7.4 温度和温标-【点石成金系列】2021-2022学年高中物理课件（人教版选修3-3）

§7.4 温度与温标 1 在新冠肺炎疫情期间是这样快速测体温的 而我们平时去医院看病，却是这样的 两种测量方式有什么不同？ “锡慧在线”开学第二周 2020 1、热力学系统（系统）： 在热学中，把某个范围内大量分子组成的研究对象叫做热力学系统，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。 例如：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。 一、状态参量与平衡态 在物理学中所研究的对象，称为系统. 热力学研究的对象 热力学系统 运动学研究的对象 运动学系统 牛顿力学系统 牛顿力学研究的对象 系统 如果我们研究一箱气体的热学性质，这箱气体是由大量分子组成的一个研究对象。 气（液）体就是系统 箱子就是外界 例如，用酒精灯加热容器中的液体，把液体作为研究对象。 容器和酒精灯就是外界 力学：为确定物体（质点）机械运动的状态： 引入物理量 →（热力学）系统状态参量 压强P 坐标 速度 热学：为确定研究对象（系统）的状态： 引入物理量 为确定系统的空间范围 体积V 几何参量: 为确定外界与系统之间或系统内部各部分之间的力的作用 力学参量: 为确定系统的冷热程度 温度T 热学参量: 3、状态参量：为了确定系统的状态，需要用到一些物理量，表示系统某种性质的物理量称为状态参量。 热力学系统状的常用态参量 6 一般的系统，要研究以下几种状态参量： 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几何参量 描述系统的大小、形状、体积等。 ②力学参量 描述系统的压强、应力、表面张力等。 ③热学参量 描述系统温度。 ④电磁参量 状态参量 人民医院某氧气瓶容积为100L，其内氧气在温度为20oC时的气压为5atm。 ——描写系统状态的物理量 如：一辆汽车经过白马中学门口时的速度为10m/s，加速度为1m/s2。 ⑤运动学参量 描述系统的速度、加速度、位移等。 【困难】要定量地描述系统的状态往往很难，因为有时系统的参量会随时间变化。 【然而】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（温度，压强和体积）能达到不随时间而变化的稳定状态。 例如：把不同压强，不同温度的两箱气体注入同一容器： 0oC 2atm 5atm 60oC 绝热 压强大的气体会向压强小的一方流动。 温度高的会向温度低的一方传热。 经过一段时间后，容器各点的压强和温度都不再变化。 如果容器与外界没有能量交换 平衡态： 非平衡态 平衡态 4、平衡态： 对于一个封闭的系统，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（温度，压强和体积）能够达到稳定，都不再随时间变化。即： 平衡态：系统整体的宏观性质（P、V、T）将不随时间而变化、且具有确定的状态 注意： ①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。 ②类似于化学平衡，热力学系统达到的平衡态也是一种动态平衡。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。（力学中的平衡态是指物体处于静止或匀速直线运动） ③在外界影响下，系统可以处于一种宏观性质不随时间变化的状态，但这不是平衡态，只是一种稳定状态。 100 ̊C的沸水 0 ̊C的冰水 一根长铁丝 经过足够长时间，温度随铁丝有一定分布，且不随时间变化，但这不是平衡态，只是一种稳定状态。因为撤去外界影响，系统各部分的状态参量就会变化。 例．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 BCD 初中学过的温度知识： 当热水中的温度计的读数不再升高的时候，我们自然认为此时温度计的温度（读数）就是热水的温度。 那么，我们凭什么说这个时候温度计的温度就是热水的温度？ 想一想 二、热平衡与温度 1、热平衡：如果两个系统相互接触而传热，它们的状态参量将改变，但经过一段时间后，状态参量不再变化（达到了相同的温度），我们就说两个系统达到了热平衡。（两个系统是通过热传递达到的平衡） 甲 60℃ 乙 20℃ 30℃ 30℃ 2、两个系统达到热平衡的实质：接触时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T。 3、理解：（1）平衡态不是热平衡。平衡态是对某一系统而言的，而热平衡是对两个接触的系统而言的。 （2）即使两个物体没接触过，但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就处于热平衡。 ①平衡态指的是一个系统的状态。 ②热平衡指的是两个系统之间的关系。 