高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 温度和温标学案

第1节温度和温标

自主学习·必备知识

见学用151页

教材研习

教材原句

要点一平衡态

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①能够达到稳定状态②。这种状态叫作平衡态。

要点二热平衡

如果两个系统相互接触而传热，这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改变③。经过一段时间，各自的状态参量就不再变化了，这说明两个系统达到了平衡④。这种平衡叫作热平衡。

要点三温度

热平衡定律表明，当两个系统、处于热平衡⑤时，它们必定具有某个共同的热学性质，我们就把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度。

自主思考

①只要温度不变，系统就一定处于平衡态，这种说法对吗？

答案：提示不对，当系统内包括温度在内的所有状态参量，即温度、体积和压强都不随时间变化时，系统才处于平衡态。

②处于平衡态的热力学系统达到稳定状态，系统内的分子一定处于静止或匀速直线运动状态吗？

答案：提示热力学的平衡态是一种动态平衡，系统内的分子仍在不停地做无规则热运动。

③用手心握住体温计的玻璃泡，体温计的示数逐渐上升，这是为什么？

答案：提示手心和玻璃泡这两个系统温度不同，相互接触后，系统状态发生改变，直到达到热平衡。

④处于平衡态的两个系统一定会处于热平衡，这种说法对吗？

答案：提示不对，各自处于平衡态的两个系统温度不一定相同，它们接触后各自的状态会发生变化，直到达到热平衡为止。

⑤把一温度计的玻璃泡放入的热水中时，会看到什么现象？经过一段时间后，二者是否达到热平衡状态？

答案：提示因为开始玻璃泡的温度与水的温度不相同，所以会发现温度计的示数上升，经过一段时间后它们的温度相同，达到了热平衡状态。

名师点睛

平衡态与热平衡的理解

（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，直到二者温度相同时，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。

互动探究·关键能力

见学用151页

探究点一状态参量与平衡态

情境探究

1.在力学中，为了确定物体运动的状态，我们使用了物体的位移和速度这两个物理量。在热学中如果我们要研究一箱气体的状态，需要哪些物理量呢？

答案：提示需要体积、压强和温度。

2.如图所示，将鸡蛋放入沸水中加热足够长的时间，鸡蛋处于平衡态吗？

答案：提示鸡蛋放在沸水中加热足够长的时间其状态参量温度、压强、体积都不再变化，是平衡态。

探究归纳

1.热力学系统的状态参量

（1）体积：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围；

（2）压强：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质；

（3）温度：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度。

2.平衡态的特点：系统处于平衡态时,系统的状态参量温度、压强、体积都不随时间变化。

3.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，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。

探究应用

例（多选)下列说法中正确的是(      )

A. 状态参量是描述系统状态的物理量，故当系统的状态变化时，其各个状态参量都会改变

B. 当系统不受外界影响，且经过足够长的时间，其内部各部分状态参量将会达到稳定

C. 只有处于平衡态的系统才有状态参量

D. 两个物体间发生热传递时，它们组成的系统处于非平衡态

答案： ;

解析：由于描述系统的各种性质需要不同的物理量，只要其中某个量变化，系统的状态就会发生变化，不一定是各个状态参量都发生变化，项错误；系统处于平衡态或非平衡态都有状态参量，只是状态参量有无变化，项错误；当系统不受外界影响时，系统总要趋于平衡，其内部各部分状态参量趋于稳定，项正确；两个物体间发生热传递时，两个物体组成的系统内部仍存在温差，故系统处于非平衡态，项正确。

解题感悟

处理平衡态的问题要注意以下三点

（1）平衡态与热平衡不同，平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡。

（2）必须要经过较长一段时间，直到系统内各状态参量都不随时间变化为止。

（3）处于平衡态的系统与外界没有能量的交换。

迁移应用

1.（多选)两个处于热平衡状态的系统，由于受外界影响，状态参量发生了变化，下列关于它们后来是否能处于热平衡状态的说法正确的是(      )

A. 不能

B. 可能

C. 要看它们后来的温度是否相同

D. 取决于其他状态参量是否相同

答案： ;

解析：只要两个系统的温度相同，两个系统就处于热平衡状态，而与其他参量是否相同无关。

2.下列关于系统是否处于平衡态的说法正确的是(      )

A. 开空调内教室内的气体处于平衡态

B. 两个温度不同的物体相互接触，这两个物体组成的系统处于非平衡态

C. 的冰水混合物放入的环境中，冰水混合物处于平衡态

D. 压缩密闭容器中的空气，空气处于平衡态

答案：

解析：开空调内教室内的气体温度要变化，故不处于平衡态，项错误；两物体温度不同，接触后高温物体会向低温物体传热，处于非平衡态，项正确；的冰水混合物放入的环境中，周围环境会向冰水混合物传热，不处于平衡态，项错误；压缩密闭容器中的空气，受到外界影响，系统状态参量变化，不处于平衡态，项错误。

探究点二热平衡与温度

情境探究

1.在一个寒冷的冬天，小明同学在室外拿铁棒和木头时，感觉铁棒明显比木头凉，由于表示物体冷热程度的参量是温度，于是小明得出当时“铁棒比木头温度低”的结论，你认为他的结论对吗？

答案：提示不对。由于铁棒和木头都与周围的环境达到热平衡,故它们的温度是一样的。感觉铁棒比木头凉，是因为人在单位时间内传递给铁棒的热量比传递给木头的热量多,所以他的结论不对。

