2021-2022学年高二物理竞赛课件：温度热膨胀理想气体状态方程

1、温度 热膨胀理想气体状态方程开篇问题：请猜一猜！ 一个底部开口的热气球（如左图），气球内部的空气被火焰加热。对气球内部的空气与气球外部空气加以比较，看看下列物理性质孰高孰低,还是相同？（1）温度，（2）压力，（3）密度 外界：热力学系统以外的物体。系统分类（按系统与外界交换特点）：孤立系统：与外界既无能量又无物质交换封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换状态参量：描述一个系统状态的物理量称之为状态参量。例如，体积、压强和温度。更复杂的系统需要更多的状态参量来描述。17-1 物质的原子理论 原子 atom 希腊语中不可再分之意。单个原子和分子的相对质量，

2、称为原子量和分子量。碳12(C12)原子质量的1/12，作为原子质量的统一单位（u）。按照千克计算。如:氢原子的原子质量是1.0078 u布朗运动(生物学家罗伯特布朗1827年发现) 1905年，阿尔伯特爱因斯坦用理论的观点解释了布朗运动，并且利用实验数据估算了原子的大致尺度大约为10-10 m。物质的三种常见的相（或状态)，即固态、液态和气态。从微观的观点来分析物质的三种相：晶体的原子排列液体气体固体材料中, 原子间作用力足够大，原子或分子相对固定位置仅发生略微的移动(振动)。液体中,原子或分子的移动更加迅速,它们之间的作用力更加微弱，分子间有充足的自由空间允许分子一个接一个地通过。气体中，

3、分子间作用力弱，分子运动速度高，以至于分子不可能紧密联系在一起。每个分子沿自己的运动方向迅速移动，填充了容器中的全部空间，偶尔彼此碰撞。 例题17-1已知铜的密度为8.9x103kg/m3,每个铜原子的质量是63u。试估计相邻铜原子中心之间的平均距离。 方法：考虑边长为 1 m 的一立方体的铜。将密度除以一个原子的质量(63 u) 获得了在1 m3体积中的原子数目。假定原子阵列中，N N N = N 3 等于在 1 m3 中的总的原子数，设N为沿边长为1 m 长度上的原子数。解：一个铜原子的质量注意：关注单位。 17-2 温度和温度计 温度：温度测量的是物体的冷热。大多数材料随温度升高而膨胀，

4、但并不是所有的材料。水就是例外，例如,水从0到4升温时产生收缩。 物体的电阻随温度而变化，物体辐射颜色也会随温度而变化。在较高的温度下，固体如铁呈现为橙色甚至白色;白炽灯泡的钨丝发出白光;通过固体辐射出的光的主要颜色（更准确地说是波长），我们可以估计太阳和其他星体表面的温度。温度计：用来测量温度的仪器。温标：为了定量的测量温度定义的数值标准。最常见的标准摄氏温标,有时被称为百分度温标。在美国，华氏温标也很常见。在科研工作中最重要的是绝对温标，或开尔文温标。定义温标的方法：对两个容易重现的温度进行指定 对于摄氏温标与华氏温标，这两个固定点被选则为水的冰点和沸点，两者都是在标准大气压下。摄氏温标中

5、，水的凝固点被选择为0（“零摄氏度”）沸点100 。华氏温标，水的凝固点被定义为32，沸点212。 对于摄氏温标，两个标记之间的距离被划分为100等份，在0 和100之间，相邻等份之间相差1 (因此得名“摄氏温标”意思是“百份”)。 对于华氏温标，这两个点被标记为32和212，它们之间的距离被分成180个相等的间隔。或请注意，当我们提到一个特定的温度时，例如我们说200C，“0在前，C 在后”；但是，当我们提到一个变化的温度或温度间隔时，例如我们说 2 C0 ，“C在前，0在后”。两个温标之间的转换可以写成：注意！温度转换，请记住O= 32和5 C0=9 F0的改变量例17-2 用不同温标表示

6、你的体温。17-3 热平衡和热力学第零定律 如果将两个不同温度的物体放置在一起相接触（意为热能可以从一个物体转移到另一个物体)，这两个物体将最终达到相同的温度。这称为热平衡。实验表明：如果两个系统都与第三个系统处于热平衡状态，那么它们之间也处于热平衡热力学第零定律17-4 热膨胀线性膨胀:实验结果表明，当温度的增量T 不太大,几乎所有固体长度的增量直接与温度的增量成正比。 (17-1a)其中 是比例常数，称为特定材料的线性膨胀系数，单位为(0C)-1。 (17-1b) l0 是温度为 T0 时的长度，l 是温度 T 时的长度，如果温度增量T = T-T0 为负值，则l = l- l0 也为负值

7、。例17-3 桥梁伸缩 在20时，吊桥的钢床为200 m长，它可能会暴露在-3040极端的温度下，它将怎样收缩和膨胀呢？解：=1210-6（)-1，当温度在40时，其长度增加为当温度下降到-30 时，T = -30, 则有伸缩缝总范围容许量为12cm + 4.8cm 17cm概念理解： 例17-4 孔膨胀或收缩 在烤箱中加热细的圆环,环的孔径是变大还是小？解答：你可能想当然地认为，金属向孔内膨胀，使得孔变小。事实并非如此。试想如果环是实心的，比如硬币。用钢笔在上面画一个圆，如图。当金属膨胀时圆环膨胀。例17-5 圆环套在棒上 铁环紧紧贴在圆柱铁棒上。在20时，棒的直径是6.445cm，铁环的内

8、径为6.420cm。要使铁环滑过棒，环内孔必须略大于棒直径约0.008cm。那么需多高的温度才能使环孔足够大，从而滑过棒呢？所以，环温度至少升到 T = (20 + 430) = 450。概念理解：例17-6 开启瓶盖 当一个玻璃罐的盖子很紧难以打开，将盖子在热水中冲洗，往往会使它容易打开, 为什么?解答：罐头盖更直接接触热水，所以比玻璃更早膨胀。但就算不是这样，在相同温度改变下，金属通常膨胀普遍超过玻璃 。 剥鸡蛋:如果你把一个带壳鸡蛋煮熟后，立即放入冷水中，则较容易将鸡蛋壳与鸡蛋剥离，这主要是由于鸡蛋和壳有不同的热膨胀系数。其中，T 是温度的增量，V0 是原来的体积，V 是体积增量， 是体膨胀系数。单位为 ()-1。注意：对于固体，通常体膨胀系数 大约是线膨胀系数 的 3 倍。