2024-2025学年高中物理第七章分子动理论第4节温度和温标学案含解析新人教版选修3-3

PAGE9-第4节温度和温标1．知道热力学系统的状态参量及平衡态。2．明确热平衡的概念，理解热平衡定律及热平衡与温度的关系。3．了解温度计的原理，知道什么是温标，知道热力学温度与摄氏温度的换算关系。一、状态参量与平衡态1．系统：在热学中，把由大量分子组成的eq\o(□,\s\up3(01))探讨对象称为一个热力学系统，简称系统。2．状态参量：热学中描述eq\o(□,\s\up3(02))系统状态的物理量。常用状态参量为eq\o(□,\s\up3(03))压强、eq\o(□,\s\up3(04))体积、eq\o(□,\s\up3(05))温度。通常用eq\o(□,\s\up3(06))体积描述它的几何性质，用eq\o(□,\s\up3(07))压强描述力学性质，用eq\o(□,\s\up3(08))温度描述热学性质。3．平衡态：对于一个不受外界影响的系统，无论其初始状态如何，经过足够长的时间后，必定达到一个宏观性质不再随时间改变的eq\o(□,\s\up3(09))稳定状态，这种状态叫平衡态。二、热平衡与温度1．热平衡：两个相互接触的热力学系统的参量eq\o(□,\s\up3(01))不再改变，此时两个系统达到了热平衡。2．热平衡定律：假如两个系统分别与第三个系统达到eq\o(□,\s\up3(02))热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。3．温度：两个系统处于热平衡时，它们具有一个“eq\o(□,\s\up3(03))共同性质”，我们就把表征这一“eq\o(□,\s\up3(04))共同性质”的物理量定义为温度。一切达到热平衡的系统都具有相同的eq\o(□,\s\up3(05))温度。三、温度计与温标1．假如要定量地描述温度，就必需有一套方法，这套方法就是eq\o(□,\s\up3(01))温标；确定一个温标时首先要选择一种测温物质，依据这种物质的某个特性来制造温度计。确定了测温物质和这种物质用以测温的某种性质以后，还要确定温度的eq\o(□,\s\up3(02))零点和eq\o(□,\s\up3(03))分度的方法。2.eq\o(□,\s\up3(04))热力学温标表示的温度叫做eq\o(□,\s\up3(05))热力学温度，它是国际单位制中七个基本物理量之一，用符号T表示，单位是开尔文，简称开，符号为K。3．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，摄氏温标所确定的温度用t表示，它与热力学温度T的关系是T＝t＋273.15K。判一判(1)温度是确定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量。()(2)温度上升了1℃就是上升了1K。()(3)物体的温度由本身确定，数值与所选温标无关。()提示：(1)√(2)√(3)×课堂任务对状态参量、平衡态与热平衡的理解1．热力学系统的状态参量(1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围。(2)压强p：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质。(3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度。2．对平衡态的理解(1)热力学的平衡态是一种动态平衡，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改变，表现为系统的宏观性质不随时间改变，而力学中的平衡态是指物体的运动状态处于静止或匀速直线运动的状态。(2)平衡态是一种志向状况，因为任何系统完全不受外界影响是不行能的。系统处于平衡态时，由于涨落，仍可能发生偏离平衡状态的微小改变。3．对热平衡的理解(1)热平衡定律即热力学第零定律，确定系统是否达到热平衡的最主要参量是温度，也就是说只要温度不再发生改变，那么这两个系统就达到了热平衡。理解热平衡定律肯定要抓住温度这一状态量。(2)平衡态不是热平衡：平衡态是对某一系统而言的，热平衡是对两个接触的系统而言的；分别处于平衡态的两个系统在相互接触时，它们的状态可能会发生改变，直到温度相同时，两系统便达到了热平衡。达到热平衡的两个系统都处于平衡态。4．对温度的理解(1)温度的宏观物理意义：确定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态。(2)与热平衡的关系：处于热平衡的每个系统内部各部分的温度相同；两系统达到热平衡后，两系统的温度相同。例1“在测定铜块的比热容时，先把质量已知的铜块放入沸水中加热，经过一段时间后把它快速放入质量已知、温度已知的水中，并用温度计测量水的温度。