实习教案二温度温标与内能

教学过程

一、引入

      同学们，在本章的一开始我们就说过，热学主要从两个角度研究问题一个微观角度一个是宏观角度，我们之前学习过了布朗运动和扩散现象，我们就从微观上研究了它们的本质，宏观上有一个物理量与它们的运动情况密不可分，这个物理量就是温度，那么这节课我们就来学习本章第四节温度和温标。

二、状态参量与平衡状态

      首先，我们先来探讨本节课的第一个问题状态参量与平衡状态。同学们自己阅读教材第十页上状态参量与平衡态部分。同时思考两个问题，什么是系统的状态参量？什么是平衡态。

      通过阅读教材，我们知道状态参量就是表示系统某种性质的物理量，例如，用温度描述热学性质，用压强描述力学性质，用体积描述几何性质等等。在阅读中我们考虑的第二个问题，什么是平衡态？就是对于一个封闭系统，在经过足够长的时间，系统各部分的状态参量会达到稳定（不随时间变化）,我们说系统达到了平衡态 。举个例子，把不同压强、不同温度的气体混合在同一容器中，在不受外界影响下，经过一段时间后，容器内温度压强就会变得相同，那么系统就达到了平衡态。我们在这里引入平衡态这一概念，就是为了能够更简单的研究热力学系统的性质。

三、过渡

      现在我们知道了平衡态这一概念，他描述的是一个系统的状态。如果我们的研究对象是两个系统呢？我们用什么来描述两个系统在接触后达到平衡状态的关系呢？在这我们要引入热平衡这一概念，就是本节课讨论的第二个问题，即热平衡与温度。

四、热平衡与温度

      一提到平衡，我们就会想到刚才我们讨论的平衡态的概念，是状态参量不再变化。那么关于热平衡我们讨论的是两个系统，这样我们就可以根据平衡态定义热平衡。两个系统接触后,一般各自系统的状态参量发生变化，经过足够长的时间后，两个系统的状态参量不再变化,达到了相同的温度,我们说两个系统达到了热平衡。如果两个系统没有发生过作用，那么热平衡适用这样的情况么，怎么判断两个系统原来是处于热平衡的。当然，热平衡也适用于两个原来没有发生过作用的系统，只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化,就说这两个系统原来就处于热平衡。

     根据热平衡我们还能得到一个定律，就是热平衡定律，即如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统也必定处于热平衡。那么处于热平衡时的两个系统肯定就具有共同的热学性质，前面我们说过描述热学性质的参量就是温度。我们现在就能从热平衡的角度重新定义温度，温度是标志一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量。这与我们在初中所知的温度是描述冷热程度的物理量更深了一层。温度的特征就是“一切达到热平衡的系统都具有相同的温度”。接下来，我们就来讨论一下测量温度的工具温度计和定量描述温度的方法温标。

四、温度计与温标

    在生活中，温度计很常见，那么温度计的原理是什么呢？主要就是根据测温物质的特性来制造温度计。比如水银的热膨胀就可以制造水银温度计，或是固体热膨胀也可以制造双金属温度计，还有因温差产生电动势的大小来制造的热电偶温度计等等。（ppt.图片展示）

      至于温标，为了表示温度的数值，对温度零点、分度方法所做的规定就是温标。温标主要包含三个要素：选择测温物质，确定测温属性，选定温度零点和分度方法。生活中常见的就是摄氏温标、华氏温标。

      现代科学中用到的更多的是热力学温标，也就是开氏温标。他是是用一种理想气体来确立的，它的零点被称为绝对零度（它是宇宙中只能无限接近，但不可能达到的低温的极限）。为了方便起见，开氏温度计的刻度间隔与摄氏温度计上的刻度间隔相一致，也就是说，开氏温度计上的一度等于摄氏温度计上的一度，水的冰点摄氏温度计为0℃，开氏温度计为273.15K。那么热力学温度T与摄氏温度t之间的关系就是T=273.15+t（K）。

五、过渡

通过我们大家对本节的学习，我们主要了解了系统、状态参量、平衡态、热平衡等一系列概念，并根据热平衡定义温度，比我们在初中所理解的温度的意义更深刻。

六、引入

      我们知道物体的运动使物体具有动能，那么分子无规则的热运动也使分子具有动能，我们就称它为分子动能。

七、分子动能

      由于物体内分子是大量的，各个分子的速率大小不相同，因此每个分子的动能的大小也不相同,所以我们计算单个分子的动能是没有意义的，单个分子的运动是无规律的，整体上是有规律的，为了研究大量分子热运动的动能，我们将分子热运动动能的平均值求出来，这个平均值就是分子热运动的平均动能。在我们之前学习扩散现象和布朗运动时，我们知道温度越高布朗运动越剧烈，扩散也越快，这说明分子无规则运动加剧。从而可以说明，温度越高，分子热运动的平均动能增大；相反温度降低分子热运动的平均动能就会降低。当然，在温度升高时，并不是每一个分子动能都增大，存在个别分子的动能可能会减小，也可能有个别分子或几十个几百个分子的热运动动能的大小与温度无关。但是温度只与物体内大量分子热运动的平均动能相对应，所以温度是物体分子热运动的平均动能的标志。

八、分子势能

      根据分子动理论，分子之间具有相互的作用力，分子间距的变化，分子力就会做功，而产生势能，我们就称它为分子势能。这与我们之前力学内容所见过的弹性势能随弹簧长度变化相似，同学们现在看书上15页图7.5-2，就是弹簧长度变化时弹性势能的变化示意图，解释图片。那么这是宏观物体之间势能的变化情况，如果我们将研究角度转移到微观，存在相互作用力的分子之间的分子势能将怎样变化。现在请同学看ppt.上分子间作用力与分子距离关系图。从图中我们看到，当分子间距为r0时，合力为零，如果r>r0时合力表现为引力，此时增大分子间距就要克服引力做功，分子势能随分子间距离增大而增大。相反，如果r 由此可见，分子间距离的变化，导致物体体积的变化，因而分子势能随之改变，那么分子势能与物体的体积有关。

九、内能

      宏观上，我们知道有了动能和势能，它们的总和就是机械能。那么现在我们得知了分子动能和分子势能，它们的总和我们就称为内能。内能就是物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。任何物体都具有内能．因为一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子所组成．

      首先，内能和机械能是两种不同形式的能量，内能与物体温度、体积等因素有关，机械能是由物体做机械运动和物体形变决定的能量。其次，物体具有内能的同时也有可以有机械能，机械能可以为零（可以举例），但是物体里的分子永不停息的做无规则运动，所以一切物体在任何温度下都具有内能（除非是在绝对零度，分子不运动了，但绝对零度达不到，只能无限接近）。

十、结尾

      本节课，我们学习了一些关于热学知识的新概念，从新的角度定义温度，又探讨了由于分子热运动和分子间距离改变产生的能量，内能。通过这些知识使我们对热学又有了新的理解，让我们对宏观与微观之间的联系有了更深刻的认识。