【同步讲义】（人教版2019）高中物理选修第三册--2.1 温度和温标 讲义

2.1温度和温标

基础导学

要点一、 状态参量与平衡态

1．热力学系统和外界

(1)热力学系统：由大量分子组成的研究对象叫作热力学系统，简称系统。

(2)外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称外界。

2．状态参量：用来描述系统状态的物理量，常用的状态参量有体积V、压强p、温度T等。

3．平衡态：在没有外界影响的情况下，系统内各部分的状态参量达到的稳定状态。

要点二、 热平衡与温度

1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，经过一段时间，各自的状态参量不再变化，说明两个系统达到了平衡，这种平衡叫作热平衡。

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．温度：热平衡中，表征“共同的热学性质”的物理量。

4．热平衡的性质：达到热平衡的系统都具有相同的温度。

要点三、 温度计与温标

1．确定一个温标的方法

(1)选择一种测温物质。

(2)了解测温物质用以测温的某种性质。

(3)确定温度的零点和分度的方法。

2．热力学温度T与摄氏温度t

(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法．规定标准大气压下冰的熔点为0 ℃，水的沸点为100 ℃，在0 ℃和100 ℃之间均匀分成100等份，每份算做1 ℃。

(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法．热力学温标表示的温度叫热力学温度。用符号T表示，单位是开尔文，符号为K。

(3)摄氏温度与热力学温度的关系为T＝t＋273.15 K。

要点突破

突破一：平衡态

1．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的状态．

(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，由于涨落，仍可能发生偏离平衡状态的微小变化．

(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．热平衡定律的意义

热平衡定律又叫热力学第零定律，为温度的测量提供了理论依据．因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以比较各物体温度时，不需要将各个物体直接接触，只需将作为标准物体的温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低．

突破一：温度与温标

1．对温度的理解应注意

(1)宏观上，表示物体的冷热程度．

(2)微观上，反映分子热运动的激烈程度．

(3)一切达到热平衡的物体都具有相同的温度．

(4)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，这就是温度计用来测量温度的基本原理．

2．温度计测量原理：一切互为热平衡的系统都具有相同的温度．温度计与待测物体接触，达到热平衡，其温度与待测物体的温度相同．

3．温标

(1)常见的温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标．

(2)温标要素：第一选择某种具有测温属性的测温物质；第二了解测温物质随温度变化的函数关系；第三确定温度零点和分度的方法．

(3)温度的两种数值表示法：摄氏温标和热力学温标

典例精析

题型一：对热平衡的理解

例一．（多选）关于平衡态和热平衡，下列说法中正确的是(　　)

A．只要温度不变且处处相等，系统就一定处于平衡态

B．两个系统在接触时它们的状态不发生变化，这两个系统原来的温度是相同的

C．热平衡就是平衡态            D．处于热平衡的几个系统的温度一定相等

解析：　一般来说，描述系统的状态参量不止一个，根据平衡态的定义可以确定A错．根据热平衡的定义可知B和D是正确的．平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个系统相互影响的最终结果，可见C错．正确选项为B、D.

答案：　BD

【反思总结】平衡状态时各状态参量都保持稳定．热平衡指温度相同，热平衡时，不一定处于平衡态．

变式迁移1：下列有关热平衡的说法正确的是(　　)

A．如果两个系统在某时刻处于热平衡状态，则这两个系统永远处于热平衡状态

B．热平衡定律只能研究三个系统的问题

C．如果两个系统彼此接触而不发生状态参量的变化，且这两个系统又不受外界影响，那么这两个系统一定处于热平衡状态

D．两个处于热平衡状态的系统，温度可以有微小差别

解析：　

答案：　C

题型二：热力学温度与摄氏温度的关系

例二．关于热力学温度下列说法中正确的是(　　)

A．－33 ℃＝240 K

B．温度变化1 ℃，也就是温度变化1 K

C．摄氏温度与热力学温度都可能取负值

D．温度由t ℃升至2t ℃，对应的热力学温度升高了273 K＋t

思路点拨：　热力学温标和摄氏温标是温度的两种不同的表示方法，对同一温度来说，用不同的温标表示数值不同，这是因为它们零值的选取不同，但两种温标表示的温差一定相同．

解析：　由T＝t＋273 K知，A项正确；由ΔT＝Δt知B项正确；摄氏温度可取负值，但热力学温度没有负值，C错；温度由t ℃升高到2t ℃，摄氏温度升高了t，热力学温度也升高了t，D错．答案为A、B.

答案：　AB

【反思总结】解决热力学温度与摄氏温度的关系问题的关键：

(1)T＝t＋273.15 K是解决有关摄氏温度与热力学温度问题的基础．

 (2)温度变化1 ℃与变化1 K是等效的，即ΔT＝Δt，但ΔT≠Δt＋273.15.

(3)绝对零度是低温的极限，永远达不到，只能接近，故热力学温度不能出现负值．

变式迁移2：一个系统的温度由200 K升高到300 K，另一个系统的温度由200 ℃升高到300 ℃，则有关这两个温度及其变化的说法正确的是(　　)

