高中物理/热

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热力学

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温度与测温仪

温度

Galileo Thermometer

温度是表示物体冷热的物理量。 物体的温度(冷热)微观上可视为物体内粒子运动的剧烈度，温度的高低以物体内粒子的平均动能测量。

温度单位

摄氏度是世界上普遍使用的温度测量单位，符号为℃。 温标通常是以两个固定温度(定点)定义，定点的范围中平均分区的若干等份，称为度。

名称：温度。

单位：摄氏度。

符号：℃

定义：在标准大气压下，纯水的凝固点为0℃(低定点)，水的沸点为100℃(高定点)，中间划分为100等份，每等份为1℃(度)。

其他常见单位：°F（华氏度）、K（绝对温度）。

换算关系：

${}^{\circ }C={\frac {5}{9}}({}^{\circ }F-32)$

${}^{\circ }F={\frac {9}{5}}{}^{\circ }C+32$

$K={}^{\circ }C+273.15$$K={\frac {5}{9}}{}^{\circ }F+255.37{\dot {2}}$

绝对零度

一个物体内粒子的平均动能减少，温度亦随之下降。当平均动能减少达到极限时，温度亦不能再下降。 这个达到极限的温度称为绝对零度，绝对零度(0K)为-273.15℃。

温度计

温度计是用来测量物体温度或者温度梯度的仪器。温度计有各式各样的类型，运用不同原理来测量，例如冷缩热胀、电阻大小、红外线、浮力(见右图Galileo Thermometer)。 液体温度计是日常生活普遍使用的测温仪，水银和酒精经常用作管内的液体；其原理是冷缩热胀，温度较高时管内的液体体积变大，液体上升到较高尺度的位置。

水银和酒精温度计之分

mercury-in-glass thermometer

*	水银温度计	酒精温度计
好	可量度最高温度达357℃	可量度最低温度达-115℃
	对温度的变化能迅速反应	酒精没有毒
坏	量度的最低温度只有-38℃	量度的最高温度只有110℃
	水银有毒	对温度变化的反应慢

各温度计比较

温度计种类	原理运作	主要用途
液体温度计	液体的体积增加或下降	天气记录和实验室使用
红外线温度计	当物体的温度增加时，它发出的红外线辐射量就会增加	量度人体体温
旋转式温度计	双金属片曲率的大小	用作烤箱和冰柜的恒温装置
电阻温度计	当温度上升，金属线圈的电阻增加而安培计的读数下跌	测量烤炉和引擎的温度
热敏电阻温度计	当温度上升，热敏电阻器的电阻下降而安培计的读数增加	测量人体和电子器材的温度
液晶体温度计	液晶体的颜色变化	测量人体和水族馆的温度

如何校准温度计?

如果有一个没有温标的温度计，我们可以用以某个物质已知的定点(凝点和沸点)来到校准。

校准液体温度计

1. 把未标记的温度计放进正在溶解的冰(凝点0℃)，并记下它的位置。
2. 把它放进沸腾的水(沸点100℃)，亦是记下它的位置。
3. 量度水的凝点和沸点在温度计的距离。
4. 将量得的长度平均分为100份，每份就是1℃。

PS.若不使用水的凝点和沸点作校准，可使用其他已知凝点和沸点的物质，方法类似以上。

校准电阻温度计

1. 把未标记的温度计放进正在溶解的冰(凝点0℃)，并记下测量到的电阻。
2. 把它放进沸腾的水(沸点100℃)，亦是记下它的电阻。
3. 计算水的凝点和沸点在温度计测量到的电阻之差。
4. 将电阻的差平均分为100份，每份就是1℃。

PS.若不使用水的凝点和沸点作校准，可使用其他已知凝点和沸点的物质，方法类似以上。

温度计液体高度/电阻和温度的关系

液体温度计内液体的高度和测量得到温度有以下关系:

