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1、第 七 章 分 子 動(dòng) 理 論第 四 節(jié) 溫 度 和 溫 標(biāo) 一 、 狀 態(tài) 參 量 與 平 衡態(tài)1、 熱 力 學(xué) 系 統(tǒng) ： 熱 力 學(xué) 研 究 中 的 研 究 對(duì) 象 ， 一 般 由 大 量 分 子 組 成 。系 統(tǒng) 以 外 與 系 統(tǒng) 發(fā) 生 相 互 作 用 的 其 他 物 質(zhì) 統(tǒng) 稱 為 外 界 或 環(huán) 境 為 了 描 述 系統(tǒng) 的 狀 態(tài) 而 用到 的 物 理 量 稱為 系 統(tǒng) 的 狀 態(tài)參 量 。 如 溫 度 、 體積 、 壓 強(qiáng) 等 。 一 個(gè) 物 理 學(xué) 系 統(tǒng) ， 在 沒(méi) 有 外 界 影 響 的 情 況 下 ， 只 要 經(jīng) 過(guò) 足夠 長(zhǎng) 的 時(shí) 間 ， 系 統(tǒng) 內(nèi) 各 部 分

2、 的 狀 態(tài) 參 量 會(huì) 達(dá) 到 穩(wěn) 定 。 冷 空 氣3、 平 衡 態(tài) ： 沒(méi) 有 外 界 影 響 的 情 況 下 ， 系 統(tǒng) 中 各 部 分 的 狀 態(tài) 參 量都 達(dá) 到 穩(wěn) 定 的 狀 態(tài) 。 否 則 就 是 非 平 衡 態(tài) 。 注 意 ： 平 衡 態(tài) 是 一 種 理 想 情 況 ， 因 為 任 何 系 統(tǒng) 完 全 不 受 外 界影 響 是 不 可 能 的 。 類 似 于 化 學(xué) 平 衡 ， 熱 力 學(xué) 系 統(tǒng) 達(dá) 到 的 平 衡態(tài) 也 是 一 種 動(dòng) 態(tài) 平 衡 。 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 沒(méi) 有 物 質(zhì) 流 動(dòng) 和 能 量 流 動(dòng) 。 處 于 平 衡 態(tài) 的 系 統(tǒng) 各 處 溫 度 相 等

3、， 但 溫 度 各 處 相 等 的 系 統(tǒng) 未必 處 于 平 衡 態(tài) 。 CBA 熱 水熱 水 溫 空 氣熱 水溫 水非 平 衡 態(tài) 平 衡 態(tài)20 0C 200C 例 1、 一 金 屬 棒 的 一 端 與 0 冰 接 觸 ， 另 一 端 與 100 水 接 觸 ，并 且 保 持 兩 端 冰 、 水 的 溫 度 不 變 問(wèn) 當(dāng) 經(jīng) 過(guò) 充 分 長(zhǎng) 時(shí) 間 后 ， 金 屬棒 所 處 的 狀 態(tài) 是 否 為 熱 平 衡 態(tài) ?為 什 么 ? 答 案 ： 否 ， 因 金 屬 棒 各 部 分 溫 度 不 相 同 ， 存 在 能 量 交 換 金 屬 棒 0度恒 溫100度恒 溫3、 平 衡 態(tài) ： 沒(méi)

4、有 外 界 影 響 的 情 況 下 ， 系 統(tǒng) 中 各 部 分 的 狀 態(tài) 參 量 都達(dá) 到 穩(wěn) 定 的 狀 態(tài) 。平 衡 態(tài) ： 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 沒(méi) 有 物 質(zhì) 流 動(dòng) 和 能 量 流 動(dòng) 。 若 兩 個(gè) 系 統(tǒng) 分 別 與 第 三 個(gè) 系 統(tǒng) 達(dá) 到 熱 平 衡 ， 那 么 這 兩 個(gè) 系統(tǒng) 彼 此 之 間 也 必 定 處 于 熱 平 衡 。2.熱 平 衡 定 律 (熱 力 學(xué) 第 零 定 律 )二 、 熱 平 衡 與 溫 度 金 屬 棒 冷 水熱 水 金 屬 棒 溫 水溫 水1.（ 傳 ） 熱 平 衡 :若 兩 個(gè) 熱 力 學(xué) 系 統(tǒng) 彼 此 接 觸 ， 而 其 狀 態(tài) 參 量 都不 變

