物理学热学温度.ppt

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1、普通物理教程普通物理教程 热学热学杨远贵杨远贵淮北师范大学淮北师范大学温度温度(temperature)o热热物物理理学学中中最最核核心心的的概概念念是是温温度度和和热热量量。由由于于通通常常所所说说的的“冷冷热热”的的“热热”是是指指温温度度高高，所所以以温温度度和和热热量量这两个概念很易发生混淆这两个概念很易发生混淆。o要要对对温温度度概概念念作作深深入入理理解解，在在宏宏观观上上应应对对温温度度建建立立严严格格的的科科学学定定义义，因因而而必必须须引引入入热热平平衡衡的的概概念念与与热热力力学学第零定律。第零定律。o在在微微观观上上，则则必必须须说说明明，温温度度是是处处于于热热平平衡衡

2、系系统统的的微微观观粒粒子子热热运运动动强强弱弱程程度度的的度度量量。另另外外，还还可可以以存存在在所所谓谓的的负负温温度度.所所以以还还必必须须对对温温度度概概念念作作出出更更严严格格的的定定义义.总总之之，随随着着对对热热运运动动本本质质的的理理解解逐逐步步深深入入，人人们们对对温温度概念的理解也会越来越深刻。度概念的理解也会越来越深刻。1.3.2 热力学第零定律热力学第零定律o(一一)绝热壁与导热壁绝热壁与导热壁o(二）二）热力学第零定律热力学第零定律热力学第零定律的表述热力学第零定律的表述o在不受外界影响的情况下，只要在不受外界影响的情况下，只要A和和B同时同时与与C处于热平衡，即使处

3、于热平衡，即使A和和B没有热接触，没有热接触，它们仍然处于热平衡状态，这种规律也被它们仍然处于热平衡状态，这种规律也被称为热平衡定律称为热平衡定律。o热平衡定律是否勒（热平衡定律是否勒（Fowler）于）于1939年提出年提出的，因为它独立于热力学第一、第二、第的，因为它独立于热力学第一、第二、第三定律，但是它又不能被列在这三个定律三定律，但是它又不能被列在这三个定律之后，故称它为热力学第零定律（之后，故称它为热力学第零定律（Zeroth law of Thermodynamics)(三三)热力学第零定律的物理意义热力学第零定律的物理意义o热力学第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存热力学

4、第零定律告诉我们，互为热平衡的物体之间必存在一个相同的特征在一个相同的特征它们的温度是相同的。它们的温度是相同的。o第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度第零定律不仅给出了温度的概念，而且指出了判别温度是否相同的方法是否相同的方法。o在判别两个物体温度是否相同时，不一定要两物体直接在判别两个物体温度是否相同时，不一定要两物体直接接触，而可借助一接触，而可借助一“标准标准”的物体分别与这两个物体热的物体分别与这两个物体热接融就行了。这个接融就行了。这个“标准标准”的物体就是温度计。的物体就是温度计。o第零定律只能判别相互接触物体是否达到热平衡，而不第零定律只能判别相互接触物体是否达到热

5、平衡，而不能判别达到热平衡的物体间温度的高低，后者需借助于能判别达到热平衡的物体间温度的高低，后者需借助于另一基本定律另一基本定律热力学第二定律。热力学第二定律。1.3.3 温标（温标（temperature scale）o（一）温标的建立、经验温标（一）温标的建立、经验温标o(1)(1)温温标标 要要定定量量地地确确定定温温度度的的数数值值，还还必必须须给给出出温温度的数值表示法度的数值表示法温标。温标。o(2)(2)经验温标（经验温标（empirical temperature scaleempirical temperature scale）o例例如如，在在固固定定压压强强下下液液体体（

6、或或气气体体）的的体体积积，在在固固定定体体积积下下气气体体的的压压强强，以以及及金金属属丝丝电电阻阻或或低低温温下下半半导体电阻等都随温度单调地、较显著地变化。导体电阻等都随温度单调地、较显著地变化。o任何物质的任何属性，只要它随冷热程度发生单调任何物质的任何属性，只要它随冷热程度发生单调的、较显著的改变，就可用来计量温度的、较显著的改变，就可用来计量温度。o从这一意义上来理解，可有各种各样的温度计，也从这一意义上来理解，可有各种各样的温度计，也可有各种各样的温标可有各种各样的温标.这类温标称为经验温标。这类温标称为经验温标。经验温标包含三个要素：经验温标包含三个要素：o（1 1）选选择择某

7、某种种测测温温物物质质，确确定定它它的的测测温温属属性性（例如水银的体积随温度变化（例如水银的体积随温度变化)o（2 2）选选定定固固定定点点。对对于于水水银银温温度度计计，若若选选用用摄摄氏氏温温标标，则则以以冰冰的的正正常常熔熔点点定定为为00，水水的的正正常常沸点定为沸点定为100100）；）；o（3 3）进进行行分分度度，即即对对测测温温属属性性随随温温度度的的变变化化关关系系作作出出规规定定 （摄摄氏氏温温标标规规定定00到到100100间间等等分分为为100100小格，每一小格为小格，每一小格为11）。）。o选择不同测量物质或不同测温属性所确定的经验选择不同测量物质或不同测温属性所