${\frac {L_{2}-L_{1}}{L_{3}-L_{1}}}={\frac {T_{2}-T_{1}}{T_{3}-T_{1}}}$

L=液体高度

T=温度

$L_{3}>L_{2}>L_{1}$

$T_{3}>T_{2}>T_{1}$

$L_{3}$，$L_{2}$，$L_{1}$分别为温度$T_{3}$，$T_{2}$，$T_{1}$时温度计液体的高度。

电阻温度计的电阻读数:

${\frac {R_{2}-R_{1}}{R_{3}-R_{1}}}={\frac {T_{2}-T_{1}}{T_{3}-T_{1}}}$

R=电阻读数

T=温度

$R_{3}>R_{2}>R_{1}$

$T_{3}>T_{2}>T_{1}$

$R_{3}$，$R_{2}$，$R_{1}$分别为温度$T_{3}$，$T_{2}$，$T_{1}$时温度计的电阻读数。

习题

★=☆☆

1.以下哪项是不可能达到的温度。

A.284°F	B.-1°C
C.-273.15K	D.-300°F

2.以下哪项是水银温度计可测量的最高温。

A.284.75°F	B.630.15K
C.273.15K	D.357°C

3.请解析伽利略温度计的运作原理。★

4.以下哪项不是天文台用作量度天气的测温仪。☆

A.转动式温度计	B.酒精温度计
C.电阻温度计	D.水锒温度计

5.一个电阻温度计电阻线圈电阻为24Ω和56Ω分别在水的溶点和沸点。
  如果温度为32°C，即电阻线圈的电阻是?☆

6.一个酒精温度计的酒精液体高度为4cm和32cm分别在水的溶点和沸点。
  如果酒精液体高度为144mm，即温度是?★
  (请以°F作答案单位)

Bimetall-Zeigerthermometer

7.一个温标错误的温度计，测量溶解中的冰和沸腾的水得到的数值
  分别为5°C和194°F，如果有一个正确的温度是34°C，
  那温度计读得的温度应为?★★☆
  (提示:请阅上方温度计液体高度/电阻和温度的关系)

8."世界上存在绝对零度，但是所有物质的温度绝对不可能达到。"
  请评论以上句子。★★

9.右图为双金属棒状温度计，试解析其运作原理。★

物质基本三相

固态、液态、气态

物质状态	普通属性	粒子运动
气态	不固定的形状和体积	粒子相距较远，高速的运动，动能比较高
液态	不固定的形状和固定的体积	粒子并拢，可自由运动
固态	固定的形状和体积	粒子紧紧相扣，不易进行运动

常见的物质三相转化温度

物质	凝点	沸点	物质	凝点	沸点
纯水	0°C	100°C	氧	-222.80°C	-182.97°C
酒精	−114.3°C	78.4°C	氮	-210.01°C	-195.80°C
水银	-38.83°C	356.73°C	氯化钠	801°C	1465°C
铁	1538°C	2862°C	二氧化碳	-78°C	-57°C
铜	1084.4°C	2567°C	碳	3550°C	4827°C
铝	660.3°C	2518 °C	石灰	2572°C	2850°C
铅	327.46°C	1749°C	氯	−101.5°C	−34.04 °C

PS.标准大气压下

热传递

假设有两个物体(任何状态的物质)，彼此的温度不同。当两个物体接触时，温度较高的物体就会把能量转移到温度较低的物体， 令他们的温度达致平衡。而由于温度差别而转移的能量就称为热量，热量总是由高温物体向低温物体传递。 物体因温度不同而传递能量的过程，我们称之为热交换或热传递。
热量指的是物体间能量的流动所作的功。作功的有关内容请阅力与运动或 维基百科功

