資源簡介

第14講 熱膨脹 熱效率
14.1 學習提要
14.1.1 溫度及溫度計
溫度
溫度是表示物體冷熱程度的物理量。它的國際單位是開爾文，簡稱開（K）。
2. 溫度計
溫度計是測量溫度的儀表。常用的有水銀溫度計、煤油溫度計和酒精溫度計。
原理：常用溫度計是利用液體熱長冷縮的性質制成的。
溫標：溫度的測量標準。
攝氏溫標的分度法：把一個標準大氣壓下冰、水混合物的溫度規定為零度，記為0℃；一標準大氣壓下沸水的溫度規定為100度，記作100℃；把0℃和100℃分成100等分，每一等分就是1攝氏度。這種分度法還可以擴大到0℃以下和100℃以上。
熱力學溫標是國際單位制中所采用的的溫標，也成為絕對溫標，它的單位是開（K）。熱力學溫標選擇-273.15℃為零點，即0K。熱力學溫標中每1度的大小與攝氏溫標每1度的大小相同。通常在計算結果不要求十分精確時，熱力學溫標和攝氏溫度關系可以寫成
T = 273 + t0
正確使用溫度計的方法：①不能超過溫度計的測量范圍；②溫度計的玻璃泡要與被測物體充分接觸；③不能將溫度計從被測物體中拿出來讀數；④讀數時視線要與溫度內液面相平。
體溫計的特點：①刻度范圍為35~42℃；②最小分度值為0.1℃；③可以離開人體讀數，讀數后要將水銀柱甩回到玻璃泡內。
14.1.2 熱膨脹
1.物體熱膨脹的一般規律
物體在溫度升高時，其體積（或面積、長度）增加的現象叫做熱膨脹。大多數物質在溫度升高時，體積（或面積、長度）增加。在相同條件下，固體膨脹得最小，液體膨脹得較大，氣體膨脹得最大。
反常膨脹規律
少數物質在一定溫度范圍內（例如在0℃~4℃之間）溫度升高時體積反而減小，這種現象叫做反常膨脹現象。水、銻、鉍、灰鑄鐵等都有反常膨脹的現象。
熱膨脹在技術上的意義
固體在溫度改變的時候，膨脹或收縮雖然很小，但當熱膨脹受到阻礙時，產生的力卻很大。
利用不同材料在相同條件下的熱膨脹不同制成雙金屬片，在自動控制上能夠發揮很大的作用。雙金屬片由兩種大小相同而熱膨脹系數不同的金屬片（如鐵片、銅片）鉚在一起做成。由于銅的熱膨脹系數比鐵大，當加熱雙金屬片時，雖然升高的溫度相同，但銅片的伸長量大，于是雙金屬片向鐵片一側彎曲。待冷卻后，雙金屬片又恢復平直。圖14-1所示，雙金屬片在溫度自動控制裝置中的應用，玻璃罩內溫度變化引起雙金屬片彎曲程度的變化，從而達到控制電路通斷的目的。
各種儀器、機器、建筑物通常都是用不同材料組合制成，選擇材料時應考慮各種材料的熱膨脹是否相同。
14.1.3 熱傳遞
1.熱傳遞
熱可以從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分。這種現象叫做熱傳遞。
2.熱傳遞的條件
只要物體之間或同一物體的不同部分存在溫度差就會有熱傳遞發生，并且一直持續到溫度相同時為止。
3.熱傳遞的方式
熱傳遞的方式有傳導、對流和輻射三種，見表14-1.
