Bài 3. Thang nhiệt độ trang 17, 18, 19 Vật Lí 12 Cánh diều

Hiện tượng cảm thấy nóng hoặc lạnh khi rửa tay thực chất là kết quả của quá trình truyền nhiệt năng giữa da tay và dòng nước. Quá trình này diễn ra theo hai trường hợp cụ thể như sau:

1. Trường hợp nước nóng:
Khi ta điều chỉnh vòi nước nóng, nhiệt độ của nước cao hơn nhiệt độ của da tay ($T_{nước} > T_{tay}$). Theo nguyên lí truyền nhiệt, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ nước sang tay. Khi da tay nhận thêm nhiệt năng, các thụ thể nhiệt trên da gửi tín hiệu về não bộ, khiến ta cảm thấy nóng.

2. Trường hợp nước lạnh:
Khi ta điều chỉnh vòi nước lạnh, nhiệt độ của nước thấp hơn nhiệt độ của da tay ($T_{nước} < T_{tay}$). Lúc này, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ tay sang nước. Việc mất bớt nhiệt năng khiến nhiệt độ bề mặt da giảm xuống, và ta cảm thấy lạnh.

Kết luận: Cảm giác nóng hay lạnh không phải là do ta 'nhận cái lạnh' hay 'nhận cái nóng', mà thực chất là cảm nhận về chiều truyền năng lượng nhiệt (nhận vào hay mất đi) giữa cơ thể và môi trường xung quanh.

Để xác định chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật bằng các dụng cụ có sẵn tại nhà trường, ta có thể thực hiện phương án thí nghiệm như sau:

1. Dụng cụ thí nghiệm

• Hai cốc thủy tinh (hoặc bình nhiệt lượng kế để hạn chế thất thoát nhiệt ra môi trường).
• Hai nhiệt kế (loại chính xác, ví dụ nhiệt kế rượu hoặc nhiệt kế điện tử).
• Nước nóng và nước lạnh.
• Đồng hồ bấm giờ.

2. Các bước tiến hành

1. Chuẩn bị: Đổ nước nóng vào cốc A và nước lạnh vào cốc B.
2. Đo nhiệt độ ban đầu: Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của cốc A ($T_A$) và cốc B ($T_B$). Ghi lại giá trị ban đầu. Giả sử $T_A > T_B$.
3. Thiết lập tiếp xúc nhiệt: Đặt cốc B vào trong cốc A (hoặc dùng một tấm kim loại dẫn nhiệt nối giữa hai cốc) sao cho hai vật có thể trao đổi nhiệt với nhau.
4. Theo dõi: Quan sát giá trị nhiệt độ trên hai nhiệt kế theo thời gian cho đến khi hai nhiệt kế chỉ cùng một giá trị (cân bằng nhiệt).

3. Minh họa sơ đồ thí nghiệm

4. Phân tích và Kết luận

• Hiện tượng: Sau một thời gian, ta quan sát thấy nhiệt độ của vật A giảm dần ($T_A$ giảm) và nhiệt độ của vật B tăng dần ($T_B$ tăng).
• Giải thích: Sự giảm nhiệt độ của vật A cho thấy vật A mất năng lượng, và sự tăng nhiệt độ của vật B cho thấy vật B nhận năng lượng. Vì hệ được cách nhiệt tương đối với môi trường, năng lượng mà vật A mất đi chính là năng lượng mà vật B nhận được.
• Kết luận: Năng lượng nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ cao (vật A) sang vật có nhiệt độ thấp (vật B). Chiều truyền năng lượng nhiệt là từ A $\rightarrow$ B.

Dựa vào kết quả thực nghiệm trong Bảng 3.1, ta phân tích chi tiết hai bước của thí nghiệm như sau:

1. Phân tích Bước 1:

• Trạng thái: Lúc đầu, nước trong cốc (1) và cốc (2) có cùng nhiệt độ là $22,5^{\circ}C$.
• Kết quả: Sau 2 phút, nhiệt độ của cả hai cốc vẫn giữ nguyên là $22,5^{\circ}C$.
• Giải thích: Vì hai vật có cùng nhiệt độ nên không có sự chênh lệch nhiệt độ, dẫn đến không có sự truyền năng lượng nhiệt thuần giữa hai cốc. Hệ đang ở trạng thái cân bằng nhiệt.

