BÀI 3: NHIỆT ĐỘ. THANG NHIỆT ĐỘ. NHIỆT KẾ (VẬT LÍ 12)
Bài học thuộc Chương I: Vật Lí Nhiệt (GDPT 2018) giúp học sinh nắm vững khái niệm trạng thái cân bằng nhiệt, định luật Không của nhiệt động lực học, các thang đo nhiệt độ (Celsius, Kelvin) và nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt kế thông dụng.
I. CẢM GIÁC NHIỆT VÀ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG NHIỆT
1. Cảm giác nóng lạnh của con người có chính xác không?
Giác quan của con người (xúc giác) giúp nhận biết vật nóng hay lạnh nhưng không thể đo chính xác nhiệt độ của vật.
• Nhúng tay trái vào chậu 1 (nước lạnh) và tay phải vào chậu 3 (nước nóng) trong khoảng 1 phút.
• Rút cả hai tay ra và nhúng đồng thời vào chậu 2 (nước ấm).
👉 Kết quả: Tay trái cho cảm giác nước ấm lên, trong khi tay phải lại cho cảm giác nước lạnh đi! Điều này chứng tỏ giác quan con người chỉ cho cảm giác tương đối, muốn đo nhiệt độ chính xác phải sử dụng Nhiệt kế.
2. Trạng thái cân bằng nhiệt
Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, nhiệt lượng sẽ tự động truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.
3. Định luật Không của Nhiệt động lực học
"Nếu hai vật A và C độc lập với nhau cùng cân bằng nhiệt với vật B thứ ba, thì hai vật A và C cũng cân bằng nhiệt với nhau."
💡 Ý nghĩa thực tiễn: Đây chính là cơ sở vật lý để chế tạo và sử dụng nhiệt kế. Khi đặt nhiệt kế (vật B) tiếp xúc với vật cần đo (vật A) cho đến khi đạt cân bằng nhiệt, chỉ số hiển thị trên nhiệt kế chính là nhiệt độ của vật A.
II. CÁC THANG NHIỆT ĐỘ CHUẨN (CELSIUS & KELVIN)
1. Thang nhiệt độ Celsius ($^\circ\text{C}$)
Thang Celsius do nhà thiên văn học Thụy Điển Anders Celsius đề xuất năm 1742, là thang nhiệt độ được sử dụng phổ biến trong đời sống hàng ngày:
2. Thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin ($\text{K}$)
Thang Kelvin do nhà vật lý William Thomson (Chúa tể Kelvin) đề xuất năm 1848, là thang nhiệt độ chuẩn dùng trong hệ đo lường quốc tế SI và nghiên cứu khoa học:
Trong đó: $T$ là nhiệt độ tuyệt đối ($\text{K}$), $t$ là nhiệt độ Celsius ($^\circ\text{C}$).
Đặc biệt: Độ biến thiên nhiệt độ $\Delta T (\text{K}) = \Delta t (^\circ\text{C})$.
III. CÁC LOẠI NHIỆT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Nhiệt kế là dụng cụ dùng để đo nhiệt độ. Nguyên lý chung của nhiệt kế là dựa vào sự phụ thuộc của một đại lượng vật lý theo nhiệt độ.
| Loại Nhiệt Kế | Nguyên Lý Hoạt Động | Ưu Điểm & Ứng Dụng |
|---|---|---|
| 1. Nhiệt kế chất lỏng (Thủy ngân, rượu) |
Dựa vào sự giãn nở vì nhiệt của chất lỏng chứa trong ống thủy tinh hẹp. Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng nở ra và dâng lên. | Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ. Dùng đo nhiệt độ cơ thể (nhiệt kế y tế), nhiệt độ phòng, thời tiết. |
| 2. Nhiệt kế điện trở | Dựa vào sự thay đổi điện trở của kim loại hoặc bán dẫn theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, dao động mạng tinh thể mạnh hơn làm tăng điện trở. | Độ chính xác rất cao, dải đo rộng. Dùng trong phòng thí nghiệm, công nghiệp chế biến và đo nhiệt độ tự động. |
| 3. Nhiệt kế hồng ngoại | Dựa vào việc đo năng lượng bức xạ hồng ngoại do bề mặt vật phát ra. Bức xạ hồng ngoại tỉ lệ thuận với nhiệt độ vật. | Đo không cần tiếp xúc, thời gian cho kết quả siêu nhanh (dưới 1 giây). Dùng đo thân nhiệt y tế, kiểm tra máy móc công nghiệp. |
IV. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Phương pháp giải:
- Biểu thức chuyển đổi tuyến tính giữa thang Celsius ($t\ ^\circ\text{C}$), thang Kelvin ($T\text{ K}$) và một thang nhiệt độ giả định $Z$ ($t_Z\ ^\circ\text{Z}$): $$\frac{t_Z - t_{0,Z}}{t_{100,Z} - t_{0,Z}} = \frac{t_{\text{C}} - 0}{100 - 0}$$ Trong đó: $t_{0,Z}$ là nhiệt độ đá tan ở 1 atm trong thang $Z$, $t_{100,Z}$ là nhiệt độ nước sôi ở 1 atm trong thang $Z$.
