Giải Vật Lí 12 (Chân trời sáng tạo) Bài 2: Thang nhiệt độ

Giải bài tập Vật Lí 12 Bài 2: Thang nhiệt độ

Mở đầu trang 15 Vật Lí 12: 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?

Lời giải:

Có nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau được sử dụng trên thế giới, nhưng hai thang đo phổ biến nhất là Celsius (°C) và Fahrenheit (°F).

- Celsius (°C): Được sử dụng rộng rãi trong hệ thống đo nhiệt độ quốc tế. 0°C là nhiệt độ đóng đá và 100°C là nhiệt độ sôi của nước dưới áp suất không khí tiêu chuẩn.

- Fahrenheit (°F): Phổ biến ở Mỹ và một số quốc gia khác. 32°F là nhiệt độ đóng đá và 212°F là nhiệt độ sôi của nước dưới áp suất không khí tiêu chuẩn.

Cách chuyển đổi giữa Celsius và Fahrenheit là sử dụng các công thức sau đây:

- Từ Celsius (°C) sang Fahrenheit (°F): F = $\frac{\mathrm{<span\; style="line-height:1.8;"><span\; style="font-size:18px;">9</span></span>}}{\mathrm{<span\; style="line-height:1.8;"><span\; style="font-size:18px;">5</span></span>}}$C + 32

- Từ Fahrenheit (°F) sang Celsius (°C): C = $\frac{\mathrm{<span\; style="line-height:1.8;"><span\; style="font-size:18px;">5</span></span>}}{\mathrm{<span\; style="line-height:1.8;"><span\; style="font-size:18px;">9</span></span>}}$(F - 32)

Câu hỏi 1 trang 15 Vật Lí 12: 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

Lời giải:

- 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: 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?

Lời giải:

- Kim loại, như song sắt, thường có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn so với gỗ. Khi chạm vào song sắt, cơ thể trải qua mất nhiệt độ nhanh chóng hơn, tạo cảm giác lạnh. Gỗ có khả năng dẫn nhiệt kém hơn, nó giữ lại nhiệt độ của cơ thể bạn hơn, làm cho bạn cảm thấy ấm hơn.

- Dung lượng nhiệt của các vật liệu cũng ảnh hưởng đến cảm giác. Gỗ thường có dung lượng nhiệt cảm nhận cao hơn so với kim loại, nó giữ lại nhiệt độ của cơ thể một cách hiệu quả hơn.

Để biết được nhiệt độ của các vật liệu, có thể sử dụng một số thiết bị đo nhiệt độ như nhiệt kế hoặc cảm biến nhiệt độ. Điều này sẽ cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ của vật liệu.

Cần lưu ý rằng cảm giác về nhiệt độ không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật liệu mà còn vào môi trường xung quanh, độ ẩm, và các yếu tố khác như gió lạnh có thể làm tăng cảm giác lạnh khi chạm vào vật liệu.

Luyện tập trang 16 Vật Lí 12: Nêu một vài ví dụ về sự truyền năng lượng nhiệt giữa các vật và cho biết chiều truyền năng lượng nhiệt giữa chúng

Lời giải:

- Dẫn nhiệt giữa thanh kim loại và nước:

+ Ví dụ: Nếu đặt một đầu của thanh kim loại vào nước nóng, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ thanh kim loại sang nước, làm nước nóng lên và thanh kim loại nguội xuống.

+ Chiều truyền năng lượng nhiệt: Từ thanh kim loại sang nước.

- Truyền dẫn nhiệt giữa tay và cốc nước nóng:

+ Ví dụ: Nếu bạn nắm một cốc nước nóng, năng lượng nhiệt từ nước nóng sẽ truyền từ cốc vào tay bạn.

+ Chiều truyền năng lượng nhiệt: Từ cốc nước nóng vào tay.

- Tỏa nhiệt từ bếp điện ra không khí:

+ Ví dụ: Khi bạn đun sôi nước bằng bếp điện, nhiệt độ cao của bếp sẽ tỏa ra môi trường xung quanh.

+ Chiều truyền năng lượng nhiệt: Từ bếp điện ra không khí.