A．它们升高了相同的温度　　　

B．它们升高的温度不同

C．它们后来的温度相同

 D．它们后来的温度不同

解析：　由T＝t＋273.15 K和两种温标下温度的变化特点Δt＝ΔT判断，可知A、D正确．

答案：　AD

强化训练

一、选择题

1、关于温度，下列说法正确的是（　　）

A．摄氏温度升高1℃，对应的热力学温度升高1K

B．温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度便由T升至2T

C．天气预报徐州某日的最高气温是30℃，对应的热力学温度是30K

D．摄氏温度t与热力学温度T的关系为t=T+273

【答案】A

【解析】

AD．摄氏温度t与热力学温度T的关系为

摄氏温度升高1℃，对应的热力学温度升高1K，故A正确，D错误；

B．温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度便由T升至

故B错误；

C．天气预报徐州某日的最高气温是30℃，对应的热力学温度是

故C错误。

故A正确。

2、关于物体的内能、温度和分子的平均动能，下列说法正确的是（　　）

A．温度低的物体分子平均动能一定小 B．温度低的物体内能一定小

C．外界对物体做功时，物体的内能一定增加 D．同一物体，温度高时，含有的热量多

【答案】A

【解析】A．分子的平均动能只与温度有关，A正确。

B．内能等于分子总动能加分子势能，而温度只能决定分子的平均动能，B错误。

C．内能的改变与做功和热传递两个因素有关，C错误。

D．热量是一种传递的能量，不能说物体具有热量，D错误。

故选A。

3、气体初始温度为27℃，升高了20℃。用热力学温标表示，气体初始温度为（    ）

A．27K，升高了20K B．300K，升高了20K

C．27K，升高了293K D．300K，升高了293K

【答案】B

【解析】用热力学温标表示，气体初始温度为

升高了

故ACD错误，B正确。

故选B。

4、新型冠状病毒在世界范围内的肆虐，给人类造成了重大损失。为了减少病毒传播，人们常用乙醇免洗洗手液（主要成分是酒精）洗手消毒，使用免洗洗手液洗手后，手部能够很快变干，下列说法正确的是（　　）

A．手部能够很快变干是酒精分子做布朗运动的结果

B．手部能够很快变干是空气对流的结果

C．洗手液中的酒精由液体变为同温度的气体的过程中，分子平均动能不变

D．洗手液中的酒精由液体变为同温度的气体的过程中，分子势能不变

【答案】C

【解析】AB．手部能够很快变干是酒精分子永不停息做无规则运动的结果，A、B错误；

CD．洗手液中的酒精由液体变为同温度的气体的过程中，分子平均动能不变，分子势能变大，C正确，D错误。

故选C。

5、下列说法不正确的是（　　）

A．热平衡定律是温度计能够用来测量温度的基本原理

B．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．两个系统处于热平衡时，它们一定具有相同的热量

【答案】D

【解析】AB．由热平衡定律可知，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A、B正确；

CD．热平衡的系统都具有相同的状态参量——温度，故D错误，C正确。

本题选不正确的，故选D。

6.气体初始温度为27 ℃,升高了20 ℃。用热力学温标表示,气体初始温度为(　　)

A.300 K,升高了20 K

B.27 K,升高了20 K

C.300 K,升高了293 K

D.27 K,升高了293 K

解析:摄氏温度与热力学温度的关系是T=t+273 K,气体初始温度为27 ℃,气体初始温度用热力学温标表示为T=t+273 K=300 K,温度升高了Δt=20 ℃=20 K,故A正确,B、C、D错误。

7.如图所示,一个细长颈的球形瓶倒插在装有红色液体的槽中,细管中的液面清晰可见,如果不考虑外界大气压的变化,就能根据液面的变化测出温度的变化,则下列说法正确的是(　　)

A.该温度计的测温物质是槽中的液体

B.该温度计的测温物质是细管中的红色液体

C.该温度计的测温物质是球形瓶

D.该温度计的测温物质是球形瓶中的空气

解析:细管中的红色液体是用来显示球形瓶中空气的体积随温度变化情况的,测温物质是球形瓶中封闭的空气,该温度计是利用空气的热胀冷缩的性质制造的,故A、B、C错误,D正确。

8.实验室有一支读数不准确的温度计,在测冰水混合物的温度时,其读数为20 ℃;在测1标准大气压下沸水的温度时,其读数为80 ℃。下面分别是温度计示数为41 ℃时对应的实际温度和实际温度为 60 ℃ 时温度计的示数,其中正确的是(　　)

A.41 ℃,60 ℃ B.21 ℃,40 ℃

C.35 ℃,56 ℃ D.35 ℃,36 ℃

解析:此温度计每一刻度表示的实际温度为 ℃= ℃,当它的示数为41 ℃时,它上升的格数为41-20=21(格),对应的实际温度应为21× ℃=35 ℃;同理,当实际温度为60 ℃时,此温度计应从20开始上升格数为=36(格),它的示数为36 ℃+20 ℃=56 ℃,所以C正确。

9、下列物体中处于热平衡状态的是(　　)

A．冰水混合物处在1 ℃的环境中

B．将一铝块放入沸水中加热足够长的时间

C．冬天刚打开空调的教室内的气体

D．一个装有气体的密闭绝热容器匀速运动，容器突然停止运动时，容器内的气体

解析：　冰水混合物在1 ℃的环境中要吸收热量，温度升高，不是热平衡状态，A错误；当一个系统经足够长的时间，系统内各部分温度相等时，系统就达到了热平衡状态，B正确；冬天刚打开空调的教室内的气体各部分温度不相等，未处于平衡状态，C错误；匀速运动的容器突然停止运动时，机械能转化为气体的内能，容器内的气体分子未达到平衡态，D错误．

答案：　B

10、关于平衡态和热平衡，下列说法中正确的有(      )

A. 只要温度不变且处处相等，系统就一定处于平衡态

B. 两个系统在接触时，它们的状态不发生变化，说明这两个系统原来的温度是相同的

C. 热平衡就是平衡态

D. 处于热平衡的几个系统的压强一定相等

答案：

解析：一般来说，描述系统的状态参量不只一个，根据平衡态的定义知所有状态参量都不随时间变化，系统才处于平衡态，错误；根据热平衡的定义知，处于热平衡的两个系统温度相同，正确，错误；平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个系统相互影响的最终结果，错误。