Bài 3. Nhiệt độ. Thang nhiệt độ - Nhiệt kế trang 15, 16, 17 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Để nhận biết sự truyền nhiệt năng giữa các vật, ta dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và nguyên lý cân bằng nhiệt như sau:

1. Nhận biết vật truyền nhiệt và vật nhận nhiệt:
   - Ta sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ của hai vật. Vật có nhiệt độ cao hơn ($T_{cao}$) sẽ là vật truyền nhiệt năng, và vật có nhiệt độ thấp hơn ($T_{thấp}$) sẽ là vật nhận nhiệt năng.
   - Về mặt cảm giác (định tính), khi chạm tay vào, vật nào khiến ta cảm thấy nóng hơn thường là vật truyền nhiệt cho ta, và ngược lại.
2. Nhận biết quá trình truyền nhiệt còn tiếp tục hay đã dừng lại:
   - Đang tiếp tục: Khi giữa hai vật vẫn còn sự chênh lệch nhiệt độ ($\Delta T = T_{cao} - T_{thấp} \neq 0$), nhiệt năng sẽ tiếp tục truyền từ vật nóng sang vật lạnh.
   - Đã dừng lại: Khi nhiệt độ của hai vật trở nên bằng nhau ($T_1 = T_2$), hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt. Lúc này, không còn sự truyền nhiệt thuần tùy giữa hai vật.

Ví dụ: Khi ta thả một chiếc thìa kim loại lạnh vào cốc nước nóng, nhiệt năng truyền từ nước (vật nóng) sang thìa (vật lạnh). Sau một thời gian, thìa và nước có cùng nhiệt độ, ta cảm thấy thìa nóng lên và nước nguội đi một chút; lúc này quá trình truyền nhiệt dừng lại.

Dựa trên kết quả thực hiện thí nghiệm, ta lập luận và trả lời các câu hỏi như sau:

1. Tại sao có thể biết nước trong bình truyền nhiệt năng cho nước trong cốc?

Ta biết nước trong bình truyền nhiệt năng cho nước trong cốc dựa vào sự thay đổi số chỉ của hai nhiệt kế:

• Nhiệt kế đặt trong cốc nhôm: Số chỉ nhiệt độ tăng dần (từ 30 °C lên cao hơn). Điều này chứng tỏ nước trong cốc nhận thêm nhiệt năng.
• Nhiệt kế đặt trong bình cách nhiệt: Số chỉ nhiệt độ giảm dần (từ 60 °C xuống thấp hơn). Điều này chứng tỏ nước trong bình mất bớt nhiệt năng.

Vì nhiệt năng truyền từ vật có nhiệt độ cao (nước trong bình) sang vật có nhiệt độ thấp (nước trong cốc), nên việc nhiệt độ cốc tăng và nhiệt độ bình giảm là minh chứng trực tiếp cho quá trình truyền nhiệt này.

2. Làm thế nào để nhận biết quá trình truyền nhiệt năng giữa nước trong bình và nước trong cốc đã kết thúc?

Quá trình truyền nhiệt năng sẽ kết thúc khi hai hệ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt. Ta nhận biết điều này thông qua hai dấu hiệu:

• Số chỉ nhiệt độ: Khi hai nhiệt kế (một cái trong cốc và một cái trong bình) chỉ cùng một giá trị nhiệt độ giống nhau.
• Sự ổn định: Sau một khoảng thời gian, số chỉ của cả hai nhiệt kế không thay đổi nữa mặc dù vẫn tiếp tục đặt trong hệ.

Khi $T_{\text{bình}} = T_{\text{cốc}}$, không còn sự chênh lệch nhiệt độ, do đó không còn dòng nhiệt năng truyền qua lại giữa hai khối nước.

1. Trả lời: Không 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.

2. Giải thích bản chất vật lí:

• Nội năng ($U$) là một đại lượng phụ thuộc vào khối lượng của vật. Một vật có khối lượng rất lớn nhưng nhiệt độ thấp vẫn có thể có nội năng lớn hơn một vật có khối lượng rất nhỏ nhưng nhiệt độ cao.
• Nhiệt độ ($T$) mới là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật và quyết định chiều truyền nhiệt. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, nhiệt năng luôn tự truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp, bất kể nội năng của chúng lớn hay nhỏ.

3. Ví dụ minh họa:

Xét một mẩu sắt nhỏ được nung nóng đến $1000^\circ\text{C}$ (Vật A) và một hồ nước lạnh ở $20^\circ\text{C}$ (Vật B).

• Về nội năng: Hồ nước có khối lượng cực lớn, do đó tổng nội năng $U_B$ của hồ nước lớn hơn rất nhiều so với nội năng $U_A$ của mẩu sắt nhỏ.
• Về truyền nhiệt: Khi thả mẩu sắt vào hồ nước, nhiệt năng sẽ truyền từ mẩu sắt (nhiệt độ cao) sang hồ nước (nhiệt độ thấp) cho đến khi chúng đạt cân bằng nhiệt.

$\\Rightarrow$ Điều này chứng minh rằng nhiệt năng truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp, chứ không phải từ vật có nội năng lớn sang vật có nội năng nhỏ.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 17 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Nhiệt độ không tuyệt đối:

Nhiệt độ không tuyệt đối là giá trị 0 K trong thang nhiệt độ Kelvin. Giá trị này tương ứng với -273,15 °C trong thang nhiệt độ Celsius.

