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第二章　氣體、固體和液體
1　溫度和溫標
[學習目標]　
1.知道系統的狀態參量及平衡態。
2.理解溫度的概念，知道熱平衡定律及其與溫度的關系(重點)。
3.了解溫度計的原理，知道熱力學溫度與攝氏溫度的換算關系(重難點)。
一、狀態參量與平衡態
在力學中，引入了位移、速度等物理量來描述物體的機械運動狀態，為了描述氣體的宏觀狀態應該引入哪些物理量呢？
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1．熱力學系統和外界
(1)熱力學系統：由____________組成的系統叫作熱力學系統，簡稱系統。
(2)外界：系統之外與系統發生__________的其他物體統稱外界。
2．狀態參量：在熱學中，用來描述__________的物理量。常用的狀態參量有體積V、壓強p、溫度T等。
(1)體積V：系統的________參量，它可以確定系統的空間范圍。
(2)壓強p：系統的________參量，它可以描述系統的力學性質。
(3)溫度T：系統的________參量，它可以確定系統的冷熱程度。
3．平衡態：一個熱力學系統，在____________情況下，系統內各部分的狀態參量達到的____________。
一根長鐵絲，一端插入100 ℃的沸水中，另一端放入0 ℃恒溫源中，經過足夠長的時間，溫度隨鐵絲有一定的分布，而且不再隨時間變化，這種狀態是否為平衡態？
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例1　下列說法中正確的是(　　)
A．狀態參量是描述系統狀態的物理量，故當系統的狀態變化時，其各個狀態參量都會改變
B．當系統不受外界影響，且經過足夠長的時間，其內部各部分狀態參量將會達到穩定
C．只有處于平衡態的系統才有狀態參量
D．處于平衡態的熱力學系統，分子的熱運動停止
平衡態的理解
1．熱力學的平衡態是一種動態平衡，組成系統的分子仍在不停地做無規則運動，只是分子運動的平均效果不隨時間變化，表現為系統不受外界的影響，系統所有狀態參量(壓強、體積和溫度)都不隨時間變化。
2．平衡態是一種理想情況，因為任何系統完全不受外界影響是不可能的。
二、熱平衡與溫度
1．熱平衡：兩個相互接觸的熱力學系統，經過一段時間，各自的狀態參量____________，說明兩個系統達到了平衡，這種平衡叫作熱平衡。
2．熱平衡定律：如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統彼此之間也必定處于__________。
3．溫度：熱平衡中，表征“共同的________性質”的物理量。
4．熱平衡的性質：達到熱平衡的系統都具有相同的________。
1．用手心握住體溫計玻璃泡，觀察到體溫計的示數逐漸上升。當上升到36 ℃左右時，為什么不再上升？
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2．當再把體溫計立即放入40 ℃的水中時，你又看到什么現象？為什么？
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例2　關于熱平衡，下列說法不正確的是(　　)
A．系統甲與系統乙達到熱平衡就是它們的溫度達到相同的數值
B．標準狀況下冰水混合物與0 ℃的水未達到熱平衡
C．量體溫時體溫計需要和身體接觸幾分鐘是為了讓體溫計跟身體達到熱平衡
D．冷熱程度相同的兩系統處于熱平衡狀態
