Giải chi tiết Vật lí 12 KNTT bài 3: Nhiệt độ. Thang nhiệt độ – nhiệt kế

KHỞI ĐỘNG

Làm thế nào để nhận biết được sự truyền nhiệt năng giữa các vật? Ví dụ, làm thế nào để nhận biết: “ Vật nào là vật truyền nhiệt năng, vật nào là vật nhận nhiệt năng; sự truyền nhiệt năng đã dừng lại hay còn đang tiếp tục;…?”

Bài làm chi tiết:

Thông qua sự chênh lệch nhiệt độ, khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, các thí nghiệm chứng tỏ được truyền nhiệt để nhận biết được sự truyền nhiệt năng giữa các vật.

Làm thế nào để nhận biết “ Vật nào là vật truyền nhiệt năng, vật nào là vật nhận nhiệt năng; sự truyền nhiệt năng đã dừng lại hay còn đang tiếp tục;…? Thì ta có thể lấy một ví dụ về quả trứng vừa mới luộc rồi vớt ra cho vào bát nước lạnh, khi đó quả trứng đang rất nóng nó sẽ truyền nhiệt sang cho nước lạnh, và nước lạnh sẽ là vật nhận nhiệt, sự truyền nhiệt năng sẽ dừng lại nếu nhiệt độ quả trứng và nhiệt độ nước lạnh cân bằng nhau.

I. KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘ

Thí nghiệm: 

Chuẩn bị:

• Cốc nhôm đựng khoảng 200 mL nước ở nhiệt độ khoảng 30 (1).
• Bình cách nhiệt đựng khoảng 500 mL nước ở nhiệt độ khoảng 60℃ (2).
• Hai nhiệt kế (3).

Tiến hành:

• Đặt cốc nhôm vào trong lòng bình cách nhiệt sao cho nước trong bình cách nhiệt ngập một phần cốc nhôm ( Hình 3.1).
• Quan sát sự thay đổi nhiệt độ của nước trong bình và trong cốc từ khi bắt đầu thí nghiệm tới khi hai  nhiệt độ này bằng nhau.

Trả lời các câu hỏi sau:

1. Tại sao có thể biết nước trong bình truyền nhiệt năng cho nước trong cốc?
2. Làm thế nào để nhận biết quá trình truyền nhiệt năng giữa nước trong bình và nước trong cốc đã kết thúc?

Bài làm chi tiết:

1.Có thể biết nước trong bình truyền nhiệt năng cho nước trong cốc bởi vì: nước trong cốc đang có nhiệt độ thấp hơn trong bình cách nhiệt. Mà khi đặt cốc nhôm vào bình cách nhiệt thì lúc sau cả cốc và bình cách nhiệt có nhiệt độ khoảng 45℃. Cho thấy được cốc nhôm đã nhận được một lượng nhiệt và bình cách nhiệt mất đi một lượng nhiệt bằng với lượng nhiệt mà cốc nhôm nhận được. Vậy nên ta có thể biết được nước trong bình cách nhiệt truyền nhiệt năng cho nước trong cốc chứ không phải là nước trong cốc truyền cho nước trong bình.

2. Để nhận biết quá trình truyền nhiệt năng giữa nước trong bình và nước trong cốc đã kết thúc. Ta hãy nhìn vào nhiệt kế, khi nào nhiệt kết của nước trong cốc và nước trong bình có nhiệt độ bằng nhau,

Câu hỏi 1: Có thể nói khi hai vật tiếp xúc với nhau thì nhiệt năng luôn tự truyền từ vật có nội năng lớn hơn sang vật có nội năng nhỏ hơn hay không? Tại sao? Tìm ví dụ minh hoạ.

Bài làm chi tiết:

Chưa chính xác khi nói khi hai vật tiếp xúc với nhau thì nhiệt năng luôn tự truyền từ vật có nội năng lớn hơn sang vật có nội năng nhỏ hơn. Bởi vì sự truyền nhiệt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như diện tích tiếp xúc, chất liệu nhiệt, hiệu ứng dẫn nhiệt.

Ví dụ minh họa: Bình cách nhiệt có đá bên trong và một chậu nước ấm. Giả sử nếu thả nguyên cục đá vào nước ấm thì cục đá sẽ tan rất nhanh cho thấy được đá nhận nhiệt từ nước ấm. Nếu cục đá được đặt trong bình giữ nhiệt thì khi thả bình cách nhiệt vào chậu nước ấm sẽ thấy được đá tan lâu hơn do được đặt trong bình cách nhiệt, sự truyền nhiệt đang bị hạn chế bởi bình giữ nhiệt.

II. THANG NHIỆT ĐỘ - NHIỆT KẾ

Hoạt động: Hình 3.3 giới thiệu nhiệt độ của một số sự vật, hiện tượng, quá trình.

