(新)高中物理第七章分子动理论第四节温度和温标课堂探究学案新人教版选修3-31

第四节温度和温标

课堂探究

探究一平衡态与热平衡

问题导引

1．表示系统存在状态的各物理量中只要温度不发生变化就说系统处于平衡态，对吗？为什么？

提示：不对。描述系统存在状态的任一状态参量发生变化，系统都处于非平衡态，温度仅仅是描述系统存在状态的一个物理量，温度不发生变化，但是描述系统状态的其他物理量(如压强、体积等)有可能变化，所以这种说法不对。

2．决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量是什么？它有什么特征？

提示：是温度。它的特征是“一切达到热平衡的系统都具有相同的温度”。

名师精讲

1．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变化，表现为系统的宏观性质不随时间变化，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状态。

(2)平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。系统处于平衡态时，仍可能发生偏离平衡态的微小变化。

(3)两个系统达到热平衡后再把它们分开，如果分开后它们都不受外界影响，再把它们重新接触，它们的状态不会发生新的变化。因此，热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统。因此可以说，只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的。

2．对热平衡的理解

(1)相互接触的两个系统，各自的状态参量将会相互影响而分别改变，最后，两个系统的状态参量将不再变化，我们就说两系统达到了热平衡。

(2)一切达到热平衡的系统都具有相同的温度，所以两个系统达到热平衡的标准是系统具有相同的温度。

(3)如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。

3．平衡态与热平衡概念的区别

(1)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。

(2)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变化，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。

【例题1】下列说法中正确的是( )

A．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量

B．如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么两个系统也必定处于热平衡

C．温度是决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

解析：热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故A项错误，C项正确；由热平衡定律，若物体与A处于热平衡，它同时也与B达到热平衡，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项也正确。

答案：BCD

题后反思(1)温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量。反之，达到热平衡的两个系统一定具有相同的温度。

(2)对于热平衡的理解要从两个层面展开，一是原来两个系统不是热平衡，接触后最终达到热平衡；一是原来两个系统已经处于热平衡，再接触，两个系统不发生变化。初学者往往认为只有两个系统接触时才会有热平衡。实际上接触只是可以“检验”两个系统是否处于热平衡而已。

探究二温度计与温标

问题导引

1．温度计能够用来测量温度的基本原理是什么？

提示：热平衡定律。例如，温度计跟物体A处于热平衡，它同时也跟物体B达到热平衡，那么A的温度与B的温度相等。温度计与待测物体达到热平衡时，二者温度相同。

2．将一壶0 ℃的冷水烧开(100 ℃)，用摄氏温标和热力学温标分别表示水始末的温度及温度变化有何不同？

提示：用摄氏温标表示：始t1＝0 ℃，末t2＝100 ℃，温度变化Δt＝100 ℃；用热力学温标表示：始T1＝273.15 K，末T2＝373.15 K，温度变化ΔT＝100 K。

名师精讲

1．“温度”含义的两种说法

(1)温度表示物体的冷热程度，这样的定义带有主观性，因为冷热是由人体的感觉器官比较得到的，往往是不准确的。

(2)温度的严格定义是建立在热平衡定律基础上的。热平衡定律指出，两个物体相互处于热平衡时，存在一个数值相等的态函数，这个态函数就是温度，这样的定义更具有科学性。

2．对温标的理解

(1)温标：如果要定量地描述“温度”，就必须有一套方法，这套方法就是温标。

(2)摄氏温标：

规定标准大气压下冰水混合物的温度为0 ℃，沸水的温度为100 ℃，在0 ℃和100 ℃

之间分成100等份，每一等份就是1 ℃，这种表示温度的方法就是摄氏温标，表示的温度叫作摄氏温度(t)。

(3)热力学温标：

1848年，开尔文建立了热力学温标，它不依赖于测温物体的具体性质。

规定摄氏温度的－273.15 ℃为零值，它的1度也等于摄氏温度的1度，这种表示温度的方法就是开尔文温标，也叫热力学温标。表示的温度叫热力学温度(T)，单位为开尔文，简称开(K)。热力学温标的零度(0 K)是低温的极限，永远达不到。它是国际单位制的七个基本物理量之一。

1960年，国际计量大会确定了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＋273.15 K。

(4)温度的两种数值表示法：摄氏温标和热力学温标。

【例题2】关于热力学温度和摄氏温度，以下说法中正确的是( )

A．热力学温度的单位“K”是国际单位制中的基本单位之一

B．温度升高了1 ℃就是升高了1 K

C．物体的温度由本身决定，数值与所选温标无关

D．0 ℃的温度可用热力学温度粗略地表示为273 K

解析：热力学温度“K”是国际单位制中七个基本物理量之一，其单位称为基本单位，A 对；用摄氏温标与热力学温标表示同一物体的温度数值不同，必有T＝t＋273.15 K，可知C 错，D对；两种温标每一度的含义相同，即1 ℃＝1 K，B对。

答案：ABD

题后反思(1)熟练应用T＝t＋273.15 K是解决有关摄氏温度与热力学温度的基础。

(2)温度变化1 ℃与1 K是相等的，即ΔT＝Δt，ΔT≠Δt＋273.15 K。