7.4温度和温标

7.4《温度和温标》第七章《分子动理论》教学目标•（一）知识与技能•1．了解系统的状态参量以及平衡态的概念。2．掌握热平衡的概念及热平衡定律。3．掌握温度与温标的定义以及热力学温度的表示。•（二）过程与方法•通过学习温度与温标，体会热力学温度与摄氏温度的关系。•（三）情感、态度与价值观•体会生活中的热平衡现象，感应热力学温度的应用。•教学重点：热平衡的定义及热平衡定律的内容。•教学难点：有关热力学温度的计算。•教学方法：讲练法、举例法、阅读法•教学用具：投影仪、投影片引入：通过对物理的学习我们知道，探究和解决一个物理问题的基本思路是：首先要选取研究对象，其次学习描述相关运动现象的物理量及探究运动所遵循的物理规律，而研究对象的选取方法有为确定单个物体之间相互作用及关系而只选一个物体的隔离法和以物理规律相同的多个物体系统为研究对象的整体法，已知的条件和研究的问题不同，选取的研究对象不同。而且研究对象一旦确定，物体之间的相互作用的性质（是内力还是外力）也就唯一确定了。今天我们来学习以大量无规则运动的分子为研究对象的热学的研究对象选取，描述热学规律的状态参量及与力学类似的平衡状态及规律。带着下面问题仔细阅读课文包括插图、扉页角批及课后习题，思考后回答问题1.热学的研究对象是什么？2.什么是热学中的外界？3.描述热学系统状态的宏观状态参量常见的有那几个？各自的作用即分别描述状态的那一个特征？4.一个系统处于什么状态是热学中的平衡态？判断一个系统是否处于平衡态的标志是什么？定义热学中系统的平衡态的有何意义？5.热学中的一个系统的平衡态是不是就是指任意一种稳定状态？与力学中的平衡态是否相同？它的特点是什么？6.什么是热平衡？热平衡是不是就是热学中的平衡态？判断两个系统是否达到热平衡的标志是什么？7.热平衡定律的内容是什么？它的主要作用是什么？8.什么是温标？建立温标常包含那几个要素？了解建立温标包含的要素有什么作用？一、平衡态与状态参量1、系统：热学中把热学研究对象的整体，叫做一个热力学系统，简称系统。是由大量无规则热运动分子组成。注：系统与外界之间往往存在相互的作用．在物理学研究中，对系统内部问题，往往采取“隔离”分析方法，对系统与外界的相互作用问题，往往采取“整体”分析的方法．2、外界：不属于系统内与系统发生相互作用的其他物体称之为外界或环境。明确：系统就是热学的研究对象，即就是由大量无规则运动的分子组成的系统3、状态参量：描述系统状态的宏观物理量叫做状态参量．物理学中，需要研究系统的各种性质，包括几何性质、力学性质、热学性质、电磁性质等等．而在热学中为了描述和确定系统的状态，常用到状态参量有：一是：几何参量体积V，描述系统的几何性质，作用是确定系统占据的空间范围。（注：凡题目给出的长度面积等几何参量就是为求压强或等效代替压强）二是：力学参量压强p，描述系统的力学性质，作用是确定外界与系统之间或者系统内部各部分之间的力的作用。（因由压强可以求压力，求受力问题实质就是求压强）三是：热学参量温度T，描述系统的热学性质，作用是确定系统的冷热程度。常见的参量与描述性质：描述系统在电、磁场作用下的性质，如电场强度，磁感应强度等。①几何性质描述系统的大小、形状、体积等。②力学性质描述系统的压强、应力、表面张力等。③热学性质描述系统温度。④电磁性质4、平衡态：在没有外界影响的情况下，一个系统内部各部分的所有宏观状态参量不再随时间发生变化时的稳定状态称之为平衡态．定义条件：系统不受外界影响（系统与外界无能量交换）；所以不能说稳定状态就是平衡态，关键要看系统是否与外界无能量交换即没有外界影响下的稳定状态。平衡态判断标志：描述系统状态的温度、压强等所有状态参量及宏观性质不随时间变化；确定平衡态的意义：因系统处于平衡态时，系统内所有性质不随时间变化，比较容易描述这些性质。平衡态的特点：（1）热学系统所处的平衡态是一种动态平衡，即微观动态宏观平衡的状态。