1、7.4 7.4 温度和温标温度和温标研究物理问题研究物理问题研究对象研究对象一个物体一个物体多个物体多个物体系统系统研究的问题不同研究的问题不同选取的选取的系统系统常不同常不同热学研热学研究对象究对象系统以外的其他物体称为系统以外的其他物体称为外界外界或或环境环境热力学热力学系系 统统如气体、液体、如气体、液体、固体等固体等大量分子组大量分子组成的物体或成的物体或物体系统物体系统一、热学系统的状态参量与平衡状态一、热学系统的状态参量与平衡状态1 1、热学系统和外界的概念、热学系统和外界的概念例：用酒精灯加热容器中的气体，研究相应的问题例：用酒精灯加热容器中的气体，研究相应的问题系统系统：容器中
2、的气体容器中的气体外界外界：酒精灯、容器、酒精灯、容器、容器周围容器周围气体气体在热学中，为了确定热力学系统所处的热学状态，也需在热学中，为了确定热力学系统所处的热学状态，也需要引入一些物理量要引入一些物理量系统所占空间：系统所占空间：系统的体积系统的体积V V系统与外界或内部之间的力的作用：系统与外界或内部之间的力的作用：系统的系统的压强压强P P热学的冷热程度：热学的冷热程度：系统的系统的温度温度T T。状态参量：状态参量：例：某氧气瓶容积为例：某氧气瓶容积为100L100L，其内氧气在温度为其内氧气在温度为2020o oC C时时 的气压为的气压为5atm5atm。描描述述一一定质定质量
3、系量系统状态的物理量统状态的物理量如：一辆汽车经过二中门口时的速度为如：一辆汽车经过二中门口时的速度为10m/s10m/s，加速度为，加速度为1m/s1m/s2 2。在机械运动中引入速度、位置坐标确定物体的机械运动状态在机械运动中引入速度、位置坐标确定物体的机械运动状态2 2、热学系统的状态参量、热学系统的状态参量：对于一个对于一个封闭封闭系统系统(没有外界影响），在经过相当长没有外界影响），在经过相当长的时间后，系统整体的宏观性质将的时间后，系统整体的宏观性质将不随时间而变化不随时间而变化、且且具有确定的状态具有确定的状态平衡状态，简称平衡态。平衡状态，简称平衡态。特点：特点：系统的系统的所
4、有性质所有性质都都不不随时间随时间变化变化0oC2atm5atm60oC绝热绝热3 3、系统内的、系统内的平衡状态平衡状态 冷空气冷空气注意：注意：平衡态是一种平衡态是一种理想理想情况，因为任何系统完全不受外界情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。影响是不可能的。类似于化学平衡，热力学系统达到的平衡态也是一种类似于化学平衡，热力学系统达到的平衡态也是一种动态平衡动态平衡。系统内部系统内部没有物质流动和能量流动。没有物质流动和能量流动。处于处于平衡态平衡态的系统各处的系统各处温度温度相等，相等，但温度各处相等的但温度各处相等的系统未必处于平衡态。系统未必处于平衡态。在有外界作用在有外界作
5、用时，系统中各时，系统中各部分也可能达部分也可能达到到稳定状态稳定状态，但并非为平衡但并非为平衡态。平衡态对态。平衡态对应的是无外界应的是无外界影响下的状态。影响下的状态。由于分子做无规则的热运动，在这样的条件下达由于分子做无规则的热运动，在这样的条件下达到的平衡整体平衡局部不平衡，且达到的平衡态到的平衡整体平衡局部不平衡，且达到的平衡态具有一定的不稳定性，存在一定的起伏。这样的具有一定的不稳定性，存在一定的起伏。这样的平衡称为动态平衡。平衡称为动态平衡。热水热水热水热水 温空气温空气热水热水温水温水非平衡态非平衡态平衡态平衡态10OC200OC绝热绝热热平衡热平衡具有一种相同具有一种相同的热
6、学性质的热学性质温度温度二、物体间的二、物体间的热平衡热平衡与温度与温度特特征征温度相等温度相等1 1、热平衡：两个相互接触的热力学系统，最后系统的、热平衡：两个相互接触的热力学系统，最后系统的状态参量都不再发生改变，这时两个系统具有状态参量都不再发生改变，这时两个系统具有“共同的共同的的热学性质的热学性质”，我们称之为两个系统达到了，我们称之为两个系统达到了热平衡热平衡“平衡态平衡态”是指一个系统的状态；是指一个系统的状态；“热平衡热平衡”是指两个系统之间的关系。是指两个系统之间的关系。不要将它们混淆不要将它们混淆k10oC5atm50oC6atm绝热绝热力学平衡力学平衡具有一种相同具有一种
7、相同的的力学力学性质性质压强压强+-静电平衡静电平衡具有一种相同具有一种相同的的电学电学性质性质电势电势10OC200OC绝热绝热热平衡热平衡具有一种相同具有一种相同的的热学热学性质性质温度温度系统间的相互作用的比较系统间的相互作用的比较A AB BA AB B若两个系统接触后，它们的热学若两个系统接触后，它们的热学状态不发生变化。状态不发生变化。说明两个系统原来就已经处于说明两个系统原来就已经处于相同的热平衡状态相同的热平衡状态。（特征：。（特征：具有相等的具有相等的温度温度）A AC CB BC CA AB B实验表明：若两个系统分别与第三实验表明：若两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那