名称：热量。

单位：焦耳。

符号：Q

定义：一焦耳能量相等于施加一牛顿的作用力于任意物件，使之移动一米距离。

其他常见单位：Wh（瓦特·小时）、cal（卡路里）、TNT（爆炸当量）。

换算关系：

$1\mathrm {cal} =4.184\mathrm {J}$

$1\mathrm {Wh} =3600\mathrm {J}$

$1\mathrm {gTNT} =4184\mathrm {J}$

内能

上段提到热传递时，能量会由高温物体转移到低温物体以达致等温。物体所交换的为粒子的内能，任何物质都有一定数量的内能。内能即物体内所有粒子(或称所有构成物体的粒子)的势能和动能总和。
而粒子的势能视物体的状态而定。当物质为固态，粒子的运动极少所以粒子的势能亦较低；相反当物质为气态，粒子的运动高速所以粒子的势能亦较高。各状态的粒子势能关系为气态时最高，液态时比气态时较低又比固态时较高，固态时最低。要注意的是粒子势能与力学所说的势能有所不同，切勿混为一谈。

热交换方式

热对流，液体的冷热流动

在热传递时，热会以不同的方式传送。热交换的方式主要上有三种：传导、对流、辐射。三种热交换分别为不同状态的物质之传递方式。
热传导是固体和固体之间的热流动，是固体的一个分子向另一个分子传递震动能的结果。
热对流是流体(液体、气体)的运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。流体冷的部份(密度高)会受地球重力而热的部份(密度低)上升，见右面示意图。空调就是利用对流的原理，令室温下降，所以冷气机总是设置在室内上方。
热辐射是一种物体用电磁波(主要为红外线)的形式把热能向外散发的热传方式。它不受物质状态的限制，例如固体或液体与大气进行热传递，会以辐射的方式把热向外散发。太阳会以电磁波的方式通过太空，大气把热传递到地球表面。

热量

热容

物体在某过程中，升高（或降低）单位温度时都会从外界吸收（或放出）的热量。从外界吸收（或放出）的热量与物体升高（或降低）单位温度之商数，即能量的变化（吸收或放出）除以温度的变化（升高或降低）之值，就是热容。

名称：热容。

单位：J/K或J/℃

符号：C

定义：某物质在一定条件下温度升高1度所需要的热。

定义式：$C={\frac {Q}{\Delta T}}\,\!$

此公式上，$C$是指热容，$Q$是指物体吸引或放出的热， $\Delta T$是指温差（物体升高或降低的温度量）
假设一杯水，质量为2kg，它的温度由20℃上升80℃使用了504000J的能量，热容即为8400J/℃

以下内容不属于高中（中国大陆）大纲/课标内容：
补充说明：
需要注意的是，物体的热容包括恒压热容 $C_{p}$和恒容热容$C_{v}$之分，对于液体及固体来说，二者数值区别不大，但对于气体来说则不然。

比热

比热又称比热容，与热容的定义相似。
比热就与质量成反比，假设有两个物体，热容都是一样，其中一个质量较大的物体就有较小的比热。当比热容越大，该物质便需要更多热能加热。以水和油为例，水和油的比热容分别是4200J·(kg·℃)^-1和2000J·(kg·℃)^-1，即把水加热的热能比油多出约一倍。若以相同的热能分别把水和油加热的话，油将比水较快升温。

名称：比热。

单位：J·(kg·℃)^-1或J·(kg·K)^-1

符号：c

定义：单位质量的某种物质升高单位温度所需的热量。

定义式：$c={\frac {Q}{m\Delta T}}\,\!$

此公式上，$c$是指比热，$Q$是指物体吸引或放出的热， $\Delta T$是指温差（物体升高或降低的温度量），$m$是指质量。

假设一杯水，质量为2kg，它的温度由20℃上升90℃使用了588000J的能量，比热即为4200J·(kg·℃)^-1

常见物质比热表

物质	相态	比热J·(kg·℃)-1	物质	相态	比热J·(kg·℃)-1
水	液	4200	水蒸气	气	1850
冰	固	2060	油	液	2000
铜	固	385	玻璃	固	600
铁	固	450	石绵	固	840
水银	液	139	酒精	液	2460
砖	固	750	空气	气	1020

