高中物理競賽教程：1.1《溫度》

熱學(xué)教程第一講溫度和氣體分子運動論§溫度1．1．1、平衡態(tài)、狀態(tài)參量溫度是表示物體冷熱程度的物理量。凡是跟溫度有關(guān)的現(xiàn)象均稱為熱現(xiàn)象。熱現(xiàn)象是自然界中的一種普遍現(xiàn)象。熱學(xué)是研究熱現(xiàn)象規(guī)律的科學(xué)。熱學(xué)研究的對象都是由大量分子組成的宏觀物體，稱為熱力學(xué)系統(tǒng)或簡稱系統(tǒng)。在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不再隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡態(tài)，否則就稱為非平衡態(tài)?？梢娤到y(tǒng)平衡態(tài)的改變依賴于外界影響(作功、傳熱)。系統(tǒng)處于平衡態(tài)，所有宏觀物理都具有確定的值，我們就可以選擇其中幾個物理量來描述平衡態(tài)，這幾個量稱為狀態(tài)參量。P、V、T就是氣體的狀態(tài)參量。氣體的體積V是指盛放氣體的容器的容積，國際單位制中，體積的單位是m。1m=103L=氣體的壓強P是氣體作用在容器的單位面積器壁上的平均壓力，單位是p。1atm=76cmHg=1mmHg=1．1．2、溫標溫度的數(shù)值表示法稱為溫標。建立溫標的三要素是：1、選擇某種物質(zhì)的一個隨溫度改變發(fā)生單調(diào)顯著變化的屬性來標志溫度，制作溫度計。例如液體溫度計T(V)、電阻溫度計T(R)、氣體溫度計T(P)、T(V)等等。這種選用某種測溫物質(zhì)的某一測溫屬性建立的溫標稱為經(jīng)驗溫標。2、規(guī)定固定點，即選定某一易于復(fù)現(xiàn)的特定平衡態(tài)指定其溫度值。1954年以前，規(guī)定冰點為0℃，汽點為100℃，其間等分100份，從而構(gòu)成舊攝氏溫標。1954年以后，國際上選定水的三相點為基本固定點，溫度值規(guī)定為。這樣0℃與冰點，100℃與汽點不再嚴格相等，百分溫標的概念已被廢棄。3、規(guī)定測溫屬性隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系。如果某種溫標(例如氣體溫度計)選定為線性關(guān)系，由于不同物質(zhì)的同一屬性或者同一物質(zhì)的不同屬性隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系不會相同，因而其它的溫標就會出現(xiàn)非線性的函數(shù)關(guān)系。1．1．3、理想氣體溫標定容氣體溫度計是利用其測溫泡內(nèi)氣體壓強的大小來標志溫度的高低的。T(P)=P是比例系數(shù)，對水的三相點有T=P=P是時定容測溫泡內(nèi)氣體的壓強。于是T(P)=(1)同樣，對于定壓氣體溫度計有T(V)=(2)是時定壓測溫泡內(nèi)氣體的體積。用不同溫度計測量同一物體的溫度，除固定點外，其值并不相等。對于氣體溫度計也有。但是當測溫泡內(nèi)氣體的壓強趨于零時，所有氣體溫度計，無論用什么氣體，無論是定容式的還是定壓式的，所測溫度值的差別消失而趨于一個共同的極限值，這個極限值就是理想氣體溫標的值，單位為K，定義式為T=T(V)=T(P)==(3)1．1．4、熱力學(xué)溫標理想氣體溫標雖與氣體個性無關(guān)，但它依賴于氣體共性即理想氣體的性質(zhì)。利用氣體溫度計通過實驗與外推相結(jié)合的方法可以實現(xiàn)理想氣體溫標。但其測溫范圍有限(1K～1000℃)，T＜1K，氣體早都已液化，理想氣體溫標也就失去意義。國際上規(guī)定熱力學(xué)溫標為基本溫標，它完全不依賴于任何測溫物質(zhì)的性質(zhì)，能在整個測溫范圍內(nèi)采用，具有“絕對”的意義，有時稱它為絕對溫度。在理想氣體溫標適用的范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫標與理想氣體溫標是一致的，因而可以不去區(qū)分它們，統(tǒng)一用T(K)表示。國際上還規(guī)定攝氏溫標由熱力學(xué)溫標導(dǎo)出。其關(guān)系式是：t=(4)這樣，新攝氏溫標也與測溫物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，能在整個測溫范圍內(nèi)使用。目前已達到的最低溫度為510K，但是絕對零度是不可能達到的。例1、定義溫標t與測溫參量X之間的關(guān)系式為t=ln(kX),k為常數(shù)試求：(1)設(shè)X為定容稀薄氣體的壓強，并假定水的三相點，試確定t與熱力學(xué)溫標之間的關(guān)系。(2)在溫標t中，冰點和汽點各為多少度；(3)在溫標t中，是否存在零度？解：(1)設(shè)在水三相點時，X之值是，則有273．16=In(kX)將K值代入溫標t定義式，有(2)熱力學(xué)溫標可采用理想氣體溫標定義式，X是定容氣體溫度計測溫泡中稀薄氣體壓強。故有(3)因測溫物質(zhì)是定容稀薄氣體，故滿足X→0的要求，因而(2)式可寫成(4)這是溫