温度和温标ppt课件.ppt

7.4温度和温标,第七章分子动理论,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。教学方法：讲练法、举例法、阅读法教学用具：投影仪、投影片,引入：通过对物理的学习我们知道，探究和解决一个物理问题的基本思路是：首先要选取研究对象，其次学习描述相关运动现象的物理量及探究运动所遵循的物理规律，而研究对象的选取方法有为确定单个物体之间相互作用及关系而只选一个物体的隔离法和以物理规律相同的多个物体系统为研究对象的整体法，已知的条件和研究的问题不同，选取的研究对象不同。而且研究对象一旦确定，物体之间的相互作用的性质（是内力还是外力）也就唯一确定了。今天我们来学习以大量无规则运动的分子为研究对象的热学的研究对象选取，描述热学规律的状态参量及与力学类似的平衡状态及规律。,带着下面问题仔细阅读课文包括插图、扉页角批及课后习题，思考后回答问题,1.热学的研究对象是什么？2.什么是热学中的外界？3.描述热学系统状态的宏观状态参量常见的有那几个？各自的作用即分别描述状态的那一个特征？4.一个系统处于什么状态是热学中的平衡态？判断一个系统是否处于平衡态的标志是什么？定义热学中系统的平衡态的有何意义？5.热学中的一个系统的平衡态是不是就是指任意一种稳定状态？与力学中的平衡态是否相同？它的特点是什么？6.什么是热平衡？热平衡是不是就是热学中的平衡态？判断两个系统是否达到热平衡的标志是什么？7.热平衡定律的内容是什么？它的主要作用是什么？8.什么是温标？建立温标常包含那几个要素？了解建立温标包含的要素有什么作用？,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,物理学中，需要研究系统的各种性质，包括几何性质、力学性质、热学性质、电磁性质等等,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：,一是：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）二是：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）三是：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。,几何性质,描述系统的大小、形状、体积等。,力学性质,描述系统的压强、应力、表面张力等。,热学性质,描述系统温度。,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。,例1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,解析：描述系统的宏观状态，其参量是宏观量，每个气体分子的运动速率是微观量，不是气体的宏观状态参量气体的压强、体积、温度分别是从力学、几何、热学三个角度对气体的性质进行的宏观描述，是确定气体宏观状态的三个状态参量显然B、C、D选项正确,BCD,二、热平衡与温度,5、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,说明：热平衡是热学中的一类平衡，犹如力学中共点力平衡是力学的一类一样，它是相对于传热而言的，两个系统达到热平衡的实质就是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参量。,热平衡和与平衡态是两个不同的概念，平衡态描述的是一个系统内部各部分之间的所有宏观状态参量及宏观性质都相同；而热平衡指的是两个系统接触后传热 及温度关系。,平衡态和热平衡的区别,处于平衡态时所有状态参量都保持稳定，对热平衡来说只指温度参量相同，故系统处于热平衡时不一定处于平衡态。,注：我们常以是一个系统还是两个系统来区分平衡态还是热平衡，但要特注系统的选取是任意的 由人来决定，例如把两个物体选作两个系统达到温度相同时就说这两个物体达到热平衡，若把这两个物体选作一个研究系统，若体积、压强、温度都相同则就可以说这两个物体组成的系统处于平衡态。,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。,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。,热平衡定律(又叫热力学第零定律)的作用是：给出了温度的宏观定义；为温度的测量提供的理论依据，是温度计测量物体温度的原理。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。,6、热平衡定律(又叫热力学第零定律)：,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C跟物体A处于热平衡，它同时也跟物体B处于热平衡，根据热平衡定律，A的温度便与B的温度相等.,例2、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，存在能量交换,热学中常见的平衡,1.热学中的热平衡,2.热学中力学平衡,类比力学中的平衡常见的有共点力平衡和力矩平衡，共点力平衡的条件及标志是合力为零，而力矩平衡的条件是力矩相等，再如电学中的静电平衡，其平衡条件是电势不变或相等，由此可见不同的平衡，其平衡条件不同,热平衡温度相同,热平衡条件温度相同,热学中力学平衡压强相等,力学平衡条件压强相等,力学平衡,具有一种相同的力学性质,压强,静电平衡,具有一种相同的电学性质,电势,热平衡,具有一种相同的热学性质,温度,平衡常见的平衡及平衡标志,温度相等,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，它的特证就是“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,两个系统达到热平衡时，它们具有一个共同的热学性质，该性质实际就是物体的冷热程度。我们就把表征这一“共同热学性质”的物理量定义为温度。,7、温度,注：初中物理中的温度意义是“表示物体冷热程度的物理量”这是对温度的一个通俗理解，带有主观性和不准确性，而高中温度的严格定义及测量原理都是建立在热平衡定律基础上的，热平衡定律表明两物体相互处于热平衡时，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”,定义：表征热平衡系统的“共同热学性质”的物理量,从宏观和微观两个角度如何理解温度的概念？,答案：(1)宏观上，表示物体的冷热程度(2)微观上，反映分子热运动的激烈程度，温度是物体内所有分子热运动的平均动能的标志.,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,温度计：温度计是测量温度的工具,特注：温度计的热容量必须很小，与待测物体接触时，几乎不改变待测物体状态,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。