- Dẫn nhiệt giữa tường và phòng:

+ Ví dụ: Nếu một phòng được nấu ấm và tường phòng có nhiệt độ cao hơn, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ tường vào phòng.

+ Chiều truyền năng lượng nhiệt: Từ tường vào phòng.

- Truyền dẫn nhiệt giữa đất và không khí:

+ Ví dụ: Trong ngày nắng, năng lượng nhiệt từ mặt đất sẽ truyền vào không khí xung quanh.

+ Chiều truyền năng lượng nhiệt: Từ đất vào không khí.

Câu hỏi 3 trang 16 Vật Lí 12: Cho biết nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên nguyên tắc vật lí nào?

Lời giải:

- 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: 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 lí 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 dựa trên quy luật Bức xạ Đối với Vật Thể Nóng (Planck's Law of Radiation). Theo đó, vật thể nóng sẽ phát ra bức xạ elecromagnetic, trong đó bao gồm cả sóng hồng ngoại.

+ Phát bức xạ hồng ngoại: Khi một vật thể có nhiệt độ cao hơn không khí xung quanh, nó sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại này bao gồm các phổ sóng có bước sóng tương ứng với nhiệt độ của vật thể theo định luật Planck.

+ Thu sóng hồng ngoại: Cảm biến hồng ngoại có khả năng thu sóng hồng ngoại từ vật thể. Dựa trên quy luật Planck, cảm biến hồng ngoại có thể quét và thu nhận các bức xạ từ vật thể.

+ Chuyển đổi thành dữ liệu nhiệt độ: Dữ liệu thu được từ sóng hồng ngoại sau đó được chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ ứng với phổ sóng được thu nhận. Cảm biến hồng ngoại thường được calib để chuyển đổi tín hiệu đo thành giá trị nhiệt độ chính xác.

+ Hiển thị kết quả: Dữ liệu nhiệt độ sau khi được chuyển đổi được hiển thị trên màn hình hoặc được gửi đến bảng điều khiển hoặc thiết bị đo khác để quan sát và ghi lại.

- Cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại điện tử để đo nhiệt độ khá đơn giản và thuận tiện:

+ Đảm bảo pin của nhiệt kế hồng ngoại có đủ năng lượng để hoạt động.

+ Đảm bảo môi trường xung quanh không bị che phủ hoặc có vật thể nào gây ảnh hưởng đến quá trình đo.

+ Bật nhiệt kế hồng ngoại bằng cách nhấn nút nguồn hoặc bật công tắc.

+ Nếu nhiệt kế có nhiều chế độ đo (ví dụ như chế độ cơ bản và chế độ đo khoảng cách), hãy chọn chế độ phù hợp.

+ Nếu có nhu cầu, điều chỉnh cài đặt trên nhiệt kế để đảm bảo nó đang đo theo đơn vị đo mong muốn (Celsius hoặc Fahrenheit).

+ Nếu nhiệt kế có khả năng đo khoảng cách, hãy điều chỉnh khoảng cách đo sao cho nó phản ánh đúng với điều kiện sử dụng.

+ Hướng nhiệt kế hồng ngoại về vật thể bạn muốn đo nhiệt độ.

+ Nhấn nút đo trên nhiệt kế để bắt đầu quá trình đo.

+ Chờ một khoảng thời gian ngắn để nhiệt kế hồng ngoại đo và hiển thị kết quả nhiệt độ.

+ Sau khi đo xong, tắt nhiệt kế để tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi 4 trang 17 Vật Lí 12: Kể tên các thang nhiệt độ mà em biết

Lời giải:

Có nhiều thang đo nhiệt độ khác nhau được sử dụng trên thế giới, nhưng hai thang đo phổ biến nhất là Celsius (°C) và Fahrenheit (°F) ngoài ra còn có thang nhiệt độ Kelvin (K)​

Câu hỏi 5 trang 17 Vật Lí 12: Dựa vào cách chia nhiệt độ trong thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ Kelvin, hãy chứng minh:

$1^{\circ }C=\frac{1}{100}$ 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);

$1K=\frac{1}{273,16}$ 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)

Lời giải:

Ta biết:

Nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết = 0 °C

Nhiệt độ sôi của nước tinh khiết = 100 °C

Thay vào định nghĩa, ta có:

