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2.1温度和温标学案
【学习目标】
课 程 标 准 素 养 目 标
1.知道热力学系统的状态参量。 2.了解温度计的原理。 1.了解系统的状态参量以及平衡态的概念。(物理观念) 2.掌握热平衡的概念及热平衡定律。(物理观念) 3.掌握温度与温标的定义以及热力学温标的概念。(物理观念) 4.通过学习温度与温标,体会热力学温度与摄氏温度的关系。(科学思维) 5.探究温度计的工作原理。(科学探究) 6.观察生活中的热平衡现象,体会热力学温度的应用。(科学态度与责任)
【学习重难点】
了解温度计的原理，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系
【预习新知】
状态参量与平衡态
1.系统:研究某一容器中气体的热学性质,其研究对象是容器中的大量分子组成的系统,这在热学中叫作一个热力学系统,简称系统。用酒精灯加热容器中的气体,把气体作为研究对象,它就是一个热力学系统,而容器和酒精灯就是外界。
2.状态参量:热学中描述系统状态的物理量。常用状态参量为压强、体积、温度。通常用体积描述它的几何性质,用压强描述力学性质,用温度描述热学性质。
3.平衡态:在没有外界影响的情况下,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状态,这种状态叫作平衡态,否则就是非平衡态。
4.平衡态的特点:系统所有状态参量都不随时间变化。
热平衡与温度
思考 两个系统达到热平衡的标志是什么
提示:两个系统的温度相同。
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,此时两个系统达到了热平衡。
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:热平衡定律表明,当两个系统A、B处于热平衡时,它们必然具有某个共同的热学性质,我们就把表征这一共同的热学性质的物理量叫作温度。一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。
温度计与温标
1.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;确定一个温标时首先要选择一种测温物质,根据这种物质的某个特性来制造温度计。确定了测温物质和这种物质用以测温的某种性质以后,还要确定温度的零点和分度的方法。
2.热力学温标表示的温度叫作热力学温度,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。
3.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。
4.下列说法正确的是(1)(2)(5)。
(1)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)温度升高了1 ℃就是升高了1 K。
(3)物体的温度由本身决定,数值与所选温标无关。
(4)摄氏温度是国际单位制中七个基本物理量之一。
(5)在国际单位制中温度的单位是开尔文,符号为K。
【重难探究】
一　平衡态和热平衡的比较
1.热力学系统的状态参量:
(1)体积V:系统的几何参量,它可以确定系统的空间范围。
(2)压强p:系统的力学参量,它可以描述系统的力学性质。
(3)温度T:系统的热学参量,它可以确定系统的冷热程度。
2.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,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)由于实际中并不存在完全不受外界影响,并且宏观性质绝对保持不变的系统,所以平衡态只是一个理想化的概念,它是在一定条件下对实际情况的抽象和概括。
3.对热平衡的理解:
(1)决定系统是否达到热平衡的最主要状态参量是温度,也就是说只要温度不再发生变化,那么这两个系统就达到了热平衡。理解热平衡定律一定要抓住温度这一状态量。
(2)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;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.对温度的理解:
(1)温度的宏观物理意义:决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态。
(2)与热平衡的关系:处于热平衡的每个系统内部各部分的温度相同;两系统达到热平衡后,两系统的温度相同。
【思考·讨论】
只要温度不变,系统就处于平衡态吗
提示: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,系统才会处于平衡态。
【典例示范】
(多选)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,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温度一定相等
【解析】选B、D。一般来说,描述系统的状态参量不止一个,根据平衡态的定义可以确定,A错误;根据热平衡的定义可知,B、D正确;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。
【误区警示】解决平衡态问题要注意四点:
(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。
(4)达到热平衡时,系统一定具有相同的温度,其他状态参量未必相同。
【素养训练】
有关热平衡的说法正确的是 (　　)
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C。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;由热平衡的意义知,C正确;温度相同是热平衡的标志,必须相同,故D错误。
【补偿训练】
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。综上所述,A正确。
二　温度和温标
1.“温度”含义的两种说法:
(1)宏观角度:表示物体的冷热程度。
(2)热平衡角度:两个处于热平衡的系统存在一个数值相等的物理量,这个物理量就是温度。
2.温度计测温原理:一切互为热平衡的系统都具有相同的温度,温度计与待测物体接触,达到热平衡,其温度与待测物体相同。
3.摄氏温标与热力学温标的比较:
摄氏温标 热力学温标
零度的规定 标准大气压下冰 水混合物的温度 -273.15 ℃
温度名称 摄氏温度 热力学温度
温度符号 t T
单位名称 摄氏度 开尔文
单位类型 常用单位 国际单位的基本单位
单位符号 ℃ K
关系 (1)T=t+273.15 K (2)ΔT=Δt
【思考·讨论】
