、热学参量温度T。4．平衡态系统在没有外界影响的情况下，经过足够长的时间，各部分的状态参量达到稳定的状态。二、热平衡与温度1．热平衡：两个相互接触的热力学系统的状态参量不再变化。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定处于热平衡。3．热平衡的性质：一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。4．温度：表征互为热平衡系统的共同热学性质的物理量。三、温度计与温标1．常见温度计的测温原理名称测温原理水银温度计根据水银的热膨胀的性质来测量温度金属电阻温度计根据金属铂的电阻随温度的变化来测量温度气体温度计根据气体压强随温度的变化来测量温度热电偶温度计根据不同导体因温差产生电动势的大小不同来测量温度2．温标(1)摄氏温标一种常用的表示温度的，规定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，每份算做1℃。(2)热力学温标现代科学中常用的表示温度的方法，规定摄氏温度的－273.15_℃为零值，它的一度等于摄氏温度的一度。(3)摄氏温度与热力学温度①摄氏温度：摄氏温标表示的温度，用符号t表示，单位摄氏度，符号为℃。②热力学温度：热力学温标表示的温度，用符号T表示，单位开尔文，简称开，符号为K。③换算关系：T＝t＋273.15_K。1．自主思考——判一判(1)平衡态是一种理想状态。(√)(2)处于热平衡的两个系统具有相同的热量。(×)(3)现代技术可以达到绝对零度。(×)(4)摄氏温度和热力学温度都是从零开始的。(×)(5)0℃的温度可以用热力学温度粗略地表示为273K。(√)(6)温度升高了10℃也就是升高了10K。(√)2．合作探究——议一议(1)一根长铁丝一端插入100℃的沸水中，另一端放入0℃恒温源中，经过足够长的时间，温度随铁丝有一定的分布，而且不随时间变化，这种状态是否为平衡态？提示：这种状态不是平衡态，只是一种稳定状态，因为存在外在因素的影响。(2)当系统处于平衡态时，系统的所有性质都不随时间变化，是绝对不变的吗？提示：不是。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，即使系统处于平衡态，仍可能发生偏离平衡态的微小变化。(3)试从宏观和微观两个角度理解温度这个概念。提示：宏观上，温度表示物体的冷热程度；微观上温度反映分子热运动的激烈程度，是分子平均动能大小的标志。对平衡态与热平衡的理解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。(2)平衡态是一种理想状态，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。2．对热平衡的理解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。3．平衡态与热平衡的区别(1)平衡态是对某一系统而言的，是系统的状态，热平衡是对两个接触的系统之间的关系而言的。(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，两个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]　关于平衡态和热平衡，下列说法中正确的有(　　)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，说明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[思路点拨]　解答本题应注意以下两点：(1)一个系统的温度、压强、体积等都不变化时，才是处于平衡状态。(2)若两个系统的温度相等，则两个系统已达到热平衡。[解析]　一般来说，描述系统的状态参量不只是一个，根据平衡态的定义知所有性质都不随时间变化，系统才处于平衡态，A错误；根据热平衡的定义知处于热平衡的两个系统温度相同，故B正确、D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错误。[答案]　B解答热平衡问题的三个要点(1)平衡态与热平衡不同，平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡。(2)必须要经过较长一段时间，直到系统内所有性质都不随时间变化为止。(3)系统与外界没有能量的交换。　　　　1．如果一个系统达到了平衡态，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、压强就会变得一样，但体积仍可变化解析：选A　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。2．关于热平衡，下列说法中错误的是(　　)A．