第2章 3 温度和温标-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（教科版2019）

3　温度和温标 [学习目标]　1.知道系统的状态参量及平衡态。2.理解温度的概念，知道热平衡定律及其与温度的关系(重点)。3.知道什么是温标，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系(难点)。 一、热平衡定律和温度 1．热力学系统和外界 (1)热力学系统：由大量分子组成，并与周围环境发生相互作用的宏观客体，它是热力学的研究对象，简称系统。 (2)外界：系统的周围环境简称外界。 2．气体的三个状态参量 (1)体积：气体的体积是指气体所充满的容器的容积，气体的体积就是贮放气体容器的容积。国际单位：m3。 (2)压强：当大量分子对器壁碰撞时，就可以使器壁受到一个持续的、均匀的作用力。作用在器壁单位面积上的力就是压强，压强的单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。 (3)温度： ①从微观上看，温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱的量度。 ②从宏观上看，温度是系统自身分子热运动性质的宏观表现。 3．平衡态 一个热力学系统，在没有外界影响的情况下，系统内各部分的状态参量达到的稳定状态。 4．热平衡 (1)概念：在没有外界影响的情况下，两个系统热接触后一段时间，两个系统的状态不再变化，两个系统达到平衡，这种平衡叫作热平衡。 (2)特点：达到热平衡的两个系统温度相同。 5．热平衡定律 如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此也必定处于热平衡。 刀剑淬火是制作刀剑的重要过程，如图所示，是刀剑刚入水淬火的瞬间，在这一瞬间，刀剑和水组成的系统是否达到热平衡状态？经过足够长时间后，是否达到热平衡状态？ 答案　淬火瞬间由于一部分刀剑在水的外部，一部分处于水的内部，存在热量传递，温度不相同，没有达到热平衡状态。当经过足够长时间后，它们的温度相等，达到了热平衡状态。达到热平衡状态的标志是温度相等。 (1)状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统的状态变化时，其各个状态参量都会改变。 (　×　) (2)当系统不受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参量将会达到稳定。 (　√　) (3)两个物体间传热时，它们组成的系统处于非平衡态。(　√　) (4)如果系统A与系统C温度相同，系统B与系统C温度也相同，则系统A、B的温度必定相同。(　√　) 例1　(多选)关于热平衡，下列说法正确的是(　　) A．系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值 B．标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡 C．量体温时体温计需要和身体接触几分钟是为了让体温计跟身体达到热平衡 D．冷热程度相同的两系统处于热平衡状态 答案　ACD 解析　两个系统达到热平衡的标志是它们的温度相同，或者说它们的冷热程度相同，A、C、D正确，B错误。 决定两个系统是否达到热平衡的最主要参量是温度。因为处于热平衡的物体具有相同的温度，所以在比较各物体的温度时，不需要将各物体直接接触，只需将温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低，这也是温度计测温原理。 二、温标 1．定义：温度数值的标定方法称为温标。 2．温标的种类 (1)摄氏温标 选择水银为测温物质，以冰的正常熔点为0_℃，水的正常沸点为100_℃，二者之间等分为100小格，这种温度数值的表示方法叫作摄氏温标。在摄氏温标中，温度的单位是 ℃，读作“摄氏度”。 (2)热力学温标 不依赖于任何测温物质及测温属性的温标，称为热力学温标或绝对温标。热力学温度的单位是开尔文，简称开，符号是K。 (3)摄氏温度与热力学温度的关系 如果以t表示摄氏温度的数值，T表示绝对温度的数值，则有t/℃＝T/K－273.15。 1．如果气体的温度是1 ℃，也可以说气体的温度是多少K？如果气体的温度升高了1 ℃，也可以说气体的温度升高了多少K? 答案　274.15 K　1 K 2．已知某物理量X与热力学温度T成正比，请把这个关系式用等式表示出来。现在用摄氏温度t来表示温度，这个关系式又该怎么写？分别画出X－T图像和X－t图像的草图。 答案　X与热力学温度T成正比，故X＝kT，又因为T＝(t＋273.15) K，故X＝k(t＋273.15) K，图像如图所示： 　 例2　(2022·哈尔滨市高二期中)关于温度与温标，下列说法正确的是(　　) A．温度与温标是一回事，所以热力学温标也称为热力学温度 B．摄氏温度与热力学温度都可以取负值 C．摄氏温度升高3 ℃，在热力学温标中温度升高276.15 K D．热力学温度升高3 K，摄氏温度升高3 ℃ 答案　D 解析　温标就是按照一定的标准划分的温度标志，就像测量物体的长度要用长度标尺一样，是一种人为的规定，或者叫作一种单位制。而温度表示的是物体的冷热程度，所以温度与温标不是一回事，A错误；热力学温度不可以取负值，B错误；摄氏温度升高3 ℃，在热力学温标中温度升高3 K，C错误，D正确。 例3　(2022·邯郸市高二月考)温度计是生活、生产中常用的测温装置。如图为一个简易温度计，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 ℃ 答案　C 解析　根据题意可知，温度越高，水柱上升的高度越高，A点温度最高，D点温度最低，故选项A、B错误；由于A、D间的刻度均匀分布，故有色水柱下端的温度为×3 ℃＋20 ℃＝32 ℃，故选项C正确，D错误。 