水银温度不再升高，这个系统达到平衡态 水的温度不再升高，这个系统达到平衡态 它们的温度不在升高，这两个系统达到热平衡。 ③先达到平衡态，才有热平衡。 即两个系统要达到热平衡，那么各个系统必须分别先达到平衡态。 思考与讨论 我们凭什么说这个时候温度计的温度就是热水的温度？ 即：在无外界影响下，一个系统内部的状态参量(P,V,T)都不再改变。 【问题】“平衡态”就是“热平衡”吗？ 【答】不是。 1）“平衡态”指的是一个系统的状态。 “热平衡”指的是两个或多个系统之间的关系。二者本质不同。 2）“平衡态”是指在没有外界影响下，一个系统的温度，压强，体积都不变了； 而热平衡是指两个或多个系统的之间的关系，不要混淆。 【拓展】 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。 ★★一个系统内的温度，压强和体积都不再变化，才是处于平衡态； 若两个系统的温度相等，则这两个系统已达到热平衡。 如果两个系统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。 4、热平衡定律（热力学第零定律） 两个系统处于热平衡时，它们必定具有某个共同的热学性质。 我们把表征这一“共同热学性质”的物理量叫做温度。 5、温度： 6、一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。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，这就是常用温度计能够用来测量温度的基本原理． 即：两系统处于热平衡时，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” H2O 问题: 用温度计为什么能测量温度？试根据热平衡定律说明其中的原理. 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，它的特征就是“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． 若系统A，C达到热平衡 若系统B，C达到热平衡 则A和B也是处于热平衡 如果温度计和A处于热平衡，同时和B处于热平衡，那么根据热平衡定律，A和B的温度相等，因此这就是温度计能够测量温度的基本原理。 k 10oC 5atm 50oC 6atm 绝热 用管道把两个装着气体的容器导通，不久，两个容器中的气体达到了力学平衡. 我们用压强“P”这个物理量来描述它。 它们有了一种相同的“力学性质” 用导线把两个带电导体连接，不久，两个导体达到了静电平衡。 我们用电势“φ”这个物理量来描述它。 它们有了一种相同的“电学性质” 将高温物体放入低温的液体中，不久，物体和液体达到了热平衡。 我们用温度“T”这个物理量来描述它。 它们有了一种相同的“热学性质” “温度”在热平衡中的角色，与压强，电势相似。 + + + - - - - - - 10OC 200OC 绝热 7、温度理解： 初中: 温度是描述物体冷热程度的物理量-----宏观上 高中: 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 标志物体内部分子无规则热运动的剧烈程度-----微观上 尽管初中的认识比较肤浅，但它与我们高中对温度的定义是一致的。 设想两个温度不同的物体相互接触后， 过一段时间当它们达到热平衡态时， 两个物体不就是“冷热相同”吗！ 【拓展】热平衡的概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。 换句话说：只要温度相同的两个系统，无论它们是相互接触了，还是分隔千里，它们都是处于热平衡状态。 例、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，存在热量交换． 三、温度计与温标 1、温度计：用来测量物体（系统）温度的仪器。常用的是液体温度计。 （1）常用温度计原理：一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。 （2）注意： ①温度计是利用物质的某一物理属性随温度变化来标志温度的。 细管 玻璃泡 液体 玻管 ②温度计是选择的标准物体，标准物体所表示的就是待测物体的温度。 ③温度计的热容量必须很小，以便它与待测物体接触并进行热交换时，几乎不改变待测物体的状态。 各种温度计中，起测温作用的器件种类是不同的，即随温度变化的物理量不同，说说下面几种分别是依据哪种物理量随温度的变化来实现测温？ 水银温度计            气体温度计                   热电偶温度计  ——水银热胀冷缩 电阻温度计 —金属电阻随温度变化 ——气体压强随温度变化 ——不同导体因温差产生的电动势大小 1593年，伽利略发明了第一支空气温度计。 这种气体温度计是用一根细长的玻璃管制成的。 