系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值B．标准状况下冰水混合物与0℃的水未达到热平衡C．量体温时体温计需要和身体接触十分钟左右是为了让体温计跟身体达到热平衡D．冷热程度相同的两系统处于热平衡状态解析：选B　两个系统达到热平衡时的标志是它们的温度相同，或者说它们的冷热程度相同，所以A、C、D三项都正确，B项错误。3．[多选]下列物体中处于热平衡状态的是(　　)A．冰水混合物处在0℃的环境中B．将一铝块放入沸水中加热足够长的时间C．冬天刚打开空调的教室内的空气D．一个装有气体的密闭绝热容器匀速运动，容器突然停止运动时，容器内的气体解析：选AB　冰水混合物的温度为0℃，和环境的温度相同，处于热平衡状态，A正确；铝块在沸水中加热足够长的时间，铝块和水的温度相同，处于热平衡状态，B正确；冬天刚打开空调的教室内的气体各部分温度不相同，未处于热平衡状态，C错误；匀速运动的容器突然停止运动时，机械能转化为气体的内能，容器内的气体温度升高，未达到热平衡状态，D错误。热力学温标与摄氏温标摄氏温标和热力学温标的比较摄氏温标热力学温标名称/符号摄氏温度/t热力学温度/T单位/符号摄氏度/℃开尔文/K零度的规定一个标准大气压下冰水混合物的温度－273.15℃这个温度又叫绝对零度，是低温的极限两者关系①T＝t＋273.15K，粗略表示为T＝t＋273K②ΔT＝Δt，即升高或降低1K与升高或降低1℃是相同的1．[多选]下列关于摄氏温标和热力学温标的说法正确的是(　　)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．用两种温标表示温度的变化时，两者的数值相等C．1K就是1℃D．当温度变化1℃时，也可说成温度变化274.15K解析：选AB　中学常用的两种表示温度的方法就是摄氏温标和热力学温标，A正确；两者关系是：T＝t＋273.15K，所以用两者表示温度的变化时，两者的数值相等，B正确；当温度变化1℃时，也可说成温度变化1K，不能说1K就是1℃，只能是1开尔文的温差等于1摄氏度的温差，C、D错误。2．[多选]下列关于热力学温度的说法中正确的是(　　)A．热力学温度的零点是－273.15℃B．－136℃比136K温度高C．0℃等于273.15KD．1℃就是1K解析：选ABC　热力学温度的零点是－273.15℃，A正确；由热力学温度与摄氏温度的关系T＝273.15K＋t可知，－136℃等于137.15K,0℃等于273.15K,1℃就是274.15K，故B、C正确，D错误。3．小明自定义一种新温标p，他将冰点与沸点之间的温度等分为200格，且将冰点的温度定为50p，今小明测量一杯水的温度为150p，则该温度用摄氏温度表示应为(　　)A．30℃　　B．40℃　　　C．50℃　　D．60℃解析：选C　每格表示的摄氏度为eq\f(100,200)℃＝0.5℃，比冰点高出的温度为(150－50)×0.5℃＝50℃，选项C正确，A、B、D错误。1．[多选]关于系统的状态参量，下列说法正确的是(　　)A．描述运动物体的状态可以用压强等参量B．描述系统的力学性质可以用压强来描述C．描述气体的性质可用温度、体积等参量D．温度能描述系统的热学性质解析：选BCD　描述运动物体的状态可以用速度、加速度、位移等参量，A错；描述系统的力学性质可以用压强、电场强度、磁感应强度等来描述，B对；描述气体的性质可用温度、体积、压强等参量，C对；温度是用来描述物体冷热程度的物理量，可以描述系统的热学性质，D对。2.[多选]伽利略在1593年，制造了世界上第一个温度计——空气温度计，如图所示，一个细长颈的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中，细管中的液面清晰可见，如果不考虑外界大气压的变化，就能根据液面的变化测出温度的变化，则(　　)A．该温度计的测温物质是槽中的液体B．该温度计的测温物质是细管中的红色液体C．该温度计的测温物质是球形瓶中的空气D．该温度计是利用测温物质的热胀冷缩性质制造的解析：选CD　细管中的红色液体是用来显示球形瓶中空气的体积随温度变化情况的，测温物质是球形瓶中封闭的空气，该温度计是利用它的热胀冷缩的性质制造的，故A、B错，C、D正确。3．[多选]下列说法正确的是(　　)A．用温度计测量温度是根据热平衡的原理B．温度相同的棉花和石头相接触，需要经过一段时间才能达到热平衡C．若a与b、c分别达到热平衡，则b、c之间也达到了热平衡D．两物体温度相同，可以说两物体达到热平衡解析：选ACD　当温度计的液泡与被测物体紧密接触时，如果两者的温度有差异，它们之间就会发生热交换，高温物体将向低温物体传热，最终使二者的温度达到相等，即达到热平衡。A、D正确；温度相同，不会进行热传递，B错误；若a与b、c分别达到热平衡，三者温度就相等了，所以b、c之间也达到了热平衡，C正确。4．严冬，湖面上结了厚厚的冰，但冰下面鱼儿仍在游动，为了测出冰下水的温度，徐强同学在冰上打了一个洞，拿来一支实验室温度计，用下列四种方法测水温，正确的做法是(　　)A．