5、 化 （ 即 沒(méi) 有 發(fā) 生 熱 傳 遞 ） ， 我 們 就 說(shuō) 這 兩 個(gè) 系 統(tǒng) 達(dá) 到 了 熱 平衡 。 真 空 真 空金 屬 棒 溫 水 2溫 水 1 金 屬 棒 溫 水 3溫 水 1 金 屬 棒 溫 水 3溫 水 23.溫 度 ： 表 征 互 為 熱 平 衡 的 各 系 統(tǒng) 的 “ 共 同 熱 學(xué) 性 質(zhì) ” 的 物 理 量真 空 200C 200C 三 、 溫 度 計(jì) 與 溫 標(biāo) 1、 溫 標(biāo) ： 定 量 描 述 溫 度 的 方 法 叫 做 溫 標(biāo) 建 立 一 種 溫 標(biāo) 的 三 要 素 ： 首 先 要 確 定 物 質(zhì) 其 次 ， 確 定 該 測(cè) 溫 物 質(zhì) 隨 溫 度 變 化 物

6、 理 量 第 三 ， 選 定 參 考 點(diǎn) （ 即 規(guī) 定 分 度 的 方 法 ） 。 水銀的熱膨脹 金屬電阻隨溫度變化 氣體壓強(qiáng)隨溫度變化 不同導(dǎo)體因溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的大小 2、 熱 力 學(xué) 溫 度 (1)定 義 ： 熱 力 學(xué) 溫 標(biāo) 表 示 的 溫 度 叫 做 熱 力 學(xué) 溫 度 ， 它 是 國(guó) 際 單位 制 中 七 個(gè) 基 本 物 理 量 之 一 。 (2)符 號(hào) : T，(3)單 位 開 爾 文 ， 簡(jiǎn) 稱 開 ， 符 號(hào) 為 K (4) 熱 力 學(xué) 溫 標(biāo) 與 攝 氏 溫 標(biāo) 的 關(guān) 系 ： T t+273.15 K (5)說(shuō) 明 攝 氏 溫 標(biāo) 的 單 位 “ ”是 溫 度 的 常

7、用 單 位 ， 但 不 是 國(guó) 際 制 單位 ， 溫 度 的 國(guó) 際 制 單 位 是 開 爾 文 ， 符 號(hào) 為 K 在 今 后 各 種 相 關(guān) 熱力 學(xué) 計(jì) 算 中 ， 一 定 要 牢 記 將 溫 度 單 位 轉(zhuǎn) 換 為 熱 力 學(xué) 溫 度 即 開 爾 文 ； 由 T t+273.15 K可 知 ， 物 體 溫 度 變 化 l 與 變 化 l K的 變 化 量 是 等 同 的 ， 但 物 體 所 處 狀 態(tài) 為 l 與 l K是 相 隔 甚 遠(yuǎn) 的 ； 例 2 (對(duì) 應(yīng) 要 點(diǎn) 一 )關(guān) 于 熱 平 衡 ， 下 列 說(shuō) 法 正 確 的 是 ( )A 系 統(tǒng) 甲 與 系 統(tǒng) 乙 達(dá) 到 熱 平

8、 衡 就 是 它 們 的 溫 度 達(dá) 到 相 同 的 數(shù)值 B 標(biāo) 準(zhǔn) 狀 況 下 冰 水 混 合 物 與 0 的 水 未 達(dá) 到 熱 平 衡C 量 體 溫 時(shí) 溫 度 計(jì) 需 和 身 體 接 觸 十 分 鐘 左 右 是 為 了 讓 溫 度 計(jì)跟 身 體 達(dá) 到 熱 平 衡D 冷 熱 程 度 相 同 的 兩 系 統(tǒng) 處 于 熱 平 衡 狀 態(tài)互 為 熱 平 衡 的 各 系 統(tǒng) 具 有 相 同 的 溫 度 。 同 樣 ， 具 有 相 同 溫度 的 系 統(tǒng) 也 必 然 處 于 熱 平 衡 狀 態(tài) 。 ACD 例 3、 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 常 用到 一 種 雙 金 屬 溫 度 計(jì) 它是 利 用

