2021-2022学年高二物理竞赛课件：温度热膨胀理想气体状态方程.pptx

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1、温度温度 热膨胀热膨胀理想气体状态方程理想气体状态方程开篇问题：请猜一猜！开篇问题：请猜一猜！一一个个底底部部开开口口的的热热气气球球（如如左左图图），气气球球内内部部的的空空气气被被火火焰焰加加热热。对对气气球球内内部部的的空空气气与与气气球球外外部部空空气气加加以以比比较较，看看看看下下列列物物理理性性质质孰孰高孰低高孰低,还是相同？还是相同？（1 1）温度，（）温度，（2 2）压力，（）压力，（3 3）密度）密度 外界：外界：热力学系统以外的物体。热力学系统以外的物体。系统分类（按系统与外界交换特点）：系统分类（按系统与外界交换特点）：孤立系统：孤立系统：与外界既无能量又无物质交换与外界

2、既无能量又无物质交换封闭系统：封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换与外界只有能量交换而无物质交换开放系统：开放系统：与外界既有能量交换又有物质交换与外界既有能量交换又有物质交换状态参量：状态参量：描述一个系统状态的物理量称之为状态参描述一个系统状态的物理量称之为状态参量。例如，体积、压强和温度。更复杂的系统需要更量。例如，体积、压强和温度。更复杂的系统需要更多的状态参量来描述。多的状态参量来描述。17-1 17-1 物质的原子理论物质的原子理论 原子原子 atom atom 希腊语中希腊语中不可再分不可再分之意。之意。单个原子和分子的相对质量，称为原子量和分子量。单个原子和分子的相对质量，

3、称为原子量和分子量。碳碳12(C12(C1212)原子质量的原子质量的1/121/12，作为原子质量的统一单位（，作为原子质量的统一单位（u u）。按照千克计算。）。按照千克计算。如如:氢原子的原子质量是氢原子的原子质量是1.0078 u布朗运动布朗运动(生物学家罗伯特布朗生物学家罗伯特布朗18271827年发现年发现)19051905年，年，阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦用理论的爱因斯坦用理论的观点解释了布朗运动，并且利用实验数据估算观点解释了布朗运动，并且利用实验数据估算了原子的大致尺度了原子的大致尺度大约为大约为1010-10-10 m m。物质的三种常见的相（或状态物质的三种常见的相（或状态

4、)，即固态、液态和气态。，即固态、液态和气态。从微观的观点来分析物质的三种相：从微观的观点来分析物质的三种相：晶体的原子排列晶体的原子排列液体液体气体气体a)a)固体材料中固体材料中,原子间作用力足够大，原子或分子相对固定位置仅发生略微的移动原子间作用力足够大，原子或分子相对固定位置仅发生略微的移动(振动振动)。b)b)液体中液体中,原子或分子的移动更加迅速原子或分子的移动更加迅速,它们之间的作用力更加微弱，分子间有充足的自由空间它们之间的作用力更加微弱，分子间有充足的自由空间允许分子一个接一个地通过。允许分子一个接一个地通过。c)c)气体中，分子间作用力弱，分子运动速度高，以至于分子不可能紧

5、密联系在一起。每个分子气体中，分子间作用力弱，分子运动速度高，以至于分子不可能紧密联系在一起。每个分子沿自己的运动方向迅速移动，填充了容器中的全部空间，偶尔彼此碰撞。沿自己的运动方向迅速移动，填充了容器中的全部空间，偶尔彼此碰撞。例题例题17-117-1已知铜的密度为已知铜的密度为8.9x108.9x103 3kg/mkg/m3 3,每个铜原子的每个铜原子的质量是质量是63u63u。试估计相邻铜原子中心之间的平均距离。试估计相邻铜原子中心之间的平均距离。方方法法：考考虑虑边边长长为为 1 m 的的一一立立方方体体的的铜铜。将将密密度度除除以以一一个个原原子子的的质质量量(63 u)获获得得了了

6、在在1 m3体体积积中中的的原原子子数数目目。假假定定原原子子阵阵列列中中，N N N=N 3 等等于于在在 1 m3 中中的的总总的的原原子数，设子数，设N为沿边长为为沿边长为1 m 长度上的原子数。长度上的原子数。解：一个铜原子的质量解：一个铜原子的质量注意注意：关注单位：关注单位。17-2 17-2 温度和温度计温度和温度计 温度温度：温度测量的是物体的冷热。：温度测量的是物体的冷热。大多数材料随温度升高而膨胀，大多数材料随温度升高而膨胀，但并不是所有的材料。水就是例但并不是所有的材料。水就是例外，例如外，例如,水从水从0 0到到4 4升温时产升温时产生收缩。生收缩。物体的电阻随温度而变

