初中物理竞赛及自主招生专题讲义第六讲热学第一节温度与温标物态变化含解析

1 第六讲 热学 热现象是日常生活中最常见的物理现象之一,冰雪融化、冬雾弥漫、热胀冷缩等,都和热现象有关.热现象即和温度有关的自然现象.本讲将阐述有关温度温标、物态变化以及物质的比热容的相关知识. 第一节 温度与温标 物态变化 一、温度与温标 （一）温度 温度在宏观上是表示物体冷热程度的物理量,例如,开水的温度要比冰水的温度高.温度在微观上表示分子无规则运动的剧烈程度.物质都是由分子构成的,分子又在永不停息地做无规则运动,但是即使是同一物体内的分子,它们做无规则运动的速率也是不尽相同的,有些分子速率大些,有些分子速率小些,所以每个分子无规则运动的动能也不尽相同.温度实际上是分子平均动能的唯一标志,温度越高,分子做无规则运动的平均动能越大. （二）温标 温度的高低仅凭人的感觉来判断是不可靠的,温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标. 测量温度的工具叫温度计,日常生活中常用的温度计是液体温度计,主要构造是玻璃泡、细管、玻璃管以及测温液体（比如水银、酒精和煤油等）.温度计的测量原理是利用液体的热胀冷缩. 如图6.1所示,设温度计的玻璃泡容积为0V,细管粗细均匀,横截面积为s,当温度为0t时测温液体恰好全部在玻璃泡内,当温度为t时测温液体在细管内的高度为h,测温液体的体积膨胀系数为（即温度每升高一个单位,体积增加量为原来的倍）,则温度从0t升高到t时,液体体积增加了00shttV,

解得00httVs,可见,在这种构造的温度计中,细管中的液柱高度h与温度t是一次函数关系,即0Vhts定值.上式亦可写为00sthtV的形式,即不同的液柱高度h对应了不同的温度.这样,我们就可以据此来制定温标,从而精确地测量温度. 1．摄氏温标 摄氏温标是18世纪瑞典天文学家摄尔西斯建立的,摄氏温标的单位是“摄氏度”,符号为“℃”.摄氏温标定义为：在一个标准大气压下,把冰水混合物的温度规定为0℃,把沸水的温度规定为100℃,在0℃和100℃之间等分100份,每一份就是1℃.现在世界上许多国家都是使用摄氏度作为温度的常用单位. 常用的液体温度计,液柱在细管中的高度与温度成一次函数关系.最小分度值相同时,相邻两刻

度线之间的距离越大,代表着该温度计越精确.如前文所述0Vhts.同一种液体（即膨胀系数相 2

同）,玻璃泡容积0V越大,细管的横截面积s越小,温度变化相同时,液柱高度变化越大,温度计对温度的变化越敏感,温度计越精确. 例1 （上海第14届大同杯初赛）量程相同、最小刻度都是1℃的甲、乙、丙三支酒精温度计,玻璃泡的容积甲稍大一些,乙和丙相同,丙玻璃管的内径稍粗一些,甲和乙相同,由此可判断相邻两刻度线之间的距离是（ ）. A．甲最长 B．乙最长 C．丙最长 D．一样长

分析与解 结合0Vhts,变形得0Vhts,取1t℃,于是玻璃泡容积0V越大,细管内径越小（即s越小）,则液柱高度的变化h越大,因此,甲温度计相邻两刻度线之间的距离最长,本题正确选项为A. 例2 （上海第6届初中物理竞赛复赛改编）一只刻度均匀但刻度线位置不准的温度计,把它放在一标准大气压的沸水中,读数是90℃；把它放在冰水混合物中,读数是6℃. （1）用这只温度计去测量某物体的温度,当它的示数为27℃时,该物体的真实温度是（ ） A．21℃ B．25℃ C．26℃ D．29℃ （2）若温度计示数恰与此时真实温度相同,则真实温度为________. （3）该温度计示数与实际温度的关系式为________（写出具体的函数解析式）. 分析与解 （1）画出如图6.2所示的示意图,并将真实温度与温度计示数一一对应标出,由于温

度计刻度均匀,无论示数是否准确,温度的变化量与细管内液柱的长度的变化量的比值th为一恒定

值,而液柱长度的变化量可以用温度计的示数变化来表示,因此有1000906th℃℃℃℃0276t℃℃℃,解得25t℃,选项B正确.

（2）设真实温度为0t时,温度计示数恰好也为0t,则有00010009066ttht℃℃℃℃℃℃,解得37.5t℃.

（3）实际上,温度计示数t与实际温度t是一次函数关系,不妨设tktb,将（100℃,90℃）以及（0℃,6℃）代入,可解得0.846tt,此即为温度计的示数与实际温度的函数解析式. 2．华氏温标 华氏温标由德国物理学家华伦海特建立,符号为“℉”,华氏温标规定：在标准大气压下,冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉,中间有180等份,每一等份为1℉. 与摄氏温标相比,华氏温标的一度要比摄氏温标的一度小,当都精确到整数时,华氏温标比摄氏温标准确.另外,华氏温标的0度比摄氏温标的0度要低,在表达常用温度时,通常可以避免负数的使 3

用.目前世界上只有包括美国在内的少数几个国家在使用华氏温标. 例3 （上海第26届大同杯复赛改编）1724年,华伦海特引入华氏温度.他把一定浓度的盐水凝固时的温度定为零华氏度,把纯水凝固时的温度定为32华氏度,把标准大气压下水沸腾的温度定为212华氏度,中间分为180等份,每一等份代表1华氏度.用符号℉表示华氏温度.根据上述文字,回答以下问题： （1）华氏温度F与摄氏温度t的转换式是什么？ （2）在哪个摄氏温度下,华氏温度恰与摄氏温度数值相同？ 分析与解 （1）显然,摄氏温度与华氏温度是一次函数关系,设tkFb,将（0℃,32℉）和

（100℃,212℉）代入,可得032kb,100212kb,解得516099tF.

