4.温度和温标

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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)。
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