決定兩個系統是否達到熱平衡的最主要參量是溫度。因為互為熱平衡的物體具有相同的溫度，所以在比較各物體的溫度時，不需要將各物體直接接觸，只需將溫度計分別與各物體接觸，即可比較溫度的高低，這也是溫度計測溫原理。
例3　(2022·鎮江市高二期末)下列對熱平衡的理解，正確的是(　　)
A．如果兩個系統在某時刻處于熱平衡狀態，則這兩個系統永遠處于熱平衡狀態
B．如果兩個系統彼此接觸而不發生狀態參量的變化，這兩個系統又不受外界影響，那么這兩個系統一定處于熱平衡狀態
C．甲、乙、丙物體溫度不相等，先把甲、乙接觸，最終達到熱平衡，再將丙與乙接觸最終也達到熱平衡，則甲、丙是處于熱平衡的
D．熱平衡時，兩系統的溫度相同，壓強、體積也一定相同
平衡態與熱平衡的區別和聯系
平衡態 熱平衡
區別 研究對象 一個系統 兩個接觸的系統
判斷依據 系統不受外界影響，狀態參量不變 兩個系統的溫度相同　
聯系 處于熱平衡的兩個系統都處于平衡態
三、溫度計與溫標
1．確定一個溫標的方法
(1)選擇一種________物質。
(2)確定測溫物質用以測溫的某種性質。
(3)確定溫度的________和________的方法。
2．熱力學溫度T與攝氏溫度t
(1)攝氏溫標：一種常用的表示溫度的方法。規定標準大氣壓下____________為0 ℃，____________為100 ℃，在0 ℃和100 ℃之間均勻分成________等份，每份算作1 ℃。
(2)熱力學溫標：現代科學中常用的表示溫度的方法。熱力學溫標表示的溫度叫作____________。它是國際單位制中七個基本物理量之一，用符號______表示，單位是________，符號為________。
(3)攝氏溫度與熱力學溫度的關系為T＝______________。
1．如果氣體的溫度是1 ℃，也可以說氣體的溫度是多少K？如果氣體的溫度升高了1 ℃，也可以說氣體的溫度升高了多少K
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2．已知某物理量X與熱力學溫度T成正比，請把這個關系式用等式表示出來。現在用攝氏溫度t來表示溫度，這個關系式又該怎么寫？分別畫出X－T圖像和X－t圖像的草圖。
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例4　關于溫度與溫標，下列說法正確的是(　　)
A．溫度與溫標是一回事，所以熱力學溫標也稱為熱力學溫度
B．攝氏溫度與熱力學溫度都可以取負值
C．攝氏溫度升高3 ℃，在熱力學溫標中溫度升高276.15 K
D．熱力學溫度升高3 K，攝氏溫度升高3 ℃
例5　溫度計是生活、生產中常用的測溫裝置。如圖為一個簡易溫度計，一根裝有一小段有色水柱的細玻璃管穿過橡皮塞插入燒瓶內，封閉一定質量的氣體。當外界溫度發生變化時，水柱位置將上下變化。已知A、D間的測量范圍為20～80 ℃，A、D間刻度均勻分布。由圖可知，A、D及有色水柱下端所示溫度分別為(　　)
A．20 ℃、80 ℃、64 ℃
B．20 ℃、80 ℃、68 ℃
C．80 ℃、20 ℃、32 ℃
D．80 ℃、20 ℃、34 ℃
1　溫度和溫標
[學習目標]　1.知道系統的狀態參量及平衡態。2.理解溫度的概念，知道熱平衡定律及其與溫度的關系(重點)。3.了解溫度計的原理，知道熱力學溫度與攝氏溫度的換算關系(重難點)。
一、狀態參量與平衡態
在力學中，引入了位移、速度等物理量來描述物體的機械運動狀態，為了描述氣體的宏觀狀態應該引入哪些物理量呢？
答案　體積、壓強和溫度
1．熱力學系統和外界
(1)熱力學系統：由大量分子組成的系統叫作熱力學系統，簡稱系統。