方式 傳導 對流 輻射
區別 傳熱特點 熱沿物體傳導 靠物質流動傳熱 沿直線傳熱
媒介物質 固體傳熱的主要方式 液體、氣體傳熱的主要方式 不需要媒介物質，可在真空中進行
相同點 必須有溫度差才能進行 熱總是從溫度高的地方傳向溫度低的地方
14.2 難點解釋
溫度和溫標的區別
溫度反應的是物體的冷熱程度。冷的物體溫度低，熱的物體溫度高。由分子運動論可知，物體是由大量分子組成的 ，而大量分子又在永不停息地作無規則運動，這種分子永不停息的無規則運動越激烈，物體的溫蒂就越高。物體分子無規則運動激烈程度是一種客觀存在，所以溫度本身也是一種客觀存在，它是由物體自身的分子無規則運動激烈程度決定的。
要確定物體溫度的高低，就需要進行測量。測量物體溫度高低的儀器叫溫度計。溫度計是由測溫器經標度而成，例如內有一定量汞的兩端封閉的玻璃管就是測溫器，標度后則成溫度計。而對測溫器進行標度，首先要確定溫度的測量標準，即溫標。溫標的確定是人為的，它可以有不同的確定方法。對應于物體某一確定的溫度，在不同溫標中的示數是不同的。由此可見，對應于某一確定的溫度，僅有一個讀數是沒有意義的，只有說明是某種溫標后它的讀書才有意義。例如我們說水的溫度是5度沒有意義，說水的溫度是5攝氏度才有意義，因為它告訴我們，這是指水的溫度用攝氏溫標量度時是5℃。
14.3 例題解析
14.3.1 計算溫度計的示數
例1 有一支沒有刻度的水銀溫度計，當玻璃泡放在冰水混合物中時，水銀柱的長度為4cm，當玻璃泡放在標準大氣壓下的沸水中時，水銀柱的長度為24cm。求：
當室溫為22℃時，水銀柱的長度是多少？
用這支溫度計測某液體溫度時，水銀柱長度為25.4cm，則該液體的溫度是多少？
【點撥】攝氏溫標把冰水混合物的溫度規定為0℃，把標準大氣壓下沸水的溫度規定為100℃，可以利用這一規定再結合題中已知條件，計算出每1℃所對應的水銀柱的長度，或單位長度的水銀柱所對應的溫度，然后解決題中問題。
【解答一】當溫度為0℃時，水銀柱長4cm；當溫度為100℃，水銀柱長24cm，那么每1℃所對應的水銀柱長度為（24-4）cm/（100-0）℃ = 0.2cm/℃
所以溫度為22℃，水銀柱長為L = 4 cm + 0.2cm/℃ * 22℃ = 8.4cm
當水銀柱的長度為25.4cm時，液體溫度t=（25.4-4）cm/0.2 cm/℃ = 107℃
【解答二】先求出單位長度所對應的溫度為（100-0）℃/（24-4）cm = 5℃/cm
所以當溫度為22℃時，水銀柱長度為L=4cm + 22℃/5℃/cm = 8.4cm
當水銀柱的長度為25.4cm時，液體溫度為 t = （25.4-4）cm * 5℃/cm = 107℃。
【答案】8.4cm 107℃
【反思】這是一道典型的跟溫度計示數有關的計算題。其實從攝氏溫標的規定，可以知道水銀溫度計中水銀柱的長度L和所測溫度t之間是一個一次函數的關系：t=aL+b 。同學們可以利用這個式子把例1再做一遍。
14.3.2 解釋熱膨脹現象
例2 把沸騰的水倒入厚玻璃杯內，玻璃杯常會破裂。為什么？
【點撥】解答有關熱現象的問題時，首先必須仔細審題，抓住現象的因果關系；其次，聯系學過的知識，找到所要運用的概念、規律；再次，依據有關知識，說明現象的發生和變化過程；最后要有明確的結論。
【答案】因為玻璃杯厚，且玻璃杯是熱的不良導體，傳熱慢，當沸水倒入杯中時，杯的內外壁受熱不均勻，杯內壁比它的外壁膨脹大得多，這樣杯內壁膨脹受阻產生很大的力造成玻璃杯破裂。
【反思】熱現象是一種常見的生活現象。利用物理知識解釋和說明生活中的問題，不僅可以加深對物理規律的理解，獲得深刻的知識記憶，同時也有益于培養人的一種思考方式和解決實際問題的能力。