2. Phân tích Bước 2:

• Trạng thái: Lúc đầu, nước trong cốc (1) là nước lạnh ($22,5^{\circ}C$) và nước trong cốc (2) là nước nóng ($42,6^{\circ}C$).
• Kết quả: Sau 2 phút, nhiệt độ cốc (1) tăng lên ($22,5^{\circ}C \rightarrow 24,5^{\circ}C$) và nhiệt độ cốc (2) giảm xuống ($42,6^{\circ}C \rightarrow 36,5^{\circ}C$).
• Giải thích: Vì nước trong cốc (2) có nhiệt độ cao hơn nước trong cốc (1), năng lượng nhiệt đã tự truyền từ nước trong cốc (2) qua thành cốc kim loại, rồi truyền sang nước trong cốc (1). Điều này khiến vật nóng bị mất nhiệt (giảm nhiệt độ) và vật lạnh nhận nhiệt (tăng nhiệt độ).

Kết luận: Năng lượng nhiệt luôn truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

Để trả lời câu hỏi này, ta cần phân tích bản chất của hiện tượng truyền nhiệt và điều kiện xảy ra quá trình này:

1. Nguyên lí truyền nhiệt: Nhiệt năng luôn tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ ($\Delta T$) chính là 'động lực' gây ra quá trình truyền nhiệt.
2. Phân tích thí nghiệm: Ở bước 1 của thí nghiệm, chúng ta tiến hành đo nhiệt độ của nước trong hai cốc. Khi kết quả đo cho thấy nhiệt độ của hai cốc nước là bằng nhau ($T_1 = T_2$), điều này có nghĩa là không có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai hệ này.
3. Kết luận: Vì $\Delta T = T_1 - T_2 = 0$, nên không có động lực để nhiệt năng truyền từ cốc này sang cốc kia. Do đó, ta suy ra không có sự truyền năng lượng nhiệt giữa hai cốc nước. Hai cốc nước lúc này đang ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Tóm lại: Cơ sở để suy ra không có sự truyền năng lượng nhiệt là dựa vào kết quả đo nhiệt độ bằng nhau của hai cốc nước, dẫn đến hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần phân tích diễn biến của thí nghiệm ở bước 2 thông qua các lập luận vật lí sau:

1. Quan sát hiện tượng: Khi cho hai cốc nước có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau (hoặc đổ chung vào một bình), ta quan sát thấy nhiệt độ của cốc nước nóng giảm dần và nhiệt độ của cốc nước lạnh tăng dần.
2. Phân tích bản chất: Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho động năng trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật. Việc nhiệt độ thay đổi chứng tỏ năng lượng bên trong của mỗi cốc nước đã thay đổi.
3. Cơ sở suy luận: Vì hệ kín (coi như không trao đổi nhiệt với môi trường ngoài), năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi. Do đó, việc cốc này giảm nhiệt độ và cốc kia tăng nhiệt độ chứng tỏ đã có một lượng năng lượng nhiệt truyền từ cốc có nhiệt độ cao sang cốc có nhiệt độ thấp.
4. Kết luận: Sự thay đổi nhiệt độ ngược chiều nhau của hai cốc nước chính là cơ sở thực nghiệm để khẳng định có sự truyền năng lượng nhiệt giữa hai cốc.

Tóm lại: Cơ sở để suy ra có sự truyền năng lượng nhiệt là sự thay đổi nhiệt độ của hai cốc nước theo hướng tiến về một giá trị chung (nhiệt độ cân bằng).

Để xác định chiều truyền năng lượng nhiệt trong trường hợp này, ta phân tích các đối tượng tham gia quá trình truyền nhiệt:

• Đồ uống: Có nhiệt độ cao hơn (do nhiệt độ môi trường mùa nóng).
• Nước đá: Có nhiệt độ thấp hơn (thường ở mức $0^\circ\text{C}$ hoặc thấp hơn).

