物理选择性必修 第三册第二章 气体、固体和液体1 温度和温标学案

第二章气体、固体和液体

第1节温度和温标

【素养目标】

1、知道什么是状态参量，什么是平衡态。

2、知道什么是热平衡，什么是热平衡定律。

3、知道温度的表示方法。

4、知道常见温度计的构造，会使用常见的温度计。

5、理解摄氏温标和热力学温标的转换关系。

【必备知识】

知识点一、平衡态和状态参量

热力学系统：研究某一容器中气体的热学性质，其研究对象是容器中的大量分子组成的系统，这在热学中叫一个热力学系统，简称系统。系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称外界。

(1)状态参量

在热学中，为确定系统的状态，需要用到一些物理量，这些物理量叫系统的状态参量。

(2)平衡态

在没有外界影响的情况下，只要经过足够长的时间，系统内各部分的状态参量能够达到稳定状态。这种状态叫平衡态。

(3)非平衡态

系统宏观性质随时间变化而变化，这种情况下就说系统处于非平衡态。

点睛：平衡态　

①系统各部分的参量并不相同，而且可能正在变化，然而在没有外界影响的情况下，只要经过足够长的时间，系统内的各部分的状态参量会达到稳定，即达到平衡态。

②把不同压强、不同温度的气体混合在同一个容器中，如果容器和外界没有能量的交换，经过一段时间后，容器内各点的温度、压强就会变得一样，即达到平衡态。

知识点二、热平衡与温度

(1)热平衡

如果两个系统相互接触，它们间没有隔热材料，或通过导热性能好的材料接触，这两个系统的状态参量不再变化时，此时的状态叫做热平衡状态，我们说这两个系统达到了热平衡。

(2)  热平衡定律：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)热力学平衡的标志：达到热平衡的系统具有相同的温度

(4)平衡态≠热平衡：平衡态指的是一个系统的状态参量不再改变，热平衡是两个系统达到相同的温度。

知识点三、温度计与温标

(1)温度计——测量温度的工具。

家庭和物理实验室常用温度计是利用水银、酒精、煤油等液体的热胀冷缩来制成的。另外，还有金属电阻温度计、压力表式温度计、热电偶温度计、双金属温度计、半导体热敏电阻温度计、磁温度计、声速温度计、频率温度计等等。

(2)温度计的制作原理：利用测量物体与被测物体的热平衡。

①水银温度计是根据水银热胀冷缩的性质来测量物体温度的；

②金属电阻温度计是根据金属的电阻随温度的变化来测量温度的；

③气体温度计是根据气体压强与温度的关系来测量温度的；

④热电偶温度计是根据不同导体因温度差产生的电动势大小来测量温度的。

(3)温标

热温度的数值表示法叫做温标。

摄氏温标t：单位℃。在一个标准大气压下，水的凝固点为0 ℃，沸点为100 ℃，之间分成100等份，每份就是1 ℃。用摄氏温标表示的温度叫做摄氏温度；

热力学温标T：单位K，把－273.15 ℃作为0 K，温度变化1 K即变化1 ℃，在国际单位制中，常采用热力学温标表示的温度，叫热力学温度。

【名师指导】热平衡法测物体的温度

平衡态和热平衡属于热学中的基本概念，温度是判断是否达到热平衡的依据，一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。

若两个系统只发生热交换而未发生其他变化，热总是由高温系统流向低温系统。当二者的温度相等时即达热平衡。

两物体热平衡或两个热力学系统热平衡，意义为：

(1)热平衡时两系统温度相等；

(2)热平衡只是宏观的平衡概念，ΔQ＝0；但是，微观上仍然有热交流；

(3)热平衡是状态量，不涉及过程的建立，也不排除微观过程的正在进行。

温度不同的两个或几个系统之间发生热量的传递，直到系统的温度相等。在热量交换过程中，遵从能的转化和守恒定律。从高温物体向低温物体传递的热量，实际上就是内能的转移，高温物体内能的减少量就等于低温物体内能的增加量。

其平衡方程式为：

Q放＝Q吸

此方程只适用于绝热系统内的热交换过程，即无热量的损失；在交换过程中无热和功转变问题；而且在初、末状态都必须达到平衡态。

系统放热，一般是由于温度降低、凝固、液化及燃料燃烧等过程。而吸热则一般是由于温度升高、熔化及汽化过程而引起的。

【课堂检测】

1．如图所示，质量为的内壁光滑的横截面积为S的玻璃管内装有质量为的水银，管外壁与斜面的动摩擦因数为，斜面倾角为30°，当玻璃管与水银共同沿斜面下滑时，求被封闭气体压强为多少？

【答案】

【详解】

以水银柱和玻璃管为研究对象，根据牛顿第二定律得

整理得

以水银柱为研究对象，根据牛顿第二定律得

所以管内气体压强为

2．如图所示的试管内封有一定质量的气体，静止时气柱长为，大气压强为P0，当试管绕竖直轴以角速度在水平面匀速转动时气柱长变为L，其他尺寸如图所示，求转动时的气体压强．（设温度不变，管截面积为S，水银密度为）

【答案】

【详解】

选取水银柱为研究对象，转动所需向心力由液柱两侧气体压力差提供，则

又、

解得：

【素养作业】

1．下列说法中正确的是（　　）

A．两个分子在相互远离的过程中分子势能一定增大

B．1K表示的温度变化大于1°C表示的温度变化

C．温度升高时，速率大的分子占分子总数的比例增大，同时每个分子的速率都增大

D．布朗运动反应了液体分子的无规则运动

【答案】D

【详解】A．在两个分子相互远离的过程中，当体现引力时，一定克服分子力做功，分子势能增大；当体现斥力时，分子力做正功，分子势能减小，故A错误；

B．1K表示的温度变化和1°C表示的温度变化相等，故B错误；

C．温度升高时，速率大的分子占分子总数的比例增大，分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大，故C错误；