8、确定的经验温标并不严格一致。温标并不严格一致。（二）理想气体温标（二）理想气体温标o以以气气体体为为测测温温物物质质，利利用用理理想想气气体体状状态态方方程程中中体体积积不不变变时时压压强强与与温温度度成成正正比比关关系系所所确确定定的温标称为理想气体温标。的温标称为理想气体温标。o理理想想气气体体温温标标是是根根据据气气体体在在极极低低压压强强下下所所遵遵从从的的普普遍遍规规律律来来确确定定的的，是是利利用用气气体体温温度度来来定标的。定标的。o气体温度计分为定体及定压气体温度计两种。气体温度计分为定体及定压气体温度计两种。o定体气体温度计（定体气体温度计（Constant volume g

9、as Constant volume gas thermometerthermometer）定体气体温度计定体气体温度计水的三相点状态水的三相点状态o为了说明为了说明理想气体温标，必须预先介绍理想气体温标，必须预先介绍三相点状三相点状态。态。o三相点状态是气体，液体，固体三者能够同时平三相点状态是气体，液体，固体三者能够同时平衡共存的状态。衡共存的状态。o为了为了对于确定的纯物质对于确定的纯物质,其其三相点状态是确定的。三相点状态是确定的。o对于水，三相点的压强是对于水，三相点的压强是4.58mmHg,温度为温度为0.01C.定体气体温度计的分度是如此规定的：定体气体温度计的分度是如此规定的：

10、o设设T T（P P）表表示示定定体体气气体体温温度度计计与与待待测测系系统统达达到到热热平平衡衡时时的温度数值，由理想气体定律知的温度数值，由理想气体定律知 T T(p p)=)=pVpV0 0/R R(其中其中V V0 0不变不变)（1.11.1）o设设该该气气体体温温度度计计放放在在水水的的三三相相点点恒恒温温器器时时测测得得的的压压强强为为 p ptrtr，则，则 p ptrtr=(=(R/VR/V0 0)273.16K 273.16K （1.21.2）o可可见见 p ptrtr仅仅是是该该温温泡泡内内气气体体摩摩尔尔数数的的函函数数，故故 p ptrtr即即表表示示气气体体质质量量多

11、多少少，进进一一步步将将（1.21.2）式式代代入入(1.1(1.1）式式可可知，气体温度计在压强为知，气体温度计在压强为p p时测出的温度为时测出的温度为o (体积不变体积不变)(1.3)(1.3）o理理想想气气体体是是只只有有在在p pt tr r00，即即当当温温泡泡内内气气体体质质量量趋趋于于零零时时的的气气体体,故故还还应应在在（1.31.3）式式中中加加上上极极限条件限条件o实实际际上上在在ptr0时，由于温泡内气体质量已趋于零，温泡在被测温度所显示的压强p也趋于零，似乎失去了测温手段的价值。T=273.16KP=4.58mmHg水的三相点恒温器水的三相点恒温器 被测温的恒温器被测

12、温的恒温器 在在同同一一温温泡泡中中先先后后充充入入不不同同质质量量的的同同一一气气体体，然然后后测测出出不不同同质质量量气气体体分分别别在在水水的的三三相相点点及及待待测测温温度度（例例如如水水的的正正常常沸沸点点）时时的的压压强强 p ptrtr和和p.p.由由定定出出所所对对应应的的T(pT(p）,然然后后作作出出T(pT(p)-)-p pt tr r图图形形，将将曲曲线线延延拓拓到到p ptrtr00时时的的数数值值就就是是所所测测出出的的温度。如图所示。温度。如图所示。气体温度计定标实验可以如下进行：气体温度计定标实验可以如下进行：o由下图可以看到，在由下图可以看到，在 p ptrt

13、r不趋于零时，充有不同种类不趋于零时，充有不同种类的气体的气体温度计的的气体的气体温度计的T T（p p）不同，说明它们还不）不同，说明它们还不是理想气体，是理想气体，只有在只有在 p ptrtr00时四条曲线才会聚一点。时四条曲线才会聚一点。这时的数值这时的数值373.15K373.15K才是由气体温度计所定出的理想才是由气体温度计所定出的理想气体温标气体温标.严格满足理想气体条件的气体温度计所测出的水严格满足理想气体条件的气体温度计所测出的水在正常沸点时的温度在正常沸点时的温度 373.15 K。（三（三)摄氏温标、华氏温标摄氏温标、华氏温标o在摄氏温标建立之前，在摄氏温标建立之前，171

