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第14講 熱膨脹 熱效率
14.1 學習提要
14.1.1 溫度及溫度計
1. 溫度
溫度是表示物體冷熱程度的物理量。它的國際單位是開爾文，簡稱開（K）。
2. 溫度計
溫度計是測量溫度的儀表。常用的有水銀溫度計、煤油溫度計和酒精溫度計。
（1） 原理：常用溫度計是利用液體熱長冷縮的性質制成的。
（2） 溫標：溫度的測量標準。
攝氏溫標的分度法：把一個標準大氣壓下冰、水混合物的溫度規定為零度，記為0℃；一標準大氣壓下沸水的溫度規定為100度，記作100℃；把0℃和100℃分成100等分，每一等分就是1攝氏度。這種分度法還可以擴大到0℃以下和100℃以上。
熱力學溫標是國際單位制中所采用的的溫標，也成為絕對溫標，它的單位是開（K）。熱力學溫標選擇-273.15℃為零點，即0K。熱力學溫標中每1度的大小與攝氏溫標每1度的大小相同。通常在計算結果不要求十分精確時，熱力學溫標和攝氏溫度關系可以寫成
T = 273 + t0
（3） 正確使用溫度計的方法：①不能超過溫度計的測量范圍；②溫度計的玻璃泡要與被測物體充分接觸；③不能將溫度計從被測物體中拿出來讀數；④讀數時視線要與溫度內液面相平。
（4） 體溫計的特點：①刻度范圍為35~42℃；②最小分度值為0.1℃；③可以離開人體讀數，讀數后要將水銀柱甩回到玻璃泡內。
14.1.2 熱膨脹
1.物體熱膨脹的一般規律
物體在溫度升高時，其體積（或面積、長度）增加的現象叫做熱膨脹。大多數物質在溫度升高時，體積（或面積、長度）增加。在相同條件下，固體膨脹得最小，液體膨脹得較大，氣體膨脹得最大。
2. 反常膨脹規律
少數物質在一定溫度范圍內（例如在0℃~4℃之間）溫度升高時體積反而減小，這種現象叫做反常膨脹現象。水、銻、鉍、灰鑄鐵等都有反常膨脹的現象。
3. 熱膨脹在技術上的意義
（1） 固體在溫度改變的時候，膨脹或收縮雖然很小，但當熱膨脹受到阻礙時，產生的力卻很大。
（2） 利用不同材料在相同條件下的熱膨脹不同制成雙金屬片，在自動控制上能夠發揮很大的作用。雙金屬片由兩種大小相同而熱膨脹系數不同的金屬片（如鐵片、銅片）鉚在一起做成。由于銅的熱膨脹系數比鐵大，當加熱雙金屬片時，雖然升高的溫度相同，但銅片的伸長量大，于是雙金屬片向鐵片一側彎曲。待冷卻后，雙金屬片又恢復平直。圖14-1所示，雙金屬片在溫度自動控制裝置中的應用，玻璃罩內溫度變化引起雙金屬片彎曲程度的變化，從而達到控制電路通斷的目的。
（3） 各種儀器、機器、建筑物通常都是用不同材料組合制成，選擇材料時應考慮各種材料的熱膨脹是否相同。

14.1.3 熱傳遞
1.熱傳遞
熱可以從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或者從物體的高溫部分傳到低溫部分。這種現象叫做熱傳遞。
2.熱傳遞的條件
只要物體之間或同一物體的不同部分存在溫度差就會有熱傳遞發生，并且一直持續到溫度相同時為止。
3.熱傳遞的方式
熱傳遞的方式有傳導、對流和輻射三種，見表14-1.