例4　图甲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(图乙)，用这段金属丝做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，请判断：如果电池的电动势和内阻都是不变的，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？ 答案　见解析 解析　t1点标在电流较大的刻度上。因为在t1点时电阻较小，由于电路的电动势和内阻不变，根据闭合电路欧姆定律知，电流较大。 课时对点练 考点一　热平衡定律和温度 1．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、压强稳定，但体积仍可变化 答案　A 解析　如果一个系统达到了平衡态，则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，故A正确。 2．(多选)(2022·榆林市高二月考)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 答案　BCD 解析　达到热平衡的系统都具有相同的温度，无法确定是否具有相同的热量，A错误，C正确；由热平衡定律可知，若物体与A处于热平衡，它同时也与B处于热平衡，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，B、D正确。 3．温度不同的两块金属接触，达到热平衡后，相同的物理量是(　　) A．内能 B．分子势能 C．分子平均动能 D．热量 答案　C 解析　温度不同的两块金属接触，达到热平衡后，温度相同，即分子平均动能相同，故选C。 考点二　温标 4．(2022·银川市高二期末)关于热力学温度，下列说法中正确的是(　　) A．－33 ℃与240.15 K表示不同的温度 B．摄氏温度与热力学温度都不可能取负值 C．温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K D．温度由t ℃升至2t ℃，对应的热力学温度升高了(273.15＋t) K 答案　C 解析　由摄氏温度与热力学温度的关系可知－33 ℃与240.15 K表示相同的温度，A错误；因绝对零度达不到，故热力学温度不可能取负值，但摄氏温度可取负值，B错误；由摄氏温度与热力学温度的关系可知ΔT＝Δt，即热力学温标温度数值的变化总等于摄氏温标温度数值的变化，温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K，C正确；初态热力学温度为(273.15＋t) K，末态为(273.15＋2t) K，温度变化了t K，D错误。 5．(2022·金华市高二期末)金华6月某天的最高温度为36 ℃，最低温度为27 ℃，用热力学温标来表示金华这一天的最高温度和最大温差分别为(　　) A．36 K；9 K B．309 K；9 K C．36 K；300 K D．309 K；282 K 答案　B 解析　最高温度和最低温度分别为 T1＝273 K＋t1＝(273＋36) K＝309 K T2＝273 K＋t2＝(273＋27) K＝300 K 最大温差为ΔT＝T1－T2＝309 K－300 K＝9 K，故选B。 6.(多选)(2022·南阳市高二月考)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封闭的空气 D．该温度计是利用测温物质的热胀冷缩的性质制造的 答案　CD 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，该温度计是利用空气的热胀冷缩的性质制造的，故A、B错误，C、D正确。 7．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，徐强同学在冰上打了一个洞，拿来一支实验室温度计，用下列四种方法测水温，正确的做法是(　　) A．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 B．取一塑料饮水瓶，将瓶拴住从洞中放入水里，水灌满瓶后取出，再用温度计测瓶中水的温度 C．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 D．手拿温度计，从洞中将温度计插入水中，待较长时间后取出，读出示数 答案　C 解析　用线将温度计拴牢从洞中放入水中，待较长时间后从水中提出，读出示数，不符合温度计的使用方法，故A错误；水灌满瓶后取出，温度会变化，此时测的不再是湖水的温度，故B错误；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，然后将瓶取出，立即从瓶外观察温度计示数，这样能保证瓶取出后，温度计的示数不会降低，故C正确；手拿温度计，从洞中将温度计插入水中，取出温度计读出示数，不符合温度计的使用方法，故D错误。 8．(多选)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压合在一起的双金属片的弯曲程度随温度的变化而变化的原理制成的，如图甲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(　　) A．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．由图甲可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数 D．由图乙可知，双金属片的内层一定为铜，外层一定为铁 答案　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，双金属片的弯曲程度随温度变化而变化，A、B正确；题图甲中，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正确；题图乙中，温度计示数是沿顺时针方向增大的，说明当温度升高时温度计指针沿顺时针方向转动，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错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$