9、銅 片 與 鐵 片 鉚 合 在一 起 的 雙 金 屬 片 的 彎 曲 程度 隨 溫 度 變 化 的 原 理 制 成的 ， 如 圖 所 示 已 知 左 圖中 雙 金 屬 片 被 加 熱 時(shí) ， 其彎 曲 程 度 會(huì) 增 大 ， 則 下 列各 種 相 關(guān) 敘 述 中 正 確 的有 ( )A 該 溫 度 計(jì) 的 測(cè) 溫 物 質(zhì) 是 銅 、 鐵 兩 種 熱 膨 脹 系 數(shù) 不 同 的 金 屬B 雙 金 屬 溫 度 計(jì) 是 利 用 測(cè) 溫 物 質(zhì) 熱 脹 冷 縮 的 性 質(zhì) 來(lái) 工 作 的C 由 左 圖 可 知 ， 銅 的 熱 膨 脹 系 數(shù) 大 于 鐵 的 熱 膨 脹 系 數(shù)D 由 右 圖 可 知 ，

10、 其 雙 金 屬 征 的 內(nèi) 層 一 定 為 銅 外 層 一 定 為 鐵ABC 固 NRTPV 例 4 關(guān) 于 平 衡 態(tài) 和 熱 平 衡 ， 下 列 說(shuō) 法 中 正 確 的 有 ( )A 只 要 溫 度 不 變 且 處 處 相 等 ， 系 統(tǒng) 就 一 定 處 于 平 衡 態(tài)B 兩 個(gè) 系 統(tǒng) 在 接 觸 時(shí) 它 們 的 狀 態(tài) 不 發(fā) 生 變 化 ， 這 兩 個(gè) 系 統(tǒng) 原來(lái) 的 溫 度 是 相 等 的C 熱 平 衡 就 是 平 衡 態(tài)D 處 于 熱 平 衡 的 幾 個(gè) 系 統(tǒng) 的 溫 度 一 定 相 等 P 0T2P0TN N BD3、 平 衡 態(tài) ： 沒(méi) 有 外 界 影 響 的 情 況

11、下 ， 系 統(tǒng) 中 各 部 分 的 狀 態(tài) 參 量都 達(dá) 到 穩(wěn) 定 的 狀 態(tài) 。 否 則 就 是 非 平 衡 態(tài) 。 200C 200C 例 5 在 熱 學(xué) 中 ， 要 描 述 一 定 氣 體 的 宏 觀 狀 態(tài) ， 需 要 確 定 下 列哪 些 物 理 量 ( ) A 每 個(gè) 氣 體 分 子 的 運(yùn) 動(dòng) 速 率 B 壓 強(qiáng) C 體 積 D 溫 度 解 析 ： 描 述 系 統(tǒng) 的 宏 觀 狀 態(tài) ， 其 參 量 是 宏 觀 量 ， 每 個(gè) 氣 體分 子 的 運(yùn) 動(dòng) 速 率 是 微 觀 量 ， 不 是 氣 體 的 宏 觀 狀 態(tài) 參 量 氣 體 的壓 強(qiáng) 、 體 積 、 溫 度 分 別 是