8、么这两个系个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。统彼此之间也必定处于热平衡。此结论称之为此结论称之为：热平衡定律热平衡定律2 2、热平衡定律、热平衡定律(热力学第零定律热力学第零定律)3 3、温度：系统处于热平衡具有的、温度：系统处于热平衡具有的“共同热学性质共同热学性质”叫做叫做温度温度温度计就是根据温度计就是根据热平衡定律热平衡定律的原的原理测量理测量物体的温度的物体的温度的三、温度计与温标三、温度计与温标1 1、温标、温标温度的数值表示法温度的数值表示法建立一种温标的建立一种温标的三要素三要素：选择某种物质（叫做选择某种物质（叫做测温物质测温物质）的某一随温度变化）的
9、某一随温度变化的属性（叫做的属性（叫做测温属性测温属性）来标志温度；）来标志温度；选定固定点（规定零点）；选定固定点（规定零点）；对测温属性随温度的变化关系作出规定（即规定分对测温属性随温度的变化关系作出规定（即规定分度的方法）。度的方法）。水银的热膨胀水银的热膨胀金属电阻随温度变化金属电阻随温度变化气体压强随温度变化气体压强随温度变化不同导体因温差产生电动势的大小不同导体因温差产生电动势的大小2 2、摄氏温标和热力学温标所表示的温度：、摄氏温标和热力学温标所表示的温度：标准大气压下冰的熔点为标准大气压下冰的熔点为0 0o oC C标准大气压下水的沸点为标准大气压下水的沸点为100100o o
10、C C，在在0 0o oC C与与100100o oC C之间等分成之间等分成100100等份，每份算做等份，每份算做1 1o oC C现代科学中用的更多的是热力学温标：现代科学中用的更多的是热力学温标：热力学温度是国际单位制中七个热力学温度是国际单位制中七个基本物理量基本物理量之一，之一，3 3）开氏温度）开氏温度T T与摄氏温度与摄氏温度t t的关系是的关系是：T T=t t273.15TtK 用摄氏温标表示的温度用摄氏温标表示的温度 叫摄氏温度叫摄氏温度t t2)2)用热力学温标表示的温度叫做热力学温度用热力学温标表示的温度叫做热力学温度T T热力学温度的零度（热力学温度的零度（0 K)
11、0 K)在摄氏温度的在摄氏温度的273.15 C处11KC而 个开尔文 与 个摄氏度一样大用符号用符号T T表示，单位是表示，单位是开尔文开尔文，简称，简称开开，符号为，符号为K K。1)1)摄氏温标的确定摄氏温标的确定注意注意:摄氏温标的单位摄氏温标的单位“”是温度的常用单位，但不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，一定要牢记在今后各种相关热力学计算中，一定要牢记将温度将温度单位转换为热力学温度即开尔文单位转换为热力学温度即开尔文；由由Tt+273.15 K可知，可知，物体物体温度变化
12、温度变化1与变化与变化1K的变化量是等同的的变化量是等同的，但物体所但物体所处状态为处状态为1与与1 K是相隔甚远的是相隔甚远的；例题例题：1 1、两个物体放在一起彼此接触，它们若不发生热传两个物体放在一起彼此接触，它们若不发生热传递，其原因是递，其原因是 ()()A A它们的能量相同它们的能量相同 B B它们的比热相同它们的比热相同C C它们的热量相同它们的热量相同D D它们的温度相同它们的温度相同D2 2、下列关于热力学温度的说法中，正确的是、下列关于热力学温度的说法中，正确的是()()A A热力学温度的零点是热力学温度的零点是273273.15 15 B B-136-1360 0C C比
13、比136K136K温度高温度高 C C0 0o oC C等于等于273.15K 273.15K D D11就是就是1K1K E E升高升高1 1o oC C就是升高就是升高274K274KABC273.15=(136273.15)137.15TtKKK 3 3、在、在2525左右的室内，将一只温度计从酒精中拿左右的室内，将一只温度计从酒精中拿出，观察它的示数变化情况是（出，观察它的示数变化情况是（）A A温度计示数上升温度计示数上升B B温度计示数下降温度计示数下降C C温度计示数不变温度计示数不变D D示数先下降后上升示数先下降后上升D4、实际应用中，常用到一种双金属温度计它是利用铜片、实际
14、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，如图所示已知左制成的，如图所示已知左图中双金属片被加热时，其弯图中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关曲程度会增大，则下列各种相关叙述中正确的有叙述中正确的有 ()A 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 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 C由左图可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数由左图可知