Theo nguyên lí truyền nhiệt, năng lượng nhiệt sẽ tự động truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp.

Kết luận: Chiều truyền năng lượng nhiệt là từ đồ uống truyền sang nước đá.

Giải thích bản chất: Khi tiếp xúc, các phân tử của đồ uống có động năng nhiệt lớn hơn sẽ va chạm và truyền năng lượng cho các phân tử của nước đá. Quá trình này khiến:

• Đồ uống mất dần nhiệt năng $\rightarrow$ nhiệt độ giảm xuống $\rightarrow$ làm mát đồ uống.
• Nước đá thu nhiệt năng $\rightarrow$ nhiệt độ tăng lên và cung cấp năng lượng để phá vỡ cấu trúc tinh thể $\rightarrow$ nước đá nóng chảy.

Cách xác định độ chia trong thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ Kelvin được thực hiện như sau:

Thang nhiệt độ này dựa trên hai điểm cố định của nước tinh khiết ở áp suất tiêu chuẩn:

• Điểm đóng băng (nhiệt độ thấp): Quy ước là 0°C (điểm băng).
• Điểm sôi (nhiệt độ cao): Quy ước là 100°C (điểm sôi).

Cách xác định độ chia: Khoảng chia giữa điểm băng và điểm sôi được chia thành 100 phần bằng nhau. Mỗi phần tương ứng với một đơn vị nhiệt độ gọi là 1 độ Celsius (1°C).

Thang nhiệt độ Kelvin là thang nhiệt độ tuyệt đối, không dựa trên điểm đóng băng của một chất cụ thể mà dựa trên lý thuyết nhiệt động lực học:

• Điểm gốc (0 K): Được gọi là không tuyệt đối (absolute zero). Tại nhiệt độ này, về mặt lý thuyết, mọi chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử dừng lại.
• Mối liên hệ với thang Celsius: Một đơn vị Kelvin (1 K) được quy định có độ lớn bằng đúng một độ Celsius (1°C).

Cách xác định độ chia: Vì độ lớn của 1 K bằng 1°C, nên khoảng cách giữa hai vạch chia liên tiếp trong thang Kelvin cũng bằng khoảng cách giữa hai vạch chia liên tiếp trong thang Celsius. Tuy nhiên, điểm xuất phát của thang Kelvin thấp hơn điểm 0°C là 273,15 đơn vị.

Điểm khác biệt cơ bản là thang Celsius lấy điểm đóng băng của nước làm mốc 0, còn thang Kelvin lấy trạng thái dừng chuyển động nhiệt của phân tử làm mốc 0. Tuy nhiên, kích thước của một độ chia (độ lớn của đơn vị) ở hai thang này là hoàn toàn như nhau.

Cách hiểu "Ở nhiệt độ không tuyệt đối, các chất không còn năng lượng nữa" là KHÔNG CHÍNH XÁC.

Để giải thích điều này, chúng ta cần xem xét dưới hai góc độ vật lí:

1. Theo quan điểm vật lí cổ điển: Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của các phân tử. Khi nhiệt độ giảm dần về 0 K, tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử giảm dần và lý thuyết cổ điển cho rằng tại 0 K, mọi chuyển động nhiệt sẽ dừng lại hoàn toàn, dẫn đến động năng bằng 0.
2. Theo quan điểm vật lí hiện đại (Cơ học lượng tử): Theo Nguyên lý bất định Heisenberg, ta không thể xác định chính xác đồng thời cả vị trí và động lượng của một hạt. Nếu một hạt dừng lại hoàn toàn tại một vị trí cố định, cả vị trí và động lượng (bằng 0) đều được xác định chính xác, điều này vi phạm nguyên lý bất định.

Do đó, ngay cả tại nhiệt độ không tuyệt đối (0 K), các hạt (nguyên tử, phân tử) vẫn sở hữu một mức năng lượng tối thiểu, được gọi là năng lượng điểm không (zero-point energy). Các hạt vẫn dao động nhẹ xung quanh vị trí cân bằng chứ không đứng yên hoàn toàn.

