第1节 温度和温标
学习目标 | 核心素养形成脉络 |
1.知道什么是状态参量，知道热平衡的概念。(重点) 2．理解热平衡定律及温度的意义。(重点) 3．知道温度计的构造，会使用常见温度计。(重点) 4．理解温标、热力学温度的意义，掌握摄氏温度与热力学温度的区别与联系。(重点、难点) | |
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一、状态参量与平衡态
1．热力学系统和外界
(1)热力学系统：在热学中，把某个范围内大量分子组成的研究对象叫作一个热力学系统，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为外界。
2．状态参量
描述系统热学性质的物理量，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。
3．平衡态
没有外界影响的情况下，系统内各部分的状态参量都不随时间而变化的稳定的状态。
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．温度
表征热平衡系统的“共同的热学性质”的物理量。
4．热平衡的性质
一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。
三、温度计与温标
1．温度计
名称 | 原理 |
水银温度计 | 根据水银的热膨胀的性质来测量温度 |
气体温度计 | 根据气体压强随温度的变化来测量温度 |
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2.温标
温度的数值表示法叫作温标。
(1)摄氏温标：规定标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃，把玻璃管上0 ℃刻度与100 ℃刻度之间均匀分成100等份，每份就是1 ℃，这种表示温度的方法即为摄氏温标，表示的温度叫作摄氏温度。
(2)热力学温标：规定摄氏温标的－273.15 ℃为零值，这种表示温度的方法即为热力学温标。
热力学温标表示的温度叫作热力学温度(T)，单位为开尔文(K)。
(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，单位是摄氏度，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，单位是开尔文，符号为K |
③换算关系 | T＝t＋273.15K |
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思维辨析
(1)温度可以从高温物体传递到低温物体。( )
(2)处于热平衡的几个系统的温度一定相等。( )
(3)0 ℃的温度可以用热力学温度粗略表示为273 K。( )
(4)温度升高了10 ℃也就是升高了10 K。( )
(5)在绝对零度附近分子已停止热运动。( )
(6)物体的温度由本身决定，数值与所选温标无关。( )
提示：(1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)×
深度思考
(1)在一个寒冷的冬天，小明同学在室外接触铁棒和木头时，感觉到铁棒明显比木头凉，由于表示物体冷热程度的是温度，于是小明得出“铁棒比木头温度低”的结论，你认为他的结论对吗？
(2)严冬，湖面上结了厚厚的冰，但冰下鱼儿仍在游动。为了测出冰下水的温度，甲、乙两同学在冰上打了一个洞，拿来一支实验室温度计，甲同学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；乙同学取一塑料饮水瓶，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。你认为哪个同学的做法更好？
提示：(1)不对。由于铁棒和木头都与周围的环境达到热平衡，故它们的温度是一样的。感觉到铁棒特别凉，是因为人在单位时间内传递给铁棒的热量比传递给木头的热量多，所以他的结论不对。
(2)乙同学。要测量冰下水的温度，必须使温度计与冰下的水达到热平衡时，再读出温度计的示数，但因隔着冰无法直接读数，把温度计取出来，显示的也不再是原热平衡状态下的温度。
平衡态与热平衡
问题导引
1．只要温度不变，系统就处于平衡态吗？
2．平衡态就是热平衡吗？
[要点提示] 1.当系统内包括温度在内的所有状态参量都不随时间变化时，系统才是处于平
衡态。
2．各自处于平衡态的两个物体温度不一定相同，它们接触后各自的状态可能会发生变化，直到达到热平衡为止。
【核心深化】
1．平衡态
(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，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的状态。
(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，由于外界影响，系统仍可能发生偏离平衡状态的微小变化。
(3)平衡态的特点：系统温度、压强、体积不发生变化。由于系统处于平衡态时，所有的性质都不随时间变化，就能比较容易地描述这些性质，所以中学阶段只描述平衡态的问题。
2．热平衡
相互接触的两个系统，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，我们就说两个系统达到了热平衡。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准是系统具有相同的温度。
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。
4．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，这个结论称为热平衡定律。
5．热平衡的意义
热平衡定律为温度的测量提供了理论依据。因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以比较各物体温度时，不需要将各个物体直接接触，只需将作为标准物体的温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低。
(1)热平衡的特征方面：温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量。
(2)热平衡的条件方面：达到热平衡的两个系统一定具有相同的温度。
【典题例析】
(多选)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唯一物理量
D．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理
[思路点拨] 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。
[解析] 热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故A错误，C正确；由热平衡定律，若物体与系统A处于热平衡，它同时也与系统B达到热平衡，则系统A的温度便等于系统B的温度，这也是温度计用来测量温度的基本原理，故B、D正确。
[答案] BCD
【针对训练】
1. (多选)关于平衡态和热平衡，下列说法中不正确的有( )
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
解析：选ACD。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，C错误。
2．(多选)下列有关热平衡的说法，不正确的是( )
A．如果两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统永远处于热平衡状态
B．热平衡定律只能研究三个系统的问题
C．如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态
D．两个处于热平衡状态的系统，温度可以有微小的差别
解析：选ABD。本题考查的知识是热平衡。处于热平衡状态的系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，温度也会变化，故A错误；热平衡定律对多个系统也适用，故B错误；由热平衡的意义可知，C正确；温度相同是热平衡的标志，必须相同，故D错误。
