温度是热力学系统中最为迷人的宏观参量。从微观视阈看,它是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的直接度量。为了精确描述气体的状态,我们必须超越感官的“冷热”,建立起一套严密的逻辑坐标——热力学温标。
1. 热平衡:测温的逻辑基石
根据热力学第零定律,如果系统A与B分别与系统C达到热平衡,则A与B必然处于热平衡。这意味着它们拥有一个共同的属性——温度。这是所有温度计(如利用气体压强的压力表式温度计或利用电阻率变化的电阻温度计)能够准确工作的物理底气。
2. 测温媒介的多样化与统一
- 机械效应:伽利略空气温度计利用气体热胀冷缩,双金属温度计利用不同金属膨胀系数导致的弯曲。
- 电学效应:电阻温度计依靠金属电阻率随温度升高的特性;热电偶则通过不同金属连接点的温差产生电动势。
- 逻辑终点:尽管媒介不同,热力学温标消除了对特定物质属性的依赖,以“绝对零度”作为能量降为零的极限,为理想气体状态方程提供了唯一的绝对逻辑起点。
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QUESTION 1
在测定某金属块的比热容时,先把质量已知的金属块放在沸水中加热。经过一段时间后把它迅速放入质量已知、温度已知的水中,并用温度计测量水的温度。当水温不再上升时,这就是金属块与水的共同温度。在这样的叙述中,哪个地方涉及了“热平衡”的概念?将金属块放入沸水中加热
“当水温不再上升时”这一状态
测量水的质量
金属块迅速放入水中的过程
✅ Correct!
“当水温不再上升时”意味着金属块与水之间不再发生宏观上的热量交换,两者的宏观物理性质达到稳定,即达到了热平衡状态。❌ Incorrect
热平衡是指两个系统接触且宏观性质不再随时间变化的状态。请寻找描述状态稳定的词句。QUESTION 2
天气预报某地某日的最高气温是 27 ℃,它是多少开尔文?进行低温物理的研究时,热力学温度是 2.5 K,它是多少摄氏度?
300.15 K; -275.65 ℃
300.15 K; -270.65 ℃
273.15 K; -270.65 ℃
327 K; -270 ℃
✅ Correct!
利用公式 T = t + 273.15:T = 27 + 273.15 = 300.15 K;t = 2.5 - 273.15 = -270.65 ℃。❌ Incorrect
请使用公式 T = t + 273.15 进行换算,注意绝对零度是 -273.15 ℃。QUESTION 3
如图所示,某电阻温度计探头由金属丝组成。若电池电动势和内阻不变,电流表上代表温度 t1, t2 的两点,若 t1 < t2,哪一个对应的电流刻度较大?(已知金属电阻随温度升高而增大)t1 对应的电流刻度较大
t2 对应的电流刻度较大
两者电流刻度相同
✅ Correct!
由闭合电路欧姆定律 I = E/(R+r),电阻 R 越小电流 I 越大。因金属电阻随温度升高而增大,故低温 t1 对应较小的电阻和较大的电流。❌ Incorrect
考虑电阻与温度的正相关性,以及电流与电阻的反比关系。QUESTION 4
常见的金属没有规则的形状,但具有确定的熔点。它们是晶体还是非晶体?晶体
非晶体
准晶体
✅ Correct!
确定的熔点是晶体(包括多晶体)的重要物理特征。常见的金属虽然宏观上没有规则几何外形,但内部原子排列具有长程有序性,属于多晶体。❌ Incorrect
判断晶体与非晶体的关键判据之一是是否有确定的熔点。QUESTION 5
一定质量的理想气体由状态 A (300K, 0.3m³) 等压变化到状态 B (400K),求气体在状态 B 时的体积。0.2 m³
0.4 m³
0.5 m³
0.6 m³
✅ Correct!
根据盖-吕萨克定律 V1/T1 = V2/T2,即 0.3/300 = Vb/400,解得 Vb = 0.4 m³。❌ Incorrect
等压变化遵循体积与热力学温度成正比的规律。实验探究:自制温度计的标定
利用热力学原理分析测温仪器的设计
学生小明利用一段金属丝制成电阻温度计。他发现该金属丝在 0 ℃ 时的电阻为 100 Ω,在 100 ℃ 时的电阻为 140 Ω。假设电阻 R 与摄氏温度 t 成线性关系。
Q
1. 请写出该电阻 R 随热力学温度 T 变化的关系式。
Answer:
首先求 R 与 t 的关系:斜率 k = (140-100)/(100-0) = 0.4 Ω/℃。故 R = 100 + 0.4t。代入 t = T - 273.15,得 R = 100 + 0.4(T - 273.15) = 0.4T - 9.26 (Ω)。
首先求 R 与 t 的关系:斜率 k = (140-100)/(100-0) = 0.4 Ω/℃。故 R = 100 + 0.4t。代入 t = T - 273.15,得 R = 100 + 0.4(T - 273.15) = 0.4T - 9.26 (Ω)。
Q
2. 若小明测得某液体的电阻为 120 Ω,该液体的热力学温度是多少?
Answer:
代入 R = 120 Ω:120 = 100 + 0.4t => 0.4t = 20 => t = 50 ℃。转换为热力学温度 T = 50 + 273.15 = 323.15 K。
代入 R = 120 Ω:120 = 100 + 0.4t => 0.4t = 20 => t = 50 ℃。转换为热力学温度 T = 50 + 273.15 = 323.15 K。