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2021年初中物理竞赛基础版系列讲义-14热膨胀 热传递

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第14讲 热膨胀 热效率
14.1 学习提要
14.1.1 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:①不能超过温度计的测量范围;②温度计的玻璃泡要与被测物体充分接触;③不能将温度计从被测物体中拿出来读数;④读数时视线要与温度内液面相平。
(4) 体温计的特点:①刻度范围为35~42℃;②最小分度值为0.1℃;③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
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0℃~4℃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
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
区别 传热特点 热沿物体传导 靠物质流动传热 沿直线传热
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
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,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。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
14.3.1 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 + 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
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
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
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,使燃烧更加充分并加快烟尘废气排放的速度。
14.3.5 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
1. 摄氏温标规定,____________的温度为0℃,____________________沸水的温度为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

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