BÀI 3. THANG NHIỆT ĐỘ

Mở đầu: Tùy theo việc điều chỉnh vòi nước mà khi rửa tay, ta có thể cảm thấy nước nóng hoặc lạnh (Hình 3.1). Năng lượng nhiệt đã truyền như thế nào giữa tay ta và nước trong mỗi trường hợp này?

Giải nhanh: 

Trong quá trình rửa tay, năng lượng nhiệt được truyền giữa tay và nước theo các cơ chế khác nhau, phụ thuộc vào nhiệt độ của nước và cơ chế truyền nhiệt. 

- Nước nóng:

+ Khi vòi nước được điều chỉnh để ra nước nóng, nước chảy ra có nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ của da tay.

+ Nhiệt được truyền từ nước nóng sang da tay chủ yếu thông qua truyền nhiệt dẫn. Điều này xảy ra khi phân tử nước nóng chạm vào da tay, truyền nhiệt từ phần nước nóng đến phần da tay.

- Nước lạnh:

+ Khi vòi nước được điều chỉnh để ra nước lạnh, nước chảy ra có nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ của da tay.

+ Nhiệt được truyền từ da tay sang nước lạnh thông qua truyền nhiệt dẫn. Điều này xảy ra khi phân tử nước lạnh tiếp xúc với da tay, hấp thụ nhiệt từ phần da tay và làm lạnh nước.

I. SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG NHIỆT 

Câu 1: Đề xuất phương án thí nghiệm với các dụng cụ ở nhà trường để xác định chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật.

Giải nhanh: 

Dụng cụ:

- Cốc thủy tinh (1)

- Cốc kim loại (2)

- Nhiệt kế (3)

Phương án thí nghiệm:

- Tìm hiểu công dụng của các dụng cụ nêu trên.

- Lập phương án thí nghiệm với các dụng cụ đó.

Tiến hành:

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ nêu trên.

Bước 1:

- Đổ nước từ trong cùng một bình chứa vào hai cốc. Đo nhiệt độ nước ở hai cốc (nhiệt độ lúc đầu).

– Đặt cốc (2) vào trong (1). Sau hai phút, đo nhiệt độ của nước ở hai cốc (nhiệt độ lúc sau).

Bước 2:

-Giữ nguyên nước trong cốc (1). Đưa cốc (2) ra khỏi cốc (1) và thay nước trong cốc này bằng nước nóng.

– Đo nhiệt độ nước ở hai cốc (nhiệt độ lúc đầu).

– Đặt cốc (2) chứa nước nóng vào trong cốc (1). Sau hai phút, đo nhiệt độ của nước ở hai cốc (nhiệt độ lúc sau).

Quan sát, ghi lại nhiệt độ của các cốc sau mỗi bước và cho ra kết luận.

Câu 2: Ở bước 1 của thí nghiệm này, dựa vào cơ sở nào để suy ra là không có sự truyền năng lượng nhiệt giữa hai cốc nước?

Giải nhanh: 

Từ bảng kết quả ta có thể thấy nhiệt độ của 2 cốc lúc đầu và lúc sau đều không đổi và bằng nhau, nghĩa là không có sự thay đổi về năng lượng nhiệt của 2 cốc, nên sẽ không có cốc nào truyền nhiệt và không có cốc nào nhận nhiệt, từ đó kết luận không có sự trao đổi năng lượng nhiệt giữa 2 cốc.

Câu 3: Ở bước 2 của thí nghiệm này, dựa vào cơ sở nào để suy ra là có sự truyền năng lượng nhiệt giữa hai cốc nước?

Giải nhanh:

Ở bước 2 ta thấy nhiệt độ nước của hai cốc có sự thay đổi sau 2 phút hay có sự thay đổi về năng lượng nhiệt, cốc (1) nhiệt độ tăng từ 22,5^oC lên 24,5^oC hay năng lượng nhiệt tăng, cốc (2) nhiệt độ giảm từ 42,6^oC xuống 36,5^oC, năng lượng nhiệt giảm. Do đó ta có thể kết luận cốc (2) truyền nhiệt và cốc (1) nhận nhiệt, từ đó có sự truyền năng lượng nhiệt giữa hai cốc nước.

Luyện tập 1: Mùa nóng, ta thường dùng nước đá để làm mát đồ uống. Hãy cho biết chiều truyền năng lượng nhiệt trong trường hợp này.