方式 傳導 對流 輻射
區別 傳熱特點 熱沿物體傳導 靠物質流動傳熱 沿直線傳熱
媒介物質 固體傳熱的主要方式 液體、氣體傳熱的主要方式 不需要媒介物質，可在真空中進行
相同點 （1） 必須有溫度差才能進行
（2） 熱總是從溫度高的地方傳向溫度低的地方


14.2 難點解釋
溫度和溫標的區別
溫度反應的是物體的冷熱程度。冷的物體溫度低，熱的物體溫度高。由分子運動論可知，物體是由大量分子組成的 ，而大量分子又在永不停息地作無規則運動，這種分子永不停息的無規則運動越激烈，物體的溫蒂就越高。物體分子無規則運動激烈程度是一種客觀存在，所以溫度本身也是一種客觀存在，它是由物體自身的分子無規則運動激烈程度決定的。
要確定物體溫度的高低，就需要進行測量。測量物體溫度高低的儀器叫溫度計。溫度計是由測溫器經標度而成，例如內有一定量汞的兩端封閉的玻璃管就是測溫器，標度后則成溫度計。而對測溫器進行標度，首先要確定溫度的測量標準，即溫標。溫標的確定是人為的，它可以有不同的確定方法。對應于物體某一確定的溫度，在不同溫標中的示數是不同的。由此可見，對應于某一確定的溫度，僅有一個讀數是沒有意義的，只有說明是某種溫標后它的讀書才有意義。例如我們說水的溫度是5度沒有意義，說水的溫度是5攝氏度才有意義，因為它告訴我們，這是指水的溫度用攝氏溫標量度時是5℃。
14.3 例題解析
14.3.1 計算溫度計的示數
例1 有一支沒有刻度的水銀溫度計，當玻璃泡放在冰水混合物中時，水銀柱的長度為4cm，當玻璃泡放在標準大氣壓下的沸水中時，水銀柱的長度為24cm。求：
（1） 當室溫為22℃時，水銀柱的長度是多少？
（2） 用這支溫度計測某液體溫度時，水銀柱長度為25.4cm，則該液體的溫度是多少？
【點撥】攝氏溫標把冰水混合物的溫度規定為0℃，把標準大氣壓下沸水的溫度規定為100℃，可以利用這一規定再結合題中已知條件，計算出每1℃所對應的水銀柱的長度，或單位長度的水銀柱所對應的溫度，然后解決題中問題。
【解答一】當溫度為0℃時，水銀柱長4cm；當溫度為100℃，水銀柱長24cm，那么每1℃所對應的水銀柱長度為（24-4）cm/（100-0）℃ = 0.2cm/℃
所以溫度為22℃，水銀柱長為L = 4 cm + 0.2cm/℃ * 22℃ = 8.4cm
當水銀柱的長度為25.4cm時，液體溫度t=（25.4-4）cm/0.2 cm/℃ = 107℃
【解答二】先求出單位長度所對應的溫度為（100-0）℃/（24-4）cm = 5℃/cm
所以當溫度為22℃時，水銀柱長度為L=4cm + 22℃/5℃/cm = 8.4cm
當水銀柱的長度為25.4cm時，液體溫度為 t = （25.4-4）cm * 5℃/cm = 107℃。
【答案】8.4cm 107℃
【反思】這是一道典型的跟溫度計示數有關的計算題。其實從攝氏溫標的規定，可以知道水銀溫度計中水銀柱的長度L和所測溫度t之間是一個一次函數的關系：t=aL+b 。同學們可以利用這個式子把例1再做一遍。
14.3.2 解釋熱膨脹現象
例2 把沸騰的水倒入厚玻璃杯內，玻璃杯常會破裂。為什么？
【點撥】解答有關熱現象的問題時，首先必須仔細審題，抓住現象的因果關系；其次，聯系學過的知識，找到所要運用的概念、規律；再次，依據有關知識，說明現象的發生和變化過程；最后要有明確的結論。
【答案】因為玻璃杯厚，且玻璃杯是熱的不良導體，傳熱慢，當沸水倒入杯中時，杯的內外壁受熱不均勻，杯內壁比它的外壁膨脹大得多，這樣杯內壁膨脹受阻產生很大的力造成玻璃杯破裂。
【反思】熱現象是一種常見的生活現象。利用物理知識解釋和說明生活中的問題，不僅可以加深對物理規律的理解，獲得深刻的知識記憶，同時也有益于培養人的一種思考方式和解決實際問題的能力。
14.3.3 熱傳遞的應用
例3 如圖14-2所示的煤油燈，其燈罩的作用是什么？