热力学定律

分子热运动

物体都是由分子组成的，而分子在不断的运动，这种运动的剧烈程度表现为宏观的温度，我们就把分子的这种与温度有关的运动称为分子的热运动。

功和内能

内能，为热力学系统内部微观的内位能与内动能，包括分子、原子、质子、中子、电子、夸克等各种粒子的移动能、转动能、振动能与粒子间因相吸或相斥而产生的位能。

• 系统内能只与温度有关。其内能只能写成U(T).
• 所以系统内能与其他热力学物理量 Q, W 无明显关系。
• 所以系统内能与热力学 Q, W之 变化路径无关。

热机的工作原理

• 热机，Heat Engine, 是一种热力学系统，例如汽油机、柴油机、蒸汽机：透过循环过程从高温热储存环境(Heat Reservoir)吸取热量，其中一部分热量由系统对外做功，剩下的热量则释放于低温冷储存环境(Cold Reservoir)。

• 冷机，Refrigerator, 是一种热力学系统，实施热机的反向操作：透过外界对系统做功，将热量从低温冷储存环境(Cold Reservoir)抽出，连同先前系统自外界获得的功所转化成之额外热能，合并后，全数释放于高温热储存环境(Heat Reservoir)。

热力学第零定律

• 热平衡－一被“透热壁”隔开之二系统之状态不再随时间改变而改变，则叫做‘达到“热平衡”’。
• 两个独立系统，分别与第三个独立系统成热平衡的时候，原来的两独立系统也必然是成热平衡。
  • 与逻辑三段论非常类似。
  • 若 A及 B 各自与 C 达成“热平衡”，则 A 与 B 达成‘热平衡’。
• “温度”就是决定两系统是否达成“热平衡”的新性质。
• 所有达成同一“热平衡”状态的一组系统，可以用一个数值来代表其共同的温度。
• 温标 (Temperature Scale)的建立，就是选取一套 用来赋予“温度”以“数值”概念来理解的规则。

热力学第一定律

• 热力学第一定律是能量守恒的推论。
• 一热力学系统吸热能, 部份能量会增加系统温度，也就是增加系统内能 U，剩下的能量由系统对外做功 W。
  • 系统自外界吸热时，Q 为正值；系统对外界做功时，W 为正值。
  • 一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量于外界对它做的功的和，可以用公式表示为△U=W+Q

热力学第二定律

热力学第二定律是在叙述热力学过程的不可逆特性，热力学独立系统会自发地趋向最大混乱程度，即最大熵值的热力学平衡状态演进。 此一定律有许多种表述，其中最具代表性的是克劳休斯(Clausius) 叙述（1850年）和卡尔文 (Kelvin) 叙述（1851年），这些叙述都可被证明是等价的。

卡尔文叙述

不可能从单一热源吸收能量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。（这里所说“不可能从单一热源吸收热量”，意思是：不仅要从一个热源吸热，而且一定会向另一个热源放热）

热力学第二定律的卡尔文表述阐述了机械能于内能转化的方向性：机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转化为机械能。

简言之：完美热机不存在！

克劳休斯叙述

不可能把热量自发的从低温物体传递到高温物体而不产生其他影响。

热力学第二定律的克劳休斯叙述阐述的是传热的方向性。在这个表述中，“自发”二字指的是：当两个物体接触时，不需要任何第三方的介入、不会对任何第三者产生任何影响，热量就能从一个物体转向另一个物体。当两个不同的物体接触时，这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。

简言之：完美冷机不存在！

熵

1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。 在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫做孤立系统。 在自发过程中，系统总是自发性地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。

能量的守恒与耗散

能量守恒是自然界的普遍规律，根据能量守恒定律，物理界发现和解释了许多科学现象。

能量守恒定律可以表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，他只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转换或转移的过程中，能量的总量保持不变。

能量守恒定律是自然科学长期发展和进步的结果，是普遍、和谐、可靠的自然规律之一。