Bài 3. Nhiệt độ. Thang nhiệt độ - nhiệt kế

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Nhiệt độ

• Nhiệt độ cho biết trạng thái cân bằng nhiệt của các vật tiếp xúc nhau và chiều truyền nhiệt năng.

• Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc nhau, nhiệt năng truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

• Khi hai vật có cùng nhiệt độ, không có sự truyền nhiệt năng giữa chúng. Hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt.

1.2. Thang nhiệt độ Celsius (°C)

• Hai mốc nhiệt độ:

Nhiệt độ nước đá đang tan: $0^{\circ }C$.

Nhiệt độ nước sôi: ${100}^{\circ }C$(ở áp suất chuẩn).

• Khoảng giữa hai mốc được chia thành 100 phần bằng nhau.

1.3. Thang nhiệt độ Kelvin (K)

• Là thang nhiệt độ tuyệt đối.

• Mốc thấp nhất là độ không tuyệt đối:

$$0\text{K=-273,}{15}^{\circ }C$$

• Đơn vị là Kelvin (K).

• Mỗi độ chia của thang Kelvin bằng mỗi độ chia của thang Celsius:

$$\Delta \mathrm{T=}\Delta t$$

1.4. Công thức đổi nhiệt độ

Công thức chính xác:

$$\text{T(K)=t}{(}^{\circ }\text{C)+273,15}$$

$$t{(}^{\circ }\text{C)=T(K)-273,15}$$

Trong các bài tập phổ thông thường dùng:

$$\text{T(K)=t}{(}^{\circ }\text{C)+273}$$

$$t{(}^{\circ }\text{C)=T(K)-273}$$

1.5. Nhiệt kế

• Nhiệt kế là dụng cụ dùng để đo nhiệt độ.

• Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của một số tính chất vật lí vào nhiệt độ.

Một số loại nhiệt kế thường gặp:

• Nhiệt kế chất lỏng.

• Nhiệt kế kim loại.

• Nhiệt kế điện tử.

• Nhiệt kế hồng ngoại.

2. HIỂU SÂU BẢN CHẤT

💡 Nhiệt độ giúp xác định chiều truyền nhiệt năng: nhiệt năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp.

💡 Hai vật có nội năng khác nhau vẫn có thể có cùng nhiệt độ.

💡 Độ không tuyệt đối (0 K) là nhiệt độ thấp nhất của thang Kelvin.

💡 Thang Kelvin được sử dụng phổ biến trong nhiệt động lực học vì không có giá trị âm.

3. GHI NHỚ NHANH

• Nhiệt năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp.

• Cân bằng nhiệt ⇒ nhiệt độ bằng nhau.

• $\text{0K=-273,}{15}^{\circ }C$.

• $\mathrm{1K=}{1}^{\circ }C$.

• Trong bài tập phổ thông thường dùng: $\text{T=t+273}$(gần đúng).

• Nhiệt kế là dụng cụ đo nhiệt độ.

4. LƯU Ý CHO HỌC SINH

• Nhiệt năng luôn truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp.

• Hai vật có cùng nhiệt độ thì ở trạng thái cân bằng nhiệt.

• Ghi nhớ:

$$\text{0K=-273,}{15}^{\circ }C$$• Độ lớn của $\mathrm{1K}$ bằng độ lớn của $1^{\circ }C$.

• Trong các bài tập phổ thông thường dùng:

$$\text{T=t+273}$$

5. Mở rộng và nâng cao – Dành cho học sinh giỏi và thi đánh giá năng lực

5.1. Nguyên lí thứ không của nhiệt động lực học

Nếu vật A cân bằng nhiệt với vật C và vật B cũng cân bằng nhiệt với vật C thì A và B cân bằng nhiệt với nhau. Đây là nguyên lí thứ không của nhiệt động lực học.

• Nguyên lí này cho phép dùng nhiệt kế làm “vật trung gian” để so sánh nhiệt độ của các vật.

• Khi nhiệt kế tiếp xúc đủ lâu với vật và đạt cân bằng nhiệt, số chỉ của nhiệt kế được xem là nhiệt độ của vật.

• Hai vật có cùng nhiệt độ chưa chắc có cùng nội năng; nội năng còn phụ thuộc lượng chất, trạng thái và bản chất của vật.

5.2. Nhiệt độ và chuyển động nhiệt của các phân tử

Nhiệt độ đặc trưng cho mức độ chuyển động nhiệt của các hạt cấu tạo nên vật. Nhiệt độ càng cao thì động năng chuyển động nhiệt trung bình của các hạt càng lớn.

Không được đồng nhất nhiệt độ với tổng động năng phân tử. Một cốc nước và một bể nước có thể cùng nhiệt độ nhưng bể nước có nội năng lớn hơn rất nhiều.

Quan hệ định lượng giữa nhiệt độ tuyệt đối và động năng tịnh tiến trung bình của phân tử khí sẽ được trình bày ở Bài 12, sau khi đã học mô hình khí lí tưởng.