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。它们是水在一个标准大气压下的沸点(汽化点)和冰在一个标准大气压下与空气饱和的水相平衡时的熔点(冰点)。摄氏温标(以前称为百分温标)是由瑞典天文学家A·摄尔修斯设计的。如图所示,以冰点定作0 ℃,汽化点定作100 ℃,因此在这两个固定点之间共为100 ℃,即一百等份,每等份代表1 ℃,用摄氏温标表示的温度叫作摄氏温度。摄氏温标用℃作单位,常用t表示。
　　热力学温标由英国科学家开尔文创立,把-273.15 ℃作为零度的温标,叫作热力学温标(或绝对温标)。热力学温标用K表示单位,常用T表示。
试思考:
(1)热力学温度的绝对零度与摄氏温度的零摄氏度表示的冷热程度一样吗
提示:不一样,热力学温度的绝对零度对应的摄氏温度为-273.15 ℃。
(2)物体的温度升高1 ℃,用热力学温标表示,物体的温度升高了多少
提示:由T=t+273.15 K,则可得ΔT=Δt。即物体温度升高了1 ℃与升高了1 K是等效的。
【典例示范】
(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.用两种温标表示温度的变化时,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】选A、B。温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,A正确;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,B正确;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 ℃,C、D错误。
【误区警示】热力学温度与摄氏温度关系的理解
(1)T=t+273.15 K是解决有关热力学温度与摄氏温度关系问题的基础。
(2)摄氏温度变化1 ℃与热力学温度变化1 K是等效的,即ΔT=Δt,而不是ΔT=Δt+273.15 K。
(3)绝对零度是低温的极限,只能接近,永远达不到,故热力学温度不能出现负值,但摄氏温度可以出现负值。
【巩固训练】
1.如图为某实验器材的结构示意图，金属内筒和绝热外筒间封闭了一定体积的理想气体，内筒中有水。在对水加热升温的过程中，被封闭的空气( )
A.内能保持不变 B.所有分子运动速率都增大
C.分子势能减小 D.分子平均动能增大
2.关于热力学温度和摄氏温度，下列说法正确的是( )
A.某物体摄氏温度为，即热力学温度为10K
B.热力学温度升高1K等于摄氏温度升高
C.摄氏温度升高，对应热力学温度升高283K
D.热力学温度和摄氏温度的温标不同，两者表示的温度无法比较
3.温度是以下哪个物理量的标志( )
A.物体平均动能 B.分子平均动能 C.物体平均速度 D.分子平均速度
4.温度计是生活、生产中常用的测量装置.右图为一简易温度计，一根装有一小段有色水柱的细玻璃管穿过橡皮塞插入烧瓶内，封闭一定质量的气体.当外界温度发生变化时，水柱位置将上下变化.已知A、D间的测量范围为20℃-80℃，A、D间刻度均匀分布.由图可知，A、D及有色水柱下端所示温度分别为( )
A.20℃、80℃、64℃ B.20℃、80℃、68℃
C.80℃、20℃、32℃ D.80℃、20℃、34℃
5.有些物理量是过程量，有的是状态量，下面哪个是过程量( )
A.热量 B.内能 C.压强 D.体积
6.华氏温度规定水凝固时的温度为32华氏度，标准大气压下水沸腾的温度为212华氏度，中间分为180等份，每一等份代表1华氏度。若今年1月份某地出现了近几年罕见的低温，最低温度接近零下10摄氏度，换算成华氏温度为( )
A.14华氏度 B.16华氏度 C.18华氏度 D.20华氏度
7.下列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
8.冬天，内蒙古的气温最低可达，为了测量那里的气温应选用（已知水银的熔点是；酒精的熔点是）( )
A.水银温度计 B.酒精温度计 C.水温度计 D.体温计
9.下列热力学温度，最接近于室温的是( )
A.100K B.200K C.300K D.400K
10.下列说法中正确的是( )
A.对某物体做功，必定会使该物体的内能增加
B.热量不可能从低温物体传到高温物体
C.第二类永动机没有违背能量守恒定律，所以可以制造出来
D.温度越高的物体，分子热运动的平均动能越大
参考答案
1.答案：D
解析：AD.水加热升温使空气温度升高，故封闭空气的内能增大，气体分子的平均动能增大，A错误，D正确；
C.分子间距离不变，故分子间分子势能不变，C错误；
B.由于温度是分子平均动能的标志是一个统计规律，温度升高时并不是所有分子的动能都增大，有少数分子动能可能减小，故不是所有分子运动速率都增大，B错误。
故选D。
2.答案：B
解析：A、由得，某物体摄氏温度为时，热力学温度为，故A错误；BC、，即热力学温度升高1K等于摄氏温度升高，摄氏温度升高，对应热力学温度升高10K，故B正确，C错误；D、热力学温度和摄氏温度的温标不同，但可通过关系式进行转换和比较，故D错误；故选：B。
3.答案：B
解析：温度是分子平均动能的标志，B正确。
4.答案：C
解析：该温度计是利用气体的热胀冷缩原理制成的。温度升高时烧瓶内气体膨胀，有色水柱上升；温度降低时烧瓶内气体收缩，有色水柱下降，因A、D间的测量范围为20~80 ℃，可得A点对应80 ℃，D点对应20℃，A、D间刻度均匀分布，每小格表示，则有色水柱下端对应温度为，A、B、D错误，C正确。
5.答案：A
解析：A.热量是某一过程中物体吸收或放出的能量，是过程量，故A正确；
BCD.内能、压强和体积都是指物体在某一状态时的物理量，都是状态量；故BCD错误。
故选A。
6.答案：A
解析：根据题述，则华氏度，选A。
7.答案：A
解析：AB.温标不同，测量同一系统的温度数值一般不同，选项A正确，选项B错误。
C.每一种温标的规定都有一定意义，如摄氏温标的表示标准大气压下冰的熔点，为标准大气压下水的沸点，选项C错误。
D.热力学温标和摄氏温标，数值上有关系为
故D错误。
故选A。
8.答案：B
解析：水银的熔点是，低于时水银会凝固。而酒精的熔点是。水在零度就结冰，而体温计的测量范围为。
故选B。
9.答案：C
解析：一般室温为左右，根据热力学温度与摄氏温度关系有
所以C正确；ABD错误；
故选C。
10.答案：D
解析：A.改变物体内能的方式有两种，做功和热传递，对某物体做功，如果同时物体向外放出热量，则物体的内能可能不变或减小，A错误；
B.有外力做功时，热量可能从低温物体传到高温物体，B错误；
C.第二类永动机虽然没有违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以不可能制造出来，C错误；
D.温度越高的物体，分子热运动的平均动能越大，D正确。
故选D。

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