4.温度和温标

华氏温标
1714年,荷兰华伦海特(G·D·Fahrenheit)最初 所制的水银温度计是在北爱尔兰最冷的某个冬日， 水银柱降到最低的高度定为零度；把他妻子的体 温定为100度，然后再把这段区间的长度均分为 100份，每一份叫1度。这就是最初的华氏温标。 显然，认定气温和人的体温作为测温质的标准点 并在此基础上分度是不妥当的。健康人的体温在 一天之中经常波动，而且他妻子如果感冒发烧了 怎么办？
摄氏温标
摄氏温标是瑞典人摄尔修斯（A.Celsius， 1701—1744）在1742年首先提出的一种经验温标， 过去曾被广泛使用。摄氏温标以水沸点 （101?325Pa压力下水和水蒸气之间的平衡温度） 为100度和冰点（101?325Pa压力下冰和被空气饱 和的水之间的平衡温度）为0度作为温标的两个 固定点。摄氏温标采用玻璃汞温度计作为内插仪 器，假定温度和汞柱的高度成正比，即把水沸点 与冰点之间的汞柱的高度差等分为100格，1格对 应于1度。
一个物理学系统，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 状态参量会达到稳定．
热学系统所处的平衡态往往是一种动态的 平衡，这种动态平衡性质充分说明热运动是物 质运动的一种特殊形式。
平 例1．在热学中，要描述一定气体的宏观 衡 状态，需要确定下列哪些物理量( BCD ) 态 A．每个气体分子的运动速率 B．压强 和 D．温度 状 C．体积 态 参 解析：描述系统的宏观状态，其参量是宏 量 观量，每个气体分子的运动速率是微观量，不 是气体的宏观状态参量．气体的压强、体积、 温度分别是从力学、几何、热学三个角度对气 体的性质进行的宏观描述，是确定气体宏观状 态的三个状态参量．显然B、C、D选项正确．
复习巩固
1、分子间的作用力有什么特点?
分子间同时存在着引力和斥力，都随分子间距离 r的增大而减小，随r的减小而增大，但斥力比引 力变化的快 2、分子间作用力与分子距离有什么样的关系?
7.4、温度和温标
温 阅读课文,回答以下问题: 度 和 1、什么是系统和状态参量? 温 标 2、什么是平衡态? 3、什么是热平衡和热平衡定律? 4、温度和温标是如何定义的? 5、如何确定温标?
2、状态参量 ： 描述物质系统状态的宏观物 理量叫做状态参量．
物理学中，需要研究系统的各种性质，包 括几何性质、力学性质、热学性质、电磁性质 等等．为了描述系统的状态。需要用到一些物 理量，例如：用体积描述它的几何性质，用压 强描述力学性质．用温度描述热学性质等等
平 衡 态 和 状 态 参 量
3、平衡态：系统所有宏观性质不随时间变化 时状态称之为平衡态．
平 衡 1、系统：物理学中，把所研究的对象称为系统． 态 和 状 态 系统以外的周围物体称之为外界或环境， 参 系统与外界之间往往存在相互的作用．在物理 量 学研究中，对系统内部问题，往往采取“隔离” 分析方法，对系统与外界的相互作用问题，往 往采取“整体”分析的方法．
平 衡 态 和 状 态 参 量
温 度 计 和 温 标
1、温标：定量描述温度的方法叫做温标
温标的建立包含三个要素：
①选择温度计中用于测量温度的物质，即测 温物质； ②对测温物质的测温属性随温度变化规律的 定量关系作出某种规定；
③确定固定点即温度的零点和分度方法．
温 度 计 和 温 标
2、热力学温度． (1)定义：热力学温标表示的温度叫做热力学温 度，它是国际单位制中七个基本物理量之一。 (2)符号: T， (3)单位开尔文，简称开，符号为K． (4) 热力学温标与热力学温度T的关系： T＝t+273.15 K
热 2、热平衡定律(又叫热力学第零定律)： 平 如果两个系统分别与第三个系统达到热平 衡 衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平 与 温 衡，这个结论称为热平衡定律。 度
3、温度 两个系统处于热平衡时，它们具有一个 “共同性质”。我们就把表征这一“共同性质” 的物理量定义为温度。
热 温度是决定一个系统与另一个系统是否达到 平 衡 热平衡状态的物理量，它的特征就是“一切达 与 到热平衡的系统都具有相同的温度”这就是常 温 用温度计能够用来测量温度的基本原理． 度 若温度计跟物体A处于热平衡，它同时也跟 物体B处于热平衡，根据热平衡定律，A的温度 便与B的温度相等.