14.3.3 熱傳遞的應用
例3 如圖14-2所示的煤油燈，其燈罩的作用是什么？
【點撥】燃燒需要充足的氧氣，加快空氣對流，就增加了新鮮空氣的供應量。
【解析】煤油在燃燒時要釋放出大量的熱量，生成高溫的氣體，如果這些氣體一直包圍在燈焰的周圍，燈焰馬上就會因為缺氧而熄滅。沒有燈罩的煤油燈燃燒時，燈焰周圍的空氣會受熱后膨脹，密度變小而上升，旁邊新鮮空氣過來填補支持燃燒。但此時由于空氣流速較慢，煤油不能得到充足氧氣而燃燒，油燈火焰發紅，油煙也較多。
【答案】在油燈上增加一個燈罩后，加快空氣的對流，保證了新鮮空氣的供應，使煤油完全燃燒，發出明亮的光。
【反思】格局物體的浮沉條件，冷空氣下降，熱空氣上升，即“冷降熱升”是造成空氣循環流動形成對流的重要條件。工廠屋頂上高高的煙囪，其作用猶如燈罩一樣，也是為了加快對流，使燃燒更加充分并加快煙塵廢氣排放的速度。
14.3.4 熱膨脹與物體幾何形狀的關系
例4 一厚度均勻的直角三角形銅板，均勻受熱膨脹后，它保持不變的量是（）
A 銅板的面積 B 銅板各邊中線的長度
C 銅板的密度 D 銅板的三個角
【解析】三角形銅板在均勻受熱膨脹后，它的面積、中線長度和體積均要變大，因此它的密度要減小。而由于均勻受熱，各部分膨脹的比例相同，所以三角形銅板的三個角不會發生變化。
【答案】D
【反思】格局物體的浮沉條件，冷空氣下降，熱空氣上升，即“冷降熱升”是造成空氣循環流動形成對流的重要條件。工廠屋頂上高高的煙囪，其作用猶如燈罩一樣，也是為了加快對流，使燃燒更加充分并加快煙塵廢氣排放的速度。
14.3.5 熱傳遞的應用問題
例5 鋁制水壺的底上，為什么會有幾個凹凸不平的同心圈？
【點撥】從熱傳遞的角度分析。
【解析】有凹凸不平的同心圈壺底比平的壺底表面積要大些。在爐火相同的情況下，壺底面積大能吸收更多的輻射熱。壺底面積大與水接觸面積也要大一些，這又有利于通過傳導的方式把壺底的熱傳給水，使水沸騰的快一些。
【答案】鋁制水壺底部凹凸不平的同心圈能增大壺底輻射受熱的面積，也增大壺底與水的接觸面積，可以加快熱傳遞。同時凹凸不平的凹凸同心圈還有增大機械強度的作用，使鋁壺耐用。
A 卷
1. 攝氏溫標規定，____________的溫度為0℃，____________________沸水的溫度為100℃。人體的正常體溫為___________℃，用熱力學溫標表示是___________K。若某人由于發熱，體溫從正常體溫升高到39℃，在這個過程中體溫升高了__________℃，升高了___________K。
2. 在相同條件下，氣體、液體和固體的熱膨脹情況相比較，熱膨脹現象最顯著的是_________，最不顯著的是________。這里的相同條件指的是_________相同，_________相同。
3. 用鋁和銅制成平直的雙金屬片，把它放在冰箱里冰凍后，發現雙金屬片向鋁片彎曲，這說明_________比_______的熱膨脹程度大，若對該雙金屬片加熱，它將向_______片彎曲。
4. 開鑿山路時，先用火燒巖石，然后在巖石上潑冷水，巖石就會裂開，這說明固體在_____________會產生很大的力。
5. 如圖14-3所示，一塊燒紅的鐵塊放在地面上，鐵塊周圍的物體會逐漸熱起來，請指出A處的空氣、B處的小球、C處的泥土獲得熱的主要方式：A處是_________；B處是___________；C處是________。A處空氣的流動方向是_________；B處空氣的流動方向是__________（選填“向上”、“向下”、“向左”或“向右”）。