1 °C = $\frac{{100}^{\circ }C-0^{\circ }C}{100}=\frac{{100}^{\circ }C}{100}=1$

=>$1^{\circ }C=\frac{1}{100}$ 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)

Ta biết:

Nhiệt độ không tuyệt đối (0 K) = -273,15 °C

Nhiệt độ điểm ba trạng thái của nước (triple point of water)  = 273,16 K

Thay vào định nghĩa, ta có:

$1K=\frac{273,16K-(-273,{15}^{\circ }C)}{273,16}=\frac{546,31}{273,16}=2$

=>$1K=\frac{1}{273,16}$ 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)

Câu hỏi 6 trang 18 Vật Lí 12: 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

Lời giải:

- 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

Luyện tập 1 trang 18 Vật Lí 12: Nhiệt độ của khối khí trong phòng đo được là 27 ℃. Xác định nhiệt độ của khối khí trong thang nhiệt độ Kelvin

Lời giải:

1. Nhiệt độ của khối khí trong thang nhiệt độ Kelvin: 27 + 273,15 = 300,15 K​

Luyện tập 2 trang 18 Vật Lí 12: Một nhiệt kế có phạm vi đo từ 273 K đến 1273 K dùng để đo nhiệt độ của các lò nùng.

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 1083 ℃ thì nhiệt kế có đo được không?

Lời giải:

a) Phạm vi đo của nhiệt kế này trong thang nhiệt độ Celcius là: -0,15 ℃ đến 999,85 ℃

b) Nếu sử dụng nhiệt kế này để đo nhiệt độ lò nung đang nấu chảy đồng có nhiệt độ nóng chảy là 1083 ℃ thì nhiệt kế không đo được vì vượt quá phạm vi của nhiệt kế

Bài tập

Bài 1 trang 19 Vật Lí 12: 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:

Chuyển từ Celsius sang Kelvin, ta sử dụng biểu thức: K = °C + 273,15

Vậy 1°C = 1 + 273,15 = 274,15 K

Đáp án D

Bài 2 trang 19 Vật Lí 12: 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 °Z. Trong đó, nhiệt độ của nước đá đang tan ở 1 atm là - 5 °Z và nhiệt độ nước sôi ở 1 atm là 105 °Z.

a) Thiết lập biểu thức chuyển đổi nhiệt độ từ thang nhiệt độ Celcius sang thang nhiệt độ Z.

b) Nếu dùng nhiệt kế mới này đo nhiệt độ một vật thì thấy giá trị 61 °Z, nhiệt độ của vật trong thang nhiệt độ Celcius là bao nhiêu?

c) Nhiệt độ của vật bằng bao nhiêu (theo thang nhiệt độ Celcius) để số chỉ trên hai thang nhiệt độ bằng nhau?

Lời giải:

a) Biểu thức chuyển đổi từ Celsius sang thang nhiệt độ Z:

Chúng ta có thông tin rằng nhiệt độ của nước đá đang tan ở 1 atm trên thang nhiệt độ Z là -5 °Z và nhiệt độ của nước sôi ở 1 atm là 105 °Z.

TZ = TC + k

TZ là nhiệt độ trên thang nhiệt độ Z, TC là nhiệt độ trên thang nhiệt độ Celsius, và k là hệ số chuyển đổi.

Dựa vào thông tin cho ta:

-5 = 0 + k → k = -5

105 = 100 + k → k = 5

Biểu thức chuyển đổi là:

TZ = TC - 5

b) Chuyển đổi từ thang nhiệt độ Z sang Celsius:

TC = TZ + 5

Để chuyển giá trị 61 °Z về Celsius:

TC = 61 + 5 = 66 °C

c) Tìm nhiệt độ (theo Celsius) khi số chỉ trên cả hai thang nhiệt độ bằng nhau:

Chúng ta sẽ giải phương trình:

TC = TZ + 5

TZ = TC - 5

Để TC = TZ:

TC = TC - 5

Suy ra 0 = -5 đây là một phương trình vô lý. Vậy không có nhiệt độ nào khiến số chỉ trên cả hai thang nhiệt độ bằng nhau.