4 温度和温标

第4节温度和温标

一、状态参量与平衡态

1．热力学系统

通常把由大量分子组成的研究对象称为热力学系统。

2．外界

指系统之外与系统发生相互作用的其他物体的统称。

3．状态参量

描述系统性质的物理量，常用的物理量有几何参量体积V、力学参量压强p、热学参量温度T。

4．平衡态

系统在没有外界影响的情况下，经过足够长的时间，各部分的状态参量达到稳定的状态。

二、热平衡与温度

1．热平衡：两个相互接触的热力学系统的状态参量不再变化。

2．热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡。

3．热平衡的性质：一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。

4．温度：表征互为热平衡系统的共同热学性质的物理量。

三、温度计与温标

1．常见温度计的测温原理

2．温标

(1)摄氏温标

一种常用的表示温度的方法，规定标准大气压下冰的熔点为0_℃，水的沸点为100_℃。在0 ℃和100 ℃之间均匀分成100等份，每份算做1 ℃。

(2)热力学温标

现代科学中常用的表示温度的方法，规定摄氏温度的－273.15_℃为零值，它的一度等于摄氏温度的一度。

(3)摄氏温度与热力学温度

①摄氏温度：摄氏温标表示的温度，用符号t表示，单位摄氏度，符号为℃。

②热力学温度：热力学温标表示的温度，用符号T表示，单位开尔文，简称开，符号为K。

③换算关系：T＝t＋273.15_K。

1．自主思考——判一判

(1)平衡态是一种理想状态。(√)

(2)处于热平衡的两个系统具有相同的热量。(×)

(3)现代技术可以达到绝对零度。(×)

(4)摄氏温度和热力学温度都是从零开始的。(×)

(5)0 ℃的温度可以用热力学温度粗略地表示为273 K。(√)

(6)温度升高了10 ℃也就是升高了10 K。(√)

2．合作探究——议一议

(1)一根长铁丝一端插入100 ℃的沸水中，另一端放入0 ℃恒温源中，经过足够长的时间，温度随铁丝有一定的分布，而且不随时间变化，这种状态是否为平衡态？

提示：这种状态不是平衡态，只是一种稳定状态，因为存在外在因素的影响。

(2)当系统处于平衡态时，系统的所有性质都不随时间变化，是绝对不变的吗？

提示：不是。平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的，即使系统处于平衡态，仍可能发生偏离平衡态的微小变化。

(3)试从宏观和微观两个角度理解温度这个概念。

提示：宏观上，温度表示物体的冷热程度；微观上温度反映分子热运动的激烈程度，是分子平均动能大小的标志。

1．对平衡态的理解

(1)热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统的宏观性质不随时间变化。

(2)平衡态是一种理想状态，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的。

2．对热平衡的理解

两个系统达到热平衡后再把它们分开，如果分开后它们都不受外界影响，再把它们重新接触，它们的状态不会发生新的变化。因此，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。

3．平衡态与热平衡的区别

(1)平衡态是对某一系统而言的，是系统的状态，热平衡是对两个接触的系统之间的关系而言的。

(2)分别处于平衡态的两个系统在相互接触时，它们的状态可能会发生变化，直到温度相同时，两个系统便达到了热平衡。达到热平衡的两个系统都处于平衡态。

[典例] 关于平衡态和热平衡，下列说法中正确的有( )

A．只要温度不变且处处相等，系统就一定处于平衡态

B．两个系统在接触时它们的状态不发生变化，说明这两个系统原来的温度是相等的C．热平衡就是平衡态

D．处于热平衡的几个系统的压强一定相等

[思路点拨] 解答本题应注意以下两点：

(1)一个系统的温度、压强、体积等都不变化时，才是处于平衡状态。

(2)若两个系统的温度相等，则两个系统已达到热平衡。

[解析] 一般来说，描述系统的状态参量不只是一个，根据平衡态的定义知所有性质都不随时间变化，系统才处于平衡态，A错误；根据热平衡的定义知处于热平衡的两个系统温度相同，故B正确、D错误；平衡态是针对某一系统而言的，热平衡是两个系统相互影响的最终结果，可见C错误。

[答案] B

解答热平衡问题的三个要点

(1)平衡态与热平衡不同，平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡。

(2)必须要经过较长一段时间，直到系统内所有性质都不随时间变化为止。

(3)系统与外界没有能量的交换。

1．如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的( )

A．温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化

B．温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的

C．温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固”状态

D．温度、压强就会变得一样，但体积仍可变化

解析：选A 如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量，如温度、压强和体积等不再随时间发生变化。温度达到稳定值，分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态。

2．关于热平衡，下列说法中错误的是( )

A．系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值

B．标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡

C．量体温时体温计需要和身体接触十分钟左右是为了让体温计跟身体达到热平衡

D．冷热程度相同的两系统处于热平衡状态

解析：选B 两个系统达到热平衡时的标志是它们的温度相同，或者说它们的冷热程度相同，所以A、C、D三项都正确，B项错误。

3．[多选]下列物体中处于热平衡状态的是( )

A．冰水混合物处在0 ℃的环境中

B．将一铝块放入沸水中加热足够长的时间

C．冬天刚打开空调的教室内的空气

D．一个装有气体的密闭绝热容器匀速运动，容器突然停止运动时，容器内的气体

解析：选AB 冰水混合物的温度为0 ℃，和环境的温度相同，处于热平衡状态，A正确；铝块在沸水中加热足够长的时间，铝块和水的温度相同，处于热平衡状态，B正确；冬天刚打开空调的教室内的气体各部分温度不相同，未处于热平衡状态，C错误；匀速运动的容器突然停止运动时，机械能转化为气体的内能，容器内的气体温度升高，未达到热平衡状态，D错误。

摄氏温标和热力学温标的比较