5.3. Quan hệ tổng quát giữa các thang nhiệt độ

Một thang nhiệt độ tuyến tính được xây dựng bằng cách chọn hai mốc và chia khoảng giữa chúng thành các phần bằng nhau. Nếu cùng một nhiệt độ có số chỉ x trên thang X và y trên thang Y thì:

$$\frac{\text{x -}{x}_1}{x_2-x_1}=\frac{\text{y -}{y}_1}{y_2-y_1}$$

Từ biểu thức trên có thể suy ra công thức đổi giữa mọi thang nhiệt độ tuyến tính khi biết hai mốc tương ứng.

Với thang Fahrenheit, nước đá đang tan ứng với 32 °F và nước sôi ở áp suất chuẩn ứng với 212 °F:

$$t_F\text{= 32 +}\left(\frac{9}{5}\right)t_C$$

$$t_C=\left(\frac{5}{9}\right)\left(t_F\text{- 32}\right)$$

Độ biến thiên nhiệt độ thỏa mãn:

$$\text{ΔT(K) = Δt(°C); Δ}{t}_F\text{(°F) =}\left(\frac{9}{5}\right)\Delta t_C\text{(°C)}$$

Nguồn hình: SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức.

5.4. Định nghĩa hiện đại của kelvin

Trước đây, kelvin được liên hệ với nhiệt độ điểm ba của nước. Từ ngày 20/5/2019, kelvin được định nghĩa bằng cách ấn định chính xác giá trị của hằng số Boltzmann k:

$$\text{k = 1,380 649 × 10⁻²³ J·K⁻¹}$$

Theo định nghĩa này, một kelvin tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ nhiệt động lực học làm năng lượng kT thay đổi 1,380 649 × 10⁻²³ J. Điểm ba của nước vẫn là một mốc thực nghiệm rất quan trọng nhưng không còn là cơ sở định nghĩa kelvin.

Tên đơn vị viết là kelvin, kí hiệu K; không viết dấu độ trước K. Viết 300 K, không viết 300 °K.

5.5. Hiệu chuẩn nhiệt kế và phép nội suy

Nhiệt kế đo một đại lượng X phụ thuộc nhiệt độ, chẳng hạn chiều dài cột chất lỏng, điện trở hoặc hiệu điện thế. Nếu trong khoảng đo có thể xem X phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, với hai điểm hiệu chuẩn (t₁, X₁) và (t₂, X₂), ta có:

$$\text{t = t₁ +}\left[\frac{\text{X -}{X}_1}{X_2-X_1}\right]\text{(t₂ - t₁)}$$

• Độ chia nhỏ nhất quyết định khả năng đọc gần đúng, nhưng không phải là yếu tố duy nhất quyết định độ chính xác.

• Cần chờ nhiệt kế đạt cân bằng nhiệt; đọc quá sớm gây sai số do quán tính nhiệt.

• Nhiệt kế có thể làm thay đổi nhiệt độ của vật cần đo, nhất là khi vật có khối lượng nhỏ.

• Phải đặt cảm biến đúng vị trí và tránh ảnh hưởng trực tiếp của nguồn nhiệt hoặc môi trường bên ngoài.

5.6. Một số nguyên lí chế tạo nhiệt kế nâng cao

Ngoài sự nở vì nhiệt của chất lỏng, nhiều đại lượng vật lí khác cũng được dùng để đo nhiệt độ:

• Nhiệt kế điện trở: trong một khoảng nhiệt độ, điện trở của kim loại có thể được mô tả gần đúng bởi:

$$\text{R = R₀[1 + α(t - t₀)]}$$

• Cặp nhiệt điện: hiệu điện thế nhiệt điện gần tỉ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối:

$$\text{U = k(}{t}_{\text{nóng}}-t_{\text{lạnh}})$$

• Nhiệt kế bức xạ: suy ra nhiệt độ từ bức xạ nhiệt của vật nên có thể đo từ xa, thích hợp với vật rất nóng hoặc khó tiếp xúc.

5.7. Vì sao các công thức nhiệt động lực học phải dùng Kelvin?

Các công thức chứa tỉ số nhiệt độ phải dùng nhiệt độ tuyệt đối. Ví dụ, hiệu suất cực đại về lí thuyết của động cơ Carnot làm việc giữa nguồn nóng T₁ và nguồn lạnh T₂ là:

$$H_{\max }\text{= 1 -}\frac{T_2}{T_1}$$

Trong công thức này T₁ và T₂ phải tính bằng kelvin. Nếu thay bằng nhiệt độ Celsius, kết quả phụ thuộc cách chọn mốc 0 °C và mất ý nghĩa vật lí.

5.8. Câu hỏi tư duy nâng cao

1. Vì sao nhiệt kế phải tiếp xúc đủ lâu với vật trước khi đọc kết quả?

2. Hai vật có cùng nhiệt độ có nhất thiết chứa cùng một lượng nội năng không? Vì sao?

3. Một nhiệt kế có cột chất lỏng dài 20 mm ở 0 °C và 170 mm ở 100 °C. Khi cột chất lỏng dài 95 mm, nhiệt độ bằng bao nhiêu?

4. Vì sao không được thay trực tiếp nhiệt độ Celsius vào công thức hiệu suất Carnot?

Gợi ý ngắn: (1) cần đạt cân bằng nhiệt; (2) không, nội năng còn phụ thuộc lượng chất và trạng thái; (3) 50 °C; (4) tỉ số nhiệt độ chỉ có ý nghĩa với thang tuyệt đối.