D．固体微粒在液体中受到的液体分子撞击力不平衡，从而引起微粒的无规则运动，它反应了液体分子的无规则运动，故D正确；

故选D。

2．两相同容器a、b中装有可视为理想气体的氦气，已知a中氦气的温度高于b中氦气的温度，a中氦气压强低于b中氦气的压强，由此可知（　　）

A．a中氦气分子的平均动能大于b中氦气分子的平均动能

B．a中每个氦分子的动能一定都大于b中每个氦分子的动能

C．a中氦气分子间的距离较小

D．a中氦气的内能一定大于b中氦气的内能

【答案】A

【详解】A．温度是分子平均动能的标志，a中氦气的温度高于b中氦气的温度，则a中氦气分子的平均动能一定大于b中氦气分子的平均动能，A正确；

B．a中氦气分子的平均动能一定大于b中氦气分子的平均动能，由于分子的运动是无规则的，并不是每个分子的动能都大，B错误；

C．a中氦气压强低于b中氦气的压强，a中氦气分子间的距离较大，C错误；

D．a中氦气的内能不一定大于b中氦气的内能，D错误。

故选A。

3．以下说法正确的是（　　）

A．从平衡位置开始增大分子间距离，分子间的引力、斥力均减小但斥力减小的更快

B．相互间达到热平衡的两物体的热量一定相等

C．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的状态参量

D．阿伏加德罗常数为NA，铁的摩尔质量为MA，铁的密度为ρ则1kg铁所含的原子数目是ρNA

【答案】A

【详解】A．从平衡位置开始增大分子间距离，分子间的引力将减小、斥力将减小，斥力减小的更快，A正确；

BC．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的温度而状态参量还包括了压强和体积，BC错误；

D．根据N=NA

可知1kg铁所含原子数为，D错误。

故选A。

4．关于温度下列说法中正确的是（　　）

A．0K即0℃

B．分子运动越剧烈，每个分子的温度越高

C．温度是分子热运动剧烈程度的宏观反映

D．温度越高的物体的内能一定越多

【答案】C

【详解】A．0K是绝对零度，是一切低温的极限，为－273.15，A错误；

B．气体分子的热运动的剧烈程度是由气体温度来决定的，他们存在因果关系，不能说气体分子的热运动越剧烈，气体温度就越高，先发生温度的改变，再发生热运动程度的改变，故B错误；

C．温度是分子热运动剧烈程度的反映，是分子平均动能的标志，即温度是分子热运动剧烈程度的宏观反映，故C正确；

D．温度越高的物体的内能不一定越多，还与质量多少有关，故D错误。

故选C。

5．在过程A到B中，气体压强不断变大下列关于分子动能的说法，正确的是（　　）

A．物体的温度升高，每个分子的动能都增大

B．物体的温度升高，分子的总动能增加

C．如果分子的质量为m，平均速率为v，则其平均动能为mv2

D．分子的平均动能等于物体内所有分子的动能与分子的总数之比

【答案】D

【详解】AB．由图可知，A到B的过程中，气体的温度度不变，所以分子的平均动能不变，分子的总动能也不变，故AB错误；

CD．如果分子的质量为m，平均速率为v，则分子的平均动能等于物体内所有分子的动能与分子的总数之比，而不是为mv2，故C错误，D正确。

故选D

6．很多家庭的玻璃窗都是双层的，两层玻璃间会残留一些密闭的稀薄气体。当阳光照射玻璃窗时，其间的密闭气体（　　）

A．分子平均距离增大 B．每个分子速率均增大

C．密度增大 D．分子平均动能增大

【答案】D

【详解】A．因为是密闭气体，则气体的体积不变，分子平均距离不变，选项A错误；   

B．当光照使得温度升高时，分子平均动能变大，但并非每个分子速率均增大，选项B错误，D正确；

C．因气体质量和体积都不变，则气体的密度不变，选项C错误。

故选D。

7．有甲、乙两种气体，如果甲气体分子的平均速率比乙气体分子的平均速率大，则（　　）

A．甲气体的温度一定高于乙气体的温度

B．甲气体的温度一定低于乙气体的温度

C．甲气体的温度可能高于也可能低于乙气体的温度

D．甲气体中每个分子的运动都比乙气体中每个分子的运动快

【答案】C

【详解】ABC．气体温度是气体分子平均动能的标志，而分子的平均动能不仅与分子的平均速率有关，还与分子的质量有关。本题涉及两种不同的气体（即分子质量不同），它们的分子质量无法比较，因而无法比较两种气体温度的高低，故AB错误，C正确；

D．速率的平均值大，并不一定每个分子速率都大，故D错误。

故选C。

8．如图所示，两端开口的U型管中装有水银，在右管中用水银封闭着一段空气，要使两侧水银面高度差h 增大，应(    )

A．从左管滴入水银

B．从右管滴入水银

C．减小大气压强

D．增大大气压强

【答案】B

【解析】以右侧管中封闭气体做为研究对象，封闭气体的压强P=P0+h=P0+h右，h=h右；

A. 从左侧管口滴入水银，h右不变，封闭气体压强P=P0+h右不变，两侧水银面高度差h不变，故A错误；

B. 从右侧管口滴入水银，h右变大，封闭气体压强P=P0+h右变大，由P=P0+h可知，两侧水银高度差h增大，故B正确；

C. 减小大气压强，根据封闭气体的压强P=P0+h=P0+h右，h=h右，两侧水银高度差h不变，故C错误；

D. 增大大气压强，根据封闭气体的压强P=P0+h=P0+h右，h=h右，两侧水银高度差h不变，故D错误．

故选B.