当水温不再上升时，这时的水温就是铜块与水的共同温度。依据试验数据就可以计算铜块的比热容。”以上这段叙述中，哪个地方涉及了“平衡态”和“热平衡”的概念？[规范解答]区分“平衡态”和“热平衡”的关键在于：热平衡是对于两个或两个以上系统而言，而平衡态是指一个系统所处的状态。铜块放入沸水中加热，经过一段时间后，铜块就和沸水达到“热平衡”，铜块的温度就等于此时沸水的温度。铜块、温度计放入另一已知质量和温度的水中，当温度计的温度不再上升时，水、温度计、铜块三个系统此时又达到了“热平衡”，三者的温度相同，此时温度计的示数就是水和铜块的共同温度。把铜块从沸水中取出到快速放入已知温度和质量的水中，此过程中可认为铜块处于“平衡态”，备用水处于“平衡态”。[完备答案]见规范解答1.解决平衡态问题三要点1平衡态与热平衡不同，平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡。2必须要经过较长一段时间，直到系统内全部性质都不随时间改变为止。3系统与外界没有能量的交换。2.处理热平衡问题时应把握的两点,1发生热交换时，高温物体放出的热量等于低温物体汲取的热量。2达到热平衡时，系统肯定具有相同的温度，其他状态参量未必相同。eq\a\vs4\al([变式训练1])有关热平衡的说法正确的是()A．假如两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统恒久处于热平衡状态B．热平衡定律只能探讨三个系统的问题C．假如两个系统彼此接触而不发生状态参量的改变，这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统肯定处于热平衡状态D．两个处于热平衡状态的系统，温度可以有微小的差别答案C解析本题考查的学问点是热平衡。处于热平衡状态的系统，假如受到外界的影响，状态参量会随之改变，温度也会改变，故A错误；热平衡定律对多个系统也适用，故B错误；由热平衡的意义知，C正确；温度相同是热平衡的标记，必需相同，故D错误。课堂任务温度计与温标1．“温度”含义的两种说法(1)宏观角度：表示物体的冷热程度。(2)热平衡角度：两个处于热平衡的系统存在一个数值相等的物理量，这个物理量就是温度。2．温度计测量原理一切互为热平衡的系统都具有相同的温度，温度计与待测物体接触，达到热平衡，其温度与待测物体相同。3．摄氏温标与热力学温标的比较(1)热力学温度的零度叫肯定零度，它是低温的极限，可以无限接近但不能到达。(2)热力学温度是国际单位制中七个基本物理量之一，因此它的单位属基本单位。例2(多选)有关温标的说法正确的是()A．温标不同，测量时得到同一系统的温度数值可能是不同的B．不同温标表示的温度数值不同，则说明温度不同C．温标的规定都是人为的，没有什么理论依据D．热力学温标是从理论上规定的[规范解答]相同的冷热程度，温度相同，用不同温标表示的数值可以是不同的，A正确，B错误；热力学温标是从理论上作出的规定，故C错误，D正确。[完备答案]AD热力学温度与摄氏温度对于热力学温度和摄氏温度的关系，易出现以下两点错误：(1)单位混淆。(2)错用公式T＝t＋273.15K，把物体的温度和物体上升的温度混淆，认为摄氏温度上升1℃，热力学温度上升ΔT＝Δt＋273.15K从而出错。弄清二者关系一要强调二者的单位，二要明确热力学温标和摄氏温标表示的温差相同，即ΔT＝Δt。eq\a\vs4\al([变式训练2])(多选)关于热力学温度，下列说法中正确的是()A．－33℃相当于240KB．温度改变1℃，也就是温度改变1KC．摄氏温度与热力学温度都可能取负值D．温度由t℃升至2t℃，对应的热力学温度上升了273K＋t答案AB解析热力学温标和摄氏温标是温度的两种不同的表示方法，对同一温度来说，用不同的温标表示数值不同，这是因为它们零值的选取不同，但两种温标表示的温差肯定相同。由T＝t＋273K知A正确；由ΔT＝Δt知B正确；摄氏温度可取负值，但热力学温度没有负值，C错误；温度由t℃上升到2t℃，摄氏温度上升了t，热力学温度也上升了t，D错误。A组：合格性水平训练1．(状态参量)(多选)在热学中，要描述肯定气体的宏观状态，须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．温度答案BCD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。明显B、C、D正确。2．(热平衡状态、热平衡定律)(多选)下列说法正确的是()A．两个系统处于热平衡时，它们肯定具有相同的热量B．假如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．