2.刀剑淬火是制作刀剑的重要过程，如图所示，是刀剑刚入水淬火的瞬间，在这一瞬间，刀剑和水组成的系统是否达到热平衡状态？经过一段时间后，是否达到热平衡状态？达到热平衡状态的标志是什么？

答案：提示淬火瞬间由于刀剑的温度高于水的温度，所以没有达到热平衡状态。当经过一段时间后，它们的温度相等，达到了热平衡状态。达到热平衡状态的标志是温度相等。

探究归纳

1.热平衡

（1）一切达到热平衡的物体（系统）都具有相同的温度。

（2）若物体与达到热平衡，它同时也与达到热平衡，则的温度等于的温度，这就是温度计用来测量温度的基本原理。

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。因为处于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，即可比较各物体温度的高低。

3.温度的理解

（1）宏观上

①温度的物理意义：表示物体冷热程度的物理量。

②与热平衡的关系：各自处于平衡态的两个系统，相互接触时，它们相互之间发生了热量的传递，热量从高温系统传递给低温系统，经过一段时间后两系统温度相同，达到一个新的平衡状态。

（2）微观上

①反映物体内分子热运动的剧烈程度，是大量分子热运动平均动能的标志。

②温度是大量分子热运动的集体表现，是含有统计意义的，对个别分子来说温度是没有意义的。

（3）温度的两种含义

探究应用

例（多选）有甲、乙、丙三个温度不同的物体，将甲和乙接触很长一段时间后分开，再将乙和丙接触很长一段时间后分开（发生了热交换），假设只有在它们相互接触时有热传递，不接触时与外界没有热传递，则(      )

A.甲、乙、丙三个物体都达到了平衡态

B.只有乙、丙达到了平衡态，甲没有达到平衡态

C.乙、丙两物体都和甲达到了热平衡

D.乙、丙两物体达到了热平衡

答案：  ;

解析：甲、乙、丙三个物体与外界没有热传递，所以甲、乙、丙三个物体都达到了平衡态，正确，错误；甲和乙接触一段时间后分开，甲和乙达到了热平衡，但乙和丙接触一段时间后，乙的温度又发生了变化，甲和乙的热平衡被破坏，乙和丙两物体达到了热平衡，项错误，项正确。

解题感悟

判断系统达到热平衡的两个方法

（1）根据两个相接触的系统的状态参量是否发生变化判断。如果状态参量不发生变化，则处于热平衡，若状态参量发生变化则不处于热平衡。

（2）根据两个系统的温度是否相同判断。如果相同，处于热平衡；如果不相同则不处于热平衡。

迁移应用

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，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，温度可以有微小的差别

答案：

解析：处于热平衡状态的系统，如果受到外界的影响，状态参量会随之变化，温度也会变化，故项错误；热平衡定律对多个系统也适用，故项错误；由热平衡的定义可知，项正确；温度相同是热平衡的标志，必须相同，故项错误。

探究点三温度计与温标

情境探究

1.摄氏温标是由瑞典天文学家摄尔修斯提出的。在一标准大气压下，把冰的熔点定为，水的沸点定为，在这两个固定点之间共，均匀分成100等份，每等份代表1摄氏度，用表示，用℃表示的温度叫作摄氏温度，常用表示。摄氏温标的单位为摄氏度。热力学温标由英国科学家威廉·汤姆孙（开尔文）创立，它表示的温度叫热力学温度，常用表示，单位为。

（1）热力学温标与摄氏温标之间的关系是什么？

（2）如果可以粗略地取为绝对零度，在一标准大气压下，冰的熔点是多少摄氏度，为多少开？水的沸点又是多少摄氏度，为多少开?

答案：提示（1）关系式为；

（2）冰的熔点为，为；水的沸点为，即。

探究归纳

1.温度计测温原理

一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。使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。

2.温标

（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）摄氏温标和热力学温标的比较

探究应用

例（多选）下列关于热力学温标与摄氏温标的说法不正确的是(      )

A. 热力学温标与摄氏温标的每一分度的大小是相同的

B. 热力学温标的对应于

C. 温度升高，在热力学温标中温度升高

D. 热力学温标是由摄氏温标导出的

答案： ;

解析：由，得知，，即热力学温标温度的变化总等于摄氏温标温度的变化，项正确；热力学温度与摄氏温度的关系是 ,可知，当时，，项正确；温度升高也就是温度升高了，项错误；摄氏温标由热力学温标导出，项错误。

解题感悟

热力学温度与摄氏温度关系的理解

（1）热力学温度与摄氏温度的关系是，因此对于同一温度来说，用不同的温标表示，数值不同，这是因为零值选取不同。

（2）在热力学温标与摄氏温标中，热力学温度升高（或降低），则摄氏温度也升高（或降低）。

（3）绝对零度是低温的极限,只能接近,永远达不到,故热力学温度不能出现负值,但摄氏温度可以出现负值。

迁移应用

1.（多选）下列有关温标的说法中正确的是(      )

A. 温标不同，测量时得到同一系统的温度数值可能是不同的

B. 不同温标表示的温度数值不同，则说明温度不同

C. 温标的规定都是人为的，没有什么理论依据

D. 热力学温标是从理论上规定的

答案：  ;

解析：不同温标下，同一温度在数值上可能不同，项正确；相同的冷热程度，用不同的温标表示，数值可以是不同的，项错误；热力学温标是从理论上做出的规定，项错误，项正确。