组成系统的分子仍在不停的做无规则运动，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，这种动态平衡的特点充分说明热运动是物质运动的一种特殊形式。（2）平衡态是一种理想情况，因为完全不受外界影响是不可能的，系统平衡后由于涨落，仍可能发生偏离平衡状态的微小变化。例1．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描述，是确定气体宏观状态的三个状态参量．显然B、C、D选项正确．BCD二、热平衡与温度5、热平衡：相互接触的两个系统通过传热等相互作用，经过一段时间后，两个系统的状态参量不再变化时，我们就说这两个系统对于传热来说达到了热平衡。热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统（一般处于平衡态）．因此可以说，只要两个系统在接触时不传热，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的．ABAB说明：热平衡是热学中的一类平衡，犹如力学中共点力平衡是力学的一类一样，它是相对于传热而言的，两个系统达到热平衡的实质就是两系统不再进行热传递，不传热的充分条件是温度相同，因此两系统达到热平衡时两个系统不再变化的状态参量是温度参量。热平衡和与平衡态是两个不同的概念，平衡态描述的是一个系统内部各部分之间的所有宏观状态参量及宏观性质都相同；而热平衡指的是两个系统接触后传热及温度关系。平衡态和热平衡的区别处于平衡态时所有状态参量都保持稳定，对热平衡来说只指温度参量相同，故系统处于热平衡时不一定处于平衡态。注：我们常以是一个系统还是两个系统来区分平衡态还是热平衡，但要特注系统的选取是任意的由人来决定，例如把两个物体选作两个系统达到温度相同时就说这两个物体达到热平衡，若把这两个物体选作一个研究系统，若体积、压强、温度都相同则就可以说这两个物体组成的系统处于平衡态。如果两个系统同时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，这个结论称为热平衡定律。两系统达到系统热平衡状态的特征：互为热平衡的两个物体或系统具有相同的温度。热平衡定律(又叫热力学第零定律)的作用是：给出了温度的宏观定义；为温度的测量提供的理论依据，是温度计测量物体温度的原理。例如：在比较两个物体的温度时，不需要将各个物体直接接触，依据该定律只需将作为标准物体的温度计分别与各个物体接触，即可比较不同物体温度的高低。6、热平衡定律(又叫热力学第零定律)：ACBCAB系统达到热平衡的宏观标志就是温度相同，若温度不同即系统处于非平衡态，则系统一定存在着热交换。测温原理：若温度计C跟物体A处于热平衡，它同时也跟物体B处于热平衡，根据热平衡定律，A的温度便与B的温度相等.例2、一金属棒的一端与0℃冰接触，另一端与100℃水接触，并且保持两端冰、水的温度不变．问当经过充分长时间后，金属棒所处的状态是否为热平衡态?为什么?解析：因金属棒一端与0℃冰接触，另一端与100℃水接触，并且保持两端冰、水的温度不变时，金属棒两端温度始终不相同，虽然金属棒内部温度分布处于一种从低到高逐渐升高稳定状态，但其内部总存在着沿一定方向的能量交换，所以金属棒所处的状态不是平衡态．答案：否，因金属棒各部分温度不相同，存在能量交换．热学中常见的平衡1.热学中的热平衡2.热学中力学平衡类比力学中的平衡常见的有共点力平衡和力矩平衡，共点力平衡的条件及标志是合力为零，而力矩平衡的条件是力矩相等，再如电学中的静电平衡，其平衡条件是电势不变或相等，由此可见不同的平衡，其平衡条件不同热平衡——温度相同热平衡条件温度相同热学中力学平衡——压强相等力学平衡条件压强相等k10oC5atm50oC6atm绝热力学平衡具有一种相同的力学性质压强+++------静电平衡具有一种相同的电学性质电势10OC200OC绝热热平衡具有一种相同的热学性质温度平衡常见的平衡及平衡标志特征温度相等温度是标志一个系统与另一个系统是否处于热平衡状态的物理量，它的特证就是“一切达到热平衡的系统都具有相同的温度”这就是常用温度计能够用来测量温度的基本原理．