2024年初中物理竞赛及自主招生专题讲义第六讲热学第一节温度与温标物态变化含解析

Page1第六讲热学热现象是日常生活中最常见的物理现象之一，冰雪溶化、冬雾充满、热胀冷缩等，都和热现象有关。热现象即和温度有关的自然现象。本讲将阐述有关温度温标、物态变更以及物质的比热容的相关学问。第一节温度与温标物态变更一、温度与温标（一）温度温度在宏观上是表示物体冷热程度的物理量，例如，开水的温度要比冰水的温度高。温度在微观上表示分子无规则运动的猛烈程度。物质都是由分子构成的，分子又在永不停息地做无规则运动，但是即使是同一物体内的分子，它们做无规则运动的速率也是不尽相同的，有些分子速率大些，有些分子速率小些，所以每个分子无规则运动的动能也不尽相同。温度事实上是分子平均动能的唯一标记，温度越高，分子做无规则运动的平均动能越大。（二）温标温度的凹凸仅凭人的感觉来推断是不行靠的，温度只能通过物体随温度变更的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。测量温度的工具叫温度计，日常生活中常用的温度计是液体温度计，主要构造是玻璃泡、细管、玻璃管以及测温液体（比如水银、酒精和煤油等）。温度计的测量原理是利用液体的热胀冷缩。如图6.1所示，设温度计的玻璃泡容积为，细管粗细匀称，横截面积为，当温度为时测温液体恰好全部在玻璃泡内，当温度为时测温液体在细管内的高度为，测温液体的体积膨胀系数为（即温度每上升一个单位，体积增加量为原来的倍），则温度从上升到时，液体体积增加了，解得，可见，在这种构造的温度计中，细管中的液柱高度与温度是一次函数关系，即定值。上式亦可写为的形式，即不同的液柱高度对应了不同的温度。这样，我们就可以据此来制定温标，从而精确地测量温度。1．摄氏温标摄氏温标是18世纪瑞典天文学家摄尔西斯建立的，摄氏温标的单位是“摄氏度”，符号为“℃”。摄氏温标定义为：在一个标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0℃，把沸水的温度规定为100℃，在0℃和100℃之间等分100份，每一份就是1℃。现在世界上很多国家都是运用摄氏度作为温度的常用单位。常用的液体温度计，液柱在细管中的高度与温度成一次函数关系。最小分度值相同时，相邻两刻度线之间的距离越大，代表着该温度计越精确。如前文所述。同一种液体（即膨胀系数相同），玻璃泡容积越大，细管的横截面积越小，温度变更相同时，液柱高度变更越大，温度计对温度的变更越敏感，温度计越精确。例1（上海第14届大同杯初赛）量程相同、最小刻度都是1℃的甲、乙、丙三支酒精温度计，玻璃泡的容积甲稍大一些，乙和丙相同，丙玻璃管的内径稍粗一些，甲和乙相同，由此可推断相邻两刻度线之间的距离是（）。A．甲最长 B．乙最长 C．丙最长 D．一样长分析与解结合，变形得，取，于是玻璃泡容积越大，细管内径越小（即越小），则液柱高度的变更越大，因此，甲温度计相邻两刻度线之间的距离最长，本题正确选项为。例2（上海第6届初中物理竞赛复赛改编）一只刻度匀称但刻度线位置不准的温度计，把它放在一标准大气压的沸水中，读数是90℃；把它放在冰水混合物中，读数是6℃。（1）用这只温度计去测量某物体的温度，当它的示数为27℃时，该物体的真实温度是（）A．21℃ B．25℃ C．26℃ D．29℃（2）若温度计示数恰与此时真实温度相同，则真实温度为________。（3）该温度计示数与实际温度的关系式为________（写出详细的函数解析式）。分析与解（1）画出如图6.2所示的示意图，并将真实温度与温度计示数一一对应标出，由于温度计刻度匀称，无论示数是否精确，温度的变更量与细管内液柱的长度的变更量的比值为一恒定值，而液柱长度的变更量可以用温度计的示数变更来表示，因此有，解得，选项B正确。