12、從 力 學(xué) 、 幾 何 、 熱 學(xué) 三 個(gè) 角 度 對(duì) 氣 體的 性 質(zhì) 進(jìn) 行 的 宏 觀 描 述 ， 是 確 定 氣 體 宏 觀 狀 態(tài) 的 三 個(gè) 狀 態(tài) 參量 顯 然 B、 C、 D選 項(xiàng) 正 確 BCD 解 析 ： 雙 金 屬 溫 度 計(jì) 是 利 用 熱 膨 脹 系 數(shù) 不 同 的銅 、 鐵 兩 種 金 屬 制 成 的 雙 金 屬 片 其 彎 曲 程 度 隨 溫度 變 化 的 原 理 來(lái) 工 作 的 ， A、 B選 項(xiàng) 是 正 確 的 圖7 4一 l左 圖 中 加 熱 時(shí) ， 雙 金 屬 片 彎 曲 程 度 增大 ， 即 進(jìn) 一 步 向 上 彎 曲 ， 說(shuō) 明 雙 金 屬 片 下 層

13、 熱 膨脹 系 數(shù) 較 大 ， 即 銅 的 熱 膨 脹 系 數(shù) 較 大 ， C選 項(xiàng) 正確 圖 741右 圖 中 ， 溫 度 計(jì) 示 數(shù) 是 順 時(shí) 針 方 向增 大 ， 說(shuō) 明 當(dāng) 溫 度 升 高 時(shí) 溫 度 計(jì) 指 針 順 時(shí) 針 方 向轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 則 其 雙 金 屬 片 的 彎 曲 程 度 在 增 大 ， 故 可 以推 知 雙 金 屬 片 的 內(nèi) 層 一 定 是 鐵 ， 外 層 一 定 是 銅 ，D選 項(xiàng) 是 錯(cuò) 誤 的 兩 個(gè) 物 體 放 在 一 起 彼 此 接 觸 ， 它 們 若 不 發(fā) 生 熱傳 遞 ， 其 原 因 是 ( )A 它 們 的 能 量 相 同B 它 們 的 比 熱 相

14、 同C 它 們 的 熱 量 相 同D 它 們 的 溫 度 相 同 D 下 列 關(guān) 于 熱 力 學(xué) 溫 度 的 說(shuō) 法 中 ， 正 確 的 是 ( ) A 熱 力 學(xué) 溫 度 的 零 點(diǎn) 是 273.15 B -136 比 136K溫 度 高 C 0 等 于 273.15K D 1 就 是 1K E 升 高 1 就 是 升 高 274K ABC 在 25 左 右 的 室 內(nèi) ， 將 一 只 溫 度 計(jì) 從 酒 精 中 拿 出 ，觀 察 它 的 示 數(shù) 變 化 情 況 是 （ ）A 溫 度 計(jì) 示 數(shù) 上 升B 溫 度 計(jì) 示 數(shù) 下 降C 溫 度 計(jì) 示 數(shù) 不 變D 示 數(shù) 先 下 降 后 上

15、 升 D 一 支 玻 璃 管 一 端 與 一 個(gè) 雞 蛋 大小 的 玻 璃 泡 相 連 ， 另 一 端 豎 直 插在 水 槽 中 ， 并 使 玻 璃 管 內(nèi) 吸 人 一段 水 柱 。 當(dāng) 氣 溫 變 化 時(shí) ， 玻 璃 泡中 氣 體 壓 強(qiáng) 會(huì) 隨 著 變 化 ， 從 而 使玻 璃 管 內(nèi) 水 柱 高 度 發(fā) 生 變 化 。 根據(jù) 管 內(nèi) 水 柱 高 度 的 變 化 就 可 測(cè) 出相 應(yīng) 的 溫 度 。說(shuō) 明 “ 伽 利 略 溫 度 計(jì) ” 的 測(cè)溫 物 質(zhì) 和 測(cè) 溫 屬 性 。伽 利 略 溫 度 計(jì) 華 氏 溫 標(biāo) 華 倫 海 特 (GDFahrenheit)最 初 所 制 的 水 銀 溫