1954年第10届国际计量大会（CGPM）决定采用水 三相点一个固定点来定义温度的单位，冰点已不 再是温标的定义固定点了。1967年第13届国际计 量大会决议定义：温度单位开尔文是水三相点热 力学温度的1/273.16。1988年第18届国际计量大 会及第77届国际计量委员会（CIPM）决议，自 1990年始采用“1990年国际温标（简称ITS90）”。ITS-90定义的温度单位更精确，更容易 复现。我国自1994年始全面采用这一标准。
温度的单位有了新的、更加精确和科学的定义以 后，考虑到人们长期以来的使用习惯，仍然保留 摄氏温度这一名词，但它有了新的意义。某一热 状态的摄氏温度，就是用它与一特定的热状态 （比水三相点温度低0.01?K的热状态，即0摄氏度） 之间的温度差所表示的温度。这个温度差要用开 尔文温度来表示。它的单位称为摄氏度，符号为 ℃。因此，摄氏温度是从开尔文温度导出的，是 以0摄氏度作为计算起点的温度。摄氏温度和开尔 文温度相差一个常数，彼此可以互相换算：t/℃ ＝T/K－273.15。由此，摄氏温度有了新的定义。 在数值上，它与过去人们习惯使用的摄氏温标温 度很相近，但不相等，与摄氏温标的原定义无关。
华氏温标在欧美使用非常普遍，摄氏 温标在亚洲使用较多，科学研究中多使用 绝对温标。
解析：双金属温度计是利用热膨胀系数不同的 铜、铁两种金属制成的双金属片其弯曲程度随温 度变化的原理来工作的，A、B选项是正确 的．图7－ 4一l左图中．加热时，双金属片弯曲 程度增大，即进一步向上弯曲，说明双金属片下 层热膨胀系数较大，即铜的热膨胀系数较大，C 选项正确．图7—4—1右图中，温度计示数是顺 时针方向增大，说明当温度升高时温度计指针顺 时针方向转动，则其双金属片的弯曲程度在增大， 故可以推知双金属片的内层一定是铁，外层一定 是铜，D选项是错误的．
温 度 计 和 温 标
(5)说明
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①摄氏温标的单位“℃”是温度的常用单位， 但不是国际制单位，温度的国际制单位是开尔 文，符号为K．在今后各种相关热力学计算中， 一定要牢记将温度单位转换为热力学温度即开 尔文； ②由T＝t+273.15 K可知，物体温度变化l℃ 与变化l K的变化量是等同的，但物体所处状态 为l℃与l K是相隔甚远的； ③一般情况下， T＝t+273 K
系统达到热平衡的宏观标志就是温度相同， 若温度不同即系统处于非平衡态，则系统一定 存在着热交换。
热 例2、一金属棒的一端与0℃冰接触，另一 平端与100℃水接触，并且保持两端冰、水的温度 衡 不变．问当经过充分长时间后，金属棒所处的状 与 温态是否为热平衡态?为什么? 度 解析：因金属棒一端与0℃冰接触，另一端与 100℃水接触，并且保持两端冰、水的温度不变 时，金属棒两端温度始终不相同，虽然金属棒内 部温度分布处于一种从低到高逐渐升高稳定状态， 但其内部总存在着沿一定方向的能量交换，所以 金属棒所处的状态不是平衡态． 答案：否，因金属棒各部分温度不相同，存 在能量交换．
热 平 衡 与 温 度
1、热平衡：两个系统之间没有隔热材料，它们 相互接触，或者通过导热性能很好的材料接触， 这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改 变．最后，两个系统的状态参量不再变化，说 明两个系统已经具有了某个“共同性质”，此 时我们说两个系统达到了热平衡．
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．
随 例3实际应用中，常用到一种双金属温度计．它是利 堂 用铜片与铁片铆合在一起的双金属片的弯曲程度随温度 练 变化的原理制成的，如图7—4—1所示．已知左图中双 习 金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关 叙述中正确的有 ( ABC )
双金属温度计 图7－4－1
A．该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属 B．双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的 C．由左图可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数 D．由右图可知，其双金属征的内层一定为铜．外层一定为铁
后来，华伦海特改进了他创立的温标，把冰、水、 氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度，以 0°F表示之，把冰的熔点定为32°F，把水的沸 点定为212°F，在32→212的间隔内均分180等分， 这样，参考点就有了较为准确的客观依据。这就 是现在仍在许多国家使用的华氏温标，华氏温标 确定之后，就有了华氏温度(指示数)。