7、化，物体物体的电阻随温度而变化，物体辐射颜色也会随温度而变化。辐射颜色也会随温度而变化。在在较较高高的的温温度度下下，固固体体如如铁铁呈呈现现为为橙橙色色甚甚至至白白色色;白白炽炽灯灯泡泡的的钨钨丝丝发发出出白白光光;通通过过固固体体辐辐射射出出的的光光的的主主要要颜颜色色（更更准准确确地地说说是是波波长长），我们可以估计太阳和其他星体表面的温度。），我们可以估计太阳和其他星体表面的温度。温度计：用来测量温度的仪器。温度计：用来测量温度的仪器。温标：温标：为了定量的测量温度定义的数值标准。最常见的标为了定量的测量温度定义的数值标准。最常见的标准准摄氏温标摄氏温标,有时被称为有时被称为百分度温标

8、百分度温标。在美国，。在美国，华氏温标华氏温标也很常见。在科研工作中最重要的是也很常见。在科研工作中最重要的是绝对绝对温标温标，或，或开尔文温标开尔文温标。定义温标的方法：对两个容易重现的温度进行指定定义温标的方法：对两个容易重现的温度进行指定 对对于于摄摄氏氏温温标标与与华华氏氏温温标标，这这两两个个固固定定点点被被选选则则为为水水的的冰冰点点和和沸沸点点，两两者者都都是是在在标标准准大大气气压压下下。摄摄氏氏温温标标中中，水水的的凝凝固固点点被被选选择择为为0 0（“零零摄摄氏度氏度”）沸点）沸点100 100。华氏温标，。华氏温标，水的水的凝固点被定义为凝固点被定义为3232，沸点，沸点

9、212212。对于摄氏温标，对于摄氏温标，两个标记之间的距离被划分为两个标记之间的距离被划分为100100等份，在等份，在0 0 和和100100之间，相邻等份之间相差之间，相邻等份之间相差1(1(因此得名因此得名“摄氏温标摄氏温标”意思是意思是“百份百份”)。对于华氏温标对于华氏温标，这两个点被标记为，这两个点被标记为3232和和212212，它们之间的距离被分，它们之间的距离被分成成180180个相等的间隔。个相等的间隔。或或请注意请注意，当我们提到一个特定的温度时，例如我们说，当我们提到一个特定的温度时，例如我们说20200 0C C，“0 0在在前前，C C 在在后后”；但但是是，当当

10、我我们们提提到到一一个个变变化化的的温温度度或或温温度度间间隔隔时时，例例如如我我们们说说 2 2 C C0 0，“C C在在前前，0 0在后在后”。两个温标之间的转换可以写成：。两个温标之间的转换可以写成：注意！注意！温度转换，请记住温度转换，请记住O O=32=32和和5 5 C C0 0=9 F=9 F0 0的改变量的改变量例例17-2 17-2 用不同温标表示你的体温。用不同温标表示你的体温。17-3 17-3 热平衡和热力学第零定律热平衡和热力学第零定律 如果将两个不同温度的物体放置在一起相接触（意为热能如果将两个不同温度的物体放置在一起相接触（意为热能可以从一个物体转移到另一个物体

11、可以从一个物体转移到另一个物体)，这两个物体将最终达到相，这两个物体将最终达到相同的温度。这称为热平衡。同的温度。这称为热平衡。实验表明：实验表明：如果两个系统都与第三个系统处于热平衡状态，那么如果两个系统都与第三个系统处于热平衡状态，那么它们之间也处于热平衡它们之间也处于热平衡热力学第零定律热力学第零定律17-4 17-4 热膨胀热膨胀线性膨胀线性膨胀:实验结果表明，当温度的增量实验结果表明，当温度的增量T T 不太大不太大,几乎所几乎所有固体长度的增量有固体长度的增量直接与温度的增量成正比。直接与温度的增量成正比。(17-1a)(17-1a)其中其中 是比例常数，称为特定材料的线性膨胀系数

