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1、第第 14 讲讲 热膨胀热膨胀 热效率热效率 14.1 学习提要学习提要 14.1.1 温度及温度计温度及温度计 1.温度 温度是表示物体冷热程度的物理量。它的国际单位是开尔文，简称开（K） 。 2. 温度计 温度计是测量温度的仪表。常用的有水银温度计、煤油温度计和酒精温度计。 （1）原理：常用温度计是利用液体热长冷缩的性质制成的。 （2）温标：温度的测量标准。 摄氏温标的分度法：把一个标准大气压下冰、水混合物的温度规定为零度，记为 0； 一标准大气压下沸水的温度规定为 100 度，记作 100；把 0和 100分成 100 等分，每 一等分就是 1 摄氏度。这种分度法还可以扩大到 0以下和
2、100以上。 热力学温标是国际单位制中所采用的的温标，也成为绝对温标，它的单位是开（K） 。 热力学温标选择-273.15为零点，即 0K。热力学温标中每 1 度的大小与摄氏温标每 1 度的 大小相同。通常在计算结果不要求十分精确时，热力学温标和摄氏温度关系可以写成 T = 273 + t0 （3）正确使用温度计的方法：不能超过温度计的测量范围；温度计的玻璃泡要 与被测物体充分接触；不能将温度计从被测物体中拿出来读数；读数时视 线要与温度内液面相平。 （4）体温计的特点：刻度范围为 3542；最小分度值为 0.1；可以离开 人体读数，读数后要将水银柱甩回到玻璃泡内。 14.1.2 热膨胀热膨胀
3、 1.物体热膨胀的一般规律 物体在温度升高时，其体积（或面积、长度）增加的现象叫做热膨胀。大多数物质在 温度升高时，体积（或面积、长度）增加。在相同条件下，固体膨胀得最小，液体膨胀得 较大，气体膨胀得最大。 2.反常膨胀规律 少数物质在一定温度范围内（例如在 04之间）温度升高时体积反而减小，这种 现象叫做反常膨胀现象。水、锑、铋、灰铸铁等都有反常膨胀的现象。 3. 热膨胀在技术上的意义 （1） 固体在温度改变的时候，膨胀或收缩虽然很小，但当热膨胀受到阻碍 时，产生的力却很大。 （2） 利用不同材料在相同条件下的热膨胀不同制成双金属片，在自动控制 上能够发挥很大的作用。双金属片由两种大小相同而
4、热膨胀系数不同 的金属片（如铁片、铜片）铆在一起做成。由于铜的热膨胀系数比铁 大，当加热双金属片时，虽然升高的温度相同，但铜片的伸长量大， 于是双金属片向铁片一侧弯曲。待冷却后，双金属片又恢复平直。图 14-1 所示，双金属片在温度自动控制装置中的应用，玻璃罩内温度变 化引起双金属片弯曲程度的变化，从而达到控制电路通断的目的。 （3） 各种仪器、机器、建筑物通常都是用不同材料组合制成，选择材料时 应考虑各种材料的热膨胀是否相同。 14.1.3 热传递热传递 1.热传递 热可以从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分。这 种现象叫做热传递。 2.热传递的条件 只要物体之间
5、或同一物体的不同部分存在温度差就会有热传递发生，并且一直持续到 温度相同时为止。 3.热传递的方式 热传递的方式有传导、对流和辐射三种，见表 14-1. 方式 传导对流辐射 传热特点热沿物体传导靠物质流动传热沿直线传热 区别 媒介物质固体传热的主要方式 液体、气体传热的主 要方式 不需要媒介物质，可 在真空中进行 相同点 （1）必须有温度差才能进行 （2）热总是从温度高的地方传向温度低的地方 14.2 难点解释难点解释 温度和温标的区别温度和温标的区别 温度反应的是物体的冷热程度。冷的物体温度低，热的物体温度高。由分子运动论可 知，物体是由大量分子组成的 ，而大量分子又在永不停息地作无规则运动