15、，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数D D由右图可知，其双金属征的内层一定为铜外层一定为由右图可知，其双金属征的内层一定为铜外层一定为铁铁ABC 固固解析：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，金属片其弯曲程度随温度变化的原理来工作的，A A、B B选项是正确的图选项是正确的图7 7 4 4一一l 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，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，说明双金属片下层
16、热膨胀系数较大，即铜的热膨胀系数较大，C C选项正选项正确图确图741741右图中，温度计示数是顺时针方向增大，右图中，温度计示数是顺时针方向增大，说明当温度升高说明当温度升高时温度计指针顺时针方向转动，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，以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定是铜，D D选项是错误的选项是错误的 5 5、一支玻璃管一端与一个鸡蛋大、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在水槽中，并使玻璃管内吸入一段水柱
17、。当气温变化时，玻璃泡段水柱。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据管内水柱高度的变化就可测出相应的温度。相应的温度。说明说明“伽利略温度计伽利略温度计”的测温的测温物质和测温属性。物质和测温属性。“伽利略温度计伽利略温度计”的测温物质的测温物质玻璃玻璃泡中的气体。它利用了温度升高时泡中的气体。它利用了温度升高时气体的体积增大，温度降低时，体气体的体积增大，温度降低时，体积减小的积减小的测温属性。测温属性。6、一金属棒的一端与、一金属棒的一端与0冰接触，另一端与冰接触，另
18、一端与100水接触，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后，金属棒所处的状态是否为热平衡态?为什么为什么?答案：否，因金属棒各部分温度不相同，存在能量交换答案：否，因金属棒各部分温度不相同，存在能量交换金属棒金属棒0度度恒温恒温100度度恒温恒温平衡态概念：系统内部平衡态概念：系统内部没有物质流动和能量流动。没有物质流动和能量流动。此时金属棒处在此时金属棒处在稳定状态稳定状态摄氏、华氏温度对照表摄氏、华氏温度对照表摄氏温度与华氏温度的换算式是：5（tF-50）=9(tC-10)式中tF华氏温度，t
19、C摄氏温度摄摄氏氏华华氏氏摄摄氏氏华华氏氏华华氏氏摄摄氏氏华华氏氏摄摄氏氏华华氏氏摄摄氏氏 华华氏氏摄摄氏氏 40104.001050.0011043.338026.675010.0020-6.6739102.20948.2010942.787926.11499.44197.2238100.40846.4010842.227825.66488.89187.783798.60744.6010741.677725.00478.33178.333696.80642.8010641.117624.44467.78168.893595.00541.0010540.567523.89457.2215-9.
20、443493.20439.2010440.007423.33446.671410.003391.40337.4010339.447322.78436.111310.563289.60235.6010238.897222.22425.561211.113187.80+133.8010138.337121.67415.001111.673086.00032.0010037.787021.11404.4410-12.222984.20-130.209937.226920.56393.89912.782882.40228.409836.676820.00383.33813.332780.60326.6
21、09736.116719.44372.78714.442678.80424.809635.566618.89362.22614.442577.00-523.009535.006518.33351.675-15.002475.20621.209434.446417.78341.11415.562373.40719.409333.896317.2233+0.56316.112271.60817.609233.896317.22330.00216.672169.80915.809132.786116.1131-0.56+117.222068.00-1014.009032.226015.5630-1.
