Nhiệt độ. Thang nhiệt độ – nhiệt kế
Hiểu nhiệt độ quyết định chiều truyền nhiệt, đổi được giữa thang Celsius và thang Kelvin (T = t + 273, ΔT = Δt), biết độ không tuyệt đối, nguyên tắc của nhiệt kế và cách chuẩn hoá một nhiệt kế bằng hai mốc.
Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 3
⚡ Nhớ nhanh
- 1Năng lượng nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn; khi hai vật cùng nhiệt độ thì ngừng truyền: cân bằng nhiệt.
- 2Nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động nhiệt càng nhanh. Nhiệt độ không phụ thuộc lượng chất: cốc nước sôi và nồi nước sôi cùng 100 °C.
- 3Thang Celsius: 0 °C là nước đá đang tan, 100 °C là nước sôi (áp suất tiêu chuẩn). Thang Kelvin (nhiệt độ tuyệt đối): T (K) = t (°C) + 273.
- 4Độ không tuyệt đối 0 K = −273 °C là nhiệt độ thấp nhất; thang Kelvin không có số âm.
- 5Độ chênh nhiệt độ ở hai thang bằng nhau: ΔT (K) = Δt (°C). Tăng 30 °C là tăng 30 K, không phải 303 K.
- 6Nhiệt kế dựa vào một tính chất thay đổi theo nhiệt độ (sự nở, điện trở, bức xạ…) và được chuẩn hoá bằng các mốc như 0 °C và 100 °C.
👀 Nhìn là hiểu
Kéo cột chất lỏng: ba nhiệt kế °C, K, °F cùng chỉ một nhiệt độ, bảng mốc bấm được; chuyển sang "Hai vật tiếp xúc" để xem nhiệt truyền tới khi cân bằng. Tab Thí nghiệm: tự chuẩn hoá một nhiệt kế chưa có vạch rồi so với nhiệt kế chuẩn; tab Đoán trước có 4 cái bẫy.
| Mốc | °C | K | °F |
|---|---|---|---|
| Độ không tuyệt đối | −273 | 0 | −459,4 |
| Nước đá đang tan | 0 | 273 | 32 |
| Thân nhiệt người | 37 | 310 | 98,6 |
| Nước sôi (áp suất tiêu chuẩn) | 100 | 373 | 212 |
Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.
t = 27 °C ⇔ T = 300 K ⇔ 80,6 °F. Hai thang Celsius và Kelvin có độ chia như nhau, chỉ khác gốc: T = t + 273.
1 🌡️ Nhiệt độ và sự truyền nhiệt
Cần nhớ
- ✦Nhiệt độ cho biết vật nóng hay lạnh. Khi hai vật tiếp xúc, năng lượng nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.
- ✦Truyền nhiệt dừng lại khi hai vật có cùng nhiệt độ: hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt. Nhiệt độ chung luôn nằm giữa hai nhiệt độ ban đầu.
- ✦Theo mô hình phân tử (bài 1): nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động nhiệt càng nhanh.
- ✦Nhiệt độ không phụ thuộc lượng chất: một chậu nước 30 °C có nội năng lớn hơn một cốc nước 80 °C, nhưng nhiệt vẫn truyền từ cốc sang chậu.
Dạng bài
So sánh nhiệt độ, tìm chiều truyền nhiệt
- 1 Đổi hai nhiệt độ về cùng một thang (thường là kelvin).
- 2 So sánh: vật nào có nhiệt độ cao hơn thì truyền nhiệt sang vật kia.
- 3 Kết luận chiều truyền nhiệt; nhiệt độ cân bằng nằm giữa hai nhiệt độ ban đầu.
- 4 Thử lại bằng cách đổi theo chiều ngược lại.
⚠️ Bẫy hay gặp: So sánh thẳng 320 với 60 rồi kết luận A nóng hơn — sai, vì hai số ở hai thang khác nhau. Luôn đổi về cùng một thang trước khi so.