用线将温度计拴牢从洞中放入水里，待较长时间后从水中提出，读出示数B．取一塑料饮水瓶，将瓶拴住从洞中放入水里，水灌满瓶后取出，再用温度计测瓶中水的温度C．取一塑料饮水瓶，将温度计悬吊在瓶中，再将瓶拴住从洞中放入水里，水灌满瓶后待较长时间，然后将瓶提出，立即从瓶外观察温度计的示数D．手拿温度计，从洞中将温度计插入水中，待较长时间后取出立即读出示数解析：选C　用线将温度计拴牢从洞中放入水中，待较长时间后从水中提出，读出示数，不符合温度计的使用方法，故A错；水灌满瓶后取出，温度会升高，不再是湖水的温度，相当于取出温度计读数，故B错；取一塑料饮水瓶，将温度计悬吊在瓶中，再将瓶拴住从洞中放入水里，水灌满瓶后待较长时间，然后将瓶取出，立即从瓶外观察温度计示数，这样能保证瓶取出后，温度计的示数不会降低，故C正确；取出温度计读出示数，不符合温度计的使用方法，故D错。5．有关温标的说法正确的是(　　)A．温标不同，测量时得到同一系统的温度数值可能是不同的B．不同温标表示的温度数值不同，则说明温度不同C．温标的规定都是人为的，没有什么理论依据D．热力学温标和摄氏温标是两种不同的温度表示方法，表示的温度数值没有关系解析：选A　温标不同，测量同一系统的温度数值一般不同，A正确，B错误；每一种温标的规定都有一定意义，如摄氏温标的0℃表示一个标准大气压下冰的熔点，100℃为一个标准大气压下水的沸点，C错误；热力学温标和摄氏温标的数值关系是T＝t＋273K，D错误。6．实验室有一支读数不准确的温度计，在测冰水混合物的温度时，其读数为20℃；在测1标准大气压下沸水的温度时，其读数为80℃。下列分别是温度计示数为41℃时对应的实际温度和实际温度为60℃时温度计的示数，其中正确的是(　　)A．41℃，60℃　　　　　　　B．21℃，40℃C．35℃，56℃D.35℃，36℃解析：选C　此温度计每一刻度表示的实际温度为eq\f(100,80－20)℃＝eq\f(5,3)℃，当它的示数为41℃时，它上升的格数为41－20＝21，对应的实际温度应为21×eq\f(5,3)℃＝35℃；同理，当实际温度为60℃时，此温度计应从20开始上升格数为eq\f(60,\f(5,3))＝36，它的示数为36℃＋20℃＝56℃，所以C正确。7．假设房间向环境传递热量的速率正比于房间和环境之间的温度差，暖气片向房间传递热量的速度也正比于暖气片与房间之间的温度差。暖气片温度恒为T0，当环境温度为－5℃时，房间温度保持在22℃。当环境温度为－15℃时，房间温度保持为16.5℃。(1)求暖气片的温度T0；(2)给房子加一层保温材料，使得温差一定时房间散热的速率下降20%，求环境温度为－15℃时房间的温度。解析：(1)设两次房间温度分别为T1＝22℃，T1′＝16.5℃，环境温度分别为T2＝－5℃，T2′＝－15℃；设暖气片向房间的散热系数为k1，房间向环境的散热系数为k2，当房间温度平衡时暖气片向房间的散热速率与房间向环境的散热速率相同，则有：k1(T0－T1)＝k2(T1－T2)①k1(T0－T1′)＝k2(T1′－T2′)②整理得：T0＝eq\f(T2T1′－T2′T1,T1′－T2′－T1－T2)＝eq\f(－5×16.5－－15×22,16.5－－15－[22－－5])℃＝55℃(2)设此时房间的温度为T1″则k1(T0－T1″)＝(1－20%)k2(T1″－T2′)③由①式可知，eq\f(k1,k2)＝eq\f(T1－T2,T0－T1)＝eq\f(22－－5,55－22)＝eq\f(9,11)则由③式得T1″＝eq\f(k1T0＋0.8k2T2′,k1＋0.8k2)＝eq\f(9×55＋0.8×11×－15,9＋0.8×11)≈20.4℃。答案：(1)55℃　(2)20.4℃8．在温标的发展史上，曾出现了两种不同的温标。1714年，德国的科学家制成了水银温度计，建立了华氏温标。这种温标是用水银作测温介质，以水银在玻璃容器内相对膨胀来表示温度，把标准大气压下冰的熔点定为32度，水的沸点定为212度，两者之间等分为180格，每一格称为1华氏度，用表示。1742年，瑞典的科学家也用同样的温度计和同样两个原始分度点，建立了摄氏温标。不同的是摄氏温标把标准大气压下冰的熔点定为0度，水的沸点定为100度，两者之间等分为100格，每一格称为1摄氏度，用℃表示。下表提供了几组“华氏温度”与“摄氏温度”的对应值。摄氏温度tC(℃)051015202530华氏温度tF()32415059687786表中的数据，推导摄氏温度tC和华氏温度tF的关系式。解析：设y为华氏温度tF，x为摄氏温度tC。根据数据可知，y与x是一次关系，设y＝kx＋b，把x＝0、y＝32和x＝10、y＝50代入函数关系式，得b＝32，10k＋b＝50，解得k＝1.8，所以函数关系式为y＝1.8x＋32，即tF＝1.8tC＋32，变形得摄氏温度tC和华氏温度tF的关系式为tC＝eq\f(5,9)(tF－32)℃。答案：tC＝eq\f(5,9)(tF－32)℃