Kết luận: Tại nhiệt độ không tuyệt đối, các chất vẫn còn năng lượng (năng lượng điểm không), chúng không thể mất hoàn toàn năng lượng hay đứng yên tuyệt đối.

Dựa vào các công thức chuyển đổi, ta lần lượt tính toán các giá trị còn thiếu (?) trên biểu đồ Hình 3.3 như sau:

1. Tại vị trí các phân tử bị phá vỡ:
   Biết nhiệt độ tuyệt đối T = 4 300 K. Giá trị Celsius tương ứng là:
   t = T - 273,15 = 4 300 - 273,15 = 4 026,85 °C
2. Tại nhiệt độ nóng chảy của sắt:
   Biết nhiệt độ Celsius t = 1 538 °C. Giá trị Kelvin tương ứng là:
   T = t + 273,15 = 1 538 + 273,15 = 1 811,15 K
3. Tại nhiệt độ sôi của nước:
   Biết nhiệt độ tuyệt đối T = 373 K. Giá trị Celsius tương ứng là:
   t = T - 273,15 = 373 - 273,15 = 99,85 °C (thông thường làm tròn là 100 °C)
4. Tại nhiệt độ sôi của oxygen:
   Biết nhiệt độ tuyệt đối T = 90 K. Giá trị Celsius tương ứng là:
   t = T - 273,15 = 90 - 273,15 = -183,15 °C

Kết luận: Các giá trị còn thiếu trên biểu đồ lần lượt là: 4 026,85 °C; 1 811,15 K; 99,85 °C và -183,15 °C.

1. Tính chênh lệch nhiệt độ tại Hà Nội:

Nhiệt độ cao nhất: $t_1 = 24^\circ\text{C} \Rightarrow T_1 = 24 + 273,15 = 297,15\text{ K}$.
Nhiệt độ thấp nhất: $t_2 = 17^\circ\text{C} \Rightarrow T_2 = 17 + 273,15 = 290,15\text{ K}$.

Sự chênh lệch nhiệt độ trong thang Kelvin là:
$\Delta T = T_1 - T_2 = 297,15 - 290,15 = 7\text{ K}$.

Nhận xét: Chênh lệch nhiệt độ trong thang Celsius là $\Delta t = 24 - 17 = 7^\circ\text{C}$. Như vậy, giá trị chênh lệch nhiệt độ trong hai thang đo là bằng nhau ($\Delta T = \Delta t = 7$ đơn vị). Điều này chứng tỏ kích thước của một đơn vị nhiệt độ (1 độ) trong hai thang đo này là tương đương.

2. Tính độ tăng nhiệt độ trung bình tại Spearfish:

• Bước 1: Tính độ biến thiên nhiệt độ ($\Delta T$).
  Nhiệt độ ban đầu: $t_1 = -20^\circ\text{C} \Rightarrow T_1 = -20 + 273,15 = 253,15\text{ K}$.
  Nhiệt độ sau 2 phút: $t_2 = 7,2^\circ\text{C} \Rightarrow T_2 = 7,2 + 273,15 = 280,35\text{ K}$.
  Độ tăng nhiệt độ là: $\Delta T = T_2 - T_1 = 280,35 - 253,15 = 27,2\text{ K}$ (hoặc tính nhanh $\Delta T = 7,2 - (-20) = 27,2\text{ K}$).
• Bước 2: Đổi đơn vị thời gian ($\Delta \tau$).
  Thời gian $\Delta \tau = 2 \text{ phút} = 2 \times 60 = 120\text{ giây}$.
• Bước 3: Tính tốc độ tăng nhiệt độ trung bình.
  $\text{Tốc độ tăng} = \frac{\Delta T}{\Delta \tau} = \frac{27,2}{120} \approx 0,2267\text{ K/s}$.

Kết luận: Độ tăng nhiệt độ trung bình trong 2 phút đó là khoảng 0,2267 K/s.