Giải nhanh: 

Năng lượng nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn, cho tới khi nhiệt độ của 2 vật bằng nhau thì không còn sự trao đổi năng lượng nhiệt giữa chúng. Do đó để xác định chiều truyền nhiệt lượng, ta cần xác định vật nào có nhiệt độ cao hơn và vật nào có nhiệt độ thấp hơn

 II. THANG NHIỆT ĐỘ

Câu 4: Nêu cách xác định độ chia trong thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ Kelvin

Giải nhanh:

Trong thang nhiệt độ Celsius, chọn hai mốc nhiệt độ là nhiệt độ của nước đá (nước tinh khiết đóng băng) đang tan ở áp suất 1 atm là 0 °C và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết ở áp suất 1 atm là 100 °C. Từ vạch 0 °C đến vạch 100 °C chia thành 100 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng ứng với 1 °C. Nhiệt độ trong thang đo này được kí hiệu là t. Đơn vị là độ Celsius (kí hiệu: °C).

Trong thang nhiệt độ Kelvin, chọn hai mốc nhiệt độ là nhiệt độ mà tại đó động năng chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên các chất bằng không là 0 K (gọi là độ 0 tuyệt đối) và chọn nhiệt độ nước tinh khiết tồn tại ở đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi là 273,16 K. Trong khoảng giữa hai giá trị nhiệt độ này, chia thành 273,16 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng là 1 K

.Câu 5: Cách hiểu “Ở nhiệt độ không tuyệt đối, các chất không còn năng lượng nữa" có chính xác không? Vì sao?

Giải nhanh: 

0 K được gọi là độ không tuyệt đối, là nhiệt độ mà các phân tử có động năng chuyển động nhiệt bằng không và thế năng tương tác giữa chúng là tối thiểu, nghĩa là ở 0 K thì hệ sẽ có nội năng tối thiểu, ngoài ra tất cả các chất đều có năng lượng cơ bản riêng do đó ở độ không tuyệt đối chúng vẫn có năng lượng nhưng ở mức tối thiểu. 

Luyện tập 2: Xác định các giá trị còn thiếu (?) trên biểu đồ hình 3.3 

Giải nhanh:

Ta xác định bằng công thức:  K = ^oC +273.15.

Vận dụng: 

1. Theo bản tin thời tiết phát lúc 19h50 ngày 27/02/2022 thì nhiệt độ trung bình ngày – đêm trong ngày 28/02/2022 tại Hà Nội là 24°C -17°C. Sự chênh lệch nhiệt độ này trong thang đo Kelvin là bao nhiêu? Từ đó nhận xét về chênh lệch nhiệt độ khi tính trong hai thang đo.

2. Thế giới từng ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ rất lớn diễn ra ở Spearfish, South Dakota vào ngày 22/01/1943. Lúc 7h30 sáng, nhiệt độ ngoài trời là - 20 °C. Hai phút sau, nhiệt độ ngoài trời tăng lên đến 7,2 °C. Xác định độ tăng nhiệt độ trung bình trong 2 phút đó theo đơn vị Kelvin/giây.

Giải nhanh:

1.Ta chuyển đổi nhiệt độ Celsius sang Kelvin bằng cách sử dụng công thức:

 T (K) = t (^oC) +273.15

Từ đó ta xác định được: 24^oC = 297.15 K và 17^oC = 290.15 K

Suy ra độ chênh lệch nhiệt độ này theo thang đo Kelvin là: 

297.15 K – 290.15 K = 7 K

Mà độ chênh lệch theo thang Celsius:

24^oC - 17^oC = 7 ^oC

Nhận xét: độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mốc khi tính trong hai thang đo là như nhau.

2.Từ nhận xét trên ta có độ chênh lệch giữa hai thang là như nhau, do vậy ta chỉ cần xét độ chênh lệch nhiệt độ theo thang Celsius: 

7,2^oC - (-20)^oC = 27,2 ^oC

Từ đó ta xác định được độ tăng nhiệt độ trong 2 phút đó theo thang Kelvin là 

27,2 K.

Do đó nhiệt độ tăng trung bình trong 2 phút = 120 giây theo thang Kelvin là:

27,2 K / 120 s = 0,2267 K/s

Vậy nhiệt độ tăng trung bình trong 2 phút = 120 giây theo thang Kelvin là: 0,2267 K/s.