（2）设真实温度为时，温度计示数恰好也为，则有，解得。（3）事实上，温度计示数与实际温度是一次函数关系，不妨设，将（100℃，90℃）以及（0℃，6℃）代入，可解得，此即为温度计的示数与实际温度的函数解析式。2．华氏温标华氏温标由德国物理学家华伦海特建立，符号为“℉”，华氏温标规定：在标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，中间有180等份，每一等份为1℉。与摄氏温标相比，华氏温标的一度要比摄氏温标的一度小，当都精确到整数时，华氏温标比摄氏温标精确。另外，华氏温标的0度比摄氏温标的0度要低，在表达常用温度时，通常可以避开负数的运用。目前世界上只有包括美国在内的少数几个国家在运用华氏温标。例3（上海第26届大同杯复赛改编）1724年，华伦海特引入华氏温度。他把肯定浓度的盐水凝固时的温度定为零华氏度，把纯水凝固时的温度定为32华氏度，把标准大气压下水沸腾的温度定为212华氏度，中间分为180等份，每一等份代表1华氏度。用符号℉表示华氏温度。依据上述文字，回答以下问题：（1）华氏温度与摄氏温度的转换式是什么？（2）在哪个摄氏温度下，华氏温度恰与摄氏温度数值相同？分析与解（1）明显，摄氏温度与华氏温度是一次函数关系，设，将（0℃，32℉）和（100℃，212℉）代入，可得，，解得。（2）令，则，解得。即时，华氏温度的数值也恰为。3．开尔文温标开尔文温标的命名是为纪念英国物理学家开尔文，又称热力学温标、肯定温标。开尔文温标简称开氏温标，用符号表示，是国际单位制七个基本物理量之一，单位为开尔文，简称开，符号为“”。热力学温度又被称为肯定温度，是热力学和统计物理中的重要参数之一。开尔文温标以肯定零度（）为最低温度，规定在一个标准大气压下，水的凝固点的温度为，沸水的温度为，可见，温度变更和变更1℃，变更量是相同的，即，在表示温度差和温度间隔时，用和用℃的值相同。热力学温度与人们惯用的摄氏温度的关系是。当摄氏温度时，肯定温度对应，叫做肯定零度。事实上肯定零度是低温的极限，在这个温度下，分子的无规则运动将停止，肯定零度是无法达到的。二、物态变更通常状况下，物质的存在有三种状态：固态、液态和气态。同一种物体，在不同温度时，所处的状态也可能不同。物质从一种状态变为另一种状态的过程，就叫做物态变更。1．熔化与凝固熔化是指固体变为液体的过程，要吸热。熔化现象比较常见，例如冰块溶化成水。凝固是指液体变为固体，凝固会放热。例如火山喷发出的熔岩凝固成岩石。利用液体凝固放出热量可以起到肯定的保温作用，如深秋初冬的晚上向大棚内灌水防冻害。2．汽化与液化汽化是指液体变成气体的过程，要吸热。汽化分为两种：蒸发和沸腾。蒸发是发生在液体表面的比较缓慢的汽化现象。沸腾是指在液体达到沸点时，液体内部和表面同时发生的猛烈的汽化的现象。蒸发觉象很常见，抹上酒精的毛玻璃片暴露于空气中变干了、夏天洒在地上的水一会儿就干了、晒在太阳下的湿衣服变干都属于蒸发觉象。要使蒸发加快，可以对液体加热、增大液体表面积、加快液体表面空气流淌等。锅中的沸水，随着时间推移，水越来越少，这就是水的沸腾现象，标准大气压下水的沸点为100℃，气压越低，水的沸点越低。同一条件下，不同液体的沸点不同，例如，油的沸点比水高。液化是指气态变为液态的过程，要放出热量夏天，冰棍四周冒“白气”，就是空气中的水蒸气遇冷液化成小水珠形成的。早晨，草木上会有小水滴（液化）；天冷时，暖和的屋子的窗玻璃内部表面出现的水珠；夏天，从冰箱保鲜室取出的原本表面干燥的玻璃器皿，一会儿，表面便有小水珠出现；自来水管外会挂有水珠；戴眼镜的挚友在吃饭时，常常被“拦住”视线；冬天，人的口中会呼出“白气”；秋天会有雾形成；烧开水时，容器盖子上方四周出现的“白气”等，都是液化现象。