BÀI 2. THANG NHIỆT ĐỘ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Để đo nhiệt độ của vật, người ta sử dụng các loại nhiệt kế có thang đo khác nhau (Hình 2.1). Có những thang nhiệt độ nào và làm thế nào để chuyển đổi nhiệt độ giữa các thang đo ấy?

Giải nhanh:

Các thang nhiệt kế phổ biến là:

• Celsius (^oC);

• Fahrenheit (^oF);

• Kelvin (K)

Cách chuyển đổi nhiệt độ giữa các thang đo:

^oF = ^oC + 32                            ^oC = (^oF - 32)

K = ^oC + 273,15                       ^oC = K - 273,15

1. CHIỀU TRUYỀN NĂNG LƯỢNG NHIỆT GIỮA HAI VẬT CHÊNH LỆCH NHIỆT ĐỘ TIẾP XÚC NHAU

Thảo luận 1: Cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc nhau, hãy dự đoán chiều truyền năng lượng nhiệt giữa chúng. Đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra dự đoán.

Giải nhanh:

- Dự đoán chiều truyền năng lượng: Năng lượng sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp.

- Đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra dự đoán: 

Bước 1: Chuẩn bị vật dụng

• 1 viên bi thép và 1 viên bi nhựa có nhiệt độ khác nhau;

• Bảng ghi chép nhiệt độ;

• Nhiệt kế

Bước 2: Thực hiện

• Đo và ghi lại nhiệt độ ban đầu của 2 viên bi;

• Đặt 2 viên bi tiếp xúc với nhau;

• Đặt nhiệt kế để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của cả 2 viên bi theo thời gian và ghi lại.

Bước 3: Kết luận

Dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của 2 viên bi thép để đưa ra kết luận về chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật.

Thảo luận 2: Trong thời tiết mùa đông giá lạnh, cùng ở trong phòng học, nếu chạm tay vào song sắt ở cửa sổ, ta có cảm giác lạnh, nhưng chạm tay vào bàn gỗ ta có cảm giác đỡ lạnh hơn. Có phải vì chiếc bàn gỗ có nhiệt độ cao hơn không? Vì sao? Làm thế nào có thể biết được nhiệt độ các vật?

Giải nhanh:

Khi chạm vào một vật khác, nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Kim loại, như song sắt cửa sổ, dẫn nhiệt tốt hơn gỗ, nên khi chạm vào song sắt, nhiệt từ tay truyền nhanh hơn, tạo cảm giác lạnh. Ngược lại, gỗ dẫn nhiệt kém, giữ nhiệt từ cơ thể, tạo cảm giác ấm hơn. Để đo nhiệt độ của các vật, có thể sử dụng các thiết bị như nhiệt kế.

Luyện tập: Nêu một vài ví dụ về sự truyền năng lượng nhiệt giữa các vật và cho biết chiều truyền năng lượng nhiệt giữa chúng.

Giải nhanh:

Ví dụ 1: Khi dùng tay để cầm một cốc nước nóng, nhiệt sẽ truyền từ cốc nước nóng sang tay

Ví dụ 2: Khi vớt một quả trứng vừa được luộc chín trong nước nóng ra và bỏ vào một cốc nước lạnh, nhiệt sẽ truyền từ quả trứng sang nước

Ví dụ 3: Khi nhúng đầu một thanh kim loại nóng vào nước, nhiệt sẽ truyền từ thanh kim loại sang nước, làm nước nóng lên, thanh kim loại nguội đi.

2. THANG NHIỆT ĐỘ

Thảo luận 3: Cho biết nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc vật lý nào.

Giải nhanh:

Nhiệt kế thủy ngân hoạt động dựa trên nguyên tắc dãn nở vì nhiệt: khi nhiệt độ thay đổi, thể tích thủy ngân tăng hoặc giảm theo nhiệt độ. Nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ: một số vật liệu có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Bằng cách đo điện trở, ta có thể xác định được nhiệt độ cần đo.

Vận dụng: Hiện nay, người ta có thể đo nhiệt độ bằng cảm biến hồng ngoại. Hãy tìm hiểu thông tin và thực hiện các yêu cầu sau:

- Nêu nguyên lý đo nhiệt độ của cảm biến hồng ngoại.

- Nêu cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại điện tử (Hình 2.2c) để đo nhiệt độ.

Giải nhanh:

Thảo luận 4: Kể tên các thang nhiệt độ mà em biết.

Giải nhanh:

Các thang nhiệt độ phổ biến là: Celsius (^oC), Fahrenheit (^oF) và Kelvin (K)

Thảo luận 5: Dựa vào cách chia nhiệt độ trong thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ Kelvin, hãy chứng minh:

1^oC = của khoảng cách giữa nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết đóng băng và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết (ở áp suất 1 atm);

1K = của khoảng cách giữa nhiệt độ không tuyệt đối và nhiệt độ điểm mà nước tinh khiết tồn tại đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi (ở áp suất 1 atm).

Giải nhanh:

* Chứng minh: 1^oC = của khoảng cách giữa nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết đóng băng và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết (ở áp suất 1 atm);

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết lần lượt là 0^oC và 100^oC

→ Khoảng cách giữa nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết đóng băng và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết là (100^oC - 0^oC)                                                (1)

Trong thang nhiệt độ Celsius, từ vạch 0^oC đến vạch 100^oC được chia thành 100 khoảng bằng nhau 

→ 1^oC =                                                                                      (2)

Từ (1) và (2) → 1^oC = của khoảng cách giữa nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết đóng băng và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết (ở áp suất 1 atm)

* Chứng minh: 1K = của khoảng cách giữa nhiệt độ không tuyệt đối và nhiệt độ điểm mà nước tinh khiết tồn tại đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi (ở áp suất 1 atm).