Vật A có nhiệt độ 320 K, vật B có nhiệt độ 60 °C. Cho hai vật tiếp xúc nhau. Nhiệt truyền theo chiều nào?
Hướng dẫn giải
Cốc nước 80 °C thả vào chậu nước 20 °C: cốc nguội đi, chậu ấm lên, dừng lại khi cùng nhiệt độ.
Nồi nước sôi và cốc nước sôi cùng 100 °C. Nồi chỉ có nội năng lớn hơn vì có nhiều phân tử hơn.
2 📏 Thang Celsius và thang Kelvin
Một số mốc nhiệt độ
| Mốc | Celsius (°C) | Kelvin (K) |
|---|---|---|
| Độ không tuyệt đối | −273 | 0 |
| Nước đá đang tan | 0 | 273 |
| Thân nhiệt người | 37 | 310 |
| Nước sôi (áp suất tiêu chuẩn) | 100 | 373 |
Cần nhớ
- ✦Thang Celsius lấy hai mốc: nước đá đang tan 0 °C, nước sôi 100 °C ở áp suất tiêu chuẩn; chia đều thành 100 phần.
- ✦Thang Kelvin (nhiệt độ tuyệt đối, đơn vị K): gốc 0 K là độ không tuyệt đối; mỗi độ chia 1 K bằng 1 °C. Đổi: T = t + 273, t = T − 273.
- ✦Ở độ không tuyệt đối, động năng chuyển động nhiệt của các phân tử bằng 0 và thế năng của chúng nhỏ nhất. Không vật nào lạnh hơn 0 K ⇒ −300 °C không tồn tại.
- ✦Độ chênh: ΔT = Δt (chỉ cộng 273 khi đổi giá trị nhiệt độ). Câu "nhiệt độ tuyệt đối tăng gấp đôi" phải tính bằng kelvin: 27 °C = 300 K → 600 K = 327 °C, không phải 54 °C.
Dạng bài
Đổi nhiệt độ và độ chênh nhiệt độ
- 1 Giá trị nhiệt độ: T = t + 273 (°C → K), t = T − 273 (K → °C).
- 2 Độ chênh nhiệt độ: ΔT (K) = Δt (°C), không cộng 273.
- 3 Đọc kĩ đề hỏi "nhiệt độ" hay "tăng thêm / giảm đi bao nhiêu".
- 4 Thử lại: T − t phải bằng 273 cho mỗi trạng thái; T₂ − T₁ phải bằng t₂ − t₁.
⚠️ Bẫy hay gặp: Đổi độ tăng 50 °C thành 50 + 273 = 323 K — sai. 323 K là giá trị nhiệt độ 50 °C, không phải độ chênh.
Nước được đun từ 27 °C lên 77 °C. Tính nhiệt độ đầu, nhiệt độ cuối theo kelvin và độ tăng nhiệt độ theo kelvin.
Hướng dẫn giải
3 🌎 Thang Fahrenheit (mở rộng)
- ✦Ở Mỹ và vài nước khác dùng thang Fahrenheit (°F): nước đá đang tan 32 °F, nước sôi 212 °F ⇒ 100 °C chênh ứng với 180 °F chênh: chênh 1 °C = chênh 1,8 °F.
- ✦Đổi: t(°F) = 1,8·t(°C) + 32; ngược lại t(°C) = (t(°F) − 32)/1,8.
- ✦Thân nhiệt 37 °C = 1,8 · 37 + 32 = 98,6 °F. Dự báo thời tiết "95 °F" là 95 − 321,8 = 35 °C — trời nóng, không phải 95 độ C.
- ✦SGK dùng chủ yếu °C và K; °F chỉ cần đổi được khi đọc tài liệu nước ngoài.