3．升华与凝华升华是指固体不经过液态，干脆变为气态的过程，要吸热。白炽灯的灯丝（钨丝）变细、冬天冰冻的衣服变干、干冰（固态二氧化碳）变成气体、樟脑丸变小等，都是升华现象。凝华是指气体不经过液态，干脆变为固态的过程，要放热。例如，水蒸气变为雪花、水蒸气变为箱、冬天的雾凇景观、冬天窗子内的冰花、碘蒸气遇冷干脆变成固态碘、用久的灯泡内壁变黑（钨在灯丝处升华，在灯泡壁凝华）舞台用干冰制作的“烟雾”的“烟”（干冰升华吸热，导致温度变低，空气中水蒸气干脆凝华为固态的小冰晶）等，这些都是凝华现象。上述的六种物态变更以及吸热、放热状况，可以用图6.3表示如下。地球上最常见的液体是水，水在不同温度下以不同的形态存在。诸如固态，冰、冰雹是凝固形成的，霜、雾凇和雪是凝华形成的，液态的露珠、雾、雨滴是液化形成的，冬天哈出的“白气”也是液化而成的。气态的水指的是水蒸气，留意水蒸气不行见，可见的是水珠，哈出的“白气”事实上是极其微小的水珠。例4（上海第29届大同杯初赛）有的工厂的烟囱里会冒出“白烟”，主要缘由是（）。A．排出的气体中含有气体遇冷凝聚，形成“白烟”B．排出的热气体与空气中的水滴混合，形成“白烟”C．排出的气体中含有大量的，等混合气体，形成“白烟”D．排出的气体中含有水蒸气遇冷凝聚成小水滴，形成“白烟”分析与解工厂烟囱冒出的气体中，含有大量的高温水蒸气，水蒸气是无色的，我们看不到。但高温水蒸气在空气中遇冷，会液化成小水滴，形成“白烟”。这里的白烟其实不是固体小颗粒，而是极其微小的大量液珠聚在一起形成的。选项正确。例5（上海第26届大同杯初赛）室内温度为20℃，此时用蘸有少量酒精的棉花涂抹一下温度计的玻璃泡，随着酒精的快速蒸发，能比较正确反映温度计示数随时间变更的是（）。ABCD分析与解当在温度计上涂抹酒精时，由于酒精快速蒸发，吸热，因此温度计温度降低，当酒精蒸发完毕，温度计示数要再上升，回到室温。因此选项正确。练习题1．（上海第18届大同杯复赛）同一个物体的温度，可以利用摄氏温标或热力学温标来表示。例如，某一天中午的自来水温度，用摄氏温标表示为20℃，用热力学温标表示为。那么，当自来水的温度上升1℃时，用热力学温标表示这一温度的上升，下列说法中正确的是（）。A．温度上升大于B．温度上升等于C．温度上升小于 D．无法确定温度上升的值与大小的关系2．（上海第7届风华杯复赛）一支刻度匀称但刻度线位置不准的温度计，把它放在1标准大气压的沸水中，读数是97℃，把它放在冰水混合物中，读数是2℃。若用这支温度计去测量某物体的温度时，它的读数恰好等于物体的实际温度，则该物体的温度是（）。A．50℃ B．47.5℃ C．40℃ D．38℃3．（上海第3届大同杯初赛）一支没有分度的温度计旁边放一根毫米刻度尺，温度计的冰点对着刻度处。沸点对着刻度处，温度计的水银柱达到处的温度是（）。A．40℃ B．47℃ C．48℃ D．50℃4．（上海第11届大同杯初赛）一只自制温度计有81根匀称刻线，若把它插入正在溶化的冰水混合物中，水银柱下降到第11根刻线，当把它插入在标准大气压下的沸水中时，水银柱上升到第61根刻线。现选用摄氏温标，这个温度计的测量范围是（）。A．~110℃ B．~138℃C．~140℃ D．~142℃5．（上海第15届大同杯初赛）某刻度匀称但读数不准的温度计，用它测量冰水混合物的温度时，示数是4℃；当冰溶化后，水温上升到某一数值时，发觉它的示数恰好与真实温度相等；让水温再增加10℃，而温度计的示数只增加了9℃。那么，当用此温度计去测量一个标准大气压下的沸水温度时，示数将变为（）。A．92℃ B．94℃ C．96℃ D．98℃6．