熱學:溫度和溫標

2020-12-08 高中物理知識

基礎知識

溫度是表示物體冷熱程度的物理量,是物體內部大量分子做無規則運動劇烈程度的標誌。一般物體都是在溫度升高的時候膨脹,在溫度降低的時候收縮,即熱脹冷縮。

系統:我們研究的對象,可以是一個物體,也可以是多個物體組成的一個整體。

通常把由大量分子組成的一個研究對象稱為熱力學系統。

狀態參量:我們需要研究系統 的各種性質,包括幾何性質、力學性質、熱學性質、電磁性質,等等。為了描述系統的狀態, 需要用到一些物理量,例如,用體積描述它的幾何性質,用壓強描述力學性質,用溫度描述 熱學性質,等等。這些描述系統狀態的物理量,叫做系統的狀態參量(state parameter)。

平衡態:在沒有外界影響的情況下,只要經過足夠長的時間,系統內各部分的狀態參量不隨時間而改變的狀態。

熱平衡:兩個系統相互接觸而傳熱,它們的狀態參量將改變.但是經過一段時間以後,狀態參量就不再變化,這說明兩個系統對於傳熱來說已經達到了平衡,這種平衡叫熱平衡。

塵埃組成一個系統

熱平衡與溫度

熱平衡定律:如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡,那麼這兩個系統彼此之間也必定處於熱平衡,這個結論稱為 熱平衡 定律 。

熱平衡定律表明,兩個系統處於熱平衡時,它們必定具有某個共同的熱學性質,我們就把表徵這一「共同熱學性質」的物理量叫做 溫度。

溫標與溫度計

溫標:如果要定量地描述溫度,就必須有一套方法, 這套方法就是溫標。

常用的溫標

(1)攝氏溫標

一種日常生活和生產中常用的表示溫度的方法:標準大氣壓下冰的熔點為0 ℃,水的沸點為100 ℃;並據此把玻璃管上0 ℃刻度與100 ℃刻度之間 均勻分成100等份,每份算做1 ℃。用符號t表示,單位為攝氏度(°C)

(2)熱力學溫標

現代科學中常用的表示溫度的方法,熱力學溫標也叫絕對溫標。用符號T表示,單位為開爾文(K)

(3)攝氏溫度與熱力學溫度的關係T=t+273.15K+

舉個例子

例題1:實際應用中,常用到一種雙金屬溫度計.它是利用銅片與鐵片鉚合在一起的雙金屬片的彎曲程度隨溫度變化的原理製成的,如圖7—4—1所示.已知左圖中雙金屬片被加熱時,其彎曲程度會增大,則下列各種相關敘述中正確的有 (     )

A.該溫度計的測溫物質是銅、鐵兩種熱膨脹係數不同的金屬

B.雙金屬溫度計是利用測溫物質熱脹冷縮的性質來工作的

C.由左圖可知,銅的熱膨脹係數大於鐵的熱膨脹係數

D.由右圖可知,其雙金屬徵的內層一定為銅.外層一定為鐵

參考答案:ABC

解析:雙金屬溫度計是利用熱膨脹係數不同的銅、鐵兩種金屬製成的雙金屬片其彎曲程度隨溫度變化的原理來工作的,A、B選項是正確的.圖7- 4一l左圖中.加熱時,雙金屬片彎曲程度增大,即進一步向上彎曲,說明雙金屬片下層熱膨脹係數較大,即銅的熱膨脹係數較大,C選項正確.圖7—4—1右圖中,溫度計示數是順時針方向增大,說明當溫度升高時溫度計指針順時針方向轉動,則其雙金屬片的彎曲程度在增大,故可以推知雙金屬片的內層一定是鐵,外層一定是銅,D選項是錯誤的.

例: 下列狀態中處於平衡態的是 (  )

A.將一金屬塊放在沸水中加熱足夠長的時間

B.冰水混合物處在0 °C環境中

C.突然被壓縮的氣體

D.開空調2分鐘內教室內的氣體

美麗的冰水

參考答案:AB

解析:系統處於平衡態時,其狀態參量穩定不變.金屬塊放在沸水中加熱足夠長的時間,冰水混合物在0 °C環境中,其溫度、壓強、體積都不再變化,是平衡狀態,故A、B對;突然被壓縮的氣體溫度升高,壓強變大,故其不是平衡狀態,C錯;

開空調2分鐘內教室內的氣體溫度、體積均要變化,故其不是平衡狀態,D錯。

本文我們從基礎知識開始說起,弄明白了熱平衡與溫度的關係,我們也明白建立溫標的重要性,而測量溫度需要專業的器材(儀器),不然會很容易弄錯的。

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    而且現在所謂的最高溫度和最低溫度,這兩種溫度都不存在。一種是最高溫度,為普朗克溫度。這種溫度只有在宇宙大爆炸那一剎那,也就是普朗克時間,普朗克空間,發生的普朗克溫度。「K」是熱力學溫標,又叫絕對溫標,全世界所有各種溫標都是以這個為標準換算的。我們中國通行攝氏溫標,攝氏度℃溫標與K對應為,-273.15℃=0 K,0℃=273.15K。在攝氏度0℃以上時,如果以熱力學溫標計數,只要減掉273.15度,就是攝氏度。而在宇宙很高溫度下,比如萬度乃至億度時,這種差別完全可以忽略不計,因為宇宙測得的極高溫度本身也是有誤差的,而且不止幾百度誤差。
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