Nhiệt độ không tuyệt đối là 0K

Nhiệt độ điểm mà nước tinh khiết tồn tại đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi là 273,16K

→ Khoảng cách giữa nhiệt độ không tuyệt đối và nhiệt độ điểm mà nước tinh khiết tồn tại đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi là (273,16K - 0K)                    (1)

Trong thang nhiệt độ Kelvin, từ vạch 0K đến vạch 273,16K được chia thành 273,16 khoảng bằng nhau:

→ 1K =                                                                              (2)

Từ (1) và (2) → 1K = của khoảng cách giữa nhiệt độ không tuyệt đối và nhiệt độ điểm mà nước tinh khiết tồn tại đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi (ở áp suất 1 atm)

Thảo luận 6: Hãy thiết lập biểu thức chuyển đổi nhiệt độ của một vật từ thang nhiệt độ Celsius sang thang nhiệt độ Kelvin và ngược lại.

Giải nhanh:

Vì 0^oC trong thang nhiệt độ Celsius ứng với 273,15K trong thang nhiệt độ Kelvin nên:

K = ^oC + 273,15;            

^oC = K - 273,15.

Luyện tập: 

1. Nhiệt độ của khối khí trong phòng đo được là 27^oC. Xác định nhiệt độ của khối khí trong thang nhiệt độ Kelvin.

2. Một nhiệt kế có phạm vi đo từ 273 K đến 1273 K dùng để đo nhiệt độ của các lò nung.

a) Xác định phạm vi đo của nhiệt kế này trong thang nhiệt độ Celcius?

b) Nếu sử dụng nhiệt kế này để đo nhiệt độ lò nung đang nấu chảy đồng có nhiệt độ nóng chảy là 1803^oC thì nhiệt kế có đo được không? Vì sao? Em có khuyến cáo gì về việc sử dụng nhiệt kế trong tình huống này?

Giải nhanh:

1. Vì T = t + 273,15 nên nhiệt độ của khối khí 27^oC trong thang nhiệt độ Kelvin là: 27 + 273,15 = 300,15K

2. 

a) Vì t = T - 273,15 nên: 273K = - 0,15^oC và 1273K = 999,85^oC

→ Phạm vi đo của nhiệt kế trong thang nhiệt độ Celcius là từ -0,15^oC đến 999,85^oC

b) Do nhiệt độ nóng chảy của đồng cao hơn giới hạn đo của nhiệt kế này nên không thể đo được. Việc sử dụng nhiệt kế cần phải xác định được khoảng nhiệt độ cần đo để chọn nhiệt kế có giới hạn đo thích hợp, nếu chọn nhiệt kế không phù hợp sẽ không cho kết quả chính xác cũng như có thể gây nguy hiểm trong quá trình sử dụng.

BÀI TẬP

1. Kết luận nào dưới đây là không đúng với thang nhiệt độ Celsius?

A. Kí hiệu của nhiệt độ là t.

B. Đơn vị đo nhiệt độ là ^oC.

C. Chọn mốc nhiệt độ nước đá đang tan ở áp suất 1 atm là 0^oC.

D. 1^oC tương ứng với 273K

Giải nhanh:

Đáp án D. 2. Giả sử một học sinh tạo ra một nhiệt kế sử dụng một thang nhiệt độ mới cho riêng mình, gọi là thang nhiệt độ Z, có đơn vị là ^oZ. Trong đó, nhiệt độ của nước đá đang tan ở 1 atm là - 5^oZ và nhiệt độ nước sôi ở 1 atm là 105^oZ.

a) Thiết lập biểu thức chuyển đổi nhiệt độ từ thang nhiệt độ Celsius sang thang nhiệt độ Z.

b) Nếu dùng nhiệt kế mới này đo nhiệt độ một vật thì thấy giá trị 61^oZ, nhiệt độ của vật trong thang nhiệt độ Celsius là bao nhiêu?

c) Nhiệt độ của vật bằng bao nhiêu (theo thang nhiệt độ Celsius) để số chỉ trên hai thang nhiệt độ bằng nhau?

Giải nhanh:

a) Trong thang nhiệt độ Celsius, nhiệt độ của nước đá đang tan ở 1 atm là 0^oC và nhiệt độ sôi ở 1 atm là 100^oC.

* Tại thời điểm đá tan: T_C(1) = 0^oC, T_Z(1) = -5^oZ                                             (1)

* Tại thời điểm nước sôi: T_C(2) = 100^oC; T_Z(2) = 105^oZ                                   (2)

Đặt biểu thức liên hệ giữa T_Z và T_C là: T_Z = a.T_C + b

Thay (1) và (2) vào biểu thức → a = 1,1, b = -5

→ T_Z = 1,1T_C - 5

b) Từ kết quả của ý a) → T_C = 60^oC

c) Chỉ số trên hai thang nhiệt độ bằng nhau → T_Z = T_C 

Thay vào biểu thức liên hệ T_Z = 1,1T_C - 5 → T_C = 1,1T_C - 5 → T_C = 50⁰C