（上海第30届大同杯初赛）下列说法中正确的是（）。A．北方寒冷的冬天，室内的玻璃窗上会出现冰花，属于凝华现象B．燥热的夏天，雪糕四周出现的“白气”是雪糕升华的水蒸气形成的C．将的冰块放在冰箱的0℃保鲜室中，一段时间后，冰块的内能增加D．用锯条锯木板，锯条的温度上升，是由于锯条从木板中汲取了热量7．（上海第27届大同杯初赛）以下关于“水”的说法中，正确的是（）。A．水沸腾时，产生的气泡在上升的过程中体积肯定变大B．同质量100℃的水蒸气比沸水造成的烫伤肯定严峻C．水沸腾时，温度肯定为100℃D．水温上升，密度肯定减小8．（上海第25届大同杯初赛）近年来全球变暖最主要的缘由是（）。A．被大气汲取的太阳辐射增加B．被大气反射到太空的太阳辐射增加C．被大气汲取的地表辐射增加D．被地表反射到太空的太阳辐射增加9．（上海第24届大同杯初赛）水沸腾时，有大量的气泡产生，气泡中主要是（）。A．小水珠 B．空气 C．水蒸气 D．氧气10．（上海第20届大同杯初赛）下列现象中利用了熔化吸热的是（）。A．运输食品时利用干冰降温防止食品腐烂B．天热时向地上洒水会感到凉快C．游泳后离开泳池时身上会感到有点冷D．向可乐中加冰块会使饮料变得更凉11．（上海第19届大同杯初赛）如图6.4所示，甲容器内装有水，乙试管内也装有水，并通过甲容器密封盖上的孔插入甲容器的水中，且乙试管与密封盖紧密接触。现给甲容器加热，则经过一段时间后（）。A．甲容器内的水先沸腾B．乙试管内的水先沸腾C．甲容器、乙试管内的水同时沸腾D．甲容器内的水沸腾，乙试管内的水不会沸腾12．（上海第10届银光杯复赛）一根水银温度计连水银泡总长，最大刻度处离顶部。将此温度计放入35℃的温水中，液面升到处，离顶部，如图6.5所示。再将此温度计放入40℃的热水中，液面升至离顶部处。此温度计的最大刻度值是________℃，表示人体正常体温的刻度值位置距顶部________。13．（上海第17届大同杯初赛）用一支刻度匀称、但读数不准的温度计来测量某物体的温度时，测量值偏低1℃，当该物体的温度上升10℃，再用温度计来测量物体的温度时，测量值却偏高了0.5℃，将该物体的温度接着上升10℃，此时用温度计来测量时，测量值将________℃（填偏高或偏低多少℃），用这个温度计分别来测量标准大气压下的沸水温度和冰水混合物的温度时，两者的示数差为________℃。参考答案1．B。热力学温度与摄氏温度（℃）的关系是，所以温度上升1℃与上升是相同的。2．C。设读数为时恰与真实温度相同，由于温度计的液柱长度随温度匀称变更，因此实际温度的变更量与读数的变更量比值不变，则有，解得。3．B。当温度计的液柱长度从增加到时，温度从0℃上升到100℃，则液柱长度每增加，温度上升的值为，当液柱从增加到时，液柱长度增加了，温度应上升，因此处的温度应为。选项正确。本题亦可写出温度（℃）与液柱长度的函数关系，即，将代入，也可得。4．C。相邻两根刻度线所代表的温度值为，则该温度计所能测的最高温度为，当液面下降到第1根刻度线（留意不是第0根刻度线）时，为所能测的最低温，所能测的最低温度为。5．B。由题可知读数每上升9℃实际温度上升10℃，设水温为100℃时的读数为，则有，解得。6．AC。寒冷的冬天，室内的水蒸气遇到较冷的窗玻璃会凝华成小冰晶附着在上面，A项正确；夏天冰糕四周的“白气”其实是雪糕四周的水蒸气遇冷液化而成的细小的小水珠，B项错误；的冰温度上升到0℃，内能增加，C项正确；锯木板时锯条的温度上升，是做功变更了锯条的内能，D项错误。7．AB。水沸腾时，底部的水会汽化成水蒸气，形成上升的气泡。气泡上升过程中压强不断变小，体积会变大，A项正确。100℃的水蒸气遇冷时，先放热液化成100℃的水，然后100℃的水放热接着降温，因此水蒸气降