两个系统达到热平衡时，它们具有一个共同的热学性质，该性质实际就是物体的冷热程度。我们就把表征这一“共同热学性质”的物理量定义为温度。7、温度注：初中物理中的温度意义是“表示物体冷热程度的物理量”这是对温度的一个通俗理解，带有主观性和不准确性，而高中温度的严格定义及测量原理都是建立在热平衡定律基础上的，热平衡定律表明两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。定义中“共同的热学性质”就是初中所说的“冷热程度”定义：表征热平衡系统的“共同热学性质”的物理量．从宏观和微观两个角度如何理解温度的概念？答案：(1)宏观上，表示物体的冷热程度．(2)微观上，反映分子热运动的激烈程度，温度是物体内所有分子热运动的平均动能的标志.常见温度计的测量原理(1)水银温度计是根据液体热胀冷缩的性质来测量温度的．（液体温度计）(4)热电偶温度计是根据不同导体因温差产生的电动势的大小不同来测量温度的．（固体温度计）(3)金属电阻温度计是根据金属的电阻随温度的变化来测量温度的．（固体温度计）(2)气体温度计是根据气体压强随温度变化的关系来测量温度的．三、温度计与温标温度计：温度计是测量温度的工具．特注：温度计的热容量必须很小，与待测物体接触时，几乎不改变待测物体状态．注：掌握常见各种温度计的测温物质及测温属性，便于分析温度计的测温原理。8、温标：定量描述温度的方法叫做温标①选择某种具有测温属性的测温物质，即温度计中用于测量温度的物质。②为了测温读数准确一般要保证测温物质的测温属性随温度变化的函数关系为线性关系③确定温度零点和分度方法．温标实质是为了表示出物体温度的数值，对温度的零点及分度方法等所做的规定。常见的温标有摄氏温标、华氏温标及热力学温标等9、建立的温标三个要素：建立温标的三个要素中，前两个要素由测温物质和设计原理决定，与人为操作无关，造成温度计读数不准确的人为因素是零点选取和分度方法。分度方法由测温原理对应的函数关系来决定，温度计测温不准主要是在分刻度和标刻度时的偶然误差造成的【典例】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℃；在测一标准大气压下沸水的温度时，其读数为80℃.下面分别是温度计示数为41℃时对应的实验温度和实际温度为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】此温度计每一刻度表示的实际温度应为10080－20℃＝53℃，当它的示数为41℃时，它上升的格数为41－20＝21(格)，对应的实际温度为21×53℃＝35℃；同理，当实际温度为60℃时，此温度计应从20开始上升格数6053＝36(格)，它的示数应为36℃＋20℃＝56℃，所以C正确．名师点拨要清楚各种温度计的测量原理和不同温标下温度计的刻度值的意义，摄氏温度的0℃是标准状况冰水混合物的温度，100℃是指在标准状态下水的沸点，其间等分100份，每一份为1℃.据此，如果温度计测量时出现误差，要清楚温度计上每一个小格实际代表的温度值．变式练习：某同学自定一种新温标P，他将冰点与沸点之间等分为200份，且将冰点的温度定为50P，该同学测量一杯水的温度为150P，则该温度用摄氏温度表示时应为()A．30℃B．40℃C．50℃D．60℃解析每格表示的摄氏度为100/200℃＝0.5℃，比冰点高出的温度为(150－50)×0.5℃＝50℃，故C选项正确．摄氏温标的建立：规定标准大气压下，冰睡混合物的温度为0℃，沸水的温度为100℃，在0oC与100oC之间分成100等份，每一等份就是1℃.这种表示温度的方法叫摄氏温标，表示的温度叫摄氏度。液体温度计的测温属性：水银、煤油酒精等的热胀冷缩金属电阻温度计测温属性：铂的电阻随温度升高而增大热电偶温度计的测温属性：不同