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 rút gọn: 

 Cách năng lượng nhiệt được truyền trong hai trường hợp trên là:

- Nước nóng:

+ Khi vòi nước được điều chỉnh để 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. Các 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 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. Các 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 rút gọn:

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:

Bước 1:

- Đổ nước trong bình vào hai cốc. Đo nhiệt độ nước ở hai cốc lúc này.

– 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 rút gọn:

Từ bảng 3.1: nhiệt độ của 2 cốc lúc đầu và lúc sau đều không đổi và bằng nhau, tức là không có sự thay đổi về năng lượng nhiệt của 2 cốc, 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 rút gọn:

Ở bước 2: nhiệt độ nước của hai cốc có sự thay đổi năng lượng nhiệt, cốc (1) nhiệt độ tăng từ 22,5^oC lên 24,5^oC (năng lượng nhiệt tăng), cốc (2) nhiệt độ giảm từ 42,6^oC xuống 36,5^oC (năng lượng nhiệt giảm). 

Kết luận: cốc (2) truyền nhiệt và cốc (1) nhận nhiệt.

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 rút gọn: 

Kết luận: 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. 

Ta thấy nước đá có nhiệt độ thấp hơn đồ uống, do đó nhiệt lượng từ đồ uống sẽ truyền tới nước đá, làm cho nước đá tăng nhiệt độ và đồ uống cũng sẽ giảm nhiệt độ theo. 

Vậy nhiệt lượng truyền từ đồ uống sang nước đá.

II. THANG NHIỆT ĐỘ

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

Giải rút gọn:

Thang Celsius:

+ Gồm 2 mốc: nhiệt độ nóng chảy của nước đá tinh khiết (quy ước là 0 °C) và mốc còn lại là nhiệt độ sôi của nước tinh khiết (quy ước là 100 °C). Khoảng giữa hai mốc nhiệt độ này được chia thành 100 khoảng bằng nhau.

+ Các mốc nhiệt độ này được quy ước ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn (1 atm).

Thang nhiệt độ Kelvin (thang đo nhiệt động), là thang đo nhiệt độ sử dụng mốc gồm hai nhiệt độ cố định:

+ Nhiệt độ không tuyệt đối  0 K;

+ Nhiệt độ mà nước đá, nước và hơi nước có thể cùng tồn tại, được định nghĩa là 273,16 K (tương đương với 0,01°C).

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

Giải rút gọn: 

Cách hiểu trên không chính xác.

Bởi vì: 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, 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 rút gọn:

Ta có: 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 rút gọn:

1. Chuyển đổi nhiệt độ Celsius sang Kelvin:  T (K) = t (^oC) +273.15

T có: 24^oC = 297.15 K và 17^oC = 290.15 K

Độ chênh lệch nhiệt độ này theo thang đo Kelvin là:  297.15 K – 290.15 K = 7 K

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. Độ chênh lệch nhiệt độ theo thang Celsius: 7,2^oC - (-20)^oC = 27,2 ^oC

Độ tăng nhiệt độ trong 2 phút đó theo thang Kelvin là 27,2 K.

Nhiệt độ tăng trung bình trong 2 phút theo thang Kelvin là: 27,2 K / 120 s = 0,2267 K/s.