6、，这种分子永不 停息的无规则运动越激烈，物体的温蒂就越高。物体分子无规则运动激烈程度是一种客观 存在，所以温度本身也是一种客观存在，它是由物体自身的分子无规则运动激烈程度决定 的。 要确定物体温度的高低，就需要进行测量。测量物体温度高低的仪器叫温度计。温度 计是由测温器经标度而成，例如内有一定量汞的两端封闭的玻璃管就是测温器，标度后则 成温度计。而对测温器进行标度，首先要确定温度的测量标准，即温标。温标的确定是人 为的，它可以有不同的确定方法。对应于物体某一确定的温度，在不同温标中的示数是不 同的。由此可见，对应于某一确定的温度，仅有一个读数是没有意义的，只有说明是某种 温标后它的读书才有意义
7、。例如我们说水的温度是 5 度没有意义，说水的温度是 5 摄氏度 才有意义，因为它告诉我们，这是指水的温度用摄氏温标量度时是 5。 14.3 例题解析例题解析 14.3.1 计算温度计的示数计算温度计的示数 例 1 有一支没有刻度的水银温度计，当玻璃泡放在冰水混合物中时，水银柱的长度为 4cm，当玻璃泡放在标准大气压下的沸水中时，水银柱的长度为 24cm。求： （1）当室温为 22时，水银柱的长度是多少？ （2）用这支温度计测某液体温度时，水银柱长度为 25.4cm，则该液体的温度是多 少？ 【点拨】摄氏温标把冰水混合物的温度规定为 0，把标准大气压下沸水的温度规定 为 100，可以利用这一规
8、定再结合题中已知条件，计算出每 1所对应的水银柱的长度， 或单位长度的水银柱所对应的温度，然后解决题中问题。 【解答一】当温度为 0时，水银柱长 4cm；当温度为 100，水银柱长 24cm，那么 每 1所对应的水银柱长度为（24-4）cm/（100-0） = 0.2cm/ 所以温度为 22，水银柱长为 L = 4 cm + 0.2cm/ * 22 = 8.4cm 当水银柱的长度为 25.4cm 时，液体温度 t=（25.4-4）cm/0.2 cm/ = 107 【解答二】先求出单位长度所对应的温度为（100-0）/（24-4）cm = 5/cm 所以当温度为 22时，水银柱长度为 L=4cm
9、 + 22/5/cm = 8.4cm 当水银柱的长度为 25.4cm 时，液体温度为 t = （25.4-4）cm * 5/cm = 107。 【答案】8.4cm 107 【反思】这是一道典型的跟温度计示数有关的计算题。其实从摄氏温标的规定，可以 知道水银温度计中水银柱的长度 L 和所测温度 t 之间是一个一次函数的关系：t=aL+b 。同 学们可以利用这个式子把例 1 再做一遍。 14.3.2 解释热膨胀现象解释热膨胀现象 例 2 把沸腾的水倒入厚玻璃杯内，玻璃杯常会破裂。为什么？ 【点拨】解答有关热现象的问题时，首先必须仔细审题，抓住现象的因果关系；其次，联 系学过的知识，找到所要运用的概
10、念、规律；再次，依据有关知识，说明现象的发生和变 化过程；最后要有明确的结论。 【答案】因为玻璃杯厚，且玻璃杯是热的不良导体，传热慢，当沸水倒入杯中时，杯的内 外壁受热不均匀，杯内壁比它的外壁膨胀大得多，这样杯内壁膨胀受阻产生很大的力造成 玻璃杯破裂。 【反思】热现象是一种常见的生活现象。利用物理知识解释和说明生活中的问题，不仅可 以加深对物理规律的理解，获得深刻的知识记忆，同时也有益于培养人的一种思考方式和 解决实际问题的能力。 14.3.3 热传递的应用热传递的应用 例 3 如图 14-2 所示的煤油灯，其灯罩的作用是什么？ 【点拨】燃烧需要充足的氧气，加快空气对流，就增加了新鲜空气的供应
