Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều 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?

Bài làm chi tiết: 

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 trong quá trình truyền nhiệt. Dưới đây là cách năng lượng nhiệt được truyền trong hai trường hợp khi điều chỉnh vòi nước để cảm nhận nước nóng và lạnh:

- 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.

Tóm lại, trong cả hai trường hợp, năng lượng nhiệt được truyền giữa tay và nước thông qua các cơ chế như truyền nhiệt dẫn và truyền nhiệt bằng chất lỏng. Đối với nước nóng, nhiệt được truyền từ nước sang da tay, trong khi đối với nước lạnh, nhiệt được truyền từ da tay sang 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.

Bài làm chi tiết: 

Để xác định chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật, phương án thí nghiệm được đề xuất với các dụng cụ ở nhà trường là:

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?

Bài làm chi tiết: 

Ta có thể thấy từ kết quả của bảng thí nghiệm, 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?

Bài làm chi tiết: 

Ở bước 2, trong kết quả của bảng thí nghiệm, 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.

Bài làm chi tiết: 

Ta đã kết luận được: 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, trong trường hợp này, 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. Tóm lại, 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

Bài làm chi tiết: 

Cách xác định độ chia trong Thang Celsius:

+ Là thang đo nhiệt độ có một mốc là 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.

+ Thực tế là cả hai mốc nhiệt độ này đều không cố định vì có thể thay đổi nếu áp suất thay đổi. Do đó, các mốc nhiệt độ này được quy ước xác định ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn (1 atm).

Thang nhiệt độ Kelvin, còn được gọi là thang đo nhiệt động, là thang đo nhiệt độ sử dụng mốc gồm hai nhiệt độ cố định:

+ Nhiệt độ không tuyệt đối, được định nghĩa là 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?

Bài làm chi tiết: 

Giải thích cách hiểu:

-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. Vậy cách hiểu “Ở nhiệt độ không tuyệt đối, các chất không còn năng lượng nữa” là không chính xác.

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

Bài làm chi tiết: 

Áp dụng 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.

Bài làm chi tiết: 

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.