(2)外界：系統之外與系統發生相互作用的其他物體統稱外界。
2．狀態參量：在熱學中，用來描述系統狀態的物理量。常用的狀態參量有體積V、壓強p、溫度T等。
(1)體積V：系統的幾何參量，它可以確定系統的空間范圍。
(2)壓強p：系統的力學參量，它可以描述系統的力學性質。
(3)溫度T：系統的熱學參量，它可以確定系統的冷熱程度。
3．平衡態：一個熱力學系統，在沒有外界影響的情況下，系統內各部分的狀態參量達到的穩定狀態。
一根長鐵絲，一端插入100 ℃的沸水中，另一端放入0 ℃恒溫源中，經過足夠長的時間，溫度隨鐵絲有一定的分布，而且不再隨時間變化，這種狀態是否為平衡態？
答案　這種狀態不是平衡態，只是一種穩定狀態，因為存在外在因素的影響。
例1　下列說法中正確的是(　　)
A．狀態參量是描述系統狀態的物理量，故當系統的狀態變化時，其各個狀態參量都會改變
B．當系統不受外界影響，且經過足夠長的時間，其內部各部分狀態參量將會達到穩定
C．只有處于平衡態的系統才有狀態參量
D．處于平衡態的熱力學系統，分子的熱運動停止
答案　B
解析　由于描述系統的各種性質需要不同的物理量，只要其中某個量變化，系統的狀態就會發生變化，不一定各個狀態參量都發生變化，選項A錯誤；系統處于平衡態或非平衡態都存在狀態參量，選項C錯誤；當系統不受外界影響時，系統總要趨于平衡，其內部各部分狀態參量趨于穩定，選項B正確；處于平衡態的熱力學系統，分子仍在不停地做無規則熱運動，D錯誤。
平衡態的理解
1．熱力學的平衡態是一種動態平衡，組成系統的分子仍在不停地做無規則運動，只是分子運動的平均效果不隨時間變化，表現為系統不受外界的影響，系統所有狀態參量(壓強、體積和溫度)都不隨時間變化。
2．平衡態是一種理想情況，因為任何系統完全不受外界影響是不可能的。
二、熱平衡與溫度
1．熱平衡：兩個相互接觸的熱力學系統，經過一段時間，各自的狀態參量不再變化，說明兩個系統達到了平衡，這種平衡叫作熱平衡。
2．熱平衡定律：如果兩個系統分別與第三個系統達到熱平衡，那么這兩個系統彼此之間也必定處于熱平衡。
3．溫度：熱平衡中，表征“共同的熱學性質”的物理量。
4．熱平衡的性質：達到熱平衡的系統都具有相同的溫度。
1．用手心握住體溫計玻璃泡，觀察到體溫計的示數逐漸上升。當上升到36 ℃左右時，為什么不再上升？
答案　因為體溫計與人體溫度相同，即達到了熱平衡。
2．當再把體溫計立即放入40 ℃的水中時，你又看到什么現象？為什么？
答案　體溫計的示數繼續上升，因為體溫計玻璃泡的溫度與水的溫度不相同，沒有達到熱平衡。
例2　關于熱平衡，下列說法不正確的是(　　)
A．系統甲與系統乙達到熱平衡就是它們的溫度達到相同的數值
B．標準狀況下冰水混合物與0 ℃的水未達到熱平衡
C．量體溫時體溫計需要和身體接觸幾分鐘是為了讓體溫計跟身體達到熱平衡
D．冷熱程度相同的兩系統處于熱平衡狀態
答案　B
解析　兩個系統達到熱平衡的標志是它們的溫度相同，或者說它們的冷熱程度相同，A、C、D正確，B錯誤。
決定兩個系統是否達到熱平衡的最主要參量是溫度。因為互為熱平衡的物體具有相同的溫度，所以在比較各物體的溫度時，不需要將各物體直接接觸，只需將溫度計分別與各物體接觸，即可比較溫度的高低，這也是溫度計測溫原理。
例3　(2022·鎮江市高二期末)下列對熱平衡的理解，正確的是(　　)
A．如果兩個系統在某時刻處于熱平衡狀態，則這兩個系統永遠處于熱平衡狀態
B．如果兩個系統彼此接觸而不發生狀態參量的變化，這兩個系統又不受外界影響，那么這兩個系統一定處于熱平衡狀態
C．甲、乙、丙物體溫度不相等，先把甲、乙接觸，最終達到熱平衡，再將丙與乙接觸最終也達到熱平衡，則甲、丙是處于熱平衡的