16、 度 計(jì) 是 在 北 愛 爾 蘭 最 冷 的 某 個(gè) 冬 日 ，水 銀 柱 降 到 最 低 的 高 度 定 為 零 度 ； 把 他 妻 子 的 體 溫 定 為 100度 ， 然 后 再 把 這 段 區(qū) 間 的長(zhǎng) 度 均 分 為 100份 ， 每 一 份 叫 1度 。 這 就 是 最 初 的 華 氏 溫 標(biāo) 。 顯 然 ， 認(rèn) 定 氣 溫 和 人 的體 溫 作 為 測(cè) 溫 質(zhì) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 點(diǎn) 并 在 此 基 礎(chǔ) 上 分 度 是 不 妥 當(dāng) 的 。 健 康 人 的 體 溫 在 一 天 之 中經(jīng) 常 波 動(dòng) ， 而 且 他 妻 子 如 果 感 冒 發(fā) 燒 了 怎 么 辦 ？ 后 來(lái) ， 華 倫 海

17、特 改 進(jìn) 了 他 創(chuàng) 立 的 溫標(biāo) ， 把 冰 、 水 、 氯 化 銨 和 氯 化 鈉 的 混 合 物 的 熔 點(diǎn) 定 為 零 度 ， 以 0 F表 示 之 ， 把 冰 的熔 點(diǎn) 定 為 32 F， 把 水 的 沸 點(diǎn) 定 為 212 F， 在 32212的 間 隔 內(nèi) 均 分 180等 分 ， 這 樣 ，參 考 點(diǎn) 就 有 了 較 為 準(zhǔn) 確 的 客 觀 依 據(jù) 。 這 就 是 現(xiàn) 在 仍 在 許 多 國(guó) 家 使 用 的 華 氏 溫 標(biāo) 1，華 氏 溫 標(biāo) 確 定 之 后 ， 就 有 了 華 氏 溫 度 (指 示 數(shù) )。 攝 氏 溫 標(biāo) 后 來(lái) 攝 耳 修 司 ( ACelsiua)也

18、用 水 銀 作 測(cè) 溫 質(zhì) ， 以 冰 的 熔 點(diǎn) 為 零 度 (標(biāo) 以 0 )， 以水 的 沸 點(diǎn) 為 100度 (標(biāo) 以 100 )。 他 認(rèn) 定 水 銀 柱 的 長(zhǎng) 度 隨 溫 度 作 線 性 變 化 ， 在 0度 和100度 之 間 均 分 成 100等 份 ， 每 一 份 也 就 是 每 一 個(gè) 單 位 叫 1攝 氏 度 。 這 種 規(guī) 定 辦 法 就叫 攝 氏 溫 標(biāo) 。 統(tǒng) 一 的 熱 力 學(xué) 溫 標(biāo) 為 了 結(jié) 束 溫 標(biāo) 上 的 混 亂 局 面 ， 開 爾 文 (即 W湯 姆 遜 )這 位 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 的創(chuàng) 始 人 ， 最 受 尊 敬 的 物 理 學(xué) 家 ，

19、創(chuàng) 立 了 一 種 不 依 賴 任 何 測(cè) 溫 質(zhì) (當(dāng) 然 也 就 不 依 賴 任 何測(cè) 溫 質(zhì) 的 任 何 物 理 性 質(zhì) )的 絕 對(duì) 真 實(shí) 的 絕 對(duì) 溫 標(biāo) ， 也 叫 開 氏 溫 標(biāo) 或 熱 力 學(xué) 溫 標(biāo) 。 開 氏 溫 標(biāo) 是 根 據(jù) 卡 諾 循 環(huán) 定 出 來(lái) 的 ， 以 卡 諾 循 環(huán) 的 熱 量 作 為 測(cè) 定 溫 度 的 工 具 ，即 熱 量 起 著 測(cè) 溫 質(zhì) 的 作 用 。 正 因 為 如 此 ， 我 們 又 把 開 氏 溫 標(biāo) 叫 做 熱 力 學(xué) 溫 標(biāo) 。 卡 諾循 環(huán) 描 繪 了 理 想 熱 機(jī) 的 基 本 圖 案 ， 具 有 巨 大 的 理 論 意 義 。 卡 諾 循 環(huán) 象 迷 霧 中 的 燈 塔 ，給 出 了 熱 機(jī) 效 率 的 上 限 。