,8、温标：定量描述温度的方法叫做温标,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。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,9、建立的温标三个要素：,建立温标的三个要素中，前两个要素由测温物质和设计原理决定，与人为操作无关，造成温度计读数不准确的人为因素是零点选取和分度方法。分度方法由测温原理对应的函数关系来决定，温度计测温不准主要是在分刻度和标刻度时的偶然误差造成的,【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()A41、60 B21、40 C35、56 D35、36,变式练习：某同学自定一种新温标P，他将冰点与沸点之间等分为200份，且将冰点的温度定为50 P，该同学测量一杯水的温度为150 P，则该温度用摄氏温度表示时应为()A30 B40 C50 D60,解析每格表示的摄氏度为100/200 0.5，比冰点高出的温度为(15050)0.5 50，故C选项正确,摄氏温标的建立：,规定标准大气压下，冰睡混合物的温度为0，沸水的温度为100，在0oC与100oC之间分成100等份，每一等份就是1.这 种表示温度的方法叫摄氏温标，表示的温度叫摄氏度。,液体温度计的测温属性：水银、煤油酒精等的热胀冷缩金属电阻温度计测温属性：铂的电阻随温度升高而增大热电偶温度计的测温属性：不同导体因温差产生电动势的大小气体温度计的测温属性：气体压强随温度变化,11、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，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)，单位为开尔文，简称开(K),（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）符号:T，,（4）单位开尔文，简称开，符号为K,（5）摄氏温度t与热力学温度T的关系：Tt+273.15 K,（6）二者单位温度的大小及温度差相等即T=t,（7）热力学温标在科学计算中特别体现在热力学方程中，使方程更简单，是一种更为科学的温标。,国际单位制中七个基本物理量、符号及单位：质量（m）kg、长度（l）m、时间（t）s、电流（I）A、物质的量（n）mol、热力学温度（T）K、发光强度（IV）cd,（7）说明,摄氏温标的单位是摄氏度，符号是“”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；,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；,一般情况下，T（t+273）K,热力学温标的零度(0K)是低温的极限，永远达不到。因此热力学温度没有负值。,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，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IE/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741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741,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741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,D,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 C0oC等于273.15K D1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,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D2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273.15B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D1就是1K,解析：由热力学温度(T)与摄氏温度(t)的关系Tt273.15K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应该将温度计取出读数，而不应该放在水里读你认为小宁找得对吗？并说明理由答案：小宁找得A、B、C对，D错,解析：要测量烧杯中水的温度，据热平衡知，须把温度计放入待测水中达到热平衡后读出温度计的示数，即为热水的温度题中将少量水倒入另一烧杯，测量有两处错误：其一，少量水不能完全浸没温度计玻璃泡，达热平衡时测量的不是水的温度；其二，少量水倒入另一烧杯，这少量水与另一烧杯又达到一个热平衡，温度已改变，再用温度计测量时，测出的是这个热平衡状态的温度，而不是待测水的温度了题中C项读数小宁找得对，但小宁在D选项中要把温度计取出来读数就不对了，当把温度计取出时，在空气中它与空气间存在温度差，有热交换会失去原来的热平衡，示数变化,典例：(多选题)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1，比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，那么()A从两者开始接触到达到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量B在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量C达到热平衡时，铜块的温度是T(T1+T2)/2D达到热平衡时，两者的温度相等,解析由能量守恒和转化定律可知A选项正确，由热平衡定律可知D选项正确,4(多选题)关于热力学温标的说法正确的是()A热力学温标是一种更为科学的温标B热力学温标的零度为273.15 KC气体温度趋近于绝对零度时其体积为零D在绝对零度附近气体已液化，所以它的压强不会为零,解析本题考查热力学温标的性质热力学温标在科学计算中特别体现在热力学方程中，使方程更简单，更科学，故A对；B是热力学温标的常识，错误；气体趋近于绝对零度时，已液化，但有体积，故其压强不为零，C错，D对,7在青藏高原上，兴趣小组的同学用实验的方法想测量水沸腾时的温度到底是多少，它应选用()A水银温度计B酒精温度计C以上两种温度计都可以D以上两种温度计都不行,解析不能选用酒精温度计，在青藏高原上水的沸点在80 左右，而酒精的沸点更低，也就是70 左右本题选A.,