- Công thức chuyển đổi Celsius $\leftrightarrow$ Kelvin: $$T (\text{K}) = t (^\circ\text{C}) + 273{,}15 \approx t + 273$$
📝 Ví dụ 1:
Một học sinh tạo ra một nhiệt kế sử dụng thang nhiệt độ $Z$ ($^\circ\text{Z}$). Trong đó, nhiệt độ nước đá đang tan ở 1 atm là $-5^\circ\text{Z}$ và nhiệt độ nước sôi ở 1 atm là $105^\circ\text{Z}$.
a) Thiết lập biểu thức chuyển đổi nhiệt độ từ thang Celsius sang thang $Z$.
b) Nếu dùng nhiệt kế này đo nhiệt độ một vật thấy $61^\circ\text{Z}$ thì nhiệt độ của vật trong thang Celsius là bao nhiêu?
c) Tìm nhiệt độ (theo $^\circ\text{C}$) để số chỉ trên 2 thang nhiệt độ bằng nhau ($t_Z = t_{\text{C}}$).
💡 Hướng dẫn giải:
a) Áp dụng biểu thức chuyển đổi tuyến tính:
$$\frac{t_Z - (-5)}{105 - (-5)} = \frac{t_{\text{C}}}{100} \Rightarrow \frac{t_Z + 5}{110} = \frac{t_{\text{C}}}{100} \Rightarrow t_Z = 1,1 \cdot t_{\text{C}} - 5$$b) Thay $t_Z = 61^\circ\text{Z}$ vào biểu thức vừa thiết lập:
$$61 = 1,1 \cdot t_{\text{C}} - 5 \Rightarrow 1,1 \cdot t_{\text{C}} = 66 \Rightarrow t_{\text{C}} = 60^\circ\text{C}$$c) Để số chỉ trên 2 thang bằng nhau ($t_Z = t_{\text{C}} = t$):
$$t = 1,1 \cdot t - 5 \Rightarrow 0,1 \cdot t = 5 \Rightarrow t = 50^\circ\text{C}$$Kết luận: Nhiệt độ tương ứng là $60^\circ\text{C}$ và tại $50^\circ\text{C}$ thì số chỉ hai thang bằng nhau.
Phương pháp giải:
- Biểu thức tính nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào khi nhiệt độ thay đổi (không xảy ra sự chuyển thể): $$Q = m \cdot c \cdot \Delta T = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1)$$ Trong đó: $m$ là khối lượng ($\text{kg}$), $c$ là nhiệt dung riêng ($\text{J/(kg.K)}$), $\Delta T$ là độ biến thiên nhiệt độ ($^\circ\text{C}$ hoặc $\text{K}$).
- Nếu $Q > 0$: Vật thu (nhận) nhiệt lượng. Nếu $Q < 0$: Vật tỏa nhiệt lượng.
- Đối với hệ gồm nhiều thành phần (ví dụ thùng chứa chất lỏng): $Q = (m_1 c_1 + m_2 c_2 + ...) \cdot \Delta T$.
📝 Ví dụ 2:
Cần cung cấp nhiệt lượng bao nhiêu kilôjun (kJ) để đun $3\text{ lít}$ nước ($m = 3\text{ kg}$) từ nhiệt độ $25^\circ\text{C}$ lên $100^\circ\text{C}$? Biết nhiệt dung riêng của nước là $4186\text{ J/(kg.K)}$.
💡 Hướng dẫn giải:
- Nhiệt lượng cần cung cấp để đun sôi nước:
$$Q = m \cdot c \cdot (t_2 - t_1) = 3 \times 4186 \times (100 - 25) = 3 \times 4186 \times 75 = 941850\text{ J} = 941,85\text{ kJ}$$Kết luận: Cần cung cấp nhiệt lượng $941,85\text{ kJ}$.