4 🔬 Nhiệt kế và cách chuẩn hoá
Một số loại nhiệt kế
| Nhiệt kế | Dựa vào | Hay dùng để |
|---|---|---|
| Chất lỏng (rượu, thuỷ ngân) | sự nở vì nhiệt của chất lỏng | đo nhiệt độ phòng, nhiệt độ cơ thể |
| Điện tử | điện trở thay đổi theo nhiệt độ | nhiệt kế kẹp nách, đo trong thiết bị |
| Hồng ngoại | bức xạ hồng ngoại vật phát ra | đo trán, đo từ xa không chạm |
| Cặp nhiệt điện | điện áp ở chỗ nối hai kim loại khác nhau | đo lò nung, nhiệt độ rất cao |
Dạng bài
Chuẩn hoá một nhiệt kế chưa có vạch (hai mốc)
- 1 Nhúng bầu nhiệt kế vào nước đá đang tan, đợi cột chất lỏng đứng yên, đánh dấu mốc 0 °C (cột dài L₀).
- 2 Nhúng vào nước đang sôi, đợi cột đứng yên, đánh dấu mốc 100 °C (cột dài L₁₀₀).
- 3 Chia đoạn giữa hai mốc thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần 1 °C. Cột dài L thì t = 100·L − L₀L₁₀₀ − L₀.
- 4 Thử lại: tính ngược L = L₀ + t·L₁₀₀ − L₀100, hoặc so với nhiệt kế chuẩn.
⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy 9,022,0 · 100 ≈ 41 °C là quên rằng mốc 0 °C không nằm ở chân cột: ở 0 °C cột đã dài 2,0 cm.
Một nhiệt kế chưa có vạch: trong nước đá đang tan cột chất lỏng dài 2,0 cm, trong nước sôi dài 22,0 cm. Nhúng vào một cốc nước ấm, cột dài 9,0 cm. Nhiệt độ cốc nước là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Một bảng chuẩn hoá mẫu (nhiệt kế tự chia đọc tới 1 °C)
| Cốc | t tự chia (°C) | t chuẩn (°C) | Sai số (°C) |
|---|---|---|---|
| 1 | 21 | 21,3 | −0,3 |
| 2 | 36 | 36,8 | −0,8 |
| 3 | 58 | 58,4 | −0,4 |
| 4 | 80 | 80,6 | −0,6 |
Đọc bảng chuẩn hoá
- ✦Sai số đều dưới 1 °C ⇒ nhiệt kế tự chia dùng được cho đo thông thường.
- ✦Ở 0 °C và 100 °C nhiệt kế đúng vì đã chuẩn ở đó; ở giữa lệch nhiều hơn một chút vì chất lỏng nở gần đều chứ không đều tuyệt đối theo nhiệt độ.
- ✦Phải đợi cột chất lỏng đứng yên mới đánh dấu và mới đọc: đánh dấu vội khi cột còn dâng làm cả thang chia bị lệch.
5 🌍 Hiện tượng quanh ta
- ✦🤒 Cặp nhiệt độ: phải kẹp nhiệt kế vài phút để nhiệt kế và cơ thể cân bằng nhiệt rồi mới đọc.
- ✦🧊 Cốc trà đá: nhiệt truyền từ trà sang đá (đá tan dần); không có "hơi lạnh" truyền từ đá sang trà.
- ✦🔫 Nhiệt kế hồng ngoại đo trán không cần chạm: nó đo bức xạ hồng ngoại cơ thể phát ra.
- ✦❄️ Nitơ lỏng dùng bảo quản mẫu sinh học sôi ở khoảng −196 °C ≈ 77 K — rất lạnh nhưng vẫn còn cách độ không tuyệt đối 77 độ.
6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai
⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm
- ✦°C → K: cộng 273; K → °C: trừ 273. Độ chênh: giữ nguyên số.
- ✦So sánh nhiệt độ ở hai thang khác nhau: đổi hết về kelvin rồi mới so.
- ✦Câu "tăng gấp đôi nhiệt độ" luôn hiểu là nhiệt độ tuyệt đối (K).
