高二物理 选修3-3 7.4 温度和温标

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。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．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：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：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：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体积、大小、形状等。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。热平衡+二、热平衡1、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。2、热平衡定律(又叫热力学第零定律)：ACBCAB3、温度：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(“表示物体冷热程度的物理量”)。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。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B跟物体A接触，一段时间后A、B处于热平衡，此时温度计B的温度便与A的温度相等.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1、温度计：温度计是测量温度的工具．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。2、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3、建立的温标三个要素：-17.70C—37.70C【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℃4、热力学温度：1848年开尔文建立了热力学温标它不依赖于测温物质的具体性质。（1）热力学温标的规定方法：规定摄氏温度的－273.15℃为零值，它的一度也等于摄氏温度的一度．（2）定义：由热力学温标定义的温度叫做热力学温度，它是国际单位制中七个基本物理量之一。（3）单位开尔文，简称开，符号为K．符号:T，（4）摄氏温度t与热力学温度T的关系：T＝t+273.15K例1．(多选题)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，测温属性是利用空气的热胀冷缩的性质制造的，温度升高，空气压强增大，体积增大，红色液体在细管中的高度下降。故A、B错，C、D正确．例2：下图①表示某金属丝的电阻R随摄氏温度t变化的情况．把这段金属丝与电池、电流表串联起来如图②，用这段金属丝做温度探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，于是就得到一个最简单的电阻温度计．请判断：如果电池的电动势和内电阻都是不变的，电流表上代表t1、t2的两点，哪个应该标在电流比较大的刻度上？刻度方法：根据焦耳定律和闭合电路欧姆定律I＝E/R+r可知：电流通过导体，电阻发热，电阻温度升高，电阻阻值增大，电流变小，故t1应标在电流较大的刻度上。由此可见，温度与电流形成一一对应关系，将电流表刻度对应位置标上温度，将电流刻度改为温度刻度．解析：本题测温物质是金属丝；测温属性是金属丝的电阻与温度的关系由图可知为线性关系；例3.一支玻璃管一端与一个鸡蛋大小的玻璃泡相连，另一端竖直插在水槽中，并使玻璃管内吸入一段水柱．当气温变化时，玻璃泡中气体压强会随着变化，从而使玻璃管内水柱高度发生变化．根据管内水柱高度的变化就可测出相应的温度．如图所示，说明“伽利略温度计”的测温原理．解析“伽利略温度计”应用的是气体的热胀冷缩原理，温度高时气体膨胀，细管内的液面就下降，温度低时，气体体积减小，细管内的液面升高，温度的高低能通过细管内的液面升降反映出来，这就是伽利略温度计的测温原理．例4实际应用中，常用到一种双金属温度计．它是利用铜片与铁片铆合在一起的双金属片的弯曲程度随温度变化的原理制成的，如图7—4—1所示．已知左图中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关叙述中正确的有()双金属温度计图7－4－1A．该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属B．双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的C．由左图可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数D．由右图可知，其双金属征的内层一定为铜．外层一定为铁ABC解析：双金属温度计是利用热膨胀系数不同的铜、铁两种金属制成的双金属片其弯曲程度随温度变化的原理来工作的，A、B选项是正确的．图7－4一l左图中．加热时，双金属片弯曲程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下层热膨胀系数较大，即铜的热膨胀系数较大，C选项正确．图7—4—1右图中，温度计示数是顺时针方向增大，说明当温度升高时温度计指针顺时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大，故可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D选项是错误的．1、两个物体放在一起彼此接触，它们若不发生热传递，其原因是()A．它们的能量相同B．它们的比热相同C．它们的热量相同D．它们的温度相同D2、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．-1360C比136K温度高C．0oC等于273.15KD．1℃就是1KE．升高1oC就是升高274KABC3、在25℃左右的室内，将一只温度计从酒精中拿出，观察它的示数变化情况是（）A．温度计示数上升B．温度计示数下降C．温度计示数不变D．示数先下降后上升D巩固练习下列说法正确的是()•A．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量•B．如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡•C．温度是决定两个系统是否达到热平衡状态的惟一物理量•D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理•解析：热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故A项错误，C项正确；由热平衡定律，若物体与A处于热平衡，它同时也与B达到热平衡，则A的温度便等于B的温度，这也是温度计用来测量温度的基本原理，故B、D项也正确．•答案：BCD•点评：处理热平衡问题时，应把握以下两点：•(1)发生热交换时，高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量；•(2)达到热平衡时，系统一定具有相同的温度，其他参量未必相同．•下列状态处于热平衡态的是()•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．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，容器内的气体•D．2分钟内教室内的气体AB•解析：系统处于热平衡态时，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；一个装有气体的密闭绝热容器匀速运动突然停止时，容器内气体的温度升高，压强变大，故其不是平衡态，C错；开空调2分钟内教室内的气体，温度、体积均要变化，故其不是平衡态，D错.下列关于热力学温度的说法中，正确的是()•A．热力学温度的零值等于－273.15℃•B．热力学温度的1K的大小和摄氏温度的1℃的大小是相等的•C．绝对零度是低温的极限，永远达不到•D．1℃就是1K•解析：由热力学温度(T)与摄氏温度(t)的关系T＝t＋273.15K可知A、B正确．另外，绝对零度是低温的极限，永远不可能达到．•答案：ABC•点评：虽然热力学温度的1K的大小和摄氏温度的1℃的大小是相等的，但不能说1℃就是1K.细心观察可以发现，常见液体温度计的下部的玻璃泡较大，壁也比较薄，上部的管均匀而且很细，想一想，温度计为什么要做成这样呢？•解析：这样做的目的是为了使测量更准确、更方便．下部较大而上部很细，这样下部储存的液体就比较多，当液体膨胀或收缩不大时，在细管中的液面就可能有较大的变化，可以使测量更精确；下部的壁很薄，可以使玻璃泡内的测温物质的温度较快地与待测物质的温度一致；细管的粗细是均匀的，是为了使刻度均匀，便于读数．•点评：利用热平衡和热胀冷缩原理来解释．•小丽测量烧杯中热水的温度时，将热水倒入另一烧杯中很少一部分，然后像图中那样去测量和读数，她这样做被小宁发现了，小宁指出她的错误如下．•A．不应倒入另一个烧杯中，这会使温度降低•B．水倒的太少，温度计玻璃泡不能完全浸没•C．读数时，视线应该与刻度线相平，而不应斜视•D．应该将温度计取出