1. Nhiệt độ không tuyệt đối là nhiệt độ nào trong hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin?
2. Nêu ý nghĩa của nhiệt độ không tuyệt đối.
3. Hãy dựa vào bảng so sánh hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin  ở Hình 3.2 để chứng minh rằng: mỗi độ chia (1℃) trong thanh nhiệt độ Celsius có độ lớn bằng 1 độ chia (1K) trong thang nhiệt độ Kelvin.
4. Chứng minh công thức chuyển nhiệt độ từ thang Celsius sang thang Kelvin và ngược lại:

Bài làm chi tiết:

1. Nhiệt độ không tuyệt đối là 0 K hoặc -273,15℃ là nhiệt độ thấp nhất trên lí thuyết và được các nhà khoa học xác định.
2. Ý nghĩa: nó cung cấp một phép đo tuyệt đối, không phụ thuộc vào bất kỳ đơn vị nhiệt độ nào. Nhiệt độ mà tại đó mọi phân tử ngừng chuyển động.
3. Nhìn vào thang nhiệt độ Celsius ta thấy: từ điểm đóng băng của nước là 0℃ đến điểm sôi của nước là 100℃ thì giả sử điểm đóng băng cách điểm sôi là 100-0=100. Từ điểm đóng băng 0℃ đến điểm không tuyệt đối là -273,15℃ thì khoảng cách giữa 2 điểm này là 273,15.

Nhìn vào thang nhiệt độ Kelvin ta thấy: từ điểm đóng băng của nước là 273,15K đến điểm sôi của nước là 373,15K thì giả sử điểm đóng băng cách điểm sôi là 373,15-273,15=100. Từ điểm đóng bằng 273,15 K đến điểm không tuyệt đối 0 K thì khoảng cách là 273,15.

Nhìn như vậy thì khoảng cách điểm đóng bằng của nước đến điểm sôi của nước và khoảng cách của điểm đóng băng đến độ không tuyệt tuyết  ở hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin là bằng nhau. Mà nhiệt độ không tuyệt đối là 0 k hoặc -273,15℃ nên ta có thể kết luận mỗi độ chia 1℃ trong thang nhiệt độ Celsius có độ lớn bằng 1 độ chia (1 K) trong thang nhiệt độ Kelvin.

1. Chuyển từ Celsius sang Kelvin: Định nghĩa: 0 °C tương ứng với 273,15 K. Vì mỗi độ chia (1 °C) trong thang nhiệt độ có độ lớn bằng 1 độ chia (1 K) trong thang nhiệt độ Kelvin, nên khi ta tăng nhiệt độ từ 0 °C lên 1 °C, nhiệt độ tương ứng trong thang Kelvin cũng tăng lên từ 273,15 K lên 273,16 K. Do đó, ta có công thức: t(°C) = T(K) - 273,15

 Chuyển từ Kelvin sang Celsius: Ngược lại, khi ta giảm nhiệt độ từ 273,15 K xuống 0 K (nhiệt độ tuyệt đối), nhiệt độ tương ứng trong thang Celsius cũng giảm từ 0℃ xuống -273,15℃. Do đó, ta có công thức: T(K)=t(℃)+273,15.

Câu hỏi: 

1. Chuyển đổi nhiệt độ:
2. Từ thang Celsius sang thang Kelvin: ; ;.
3. Từ thang Kelvin sang thang Celsius: 0 K ; 500 K; 1000 K.
4. Một vật được làm lạnh từ 100℃ xuống 0℃. Hỏi nhiệt độ của vật theo thang Kelvin giảm đi bao nhiêu độ?
5. Thang nhiệt độ Kelvin có những ưu điểm gì so với thang  nhiệt độ Celsius?

Bài làm chi tiết:

1. Chuyển đổi nhiệt độ
2. 270℃= 270 + 273,15= 543,15 K

-270℃ = -270 + 273,15=3,15 K

500℃= 500 + 273,15 = 773,15 K

3. 0K = 0 – 273,15 = -273,15℃

500 K=500-273,15= 226,85 ℃

1000K = 1000 -273,15= 726,85℃

4. Đổi 100 ℃= 373,15 K

       0℃=273,15 K

Nhiệt độ theo thang kelvin giảm đi là: 373,15-273,15=100 K

5. Ưu điểm là:

- Thang nhiệt độ kelvin dùng đơn vị tuyệt đối K, giúp cho phép tính đổi về nhiệt độ trở nên đơn giản hơn.

- 0 K trong thang Kelvin tương ứng với nhiệt độ không tuyệt đối, nơi mà các phân tử không hoạt động, làm cho thang Kelvin trở thành một phép đo tuyệt đối.

Em có thể: 

- Giải thích được các hiện tượng truyền nhiệt năng thường gặp trong đời sống.

- Phân biệt được hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin.

- Chuyển đổi được nhiệt độ Celsius sang nhiệt độ Kelvin và ngược lại.

Bài làm chi tiết:

- Ví dụ một số hiện tượng truyền nhiệt năng thường gặp trong đời sống: Khi xoa hai tay vào nhau thì tay nóng lên vì các hạt cấu trúc, phân tử, nguyên tử trong tay chúng ta dao động nhiều hơn, chuyển động nhanh hơn làm tăng nhiệt năng.

- Trong thang Celsius, điểm đông đá của nước được đặt là 0°C và điểm sôi của nước là 100°C, cả hai điểm này được chia thành 100 phần bằng nhau. Trong thang nhiệt độ K điểm đông đá của nước tương đương với 273.15 K, và điểm sôi của nước ở áp suất tiêu chuẩn là 373.15 K.

• Chuyển từ Celsius sang Kelvin: t(°C) = T(K) - 273,15
• Chuyển từ Kelvin sang Celsius: T(K)=t(℃)+273,15.