Khởi động (trang 15) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3: 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;…?”
Trả lời:
- Sự truyền nhiệt năng giữa các vật có thể được nhận biết thông qua sự chênh lệch nhiệt độ, khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, hiệu ứng cảm nhiệt, hiện tượng chảy nhiệt và các thử nghiệm truyền nhiệt.
I. Khái niệm nhiệt độ
Hoạt động (trang 15) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3:
Chuẩn bị:
- Cốc nhôm đựng khoảng 200 mL nước ở nhiệt độ khoảng 30 °C (1).
- Bình cách nhiệt đựng khoảng 500 mL nước ở nhiệt độ khoảng 60 °C (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?
1. Ta nhìn vào nhiệt kế thấy nhiệt độ của nước trong bình giảm, nhiệt độ nước trong cốc tăng chứng tỏ nước trong bình đã truyền nhiệt năng cho nước trong cốc để đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt độ.
2. Ta nhìn vào nhiệt kế ở trong bình và cốc, khi nhiệt độ ở hai nhiệt kế bằng nhau thì nhiệt độ của nước trong cốc và trong bình đạt trạng thái cân bằng, chứng tỏ quá trình truyền nhiệt năng giữa nước trong bình và nước trong cốc đã kết thúc.
Câu hỏi (trang 16) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3: 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.
Trả lời:
- 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 là chưa chính xác. 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:
+ 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 (trang 17) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3: 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 °C) trong thang 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:
t (°C) = T (K) - 273,15
T (K) = t (°C) + 273,15.
Trả lời:
1. Nhiệt độ không tuyệt đối là 0 K (Kelvin) hoặc -273,15 °C (Celsius). Đây là nhiệt độ tuyệt đối thấp nhất có thể đạt được, nơi mà phân tử không còn có động năng.
2. Ý nghĩa của nhiệt độ không tuyệt đối là nó cung cấp một phép đo tuyệt đối của nhiệt độ, không phụ thuộc vào bất kỳ đơn vị nhiệt độ cụ thể nào. Điều này làm cho nhiệt độ không tuyệt đối trở thành một phép đo tiêu chuẩn cho sự so sánh nhiệt độ giữa các hệ thống khác nhau.
3. Để chứng minh rằng mỗi độ chia (1 °C) trong thang nhiệt độ Celsius có độ lớn bằng 1 độ chia (1 K) trong thang nhiệt độ Kelvin, ta sẽ sử dụng các định nghĩa cơ bản của hai thang đo nhiệt độ này và thực hiện so sánh giữa chúng.
- Khi chuyển từ thang nhiệt độ Celsius sang Kelvin hoặc ngược lại, ta thấy rằng mỗi độ Celsius tương ứng với một đơn vị bằng 1/100 phần của khoảng giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước.
- Đồng thời, mỗi đơn vị Kelvin tương ứng với 1/100 phần của khoảng giữa điểm đóng băng của nước và nhiệt độ tuyệt đối của 0 K.
- Vì điểm đóng băng của nước trong thang Celsius (0 °C) tương ứng với 273,15 K, nên mỗi độ chia (1 °C) trong thang Celsius tương đương với một đơn vị bằng 1/100 phần của 273,15 K, tức là khoảng 2,7315 K.
Do đó, ta có thể kết luận rằng mỗi độ chia (1 °C) trong thang nhiệt độ Celsius có độ lớn bằng 1 độ chia (1 K) trong thang nhiệt độ Kelvin.
4.
- 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 Celsius tương đương với một đơn vị bằng 1/100 phần của khoảng giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước, nên khi ta tăng nhiệt độ từ 0 °C lên 1 °C, nhiệt độ tương ứng trong thang Kelvin cũng tăng lên 1/100 phần của khoảng giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước. Do đó, ta có công thức:
T(K) = t(°C) + 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 xuống 0 °C.
+ Vì mỗi đơn vị Kelvin tương ứng với 1/100 phần của khoảng giữa điểm đóng băng của nước và nhiệt độ tuyệt đối của 0 K, nên khi ta giảm nhiệt độ từ 273,15 K xuống 0 K, nhiệt độ tương ứng trong thang Celsius giảm đi 1/100 phần của khoảng giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước.
+ Do đó, ta có công thức: t(°C) = T(K) - 273,15
Câu hỏi 1 (trang 18) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3: Chuyển đổi nhiệt độ:
a) Từ thang Celsius sang thang Kelvin: 270 °C; -270 °C; 500 °C.
b) Từ thang Kelvin sang thang Celsius: 0 K; 500 K; 1 000 K.
Trả lời:
a) 270 °C = 270 + 273,15 = 543,15 K;
-270 °C = -270 + 273,15 = 3,15 K;
500 °C = 500 + 273,15 = 773,15 K.
b) 0 K = 0 – 273,15 = -273,15 °C;
500 K = 500 – 273,15 = 226,85 °C;
1 000 K = 1 000 – 273,15 = 726,85 °C.
Câu hỏi 2 (trang 18) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3: Một vật được làm lạnh từ 100℃ xuống 0℃. Hỏi nhiệt độ của vật theo thang Kelvin giảm đi bao nhiêu độ?
Trả lời:
- Đổi 100 ℃= 373,15 K
0℃=273,15 K
⇒ Nhiệt độ theo thang kelvin giảm đi là: 373,15-273,15=100 K
Câu hỏi 3 (trang 18) Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 3: Thang nhiệt độ Kelvin có những ưu điểm gì so với thang nhiệt độ Celsius?
Trả lời:
* Thang nhiệt độ Kelvin có một số ưu điểm so với thang nhiệt độ Celsius:
- Thang nhiệt độ Kelvin dùng đơn vị tuyệt đối (K), giúp cho các phép tính về nhiệt độ trở nên đơn giản hơn, đặc biệt là khi xử lý các bài toán về nhiệt độ tuyệt đối hoặc các bài toán khoa học.
- 0 K trong thang Kelvin tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối, nơi mà các phân tử không còn có động năng. Điều này làm cho thang Kelvin trở thành một phép đo tuyệt đối cho nhiệt độ, trong khi 0 °C trong thang Celsius chỉ tương ứng với điểm đóng băng của nước.