（2）令Ft,则516099tt,解得40t℃.即40℃时,华氏温度的数值也恰为40℉. 3．开尔文温标 开尔文温标的命名是为纪念英国物理学家开尔文,又称热力学温标、绝对温标.开尔文温标简称开氏温标,用符号T表示,是国际单位制七个基本物理量之一,单位为开尔文,简称开,符号为“K”. 热力学温度又被称为绝对温度,是热力学和统计物理中的重要参数之一.开尔文温标以绝对零度（0K）为最低温度,规定在一个标准大气压下,水的凝固点的温度为273K,沸水的温度为373K,可见,温度变化1K和变化1℃,变化量是相同的,即Tt,在表示温度差和温度间隔时,用K和用℃的值相同. 热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是K273Tt℃.当摄氏温度273t℃时,绝对温度对应0KT,叫做绝对零度.实际上绝对零度是低温的极限,在这个温度下,分子的无规则运动将停止,绝对零度是无法达到的. 二、物态变化 通常情况下,物质的存在有三种状态：固态、液态和气态.同一种物体,在不同温度时,所处的状态也可能不同.物质从一种状态变为另一种状态的过程,就叫做物态变化. 1．熔化与凝固 熔化是指固体变为液体的过程,要吸热.熔化现象比较常见,例如冰块融化成水.凝固是指液体变为固体,凝固会放热.例如火山喷发出的熔岩凝固成岩石.利用液体凝固放出热量可以起到一定的保温作用,如深秋初冬的晚上向大棚内灌水防冻害. 2．汽化与液化 汽化是指液体变成气体的过程,要吸热.汽化分为两种：蒸发和沸腾.蒸发是发生在液体表面的比较缓慢的汽化现象.沸腾是指在液体达到沸点时,液体内部和表面同时发生的剧烈的汽化的现象. 蒸发现象很常见,抹上酒精的毛玻璃片暴露于空气中变干了、夏天洒在地上的水一会儿就干了、晒在太阳下的湿衣服变干都属于蒸发现象.要使蒸发加快,可以对液体加热、增大液体表面积、加快 4

液体表面空气流动等. 锅中的沸水,随着时间推移,水越来越少,这就是水的沸腾现象,标准大气压下水的沸点为100℃,气压越低,水的沸点越低.同一条件下,不同液体的沸点不同,例如,油的沸点比水高. 液化是指气态变为液态的过程,要放出热量夏天,冰棍周围冒“白气”,就是空气中的水蒸气遇冷液化成小水珠形成的.早晨,草木上会有小水滴（液化）；天冷时,温暖的屋子的窗玻璃内部表面出现的水珠；夏天,从冰箱保鲜室取出的原本表面干燥的玻璃器皿,一会儿,表面便有小水珠出现；自来水管外会挂有水珠；戴眼镜的朋友在吃饭时,经常被“挡住”视线；冬天,人的口中会呼出“白气”；秋天会有雾形成；烧开水时,容器盖子上方周围出现的“白气”等,都是液化现象. 3．升华与凝华 升华是指固体不经过液态,直接变为气态的过程,要吸热.白炽灯的灯丝（钨丝）变细、冬天冰冻的衣服变干、干冰（固态二氧化碳）变成气体、樟脑丸变小等,都是升华现象. 凝华是指气体不经过液态,直接变为固态的过程,要放热.例如,水蒸气变为雪花、水蒸气变为箱、冬天的雾凇景观、冬天窗子内的冰花、碘蒸气遇冷直接变成固态碘、用久的灯泡内壁变黑（钨在灯丝处升华,在灯泡壁凝华）舞台用干冰制作的“烟雾”的“烟”（干冰升华吸热,导致温度变低,空气中水蒸气直接凝华为固态的小冰晶）等,这些都是凝华现象. 上述的六种物态变化以及吸热、放热情况,可以用图6.3表示如下.

地球上最常见的液体是水,水在不同温度下以不同的形态存在.诸如固态,冰、冰雹是凝固形成的,霜、雾凇和雪是凝华形成的,液态的露珠、雾、雨滴是液化形成的,冬天哈出的“白气”也是液化而成的.气态的水指的是水蒸气,注意水蒸气不可见,可见的是水珠,哈出的“白气”实际上是极其微小的水珠. 例4 （上海第29届大同杯初赛）有的工厂的烟囱里会冒出“白烟”,主要原因是（ ）. A．排出的气体中含有2CO气体遇冷凝结,形成“白烟” B．排出的热气体与空气中的水滴混合,形成“白烟” C．排出的气体中含有大量的CO,2CO等混合气体,形成“白烟” D．排出的气体中含有水蒸气遇冷凝结成小水滴,形成“白烟” 分析与解 工厂烟囱冒出的气体中,含有大量的高温水蒸气,水蒸气是无色的,我们看不到.但高温水蒸气在空气中遇冷,会液化成小水滴,形成“白烟”.这里的白烟其实不是固体小颗粒,而是极其微小的大量液珠聚在一起形成的.选项D正确. 例5 （上海第26届大同杯初赛）室内温度为20℃,此时用蘸有少量酒精的棉花涂抹一下温度