1、第六讲 热学热现象是日常生活中最常见的物理现象之一，冰雪融化、冬雾弥漫、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、物态变化以及物质的比热容的相关知识。第一节 温度与温标 物态变化一、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剧烈程度。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。温度实际上是分子平均动能的唯一标志，温度越高，
2、分子做无规则运动的平均动能越大。（二）温标温度的高低仅凭人的感觉来判断是不可靠的，温度只能通过物体随温度变化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，细管粗细均匀，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（即温度每升高一个单位，体积增加量为原来的倍），则温度从升高到时，液体体积增加了，解得，可见，在这种构
3、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。现在世界上许多国家都是使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
4、膨胀系数相同），玻璃泡容积越大，细管的横截面积越小，温度变化相同时，液柱高度变化越大，温度计对温度的变化越敏感，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，由此可判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），则液柱高度的变化越大，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）一只刻度均匀但刻度线位置不准的温度计，把它放在一标准
5、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（ ）A21B25C26D29（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_（写出具体的函数解析式）。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，由于温度计刻度均匀，无论示数是否准确，温度的变化量与细管内液柱的长度的变化量的比值为一恒定值，而液柱长度的变化量可以用温度计的示数变化来表示，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）实
6、际上，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准确。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，通常可以避免负数的使用。目前世界上只有包括美国在内的少数几个国家在使用华氏温标。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
7、一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。根据上述文字，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）显然，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、绝对温标。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
8、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绝对温度，是热力学和统计物理中的重要参数之一。开尔文温标以绝对零度（）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，温度变化和变化1，变化量是相同的，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，绝对温度对应，叫做绝对零度。实际上绝对零度是低温的极限，在这个温度下，分子的无规则运动将停止，绝对零度是无法达到的。二、物态变化通常情况下，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
9、的过程，就叫做物态变化。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，例如冰块融化成水。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一定的保温作用，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剧烈的汽化的现象。蒸发现象很常见，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现象。要使蒸发加快，可以对液体加热、增大液体表
10、面积、加快液体表面空气流动等。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，冰棍周围冒“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，温暖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；戴眼镜的朋友在吃饭时，经常被“挡住”视线；冬天，人的口中会呼出“白气”；秋天会有雾形成；烧开水时，容器盖子上方周围出现的“
11、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，直接变为气态的过程，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，直接变为固态的过程，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、碘蒸气遇冷直接变成固态碘、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，空气中水蒸气直接凝华为固态的小冰晶）等，这些都是凝华现象。上述的六种物态变化以及吸热、放热情况，可以用图6.3表示如下。地球上最常见的液体是水，水在
12、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，注意水蒸气不可见，可见的是水珠，哈出的“白气”实际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”，主要原因是（ ）。A排出的气体中含有气体遇冷凝结，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结成小水滴，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
13、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，随着酒精的迅速蒸发，能比较正确反映温度计示数随时间变化的是（ ）。 A B C D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
14、学温标表示为。那么，当自来水的温度升高1时，用热力学温标表示这一温度的升高，下列说法中正确的是（ ）。A温度升高大于B温度升高等于C温度升高小于D无法确定温度升高的值与大小的关系2（上海第7届风华杯复赛）一支刻度均匀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（ ）。A50B47.5C40D383（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（ ）。A40B47C48D
15、504（上海第11届大同杯初赛）一只自制温度计有81根均匀刻线，若把它插入正在融化的冰水混合物中，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，水银柱升高到第61根刻线。现选用摄氏温标，这个温度计的测量范围是（ ）。A110B138C140D1425（上海第15届大同杯初赛）某刻度均匀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；当冰融化后，水温升高到某一数值时，发现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（ ）。A92B94C96D986（上海第30届大同杯初赛）下列说
16、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炎热的夏天，雪糕周围出现的“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，锯条的温度升高，是由于锯条从木板中吸收了热量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一定变大B同质量100的水蒸气比沸水造成的烫伤一定严重C水沸腾时，温度一定为100D水温升高，密度一定减小8（上海第25届大同杯初赛）近年来全球变暖最主要的原因是（ ）。A被大气吸收的太阳辐射增加B被大气反射到太空的太阳辐射增加C被大气吸
17、收的地表辐射增加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
18、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）用一支刻度均匀、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，当该物体的温度升高10，再用温度计来测量物体的温度时，测量值却偏高了0.5，将该物体的温度继续升高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
19、和冰水混合物的温度时，两者的示数差为_。参考答案1B。热力学温度与摄氏温度（）的关系是，所以温度升高1与升高是相同的。2C。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均匀变化，因此实际温度的变化量与读数的变化量比值不变，则有，解得。3B。当温度计的液柱长度从增加到时，温度从0升高到100，则液柱长度每增加，温度升高的值为，当液柱从增加到时，液柱长度增加了，温度应升高，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。4C。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（注意不是第0根刻度线）时，为所能测
20、的最低温，所能测的最低温度为。5B。由题可知读数每升高9实际温度升高10，设水温为100时的读数为，则有，解得。6AC。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；夏天冰糕周围的“白气”其实是雪糕周围的水蒸气遇冷液化而成的细小的小水珠，B项错误；的冰温度升高到0，内能增加，C项正确；锯木板时锯条的温度升高，是做功改变了锯条的内能，D项错误。7AB。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的水放热继续降温，因此水蒸气降温时放出更多的热量，造成的烫伤更
21、严重，B项正确。水在不同的大气压下沸点不同，比如在高山上，气压降低，水的沸点也降低，项错误。水具有反常膨胀的性质，在0至4，水的体积随着温度的升高而减小，密度增大；在大于4时，水的体积随着温度的升高而增大，密度减小。因此水在4时密度最大，选项D错误。8C。地球一方面接受来自太阳的能量，另一方面又不断地向外辐射能量，因此地球表面的温度可以维持在一个稳定的范围内。当地球大气中二氧化碳等温室气体含量增大时，地球向外辐射的能量被大气吸收得更多，导致地球表面平均温度略有升高，造成全球变暖，即温室效应。9C。烧水时，在水的温度还不太高时，会有一些细碎的气泡出现在容器底部，这主要是原来溶解在水中的空气。当水
22、沸腾时，会产生大量的气泡，这是水剧烈汽化产生的水蒸气。10D。A选项是利用于冰升华吸热来制造低温；B和C选项都是因为水蒸发吸热，使物体温度降低；D选项是冰融化吸热，使饮料降温。11B。给容器加热时，甲液体蒸发，由于甲被密封，甲液体上方的压强将大于大气压，其沸点将大于乙液体的沸点，因此，在温度升高的过程中，乙将能从甲中吸热先沸腾。1242，5。当温度从35上升到40时，该温度计的液柱升高了，则液柱每升高表示温度升高，当液柱上升到最大高度时，温度达到最大刻度值，则最高温度为。人体正常温度为37，设表示人体正常温度的刻度距离顶部高度为，则，解得。13偏高2，115。设物体初温为，则测得的温度为，当物体温度为时，测得的温度为，当物体温度为时，设测得的温度为，则有，解得，则测量值将偏高。再设用此温度计测量冰水混合物和沸水时的读数分别为和，则有，解得。
