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 区别 传热特点 传导 热沿物体传导 对流 靠物质流动传热 辐射 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 （1） 必须有温度差才能进行 相同点 （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。
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