6. 0℃的冰與0℃的水相比較，正確的是（ ）
A. 0℃的冰比0℃的水溫度低
B. 0℃的冰比0℃的水溫度一樣高
C. 0℃的冰比0℃的水冷一些
D. 無法比較0℃的冰比0℃的水的冷熱程度
7. 有兩支外形一樣的常用溫度計，玻璃泡內裝有質量相等的染色煤油，溫度計內管直徑不相同，若將這兩支溫度計插入同一杯熱水中，它們的煤油柱上升的幅度及示數是（ ）
A. 內徑小的溫度計液柱上升的幅度大，但兩支溫度計示數相同
B. 內徑小的溫度計液柱上升的幅度大，且示數也大些
C. 內徑大的溫度計液柱上升的幅度大，但兩支溫度計示數相同
D. 兩支溫度計液柱上升的幅度相等，且示數也相同
8. 哈爾濱冬天氣溫降得很低，若某一天氣溫降至—25℃，那么此時湖面上的冰面溫度和冰的下表面與水相接觸處的溫度分別為（ ）
A. -25℃，-25℃ B. 0℃，0℃
C. -25℃，4℃ D. -25℃，0℃
9. 量程相同、最小刻度都是1℃的甲、乙、丙三支酒精溫度計，玻璃泡的容積甲稍大一些，乙和丙相同，丙玻璃管的內徑稍粗一些，甲和乙相同，由此可以判斷相鄰兩條刻度線之間的距離是（ ）
A. 甲最長 B. 乙最長 C. 丙最長 D. 一樣長
10. 下列各種現象中屬于利用熱膨脹的是（ ）
A. 在鋪設鐵軌時，兩根鐵軌的接頭處一般要留有空隙
B. 用電水壺燒水時，冷水不能灌得太滿
C. 癟進去的乒乓球，用開水燙一下又會重新鼓起來
D. 電燈泡焊接在玻璃中的那部分金屬絲跟玻璃的熱膨脹程度相同
11. 冬天，手握鋼筆，有時會有墨水流出，這主要是由于（ ）
A. 墨水受熱膨脹，就流出來了
B. 筆中裝墨水的橡皮管內的空氣受熱膨脹，把墨水擠出來了
C. 筆中裝墨水的橡皮管受熱膨脹，墨水就流出來了
D. 筆尖處的縫隙受熱膨脹，墨水就流出來了
12. 為了把緊塞在鋼瓶口的銅塞拔出，正確的方法是（ ）
A. 對鋼瓶和銅塞同時加熱
B. 單獨加熱銅塞
C. 對鋼瓶和銅塞同時冷卻
D. 單獨冷卻鋼瓶
13. 用材料甲制成的刻度尺去測量用材料乙制成的物體長度，在15℃時，測得的長度為L1，在30℃時，測得的長度為L2，如果兩次測量方法都正確，且L1>L2，則下列說法正確的是（ ）
A. 甲、乙兩種材料膨脹程度不同，且材料乙的膨脹程度大
B. 甲、乙兩種材料膨脹程度不同，且材料甲的膨脹程度大
C. 甲、乙兩種材料膨脹程度相同
D. 以上三種情況都有可能
14. 體積相同的黑白兩球，把它們放在陽光下曬一段時間，人們會感覺黑球比白球熱，這主要是因為黑球（ ）
A. 善于傳導熱 B. 密度較大
C. 保溫作用較好 D. 善于吸收輻射熱
15. 如圖14-4是熱水爐的示意圖，其中a為進水口，b為出水口，c為受熱部位。其中畫得正確的是（ ）
16. 如圖14-5所示，A、B為兩支不同的溫度計，其中A為___________溫度計，B為__________計。由圖14-5可知，這兩支溫度計的測量范圍分別為________、_______；最小分度值分別為____________、______________；這兩支溫度計的不同之處還有________________________。
17. 一個刻度不準確的溫度計，在冰水混合物里顯示的溫度是4℃，在標準大氣壓下沸水中顯示的溫度是96℃，用它插在某溫水中，顯示的讀數恰好準確，試求該溫水的溫度。
18. 讓空的試管的關口斜向下，用酒精燈給試管底部加熱，把手指放在試管口處但不與試管接觸，手指會感覺熱嗎？為什么？若讓試管口斜向上方，重復上述試驗，會發生什么現象？為什么？
19. 為什么保溫瓶中的開水裝得過滿反而不利于保溫？（水的傳熱系數是空氣的4倍）