- ✦Câu "nhiệt độ nào không thể có": mọi giá trị dưới −273 °C (tức kelvin âm).
⚠️ Lỗi hay sai nhất
- ✦Đổi độ chênh 50 °C thành 323 K. Đúng: chênh 50 K.
- ✦So 320 K với 60 °C mà không đổi: 60 °C = 333 K mới là vật nóng hơn.
- ✦Nghĩ 27 °C tăng gấp đôi là 54 °C. Gấp đôi nhiệt độ tuyệt đối: 300 K → 600 K = 327 °C.
- ✦Đổi −10 °C thành 283 K (trừ nhầm thành cộng). Đúng: −10 + 273 = 263 K.
- ✦Nghĩ nồi nước sôi nóng hơn cốc nước sôi: cả hai cùng 100 °C, nồi chỉ có nội năng lớn hơn.
- ✦Chuẩn hoá nhiệt kế lấy 9,022,0 · 100 ≈ 41 °C thay vì 9,0 − 2,022,0 − 2,0 · 100 = 35 °C.
📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn
- ✦Nhiệt độ kelvin luôn dương; ra kelvin âm là sai.
- ✦Mốc nhớ: 0 °C = 273 K, 27 °C = 300 K, 37 °C = 310 K, 100 °C = 373 K.
- ✦Độ chênh: 1 K = 1 °C = 1,8 °F. Viết "K" không có dấu độ (300 K, không viết 300 °K).
- ✦Nhiệt độ cân bằng của hai vật luôn nằm giữa hai nhiệt độ ban đầu; ra ngoài khoảng đó là sai.
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.
Nhiệt độ và truyền nhiệt
- 1Nhận biết
Khi hai vật tiếp xúc nhau, năng lượng nhiệt tự truyền
- 2Nhận biết
Nhiệt độ của một vật càng cao thì
- 3Thông hiểu
Vật A ở 350 K, vật B ở 80 °C. Cho hai vật tiếp xúc nhau. Nhiệt truyền
- 4Thông hiểu
Thả một cốc nhỏ nước 80 °C vào một chậu nước lớn 20 °C. Khi cân bằng nhiệt, nhiệt độ chung
- 5Vận dụng Vật A ở 77 °C, vật B ở 340 K. Nhiệt độ của vật A cao hơn vật B K.
Đổi thang nhiệt độ
- 1Nhận biết
Nhiệt độ 27 °C ứng với
- 2Thông hiểu Nhiệt độ 400 K ứng với °C.
- 3Thông hiểu Một vật ở −23 °C có nhiệt độ tuyệt đối là K.
- 4Thông hiểu
Nhiệt độ của nước tăng từ 25 °C lên 65 °C. Trong thang Kelvin, nhiệt độ tăng thêm
- 5Thông hiểu
Nhiệt độ nào sau đây không thể có?
- 6Vận dụng Nhiệt độ tuyệt đối của một khối khí tăng gấp đôi so với lúc đầu ở 27 °C. Nhiệt độ lúc sau là °C.
- 7Vận dụng
Một vật nguội đi từ 90 °C xuống 300 K. Nhiệt độ của vật đã giảm
Thang Fahrenheit
- 1Thông hiểu
Thân nhiệt 37 °C theo thang Fahrenheit là
- 2Vận dụng Dự báo thời tiết một thành phố ở Mỹ ghi 95 °F, tức là °C.
Nhiệt kế và chuẩn hoá
- 1Nhận biết
Để chuẩn hoá một nhiệt kế theo thang Celsius, người ta dùng hai mốc là
- 2Vận dụng Nhiệt kế chưa có vạch: ở nước đá đang tan cột chất lỏng dài 3,0 cm, ở nước sôi dài 23,0 cm. Nhúng vào cốc nước ấm thấy cột dài 12,0 cm. Nhiệt độ nước ấm là °C.
