Hoạt động Mở đầu (trang 15) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: 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?
Trả lời:
- Có một số thang đo nhiệt độ như thang nhiệt độ Celsius, Kelvin, Fahrenheit,…
- Để chuyển đổi nhiệt độ giữa các thang đo ta sử dụng các công thức chuyển đổi sau:
𝑇(𝐾)=𝑡(°𝐶)+273 : thang nhiệt độ Celsius sang thang nhiệt độ Kelvin.
𝑡(°𝐶)=𝑇(𝐾)−273 : thang nhiệt độ Kelvin sang thang nhiệt độ Celsius.
1. Chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc nhau
Câu hỏi 1 (trang 15) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: 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
Trả lời:
- Chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng và các tính chất nhiệt động học của vật liệu. Năng lượng nhiệt sẽ chuyển từ vật có nhiệt độ cao đến vật có nhiệt độ thấp.
* Đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra
- Vật Dụng:
+ Hai vật: Chọn hai vật có kích thước và vật liệu khác nhau. Ví dụ: một viên thép và một viên nhựa.
+ Bảng đo nhiệt độ: Để đo và ghi lại nhiệt độ của cả hai vật.
+ Timer hoặc đồng hồ báo thức: Để theo dõi thời gian tiếp xúc giữa hai vật.
- Bước Thực Hiện:
+ Ghi chép nhiệt độ ban đầu: Đo và ghi lại nhiệt độ ban đầu của cả hai vật.
+ Tiếp xúc giữa hai vật: Đặt hai vật tiếp xúc với nhau.
+ Bắt đầu đồng hồ: Bắt đầu đồng hồ để theo dõi thời gian tiếp xúc.
+ Ghi chép nhiệt độ theo thời gian: Sử dụng bảng đo nhiệt độ để ghi lại nhiệt độ của cả hai vật theo thời gian.
+ Kiểm tra sự thay đổi nhiệt độ: Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của cả hai vật và ghi lại dữ liệu.
=> Kết luận: Dựa trên sự thay đổi nhiệt độ và thời gian tiếp xúc, đưa ra kết luận về chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật.
Câu hỏi 2 (trang 16) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 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?
Trả lời:
- 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 (trang 16) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: Nêu một vài ví dụ về sự truyền năng lượng nhiệt giữa các vật và cho biết chiều truyền năng lượng nhiệt giữa chúng.
Ví dụ:
- Thả cục sắt được nung nóng vào chậu nước lạnh, một lúc sau cục sắt nguội đi, nước ấm lên. Năng lượng nhiệt truyền từ cục sắt vào nước.
- Khi nấu thức ăn bằng bếp ga, năng lượng nhiệt từ ngọn lửa truyền cho thực phẩm trong nồi, làm chín thực phẩm.
2. Thang nhiệt độ
a. Nguyên lí đo nhiệt độ của nhiệt kế
Câu hỏi 3 (trang 16) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: Cho biết nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc vật lí nào?
Trả lời:
- Nhiệt kế thủy ngân: Nhiệt kế thủy ngân hoạt động dựa trên nguyên tắc mở rộng của chất lỏng thủy ngân khi nhiệt độ thay đổi. Thủy ngân có một hệ số mở rộng nhiệt cao, điều này khiến mức thủy ngân trong ống nhiệt kế tăng hoặc giảm theo nhiệt độ.
- Nhiệt kế điện trở: Nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên sự thay đổi của điện trở của một vật liệu dẫn điện khi nhiệt độ thay đổi. Một số vật liệu có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, và điều này được sử dụng để đo nhiệt độ.
Vận dụng (trang 17) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: 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.
Lời giải:
- 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.
b. Thang nhiệt độ
Câu hỏi 4 (trang 17) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: Kể tên các thang nhiệt độ mà em biết.
- Thang đo nhiệt độ mà em biết là thang nhiệt độ Celsius, Kelvin, Fahrenheit.
Câu hỏi 5 (trang 17) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: Dựa vào cách chia nhiệt độ trong thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ Kelvin, hãy chứng minh:
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)
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)
Trả lời:
- Trong thang nhiệt độ Celsius, chọn hai mốc nhiệt độ là nhiệt độ của nước đá (nước tinh khiết đóng băng) đang tan ở áp suất 1 atm là 0 °C và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết ở áp suất 1 atm là 100 °C. Từ vạch 0 °C đến vạch 100 °C chia thành 100 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng ứng với 1 °C. Nhiệt độ trong thang đo này được kí hiệu là t. Đơn vị là độ Celsius (kí hiệu: °C).
=>
Trong thang nhiệt độ Kelvin, chọn hai mốc nhiệt độ là nhiệt độ mà tại đó động năng chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên các chất bằng không là 0 K (gọi là độ 0 tuyệt đối) và chọn nhiệt độ nước tinh khiết tồn tại ở đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi là 273,16 K. Trong khoảng giữa hai giá trị nhiệt độ này, chia thành 273,16 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng là 1 K.
=>
c. Nhiệt độ không tuyệt đối
Câu hỏi 6 (trang 18) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: 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
Trả lời:
- Chuyển đổi từ Celsius sang Kelvin:
+ Chúng ta biết rằng 0 °C tương đương với 273,15 K.
+ Do đó, để chuyển từ Celsius sang Kelvin, ta sử dụng biểu thức: K = °C + 273,15
- Chuyển đổi từ Kelvin sang Celsius:
+ Ngược lại, để chuyển từ Kelvin sang Celsius, chúng ta sử dụng biểu thức: °C = K – 273,15
d. Chuyển đổi nhiệt độ giữa các thang đo
Luyện tập 1 (trang 18) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: Nhiệt độ của khối khí trong phòng đo được là 27°C. Xác định nhiệt độ của khối khí trong thang nhiệt độ Kelvin.
Lời giải:
Trong thang nhiệt độ Kelvin, nhiệt độ của khối khí là
Luyện tập 2 (trang 18) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 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 1803oC thì nhiệt kế có đo được không? Vì sao? Em có khuyến cáo gì về việc sử dụng nhiệt kế trong tình huống này?
Lời giải:
a) Vì t = T - 273,15 nên: 273K = - 0,15oC và 1273K = 999,85oC
→ Phạm vi đo của nhiệt kế trong thang nhiệt độ Celcius là từ -0,15oC đến 999,85oC
b) Nếu sử dụng nhiệt kế này để đo nhiệt độ lò nung đang nấu chảy đồng có nhiệt độ nóng chảy là 1803oC 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 tập 1 (trang 19) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 2: 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 °C.
C. Chọn mốc nhiệt độ nước đá đang tan ở áp suất 1 atm là 0 °C.
D. 1 °C tương ứng với 273 K.
Lời giải:
D – sai, 1 oC tương ứng với 1 K.
Bài tập 2 (trang 19) Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo 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 - 5oZ và nhiệt độ nước sôi ở 1 atm là 105oZ.
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 61oZ, 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?
Lời giải:
a) Trong thang nhiệt độ Z, nhiệt độ của nước đá đang tan ở 1 atm là – 5 °Z và nhiệt độ nước sôi ở 1 atm là 105 °Z. Thang được chia làm 110 khoảng, mỗi khoảng
Biểu thức chuyển đổi:
b) Nếu dùng nhiệt kế mới này đo nhiệt độ một vật thì thấy giá trị 61 °Z.
c) Để số chỉ trên hai thang nhiệt độ bằng nhau thì