22、110-17.781966.201112.208931.115915.00291.67-118.331864.401210.408831.115814.44282.22218.891762.60138.608730.565713.8927.2.78319.441660.80146.808630.005613.89263.33420.001559.00-155.008529.445512.7825-3.89-5-20.561457.20163.208428.895412.22244.44621.111353.40171.408328.335311.67235.00721.671253.6018-
23、0.408227.785211.11225.56822.221151.80-19-2.208127.225110.5621-6.11-9-22.78摄氏、华氏温度对照表摄氏、华氏温度对照表v华氏温标华氏温标v华伦海特华伦海特(GDFahrenheit)最初所制的水银温度计是最初所制的水银温度计是在北爱尔兰最冷的某个冬日，水银柱降到最低的高度定为在北爱尔兰最冷的某个冬日，水银柱降到最低的高度定为零度；把他妻子的体温定为零度；把他妻子的体温定为100度，然后再把这段区间的度，然后再把这段区间的长度均分为长度均分为100份，每一份叫份，每一份叫1度。这就是最初的华氏温标。度。这就是最初的华氏温标。显
24、然，认定气温和人的体温作为测温质的标准点并在此基显然，认定气温和人的体温作为测温质的标准点并在此基础上分度是不妥当的。健康人的体温在一天之中经常波动，础上分度是不妥当的。健康人的体温在一天之中经常波动，而且他妻子如果感冒发烧了怎么办？后来，华伦海特改进而且他妻子如果感冒发烧了怎么办？后来，华伦海特改进了他创立的温标，把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的了他创立的温标，把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度，以熔点定为零度，以0F表示之，把冰的熔点定为表示之，把冰的熔点定为32F，把水的沸点定为把水的沸点定为212F，在，在32212的间隔内均分的间隔内均分180等等分，这样，参考点就有了
25、较为准确的客观依据。这就是现分，这样，参考点就有了较为准确的客观依据。这就是现在仍在许多国家使用的华氏温标在仍在许多国家使用的华氏温标1，华氏温标确定之后，华氏温标确定之后，就有了华氏温度就有了华氏温度(指示数指示数)。v摄氏温标摄氏温标v后来摄耳修司后来摄耳修司(ACelsiua)也用水银作测温质，以冰的熔也用水银作测温质，以冰的熔点为零度点为零度(标以标以0)，以水的沸点为，以水的沸点为100度度(标以标以100)。他认定。他认定水银柱的长度随温度作线性变化，在水银柱的长度随温度作线性变化，在0度和度和100度之间均分成度之间均分成100等份，每一份也就是每一个单位叫等份，每一份也就是每一
26、个单位叫1摄氏度。这种规定办法摄氏度。这种规定办法就叫摄氏温标。就叫摄氏温标。v统一的热力学温标统一的热力学温标v为了结束温标上的混乱局面，开尔文为了结束温标上的混乱局面，开尔文(即即W汤姆逊汤姆逊)这这位热力学第二定律的创始人，最受尊敬的物理学家，创立了一位热力学第二定律的创始人，最受尊敬的物理学家，创立了一种不依赖任何测温质种不依赖任何测温质(当然也就不依赖任何测温质的任何物理性当然也就不依赖任何测温质的任何物理性质质)的绝对真实的绝对温标，也叫开氏温标或热力学温标。的绝对真实的绝对温标，也叫开氏温标或热力学温标。v开氏温标是根据卡诺循环定出来的，以卡诺循环的热量作开氏温标是根据卡诺循环定出来的，以卡诺循环的热量作为测定温度的工具，即热量起着测温质的作用。正因为如此，为测定温度的工具，即热量起着测温质的作用。正因为如此，我们又把开氏温标叫做热力学温标。卡诺循环描绘了理想热机我们又把开氏温标叫做热力学温标。卡诺循环描绘了理想热机的基本图案，具有巨大的理论意义。卡诺循环象迷雾中的灯塔，的基本图案，具有巨大的理论意义。卡诺循环象迷雾中的灯塔，给出了热机效率的上限。给出了热机效率的上限。