20. 在建造規模宏大的樓房時，樓體要分段施工，且各段連接處要留有一條窄鋒，并在縫里灌上瀝青，這是什么原因？
B 卷
1. 有一寬度均勻的金屬環，如圖14-5所示，環上有一缺口，將環加熱燒紅后，由于熱膨脹，缺口會____________（選填“變小”“不變”或“變大”）。
2. 冬天用稻草來捆扎幼樹和戶外的自來水管，這是因為稻草是_____
________________，捆扎稻草能有效地防止_________，從而保護幼樹和水管不致受凍。
3. 用濕手迅速將剛熟的饅頭拿出籠而不覺燙手，這是因為手指上的水變成_____________填充在手指與饅頭之間，它們是熱的___________起到了隔熱的作用。
4. 如圖14-7所示為伽利略發明的世界上第一支氣體溫度計，當氣體溫度上升時，玻璃管內的液體將__________。但當大氣壓增大時，會誤認為氣溫___________。（選填“上升”或“下降”）
5. 把沒有刻度的溫度計放在刻度尺旁，溫度計在冰水混合物中時，水銀柱的上表面在玻璃泡上方8mm處，溫度計在1標準大氣壓下的沸水中，水銀柱的上表面在玻璃泡上方208mm處，那么當溫度計的水銀柱高度為100mm時，此時的溫度是_________ ℃。
6. 下列所述現象與對流有關的是（ ）
A. 陽光下的冰雪，撒些草木灰可以加速溶化
B. 電冰箱內壁都漆白色
C. 鍋鏟的柄多用木柄
D. 煙囪可以幫助燃燒
7. 有一支體溫計的示數是38℃，甲同學沒有甩動便給乙同學測體溫，在測量中，體溫計的玻璃泡與乙同學充分接觸一段時間后，體溫計的示數還是38℃，那么乙同學的體溫是（ ）
A. 一定高于38℃
B. 一定等于38℃
C. 可能低于38℃
D. 可能高于38℃
8. 甲尺在-30℃時和乙尺在30℃時的刻度都是準確的，現在用這把尺在0℃的環境中測量同一長度，則兩尺的讀數（ ）
A. 甲偏大，乙偏小
B. 甲偏小，乙偏大
C. 均偏大
D. 均偏小
9. 一個圓環如圖14-8所示，當它均勻受熱后，它的內、外半徑將（ ）
A. 內、外半徑都變大
B. 內、外半徑都變小
C. 內半徑變大，外半徑變小
D. 內半徑變小，外半徑變大
10. 一塊矩形金屬板，在其右上角切掉一個小正方形如圖14-9所示，當金屬板被均勻加熱時可以觀察到下列現象（ ）
A. QR>PQ B. QRC. QR恒等于PQ D. QR：PQ=b：c
11. 有一塊厚薄均勻、圓形的金屬板，從圓心處被剪取一塊，如圖14-10所示，板的厚度為h，半徑為r，缺口的夾角為a，對金屬板均勻加熱的過程中，下列說法正確的是（ ）
A. h、r、a都增加 B. h不變、r增加、a減小
C. a不變，h、r都增加 D. h、r增加，a減小
12. 為了使豎直放置的正方形玻璃管內的水按圖14-11中所示的方向流動，采用冷卻的方法，溫度降低的位置應是（ ）
A. a處 B. b處 C. c處 D. d處
13. 有一支水銀溫度計，水銀柱最長時為40cm，現將溫度計的玻璃泡放入冰水混合物中，水銀柱長4cm；放入標準大氣壓下的沸水中，水銀柱長24cm。則溫度計所能測量的最高溫度是（ ）
A. 180℃ B. 166℃ C. 200℃ D. 176℃
14. 把盛有冷水的鋁壺放到電爐上加熱，則發生熱傳遞三種方式的先后順序應該是（ ）
A. 熱對流、熱輻射、熱傳導
B. 熱傳導、熱對流、熱輻射
C. 熱傳導、熱輻射、熱對流
D. 熱輻射、熱傳導、熱對流
15. 如圖14-12所示，金屬球和金屬環由同種材料制成。室溫環境下，球恰好穿過環，則（ ）
A. 在同意高溫環境下，同時加熱短暫時間后，球不能穿過環