它的一端制成空心圆球形； 另一端开口，事先在管内装进一些带颜色的水，并将这一端倒插入盛有水的容器中。 在玻璃管上等距离地标上刻度。 这样，当外界温度升高时，玻璃球内气体膨胀，使玻璃管中水位降低； 反之，温度较低时，玻璃球内气体收缩，玻璃管中的水位就上升。 2、温标 （1）温标：定量描述温度的方法叫做温标 。 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。 ①温度计中用于测量温度的物质。（水银/铂/气体/热电偶……） ②了解测温物质随温度变化的函数关系。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． （2）温标建立的三要素： （3）常见温标：摄氏温标、热力学温标、华氏温标 （4）热力学温度（T）：在国际单位制中，用热力学温标表示的温度，叫热力学温度。它是国际单位制中七个基本物理量之一。单位：开尔文，简称开，符号为K． 选定温度零点和分度方法 把标准大气压下，冰水混合物的温度规定为0℃；水的沸腾温度（沸点）规定为100℃。 冰水混合物 0℃ 100℃ 沸腾的水 并据此把玻璃管上0℃刻度与100℃刻度之间均匀分成100等份，每份算做1℃。 例如，人的正常体温（口腔温）是“37℃”，读作“37摄氏度”；北京一月份的平均气温是“-4.7℃”，读作“零下4.7摄氏度”或“负4.7摄氏度”。 摄氏温标 规定： 摄氏温度：用摄氏温标表示的温度叫做摄氏温度（t）。 单位：摄氏度，“℃” 选定温度零点和分度方法 热力学温标（绝对温标） 规定： ① 定义：1848年，开尔文建立了热力学温标(热力学温标它不依赖于测温物质的具体性质)，规定摄氏温度的-273.15oC为零值，它的一度也等于摄氏温度的一度。这种表示温度的方法就是开尔文温标，也叫热力学温标，表示的温度叫热力学温度（T）。 ③ 单位：开尔文，简称开。符号为K． ② 热力学零度(绝对零度): - 273.15 oC ④ 摄氏温度t与热力学温度T的关系： T＝t+273.15 K 1960年，国际计量大会确定了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。 ①热力学温度是国际单位制中七个基本物理量之一. 说明： ③摄氏温标的单位“℃”是温度的常用单位，但不是国际制单位，温度的国际制单位是开尔文，符号为K．在今后各种相关热力学计算中，一定要牢记将温度单位转换为热力学温度即开尔文. ④由T＝t+273.15 K可知，物体温度变化l℃与变化l K的变化量是等同的，但物体所处状态为l℃与l K是相隔甚远的。 ∆T = ∆t ②热力学温度的零度（0K）是低温的极限，永远达不到。故热力学温度不能出现负值。 1）T = t + 273.15 K中，等式仅反映数值关系，单位不同。 【问】当温度升高100C,那它是升高了几K呢？ 2）就一个分度来说，Dt=DT. 【问】270C的温度用热力学温度粗略的表示为_____K. 3）对于同一温度来说，用不同的温标表示，数值不同，这是因为零值的选取不同。 【问】摄氏温度和热力学温度都是从零开始的？ 4）热力学温度的零度是低温极限，也叫绝对零度，永远达不到，只能接近，故热力学温度不能出现负值。所以热力学温度从零开始. 而摄氏温度有负值，不是从零开始。 300 华氏度F，单位°F 在标准大气压下，规定冰的熔点为32°F，水的沸点为212°F，中间有180等份，每等份为华氏1度。 华氏温标的温度tF与摄氏温度t之间的关系： tF＝32+9/5t 华氏温标在欧美使用非常普遍，摄氏温标在亚洲使用较多，科学研究中多使用热力学温标（绝对温标）。 华氏温标 温度的两种数值表示法：摄氏温标和热力学温标 摄氏温标 热力学温标 提出者 摄氏萨斯和施勒默尔 英国物理学家开尔文 零度的规定 一个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 单位符号 ℃ K 关系 (1)T＝t＋273.15 K，粗略表示：T＝t＋273 K (2)每一开尔文的大小与每一摄氏度的大小相等 『判一判』 (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。 (　　) × √ √ √ × × 辨析思考 返回导航 第七章　分子动理论 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 D 课堂练习 2.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273.15K D．1℃就是1K E．升高1oC就是升高274K ABC 3.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 4.以下说法正确的是（ ） A.绝对零度永远达不到 B.现代技术可以达到绝对零度 C.物体的绝对零度是-273K D.物体的绝对零度是-273℃ AD 权威专业教育资源门户 $