Giải chi tiết Vật lí 12 CTST 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?

Bài làm chi tiết:

Các thang nhiệt kế phổ biến là:

• Celsius (^oC);
• Fahrenheit (^oF);
• Kelvin (K)

Cách chuyển đổi nhiệt độ giữa các thang đo:

^oF = 95^oC + 32 ^oC = 59 (^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.

Bài làm chi tiết:

- 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?

Bài làm chi tiết:

Khi ta chạm vào một vật khác, quá trình truyền nhiệt sẽ diễn ra theo nguyên tắc nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

Song sắt cửa sổ được làm bằng kim loại thường có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn so với gỗ. Do đó, khi ta chạm vào song sắt, tay ta sẽ mất nhiệt độ nhanh hơn, tạo cảm giác lạnh. Gỗ có khả năng dẫn nhiệt kém hơn, nhiệt độ được giữ lại cơ thể, làm cho ta cảm giác ấm hơn.

Để biết được nhiệt độ của các vật, có thể sử dụng một số thiết bị đo nhiệt độ 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.

Bài làm chi tiết:

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.

Bài làm chi tiết:

Nhiệt kế thủy ngân hoạt động dựa trên nguyên tắc dãn nở vì nhiệt. Cụ thể, khi nhiệt độ thay đổi, chất lỏng thủy ngân trong nhiệt kế cũng sẽ thay đổi, tăng hoặc giảm theo nhiệt độ.

Nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc về sự phụ thuộc điện trở của vật theo nhiệt độ. Cụ thể, một số vật liệu có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Điện trở và nhiệt độ liên hệ với nhau thông qua một biểu thức, bằng cách xác định được điện trở, ta 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.

Bài làm chi tiết:

- Nguyên lý đo nhiệt độ của cảm biến hồng ngoại: 

• Bất kỳ vật thể nào cũng bức xạ năng lượng hồng ngoại và cường độ bức xạ thay đổi theo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại sử dụng năng lượng bức xạ hồng ngoại có bước sóng trong khoảng 8μm-14μm
• Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại được thiết kế để đo nhiệt độ từ xa bằng cách phát hiện năng lượng hồng ngoại (IR) của vật thể. Nhiệt độ càng cao, năng lượng IR phát ra càng nhiều.
• Dựa vào bức xạ IR nhận được, cảm biến sẽ tính ra nhiệt độ của vật thể.

- Cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại điện tử để đo nhiệt độ:

• Đầu tiên, bạn cần mở nắp đậy đầu đo của máy, sau đó ấn nút ON/MEM để khởi động máy. Khi đó, kèm theo 2 tiếng bíp thì các biểu tượng chức năng sẽ xuất hiện trên màn hình LCD.
• Để đo nhiệt độ, bạn cần để đầu đo nhiệt độ cách vật từ 1 đến 3 cm và nhiệt kế cần được giữ nguyên vị trí trong quá trình đo.
• Bạn ấn giữ nút START, trong vòng từ 1 đến 3 giây quá trình đo sẽ hoàn thành, thời gian này còn phụ thuộc vào từng dòng máy. Tiếng bíp dài được vang lên báo hiệu cho bạn quá trình đo đã kết thúc.
• Trong vòng 5 giây, bạn sẽ nhận được kết quả đo nhiệt độ được hiển thị trên màn hình LCD. Để tắt máy, bạn chỉ cần ấn và giữ nút ON/MEM cho đến khi xuất hiện chữ OFF trên màn hình.

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

Bài làm chi tiết:

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 = 1100 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 = 1273,16 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).

Bài làm chi tiết:

* Chứng minh: 1^oC = 1100 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 = 100oC - 0oC100  (2)

Từ (1) và (2) → 1°C = 1100 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 = 1273,16 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 = 273,16K - 0K273,16 (2)

Từ (1) và (2) → 1K = 1273,16 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.

Bài làm chi tiết:

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.

Bài làm chi tiết:

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

Luyện tập 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?

Bài làm chi tiết:

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) 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 không đo được vì vượt quá phạm vi đo của nhiệt kế.

Khuyến cáo: Ước chừng khoảng nhiệt độ của vật cần đo để lựa chọn nhiệt kế có phạm vi nhiệt độ phù hợp, sao cho khoảng nhiệt độ của vật phải nằm trong phạm vi nhiệt độ của nhiệt kế.

BÀI TẬP

Bài 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

Bài làm chi tiết:

Đáp án D. Vì T = t + 273K nên 1^oC = 274K

Bài 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?

Bài làm chi tiết:

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 = TZ+51,1 = 61 + 51,1= 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