物理学热学§1.3温度.ppt

普通物理教程热学 杨远贵淮北师范大学 1 3 1温度 temperature 热物理学中最核心的概念是温度和热量 由于通常所说的 冷热 的 热 是指温度高 所以温度和热量这两个概念很易发生混淆 要对温度概念作深入理解 在宏观上应对温度建立严格的科学定义 因而必须引入热平衡的概念与热力学第零定律 在微观上 则必须说明 温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的度量 另外 还可以存在所谓的负温度 所以还必须对温度概念作出更严格的定义 总之 随着对热运动本质的理解逐步深入 人们对温度概念的理解也会越来越深刻 1 3 2热力学第零定律 一 绝热壁与导热壁 二 热力学第零定律 热力学第零定律的表述 在不受外界影响的情况下 只要A和B同时与C处于热平衡 即使A和B没有热接触 它们仍然处于热平衡状态 这种规律也被称为热平衡定律 热平衡定律是否勒 Fowler 于1939年提出的 因为它独立于热力学第一 第二 第三定律 但是它又不能被列在这三个定律之后 故称它为热力学第零定律 ZerothlawofThermodynamics 三 热力学第零定律的物理意义 热力学第零定律告诉我们 互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征 它们的温度是相同的 第零定律不仅给出了温度的概念 而且指出了判别温度是否相同的方法 在判别两个物体温度是否相同时 不一定要两物体直接接触 而可借助一 标准 的物体分别与这两个物体热接融就行了 这个 标准 的物体就是温度计 第零定律只能判别相互接触物体是否达到热平衡 而不能判别达到热平衡的物体间温度的高低 后者需借助于另一基本定律 热力学第二定律 1 3 3温标 temperaturescale 一 温标的建立 经验温标 1 温标要定量地确定温度的数值 还必须给出温度的数值表示法 温标 2 经验温标 empiricaltemperaturescale 例如 在固定压强下液体 或气体 的体积 在固定体积下气体的压强 以及金属丝电阻或低温下半导体电阻等都随温度单调地 较显著地变化 任何物质的任何属性 只要它随冷热程度发生单调的 较显著的改变 就可用来计量温度 从这一意义上来理解 可有各种各样的温度计 也可有各种各样的温标 这类温标称为经验温标 经验温标包含三个要素 1 选择某种测温物质 确定它的测温属性 例如水银的体积随温度变化 2 选定固定点 对于水银温度计 若选用摄氏温标 则以冰的正常熔点定为0 水的正常沸点定为100 3 进行分度 即对测温属性随温度的变化关系作出规定 摄氏温标规定0 到100 间等分为100小格 每一小格为1 选择不同测量物质或不同测温属性所确定的经验温标并不严格一致 二 理想气体温标 以气体为测温物质 利用理想气体状态方程中体积不变时压强与温度成正比关系所确定的温标称为理想气体温标 理想气体温标是根据气体在极低压强下所遵从的普遍规律来确定的 是利用气体温度来定标的 气体温度计分为定体及定压气体温度计两种 定体气体温度计 Constantvolumegasthermometer 定体气体温度计 水的三相点状态 为了说明理想气体温标 必须预先介绍三相点状态 三相点状态是气体 液体 固体三者能够同时平衡共存的状态 为了对于确定的纯物质 其三相点状态是确定的 对于水 三相点的压强是4 58mmHg 温度为0 01C 定体气体温度计的分度是如此规定的 设T P 表示定体气体温度计与待测系统达到热平衡时的温度数值 由理想气体定律知T p pV0 R 其中V0不变 1 1 设该气体温度计放在水的三相点恒温器时测得的压强为ptr 则ptr R V0 273 16K 1 2 可见ptr仅是该温泡内气体摩尔数的函数 故ptr即表示气体质量多少 进一步将 1 2 式代入 1 1 式可知 气体温度计在压强为p时测出的温度为 体积不变 1 3 理想气体是只有在ptr 0 即当温泡内气体质量趋于零时的气体 故还应在 1 3 式中加上极限条件实际上在ptr 0时 由于温泡内气体质量已趋于零 温泡在被测温度所显示的压强p也趋于零 似乎失去了测温手段的价值 T 273 16KP 4 58mmHg 水的三相点恒温器被测温的恒温器 在同一温泡中先后充入不同质量的同一气体 然后测出不同质量气体分别在水的三相点及待测温度 例如水的正常沸点 时的压强ptr和p 由 定出所对应的T p 然后作出T p ptr图形 将曲线延拓到ptr 0时的数值就是所测出的温度 如图所示 气体温度计定标实验可以如下进行 由下图可以看到 在ptr不趋于零时 充有不同种类的气体的气体温度计的T p 不同 说明它们还不是理想气体 只有在ptr 0时四条曲线才会聚一点 这时的数值373 15K才是由气体温度计所定出的理想气体温标 严格满足理想气体条件的气体温度计所测出的水在正常沸点时的温度373 15K 三 摄氏温标 华氏温标在摄氏温标建立之前 1714年德国物理学家华伦海脱 Fahrenhit 也是利用了水银体积随温度变化的属性 建立了华氏温标 tF 表示 这是世界上第一个经验温标 把氯化氨 冰 水混合物的熔点定为0 冰正常熔点定为32 并作均匀分度 由此定出水的正常沸点为212 摄氏温标与华氏温标t间的换算关系为 四 热力学温标 Thermodynamicstemperaturescale 从温标三要素知 选择不同测温物质或不同测温属性所确定的温标不会严格一致 事实上也找不到一种经验温标 能把测温范围从绝对零度覆盖到任意温度 应引入一种不依赖测温物质 测温属性的温标 正因为它与测温物质及测温属性无关 它已不是经验温标 因而称为绝对温标或称热力学温标 国际上规定热力学温标为基本温标 一切温度测量最终都以热力学温标为准 虽然热力学温标只是一种理想化的温标 但它却与理想气体温标是一致的 只要在理想气体温标适用的范围内 热力学温标就可通过理想气体温标来实现 五 国际实用温标 InternationalPracticalTemperatureScale 在理想气体温标能适用的范围内 热力学温标常以精密的气体温度计作为它的标准温度计 但实际测量中要使气体温度计达到高精度很不容易 它需要复杂的技术设备与优良的实验条件 还要考虑许多烦杂的修正因素 另外 在高温时气体温度计常失去其使用价值 为了能更好地统一国际间的温度测量 以便各国自己能较方便地进行精确的温度计量 有必要制定一种国际实用温标 国际实用温标是国际间协议性的温标 目前使用的是1990年国际温标 IPTS 90 国际实用温标 1990 可分别以热力学温度T90及摄氏t90表示 例题1铂电阻温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时 铂电阻的阻值为90 35欧姆 当温度计的测温泡与待测物体接触时 铂电阻的阻值为90 28欧姆 试求待测物体的温度 假设温度与铂电阻的阻值成正比 解 例题2定义温标t 与测温属性X之间的关系为t ln kX 式中k为常数 设X为定容稀薄气体的压强 并假定在水的三相点为t 273 16 试