D．熱平衡時，兩系統的溫度相同，壓強、體積也一定相同
答案　B
解析　處于熱平衡狀態的系統，如果受到外界的影響，狀態參量會隨之變化，溫度也會變化，故A錯誤；由熱平衡的意義可知如果兩個系統彼此接觸而不發生狀態參量的變化，這兩個系統又不受外界影響，那么這兩個系統一定處于熱平衡狀態，故B正確；甲、乙、丙物體溫度不相等，先把甲、乙接觸，最終達到熱平衡，再將丙與乙接觸最終也達到熱平衡，此時乙、丙與甲的溫度不一定相等，所以甲、丙不一定是處于熱平衡的，故C錯誤；根據熱平衡的特點可知，兩個系統達到熱平衡的標志是它們溫度相同，但壓強、體積不一定相同，故D錯誤。
平衡態與熱平衡的區別和聯系
平衡態 熱平衡
區別 研究對象 一個系統 兩個接觸的系統
判斷依據 系統不受外界影響，狀態參量不變 兩個系統的溫度相同　
聯系 處于熱平衡的兩個系統都處于平衡態
三、溫度計與溫標
1．確定一個溫標的方法
(1)選擇一種測溫物質。
(2)確定測溫物質用以測溫的某種性質。
(3)確定溫度的零點和分度的方法。
2．熱力學溫度T與攝氏溫度t
(1)攝氏溫標：一種常用的表示溫度的方法。規定標準大氣壓下冰的熔點為0 ℃，水的沸點為100 ℃，在0 ℃和100 ℃之間均勻分成100等份，每份算作1 ℃。
(2)熱力學溫標：現代科學中常用的表示溫度的方法。熱力學溫標表示的溫度叫作熱力學溫度。它是國際單位制中七個基本物理量之一，用符號T表示，單位是開爾文，符號為K。
(3)攝氏溫度與熱力學溫度的關系為T＝t＋273.15_K。
1．如果氣體的溫度是1 ℃，也可以說氣體的溫度是多少K？如果氣體的溫度升高了1 ℃，也可以說氣體的溫度升高了多少K
答案　274.15 K　1 K
2．已知某物理量X與熱力學溫度T成正比，請把這個關系式用等式表示出來。現在用攝氏溫度t來表示溫度，這個關系式又該怎么寫？分別畫出X－T圖像和X－t圖像的草圖。
答案　X與熱力學溫度T成正比，故X＝kT，又因為T＝t＋273.15 K，故X＝k(t＋273.15) K，圖像如圖所示：
　
例4　關于溫度與溫標，下列說法正確的是(　　)
A．溫度與溫標是一回事，所以熱力學溫標也稱為熱力學溫度
B．攝氏溫度與熱力學溫度都可以取負值
C．攝氏溫度升高3 ℃，在熱力學溫標中溫度升高276.15 K
D．熱力學溫度升高3 K，攝氏溫度升高3 ℃
答案　D
解析　溫標就是按照一定的標準劃分的溫度標志，就像測量物體的長度要用長度標尺一樣，是一種人為的規定，或者叫作一種單位制，分華氏溫標、熱力學溫標、攝氏溫標。而溫度表示的是物體的冷熱程度，所以溫度與溫標不是一回事，A錯誤；熱力學溫度不可以取負值，B錯誤；根據T＝t＋273.15 K，攝氏溫度升高3 ℃，在熱力學溫標中溫度升高3 K，C錯誤，D正確。
例5　溫度計是生活、生產中常用的測溫裝置。如圖為一個簡易溫度計，一根裝有一小段有色水柱的細玻璃管穿過橡皮塞插入燒瓶內，封閉一定質量的氣體。當外界溫度發生變化時，水柱位置將上下變化。已知A、D間的測量范圍為20～80 ℃，A、D間刻度均勻分布。由圖可知，A、D及有色水柱下端所示溫度分別為(　　)
A．20 ℃、80 ℃、64 ℃
B．20 ℃、80 ℃、68 ℃
C．80 ℃、20 ℃、32 ℃
D．80 ℃、20 ℃、34 ℃
答案　C
解析　根據題意可知，溫度越高，水柱上升的高度越高，A點溫度最高，D點溫度最低，故選項A、B錯誤；由于A、D間的刻度均勻分布，故有色水柱下端的溫度為×3 ℃＋20 ℃＝32 ℃，故選項C正確，D錯誤。

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