14、41714年德国物理学家年德国物理学家华伦海脱（华伦海脱（FahrenhitFahrenhit）也是利用了水银体积）也是利用了水银体积随温度变化的属性，建立了华氏温标（随温度变化的属性，建立了华氏温标（“t tF F”表示），这是世界上第一个经验温标。表示），这是世界上第一个经验温标。o把把氯氯化化氨氨、冰冰、水水混混合合物物的的熔熔点点定定为为00，冰冰正正常常熔熔点点定定为为3232，并并作作均均匀匀分分度度，由由此此定定出水的正常沸点为出水的正常沸点为212212。o摄氏温标与华氏温标摄氏温标与华氏温标t t间的换算关系为间的换算关系为 (四）四）热力学温标热力学温标（Thermodyn

15、amics temperature scale）从温标三要素知，选择不同测温物质或不同测温属性从温标三要素知，选择不同测温物质或不同测温属性所确定的温标不会严格一致。所确定的温标不会严格一致。o事事实实上上也也找找不不到到一一种种经经验验温温标标.能能把把测测温温范范围围从从绝绝对对零零度度覆覆盖盖到到任任意意温温度度。应应引引入入一一种种不不依依赖赖测测温温物物质质、测测温温属属性性的的温温标标。正正因因为为它它与与测测温温物物质质及及测测温温属属性性无无关关，它它已不是经验温标，因而称为绝对温标或称热力学温标。已不是经验温标，因而称为绝对温标或称热力学温标。o国际上规定热力学温标为基本温标

16、，一切温度测量最终国际上规定热力学温标为基本温标，一切温度测量最终都以热力学温标为准。都以热力学温标为准。o虽虽然然热热力力学学温温标标只只是是一一种种理理想想化化的的温温标标，但但它它却却与与理理想想气气体体温温标标是是一一致致的的。只只要要在在理理想想气气体体温温标标适适用用的的范范围围内内，热力学温标就可通过理想气体温标来实现。热力学温标就可通过理想气体温标来实现。（五）国际实用温标（五）国际实用温标（International Practical Temperature Scale）o在在理理想想气气体体温温标标能能适适用用的的范范围围内内，热热力力学学温温标标常常以以精精密的气体温度

17、计作为它的标准温度计。密的气体温度计作为它的标准温度计。o但实际测量中要使气体温度计达到高精度很不容易，但实际测量中要使气体温度计达到高精度很不容易，它需要复杂的技术设备与优良的实验条件，还要考虑它需要复杂的技术设备与优良的实验条件，还要考虑许多烦杂的修正因素。许多烦杂的修正因素。o另外，在高温时气体温度计常失去其使用价值。为了另外，在高温时气体温度计常失去其使用价值。为了能更好地统一国际间的温度测量，以便各国自己能较能更好地统一国际间的温度测量，以便各国自己能较方便地进行精确的温度计量，有必要制定一种国际实方便地进行精确的温度计量，有必要制定一种国际实用温标。用温标。o国际实用温标是国际间协

18、议性的温标。国际实用温标是国际间协议性的温标。o目前使用的是目前使用的是19901990年国际温标（年国际温标（IPTS-90IPTS-90）。）。o国国际际实实用用温温标标（19901990）可可分分别别以以热热力力学学温温度度T T9090及摄氏及摄氏t t9090表示。表示。例题例题1 1 铂电阻温度计的测温泡浸在水的三相铂电阻温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时，铂电阻的阻值为点槽内时，铂电阻的阻值为90.3590.35欧姆。当温欧姆。当温度计的测温泡与待测物体接触时，铂电阻的度计的测温泡与待测物体接触时，铂电阻的阻值为阻值为90.2890.28欧姆，试求待测物体的温度，假欧姆，试求待测

19、物体的温度，假设温度与铂电阻的阻值成正比设温度与铂电阻的阻值成正比。解：解：例题例题2 2 定义温标定义温标tt与测温属性与测温属性X X之间的关系之间的关系为为t=lnt=ln（kXkX），式中），式中k k为常数。设为常数。设X X为定容为定容稀薄气体的压强，并假定在水的三相点为稀薄气体的压强，并假定在水的三相点为t=273.16t=273.16，试确定温标，试确定温标tt与热力学温标与热力学温标之间的关系。之间的关系。（1 1）在温标）在温标tt中，冰点和汽点各为多少度中，冰点和汽点各为多少度？（2 2）在温标）在温标tt中，是否存在中，是否存在0 0度？度？解：解：(1)根据理想气体温标根据理想气体温标由题给条件，在三相点时t=273.16，T=273.16K代入式 （3）汽点）汽点T=373.15K代入代入式得式得（4)若t=0，则有不小于不小于0，说明，说明t 有有0度存在，但实际上，度存在，但实际上，在此温度下，稀薄气体可能已液化，在此温度下，稀薄气体可能已液化，0度不能实测。度不能实测。从数学上看，