- 3Thông hiểu
Một bạn tự chuẩn hoá nhiệt kế rồi đo 4 cốc nước (t₁: nhiệt kế tự chia vạch, t₂: nhiệt kế chuẩn): Nhận xét nào đúng?
- 4Thông hiểu Theo bảng số liệu ở câu trên, độ lệch lớn nhất giữa hai nhiệt kế là °C.
- 5Vận dụng
Khi đánh dấu mốc 100 °C, một bạn nhấc nhiệt kế ra khỏi nước sôi lúc cột chất lỏng còn đang dâng, nên mốc 100 °C bị vạch thấp hơn chỗ đúng. Dùng nhiệt kế đó đo cốc nước 50 °C thì số đọc
Hiện tượng quanh ta
- 1Thông hiểu
Phải kẹp nhiệt kế ở nách vài phút rồi mới đọc vì
- 2Thông hiểu
Nhiệt kế hồng ngoại đo được nhiệt độ trán mà không cần chạm vào da vì nó
🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp
Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.
Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn
- 1Thông hiểu
Một vật được làm lạnh từ 27 °C, nhiệt độ giảm đi 50 K. Nhiệt độ lúc sau của vật là
- 2Thông hiểu
Phát biểu nào sau đây sai?
- 3Vận dụng
Vật A ở 52 °C, vật B ở 320 K, vật C ở 50 °C. Sắp xếp theo nhiệt độ tăng dần là
Phần II · Đúng / sai
- 1Thông hiểu
Thả một thỏi đồng ở 373 K vào một cốc nước ở 30 °C. Bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường.
a)Nhiệt độ ban đầu của thỏi đồng là 100 °C.
b)Năng lượng nhiệt truyền từ thỏi đồng sang nước.
c)Khi cân bằng nhiệt, nhiệt độ chung có thể là 25 °C.
d)Nếu nhiệt độ của nước tăng thêm 15 °C thì theo thang Kelvin, nhiệt độ nước tăng thêm 288 K.
- 2Vận dụng
Một bạn chuẩn hoá nhiệt kế chưa có vạch: trong nước đá đang tan cột chất lỏng dài 4,0 cm, trong nước đang sôi (áp suất tiêu chuẩn) dài 24,0 cm. Coi chất lỏng nở đều theo nhiệt độ.
a)Mỗi độ C ứng với một đoạn 0,2 cm trên cột chất lỏng.
b)Cột dài 10,0 cm thì nhiệt độ là 50 °C.
c)Khi đo nước ở 60 °C, cột chất lỏng dài 16,0 cm.
d)Cột dài 2,0 cm ứng với nhiệt độ 283 K.
Phần III · Trả lời ngắn
- 1Thông hiểu Nhiệt độ 77 °C bằng bao nhiêu kelvin? Đáp số:
- 2Vận dụng Nhiệt độ tuyệt đối của một vật tăng thêm 20 % so với lúc đầu, lúc đầu vật ở 27 °C. Nhiệt độ lúc sau là bao nhiêu °C? Đáp số:
- 3Vận dụng Nhiệt kế tự chia vạch: trong nước đá đang tan cột dài 5,0 cm, trong nước sôi dài 25,0 cm. Đo một cốc nước thấy cột dài 14,6 cm. Nhiệt độ cốc nước là bao nhiêu °C? Đáp số:
🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?
- •Phần I thường hỏi đổi °C ↔ K, độ không tuyệt đối, chiều truyền nhiệt giữa hai vật tiếp xúc.
- •Bẫy hay có: đổi độ chênh nhiệt độ mà lại cộng 273, hoặc so sánh hai nhiệt độ ở hai thang khác nhau mà không đổi về một thang.
- •Thang Kelvin là nền cho cả chương Khí lí tưởng: công thức nào có nhiệt độ nhân, chia (định luật Charles, phương trình trạng thái) đều phải dùng T (K).
Nhiệt dung riêng