📝 Ví dụ 3:
Một thùng nhôm khối lượng $1,2\text{ kg}$ đựng $4\text{ kg}$ nước ở $80^\circ\text{C}$. Tính nhiệt lượng tỏa ra khi nhiệt độ của hệ thùng và nước hạ xuống $20^\circ\text{C}$. Cho biết nhôm có $c_1 = 880\text{ J/(kg.K)}$, nước có $c_2 = 4186\text{ J/(kg.K)}$.
💡 Hướng dẫn giải:
- Cả thùng nhôm và nước đều tỏa nhiệt lượng khi hạ từ $80^\circ\text{C}$ xuống $20^\circ\text{C}$ ($\Delta t = 60^\circ\text{C}$):
$$Q_{\text{tỏa}} = (m_1 c_1 + m_2 c_2) \cdot (t_1 - t_2) = (1,2 \times 880 + 4 \times 4186) \times (80 - 20)$$ $$Q_{\text{tỏa}} = (1056 + 16744) \times 60 = 17800 \times 60 = 1068000\text{ J} = 1068\text{ kJ}$$Kết luận: Nhiệt lượng tỏa ra của hệ bằng $1068\text{ kJ}$.
Phương pháp giải:
- Khi các vật trao đổi nhiệt trong một hệ kín cách nhiệt, áp dụng Nguyên lý cân bằng nhiệt: $$Q_{\text{tỏa}} = Q_{\text{thu}}$$
- Trong đó:
- $Q_{\text{tỏa}} = m_{\text{tỏa}} \cdot c_{\text{tỏa}} \cdot (t_{\text{tỏa}} - t_{\text{cb}})$ (với $t_{\text{tỏa}} > t_{\text{cb}}$)
- $Q_{\text{thu}} = m_{\text{thu}} \cdot c_{\text{thu}} \cdot (t_{\text{cb}} - t_{\text{thu}})$ (với $t_{\text{thu}} < t_{\text{cb}}$)
📝 Ví dụ 4:
Người ta thả một miếng đồng khối lượng $600\text{ g} = 0,6\text{ kg}$ ở nhiệt độ $100^\circ\text{C}$ vào $2,5\text{ kg}$ nước ở $20^\circ\text{C}$. Lấy nhiệt dung riêng của đồng $c_1 = 380\text{ J/(kg.K)}$, của nước $c_2 = 4200\text{ J/(kg.K)}$. Bỏ qua hao phí nhiệt. Tính nhiệt độ của nước khi có sự cân bằng nhiệt.
💡 Hướng dẫn giải:
- Miếng đồng tỏa nhiệt, nước thu nhiệt. Viết phương trình cân bằng nhiệt:
$$Q_{\text{tỏa}} = Q_{\text{thu}} \Leftrightarrow m_1 c_1 (t_1 - t_{\text{cb}}) = m_2 c_2 (t_{\text{cb}} - t_2)$$ $$0,6 \times 380 \times (100 - t_{\text{cb}}) = 2,5 \times 4200 \times (t_{\text{cb}} - 20)$$ $$228 \times (100 - t_{\text{cb}}) = 10500 \times (t_{\text{cb}} - 20)$$ $$22800 - 228 t_{\text{cb}} = 10500 t_{\text{cb}} - 210000 \Rightarrow 10728 t_{\text{cb}} = 232800 \Rightarrow t_{\text{cb}} \approx 21,7^\circ\text{C}$$Kết luận: Nhiệt độ của nước khi cân bằng nhiệt là $21,7^\circ\text{C}$.
📝 Ví dụ 5:
Để xử lý nấm mốc của thóc giống trước khi ngâm, người nông dân dùng nước ấm "3 sôi 2 lạnh" (trộn 3 phần nước sôi $100^\circ\text{C}$ với 2 phần nước lạnh $20^\circ\text{C}$). Nước ấm mà người nông dân thu được có nhiệt độ bằng bao nhiêu?
💡 Hướng dẫn giải:
- Gọi $m$ là khối lượng 1 phần nước. Khối lượng nước sôi là $3m$, khối lượng nước lạnh là $2m$.
- Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt:
$$Q_{\text{tỏa}} = Q_{\text{thu}} \Leftrightarrow 3m \cdot c \cdot (100 - t_{\text{cb}}) = 2m \cdot c \cdot (t_{\text{cb}} - 20)$$ $$3 \cdot (100 - t_{\text{cb}}) = 2 \cdot (t_{\text{cb}} - 20) \Rightarrow 300 - 3t_{\text{cb}} = 2t_{\text{cb}} - 40$$ $$5t_{\text{cb}} = 340 \Rightarrow t_{\text{cb}} = 68^\circ\text{C}$$Kết luận: Nhiệt độ nước ấm thu được bằng $68^\circ\text{C}$.