12、，单位为是比例常数，称为特定材料的线性膨胀系数，单位为(0C)-1。(17-1b)(17-1b)l0 是温度为是温度为 T0 时的长度，时的长度，l 是温度是温度 T 时的长度，时的长度，如果温度增量如果温度增量T =T-T0 为负值，则为负值，则l=l-l0 也为也为负值。负值。例例17-3 17-3 桥梁伸缩桥梁伸缩 在在2020时，吊桥的钢床为时，吊桥的钢床为200 200 m m长，它可能会长，它可能会暴露在暴露在-30-304040极端的温度下，它将怎样收缩和膨胀呢？极端的温度下，它将怎样收缩和膨胀呢？解解：=1210-6（)-1，当温度在，当温度在4040时，其长度增加为时，其长度

13、增加为当温度下降到当温度下降到-30-30 时，时，T T=-30,=-30,则有则有伸缩缝总范围容许量为伸缩缝总范围容许量为12cm12cm +4.8cm4.8cm 17cm17cm概念理解：概念理解：例例17-4 17-4 孔膨胀或收缩孔膨胀或收缩 在烤箱中加热细的圆环在烤箱中加热细的圆环,环环的孔径是变大还是小？的孔径是变大还是小？解答：解答：你可能想当然地认为，金属向你可能想当然地认为，金属向孔内膨胀，使得孔变小。孔内膨胀，使得孔变小。事实并非如此。试想如果环是实心的，事实并非如此。试想如果环是实心的，比如硬币。用钢笔在上面画一个圆，比如硬币。用钢笔在上面画一个圆，如图。当金属膨胀时圆

14、环膨胀。如图。当金属膨胀时圆环膨胀。例例17-5 17-5 圆环套在棒上圆环套在棒上 铁环紧紧贴在圆柱铁棒上。在铁环紧紧贴在圆柱铁棒上。在2020时，时，棒的直径是棒的直径是6.4456.445cmcm，铁环的内径为，铁环的内径为6.4206.420cmcm。要使铁环滑过棒，。要使铁环滑过棒，环内孔必须略大于棒直径约环内孔必须略大于棒直径约0.0080.008cmcm。那么需多高的温度才能使。那么需多高的温度才能使环孔足够大，从而滑过棒呢？环孔足够大，从而滑过棒呢？所以，环温度至少升到所以，环温度至少升到 T T=(20+430)=450=(20+430)=450。概念理解：例概念理解：例17

15、-6 17-6 开启瓶盖开启瓶盖 当一个玻璃罐的盖子很紧难以打当一个玻璃罐的盖子很紧难以打开，将盖子在热水中冲洗，往往会使它容易打开开，将盖子在热水中冲洗，往往会使它容易打开,为什么为什么?解答：解答：罐头盖更直接接触热水，所以罐头盖更直接接触热水，所以比玻璃更早膨胀。但就算不是这样，比玻璃更早膨胀。但就算不是这样，在相同温度改变下，金属通常膨胀普在相同温度改变下，金属通常膨胀普遍超过玻璃遍超过玻璃 。剥鸡蛋剥鸡蛋:如果你把一个带壳鸡蛋煮熟后，立即放入冷水中，则如果你把一个带壳鸡蛋煮熟后，立即放入冷水中，则较容易将鸡蛋壳与鸡蛋剥离，这主要是由于鸡蛋和壳有不同的较容易将鸡蛋壳与鸡蛋剥离，这主要是

16、由于鸡蛋和壳有不同的热膨胀系数。热膨胀系数。其其中中，T 是是温温度度的的增增量量，V0 是是原原来来的的体体积积，V 是是体体积积增增量量，是体膨胀系数。单位为是体膨胀系数。单位为 ()-1。注注意意：对对于于固固体体，通通常常体体膨膨胀胀系系数数 大大约约是是线线膨膨胀胀系系数数 的的 3 3 倍倍。这这是是为为什什么么？考考虑虑一一个个长长度度 l0、宽宽度度W0、高高度度H0 的的长长方方体固体。当它的温度改变体固体。当它的温度改变T，其体积从，其体积从 V=l0 w0 H0 到到体积膨胀体积膨胀:一种材料的体积随温度的变化而变化，其公式与式一种材料的体积随温度的变化而变化，其公式与式(17-1a)(17-1a)类似给出如下类似给出如下 (17-2)(17-2)假设线膨胀系数假设线膨胀系数 沿所有方向都相同，则沿所有方向都相同，则