温的思维导图

温

定义

• 温度的物理定义：
  • 描述物体冷热程度的物理量。
  • 本质：大量分子无规则运动的剧烈程度的宏观体现。
  • 微观角度：分子平均动能的体现。
  • 区分：并非内能的直接度量，相同的温度下，物质的内能可能不同（例如，质量不同）。
• 温度的统计意义：
  • 大量分子热运动的统计平均结果。
  • 单个分子的温度没有意义。
• 温标：
  • 测量温度的标准。
  • 选取：选取易于复现且温度稳定的现象（如水的三相点）。
  • 分类：摄氏温标、华氏温标、热力学温标（绝对温标/开尔文温标）。

温标详解

摄氏温标（Celsius）

• 定义：规定在标准大气压下，冰水混合物的温度为0℃，沸水的温度为100℃，将0℃与100℃之间分成100等份，每一等份代表1℃。
• 符号：℃
• 缺点：具有任意性，存在负值。

华氏温标（Fahrenheit）

• 定义：规定在标准大气压下，冰水混合物的温度为32℉，沸水的温度为212℉。
• 符号：℉
• 换算关系：℃ = 5/9 (℉ - 32)

热力学温标/绝对温标（Kelvin）

• 理论基础：热力学第二定律，理想气体模型。
• 零点：绝对零度（0 K），理论上分子动能最小的状态。
• 定义：规定绝对零度为0 K，以水的三相点（273.16 K）为参考点。
• 符号：K
• 与摄氏温标关系：T (K) = t (℃) + 273.15
• 优点：具有绝对性，是国际单位制的基本单位之一。
• 重要性：热力学计算、量子力学等领域必须使用。

温度的测量

• 温度计：
  • 原理：利用物质的某种物理性质随温度变化的特性。
  • 分类：
    • 液体温度计：利用液体热胀冷缩的性质。 (酒精温度计，水银温度计)
    • 气体温度计：利用气体压强或体积随温度变化的性质。
    • 金属温度计：利用金属的热膨胀性质。（双金属片）
    • 电阻温度计：利用金属或半导体电阻随温度变化的性质。(热敏电阻)
    • 热电偶温度计：利用热电效应。
    • 辐射温度计：通过测量物体辐射的能量来确定温度。（适用于高温）
• 测量注意事项：
  • 温度计要与被测物体充分接触。
  • 要等待温度计示数稳定后再读数。
  • 读数时视线要与温度计刻度线垂直。
  • 注意温度计的测量范围和精度。

温度对物质性质的影响

• 热胀冷缩：
  • 固体：线膨胀、体膨胀。
    • 线膨胀系数：描述固体材料线膨胀程度的物理量。
    • 应用：双金属片温度计，桥梁伸缩缝。
  • 液体：体膨胀。
    • 反常膨胀：水的反常膨胀（0℃-4℃），对生物生存有重要意义。
  • 气体：受压强和体积影响较大。
    • 理想气体状态方程：PV = nRT
• 相变：
  • 熔化与凝固：吸收或放出热量，温度不变。
  • 汽化与液化：吸收或放出热量，温度不变。
  • 升华与凝华：吸收或放出热量，温度不变。
• 化学反应速率：
  • 温度升高，反应速率通常加快。
  • 活化能：反应所需的最低能量。
• 生物活性：
  • 酶的活性受温度影响。
  • 生物的生存范围有温度限制。

温度与热力学

• 热力学第一定律：ΔU = Q + W
  • 内能（U）：与温度有关。
• 热力学第二定律：
  • 克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。
  • 开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并将其完全转化为功而不引起其他变化。
• 熵（S）：
  • 描述系统混乱程度的物理量。
  • 孤立系统熵增原理：孤立系统的熵永不减少。
• 卡诺循环：
  • 理想的热机循环。
  • 效率：只与高温热源和低温热源的温度有关。

温度的应用

• 工业：
  • 热处理：改变金属材料的性能。
  • 温度控制：化工生产、电子制造。
  • 发电：热电厂、核电站。
• 农业：
  • 温室：调节农作物生长温度。
  • 冷藏保鲜：延长农产品保质期。
• 医疗：
  • 体温测量：诊断疾病。
  • 低温治疗：冷冻疗法。
• 气象：
  • 天气预报：温度是重要参数。
  • 气候研究：全球变暖。
• 日常生活：
  • 烹饪：控制烹饪温度。
  • 供暖：提供舒适的室内温度。

特殊的温度现象

• 超导：某些材料在极低温度下电阻变为零。
• 玻色-爱因斯坦凝聚：在接近绝对零度时，大量玻色子占据同一量子态。
• 宇宙微波背景辐射：宇宙大爆炸的余辉，温度约为2.7 K。