11、量。 【解析】煤油在燃烧时要释放出大量的热量，生成高温的气体，如果这些气体一直包 围在灯焰的周围，灯焰马上就会因为缺氧而熄灭。没有灯罩的煤油灯燃烧时，灯焰周围的 空气会受热后膨胀，密度变小而上升，旁边新鲜空气过来填补支持燃烧。但此时由于空气 流速较慢，煤油不能得到充足氧气而燃烧，油灯火焰发红，油烟也较多。 【答案】在油灯上增加一个灯罩后，加快空气的对流，保证了新鲜空气的供应，使煤 油完全燃烧，发出明亮的光。 【反思】格局物体的浮沉条件，冷空气下降，热空气上升，即“冷降热升”是造成空 气循环流动形成对流的重要条件。工厂屋顶上高高的烟囱，其作用犹如灯罩一样，也是为 了加快对流，使燃烧更加充分并加快
12、烟尘废气排放的速度。 14.3.4 热膨胀与物体几何形状的关系热膨胀与物体几何形状的关系 例 4 一厚度均匀的直角三角形铜板，均匀受热膨胀后，它保持不变的量是（） A 铜板的面积 B 铜板各边中线的长度 C 铜板的密度 D 铜板的三个角 【解析】三角形铜板在均匀受热膨胀后，它的面积、中线长度和体积均要变大，因此 它的密度要减小。而由于均匀受热，各部分膨胀的比例相同，所以三角形铜板的三个角不 会发生变化。 【答案】D 【反思】格局物体的浮沉条件，冷空气下降，热空气上升，即“冷降热升”是造成空 气循环流动形成对流的重要条件。工厂屋顶上高高的烟囱，其作用犹如灯罩一样，也是为 了加快对流，使燃烧更加充
13、分并加快烟尘废气排放的速度。 14.3.5 热传递的应用问题热传递的应用问题 例 5 铝制水壶的底上，为什么会有几个凹凸不平的同心圈？ 【点拨】从热传递的角度分析。 【解析】有凹凸不平的同心圈壶底比平的壶底表面积要大些。在炉火相同的情况下， 壶底面积大能吸收更多的辐射热。壶底面积大与水接触面积也要大一些，这又有利于通过 传导的方式把壶底的热传给水，使水沸腾的快一些。 【答案】铝制水壶底部凹凸不平的同心圈能增大壶底辐射受热的面积，也增大壶底与 水的接触面积，可以加快热传递。同时凹凸不平的凹凸同心圈还有增大机械强度的作用， 使铝壶耐用。 A 卷卷 1. 摄氏温标规定，_的温度为 0，_沸水的温度为
14、 100。人体的正常体温为_，用热力学温标表示是_K。若某人由 于发热，体温从正常体温升高到 39，在这个过程中体温升高了_，升高了 _K。 2. 在相同条件下，气体、液体和固体的热膨胀情况相比较，热膨胀现象最显著的是 _，最不显著的是_。这里的相同条件指的是_相同，_相 同。 3. 用铝和铜制成平直的双金属片，把它放在冰箱里冰冻后，发现双金属片向铝片弯曲，这 说明_比_的热膨胀程度大，若对该双金属片加热，它将向_片弯曲。 4. 开凿山路时，先用火烧岩石，然后在岩石上泼冷水，岩石就会裂开，这说明固体在 _会产生很大的力。 5. 如图 14-3 所示，一块烧红的铁块放在地面上，铁块周围的物体会逐
15、 渐热起来，请指出 A 处的空气、B 处的小球、C 处的泥土获得热的主要 方式：A 处是_；B 处是_；C 处是_。A 处 空气的流动方向是_；B 处空气的流动方向是_（选填 “向上” 、 “向下” 、 “向左”或“向右” ） 。 6. 0的冰与 0的水相比较，正确的是（ ） A. 0的冰比 0的水温度低 B. 0的冰比 0的水温度一样高 C. 0的冰比 0的水冷一些 D. 无法比较 0的冰比 0的水的冷热程度 7. 有两支外形一样的常用温度计，玻璃泡内装有质量相等的染色煤油，温度计内管直径不 相同，若将这两支温度计插入同一杯热水中，它们的煤油柱上升的幅度及示数是（ ） A. 内径小的温度计液柱上升的幅度大，但两支温度计示数相同 B. 内径小的温度计液柱上升的幅度大，且示数也大些 C. 内径大的温度计液柱上升的幅度大，但两支温度计示数相同 D. 两支温度计液柱上升的幅度相等，且示数也相同 8. 哈尔滨冬天气温降得很低，若某一天气温降至25，那么此时湖面上的冰面温度和冰 的下表面与水相接触处的温度分别为（ ） A. -25，-25 B. 0，0 C. -25，4 D. -25，0 9. 量程相同、最小刻度都是 1的甲、乙、丙三支酒精温