【點撥】燃燒需要充足的氧氣，加快空氣對流，就增加了新鮮空氣的供應量。
【解析】煤油在燃燒時要釋放出大量的熱量，生成高溫的氣體，如果這些氣體一直包圍在燈焰的周圍，燈焰馬上就會因為缺氧而熄滅。沒有燈罩的煤油燈燃燒時，燈焰周圍的空氣會受熱后膨脹，密度變小而上升，旁邊新鮮空氣過來填補支持燃燒。但此時由于空氣流速較慢，煤油不能得到充足氧氣而燃燒，油燈火焰發紅，油煙也較多。
【答案】在油燈上增加一個燈罩后，加快空氣的對流，保證了新鮮空氣的供應，使煤油完全燃燒，發出明亮的光。
【反思】格局物體的浮沉條件，冷空氣下降，熱空氣上升，即“冷降熱升”是造成空氣循環流動形成對流的重要條件。工廠屋頂上高高的煙囪，其作用猶如燈罩一樣，也是為了加快對流，使燃燒更加充分并加快煙塵廢氣排放的速度。
14.3.4 熱膨脹與物體幾何形狀的關系
例4 一厚度均勻的直角三角形銅板，均勻受熱膨脹后，它保持不變的量是（）
A 銅板的面積 B 銅板各邊中線的長度
C 銅板的密度 D 銅板的三個角
【解析】三角形銅板在均勻受熱膨脹后，它的面積、中線長度和體積均要變大，因此它的密度要減小。而由于均勻受熱，各部分膨脹的比例相同，所以三角形銅板的三個角不會發生變化。
【答案】D
【反思】格局物體的浮沉條件，冷空氣下降，熱空氣上升，即“冷降熱升”是造成空氣循環流動形成對流的重要條件。工廠屋頂上高高的煙囪，其作用猶如燈罩一樣，也是為了加快對流，使燃燒更加充分并加快煙塵廢氣排放的速度。
14.3.5 熱傳遞的應用問題
例5 鋁制水壺的底上，為什么會有幾個凹凸不平的同心圈？
【點撥】從熱傳遞的角度分析。
【解析】有凹凸不平的同心圈壺底比平的壺底表面積要大些。在爐火相同的情況下，壺底面積大能吸收更多的輻射熱。壺底面積大與水接觸面積也要大一些，這又有利于通過傳導的方式把壺底的熱傳給水，使水沸騰的快一些。
【答案】鋁制水壺底部凹凸不平的同心圈能增大壺底輻射受熱的面積，也增大壺底與水的接觸面積，可以加快熱傳遞。同時凹凸不平的凹凸同心圈還有增大機械強度的作用，使鋁壺耐用。













A 卷
1. 攝氏溫標規定，____________的溫度為0℃，____________________沸水的溫度為100℃。人體的正常體溫為___________℃，用熱力學溫標表示是___________K。若某人由于發熱，體溫從正常體溫升高到39℃，在這個過程中體溫升高了__________℃，升高了___________K。
2. 在相同條件下，氣體、液體和固體的熱膨脹情況相比較，熱膨脹現象最顯著的是_________，最不顯著的是________。這里的相同條件指的是_________相同，_________相同。
3. 用鋁和銅制成平直的雙金屬片，把它放在冰箱里冰凍后，發現雙金屬片向鋁片彎曲，這說明_________比_______的熱膨脹程度大，若對該雙金屬片加熱，它將向_______片彎曲。
4. 開鑿山路時，先用火燒巖石，然后在巖石上潑冷水，巖石就會裂開，這說明固體在_____________會產生很大的力。
5. 如圖14-3所示，一塊燒紅的鐵塊放在地面上，鐵塊周圍的物體會逐漸熱起來，請指出A處的空氣、B處的小球、C處的泥土獲得熱的主要方式：A處是_________；B處是___________；C處是________。A處空氣的流動方向是_________；B處空氣的流動方向是__________（選填“向上”、“向下”、“向左”或“向右”）。
6. 0℃的冰與0℃的水相比較，正確的是（ ）
A. 0℃的冰比0℃的水溫度低
B. 0℃的冰比0℃的水溫度一樣高
C. 0℃的冰比0℃的水冷一些
D. 無法比較0℃的冰比0℃的水的冷熱程度
7. 有兩支外形一樣的常用溫度計，玻璃泡內裝有質量相等的染色煤油，溫度計內管直徑不相同，若將這兩支溫度計插入同一杯熱水中，它們的煤油柱上升的幅度