温度是确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解析热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故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，故B、D正确。3．(热平衡状态)(多选)关于平衡态和热平衡，下列说法中正确的是()A．只要温度不变且到处相等，系统就肯定处于平衡态B．两个系统在接触时它们的状态不发生改变，说明这两个系统原来的温度是相等的C．热平衡就是平衡态D．处于热平衡的几个系统的温度肯定相等答案BD解析一般来说，描述系统的状态参量不止一个，仅仅依据温度不变且到处相等不能得出系统肯定处于平衡态的结论，A错误。依据热平衡的定义可知B和D是正确的。平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个系统相互影响的最终结果，可见C错误。4．(热力学温度和摄氏温度)(多选)下列关于热力学温度的说法正确的是()A．热力学温度的零点是－273.15℃B．－136℃比136K温度高C．0℃等于273.15KD．1℃就是1K答案ABC解析热力学温度的零点是－273.15℃，A正确；由热力学温度与摄氏温度的关系T＝273.15K＋t可知，－136℃等于137.15K,0℃等于273.15K,1℃就是274.15K，故B、C正确，D错误。5．(热力学温度和摄氏温度)(多选)物体的温度从27℃降低到0℃，用热力学温度表示，以下说法正确的是()A．物体的温度降低了27KB．物体的温度降低了300KC．物体的温度降低到273KD．物体的温度降低到0K答案AC解析由T＝t＋273K知0℃时对应的热力学温度为273K，温度降低27℃，对应的热力学温度降低27K。故A、C正确。6．(热力学温标)(多选)下列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℃，叫肯定零度C．气体温度趋近于肯定零度时其体积为零D．在肯定零度旁边气体已液化答案ABD解析热力学温标在科学计算中，特殊是在热力学方程中，使方程更简洁、更科学，故A正确；B项是热力学温标的常识，故正确；气体趋近于肯定零度时，已液化，但有体积，C错误，D正确。7．(温度计)(多选)如图所示，一个有瘦长管的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中，细管中的液面清楚可见，假如不考虑外界大气压的改变，就能依据液面的改变测出温度的改变，则()A．该温度计的测温物质是槽中的红色液体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答案CD解析细管中的红色液体用来显示球形瓶中空气的体积随温度的改变状况，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。B组：等级性水平训练8．(热平衡状态)(多选)两个原来处于热平衡状态的系统分开后，由于外界的影响，其中一个系统的温度上升了5K，另一个系统温度上升了5℃，则下列说法正确的是()A．两个系统不再是热平衡系统了B．两个系统此时仍是热平衡状态C．两个系统的状态都发生了改变D．两个系统的状态没有改变答案BC解析两个系统原来温度相同而处于热平衡状态，分开后，由于上升的温度相同，两者仍处于热平衡状态，新的热平衡状态下温度比以前上升了，两个系统的状态都发生了改变。B、C正确。9．(温度计和温标)温度计是生活、生产中常用的测温装置，如图所示为一个简易温度计，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，封闭肯定质量的气体。当外界温度发生改变时，水柱位置将上下改变。已知A、D间的测量范围为20～80℃，A、D间刻度匀称分布。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解析由热胀冷缩原理可知A点为80℃，D点为20℃，由题意可知，每小格表示4℃，则有色水柱下端表示32℃，选C。10．(热平衡定律)(多选)关于热平衡定律，下列理解正确的是()A．两系统的温度相同时，才能达到热平衡B．A、B两系统分别与C系统达到热平衡，则A、B两系统处于热平衡C．甲、乙、丙物体温度不相等，先把甲、乙接触，最终达到热平衡，再将丙与乙接触，最终也达到热平衡，则甲、丙是热平衡的D．热平衡时，系统的温度相同答案ABD解析乙与丙达到新的热平衡时，其各状态参量发生了改变，不再与甲热平衡，C错误；由热平衡含义可知A、B、D均正确。11．(温度计)(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铆合在一起的双金属片的弯曲程度随温度改变的原理制成的，如图所示。已知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，其双金属片的内层