B. 在同意高溫環境下，同時加熱足夠長時間后，球不能穿過環
C. 在同意高溫環境下，同時冷卻短暫時間后，球不能穿過環
D. 在同意高溫環境下，同時冷卻足夠長時間后，球不能穿過環
16. 溫度計插在熱水中，水銀柱會先稍微往下降，然后再上升，這是為什么？
17. 有一支刻度雖然均勻、但實際上并不準確的溫度計。經檢驗得知，當用它測冰水混合物的溫度時，它顯示的讀數是3℃；當用它測1標準氣壓下沸水的溫度時，它顯示的是93℃。若被測的實際溫度用T表示，溫度計顯示的讀數用t表示。
（1）寫出T與t的關系式；
（2）試討論：用這支溫度計測溫度時，是否存在顯示的溫度值與實際的溫度值相一致的可能性？
18. 某同學取兩支沒有刻度的煤油溫度計，他們外形相同，只是溫度計內徑不同，溫度計A內徑細些，溫度計B內徑粗些，該同學進行以下操作：（1）首先把它們放入冰水混合物中，測得兩支溫度計的煤油柱長度都是5cm；（2）然后把它們放入同一杯沸水（1個標準大氣壓）中，測得兩支溫度計的煤油柱長度分別是A為27.5cm、B為15cm；（3）最后把它們放在同一杯溫度為40℃的溫水中，液柱穩定后，兩支溫度計中煤油柱的長度分別為多少厘米？
19. 有一支不準確的溫度計，當放入冰水混合物中時，示數是-0.7℃；當放入1標準氣壓下沸水中時，示數是102.3℃。求：當溫度計示數是-6℃時，實際的溫度是多少
20. 冬季種菜，采用塑料薄膜大棚。試從熱傳遞的利用和防止的角度，說明它的好處。
參考答案：
A 卷
1. 冰水混合物，1標準大氣壓下，37，310，2，2
2. 氣體，固體，升高的溫度，物體的體積
3. 鋁，銅，銅
4. 遇冷收縮受到阻礙時
5. 對流，輻射，傳導，向上，向左
6.B 7.A 8. D 9.A 10.C
11.B 12.C 13.B 14.D 15.D
16. 常用，體溫計，-10℃~100℃，35℃~42℃，1℃，0.1℃，玻璃泡上是否有彎折
17. 50℃
18. 當試管口斜向下時，給試管底部空氣加熱時，把手指放在管口處，即使經過相當長的時間，手指也不會覺得熱，這個現象一方面是因為空氣是熱的不良導體；另一方面是由于試管的底部在上方，雖然這部分空氣受熱膨脹，密度變小，但不會形成對流，即溫度較高的空氣不會流到管口處，若讓管口斜向上方，對試管底部加熱時，由于空氣是熱的不良導體，熱傳導仍不顯著，但空氣受熱膨脹，密度變小，向上流動的現象將不可避免，因此放在管口的手指將覺得很熱
19. 因為水的熱傳系數是空氣的4倍，保溫瓶中熱水裝得過滿，水將軟木塞浸濕，熱量就以水作為媒介傳到瓶外。若在熱水和瓶塞之間保留適當的空氣層，熱量先以對流的方式傳到瓶塞下層，然后以軟木塞作為媒介傳導到瓶外，熱量散發就減慢了很多，保溫效果就好
20. 防止墻體熱脹冷縮受到阻礙時產生破壞而設計的
B 卷
1. 變大
2. 熱的不良導體，熱傳導
3. 水蒸氣，不良導體
4. 下降，下降
5. 46
6. D 7. C 8. B 9. A 10. C
11. C 12. A 13. A 14. D 15. C
16. 玻璃是熱的不良導體，溫度計插入熱水中后，玻璃泡先受熱膨脹，容積變大，使水銀面略有下降。而后水銀受熱膨脹，且水銀膨脹比玻璃大，從而使水銀而再上升
17. T=10（t-3）/9；當顯示值與實際值相同時，T=30℃
18. 14cm，9cm
19. -5.15℃
20. 薄膜透光好，利于接受太陽的輻射；大棚內空氣不易流動，防止棚內外空氣對流散熱；空氣和薄膜是熱的不良導體，防止傳導
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