2. Ý nghĩa của nhiệt độ không tuyệt đối:

Nhiệt độ không tuyệt đối là mức nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được trong vũ trụ (về mặt lý thuyết). Tại mức nhiệt độ này, mọi chuyển động nhiệt của các hạt (nguyên tử, phân tử) dừng lại, tức là động năng của các phân tử đạt giá trị tối thiểu. Không có bất kỳ vật thể nào có thể có nhiệt độ thấp hơn 0 K.

3. Chứng minh độ lớn 1 °C = 1 K:

Xét hai mốc nhiệt độ cố định là điểm băng (nhiệt độ đóng băng của nước tinh khiết) và điểm sôi (nhiệt độ sôi của nước tinh khiết ở áp suất chuẩn):

• Trong thang Celsius: Khoảng cách từ điểm băng (0 °C) đến điểm sôi (100 °C) là 100 - 0 = 100 độ chia.
• Trong thang Kelvin: Khoảng cách từ điểm băng (273,15 K) đến điểm sôi (373,15 K) là 373,15 - 273,15 = 100 độ chia.

Vì cùng một khoảng biến thiên nhiệt độ (từ điểm băng đến điểm sôi) mà cả hai thang đều chia làm 100 phần bằng nhau, nên giá trị của một độ chia trong thang Celsius (1 °C) phải bằng giá trị của một độ chia trong thang Kelvin (1 K).
Kết luận: ΔT (K) = Δt (°C).

4. Chứng minh công thức chuyển đổi:

Vì độ lớn của mỗi đơn vị chia trong hai thang là như nhau (1 °C = 1 K), sự khác biệt giữa hai thang nhiệt độ chỉ nằm ở điểm gốc (điểm 0).

• Điểm 0 của thang Kelvin (0 K) tương ứng với -273,15 °C của thang Celsius.
• Gọi T là nhiệt độ trong thang Kelvin và t là nhiệt độ trong thang Celsius.
• Vì T bắt đầu từ 0 K, còn t bắt đầu từ -273,15 °C để đạt cùng một trạng thái vật lý, nên giá trị T luôn lớn hơn giá trị t một lượng là 273,15 đơn vị.

Từ đó ta có công thức:

T (K) = t (°C) + 273,15

Để tìm t theo T, ta chuyển vế 273,15 sang vế trái:

t (°C) = T (K) - 273,15

1. Chuyển đổi nhiệt độ:

a) Chuyển từ thang Celsius sang thang Kelvin ($T = t + 273,15$):

• Với $t = 270\text{ }^\circ\text{C} \Rightarrow T = 270 + 273,15 = 543,15\text{ K}$.
• Với $t = -270\text{ }^\circ\text{C} \Rightarrow T = -270 + 273,15 = 3,15\text{ K}$.
• Với $t = 500\text{ }^\circ\text{C} \Rightarrow T = 500 + 273,15 = 773,15\text{ K}$.

b) Chuyển từ thang Kelvin sang thang Celsius ($t = T - 273,15$):

• Với $T = 0\text{ K} \Rightarrow t = 0 - 273,15 = -273,15\text{ }^\circ\text{C}$.
• Với $T = 500\text{ K} \Rightarrow t = 500 - 273,15 = 226,85\text{ }^\circ\text{C}$.
• Với $T = 1\,000\text{ K} \Rightarrow t = 1\,000 - 273,15 = 726,85\text{ }^\circ\text{C}$.

2. Tính độ giảm nhiệt độ:

Nhiệt độ của vật giảm từ $t_1 = 100\text{ }^\circ\text{C}$ xuống $t_2 = 0\text{ }^\circ\text{C}$.
Độ biến thiên nhiệt độ trong thang Celsius là: $\Delta t = t_1 - t_2 = 100 - 0 = 100\text{ }^\circ\text{C}$.

Vì khoảng chia của một độ Celsius bằng đúng một Kelvin, nên độ giảm nhiệt độ trong thang Kelvin là: $\Delta T = \Delta t = 100\text{ K}$.

Kết luận: Nhiệt độ của vật giảm đi 100 K.

3. Ưu điểm của thang nhiệt độ Kelvin so với thang Celsius:

• Không có giá trị âm: Vì bắt đầu từ không độ tuyệt đối (0 K), thang Kelvin không có nhiệt độ âm. Điều này giúp đơn giản hóa các phép tính toán học trong vật lí.
• Ý nghĩa vật lí rõ ràng: Nhiệt độ trong thang Kelvin tỉ lệ thuận với động năng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật. Khi $T = 0\text{ K}$, về lý thuyết, mọi chuyển động nhiệt của các phân tử đều dừng lại.
• Ứng dụng trong khoa học: Thang Kelvin là thang chuẩn quốc tế (SI), bắt buộc sử dụng trong các công thức nhiệt động lực học, chẳng hạn như phương trình trạng thái khí lí tưởng ($PV = nRT$), nơi nhiệt độ bắt buộc phải tính theo Kelvin để đảm bảo tính chính xác của tỉ lệ.