Câu hỏi mở đầu trang 15

Đề bài: Làm thế nào để nhận biết được sự truyền nhiệt năng giữa các vật? Ví dụ, làm thế nào để nhận biết: “Vật nào là vật truyền nhiệt năng, vật nào là vật nhận nhiệt năng; sự truyền nhiệt năng đã dừng lại hay còn đang tiếp tục;…?”

Lời giải:

Có thể nhận biết sự truyền nhiệt năng giữa các vật bằng cách theo dõi sự thay đổi nhiệt độ của chúng:

• Vật truyền nhiệt năng: là vật có nhiệt độ giảm dần trong quá trình tiếp xúc (vật có nhiệt độ cao hơn ban đầu).
• Vật nhận nhiệt năng: là vật có nhiệt độ tăng dần trong quá trình tiếp xúc (vật có nhiệt độ thấp hơn ban đầu).
• Sự truyền nhiệt kết thúc khi nhiệt độ hai vật bằng nhau và không đổi nữa (hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt).

Ví dụ: Bỏ viên đá vào cốc nước ấm. Sau một lúc, ta thấy nước ấm nguội dần (vật truyền nhiệt), đá tan dần (vật nhận nhiệt). Khi đá tan hết và nước không lạnh thêm nữa thì quá trình truyền nhiệt kết thúc.

I. Khái niệm nhiệt độ

Hoạt động trang 15

Đề bài: Thí nghiệm sự truyền nhiệt năng (bố trí như Hình 3.1: cốc nhôm đựng ≈ 200 mL nước ở khoảng 30 °C đặt trong bình cách nhiệt đựng ≈ 500 mL nước ở khoảng 60 °C, dùng hai nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ hai lượng nước).

Trả lời các câu hỏi sau:

1. Tại sao có thể biết nước trong bình truyền nhiệt năng cho nước trong cốc?
2. Làm thế nào để nhận biết quá trình truyền nhiệt năng giữa nước trong bình và nước trong cốc đã kết thúc?

Lời giải:

1. Có thể biết nước trong bình truyền nhiệt năng cho nước trong cốc vì khi theo dõi hai nhiệt kế, ta thấy:

• Nhiệt độ nước trong bình (ban đầu 60 °C) giảm dần.
• Nhiệt độ nước trong cốc (ban đầu 30 °C) tăng dần.

→ Chứng tỏ có sự truyền nhiệt từ nước trong bình (nhiệt độ cao) sang nước trong cốc (nhiệt độ thấp).

2. Quá trình truyền nhiệt năng đã kết thúc khi: số chỉ trên hai nhiệt kế bằng nhau và không thay đổi nữa. Khi đó hai lượng nước đã ở trạng thái cân bằng nhiệt, không còn sự truyền nhiệt giữa chúng.

Câu hỏi trang 16

Đề bài: Có 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 hay không? Tại sao? Tìm ví dụ minh hoạ.

Lời giải:

Không thể nói như vậy. Vì:

• Chiều truyền nhiệt năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ chứ không phụ thuộc vào nội năng. Nhiệt năng luôn tự truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp.
• Một vật có nội năng lớn chưa chắc có nhiệt độ cao hơn vật khác, vì nội năng còn phụ thuộc vào khối lượng và thể tích của vật.

Ví dụ minh hoạ: Một bồn nước ấm 40 °C có khối lượng 100 kg (nội năng rất lớn) và một cốc nước sôi 100 °C có khối lượng 0,2 kg (nội năng nhỏ hơn nhiều). Khi đổ cốc nước sôi vào bồn, nhiệt vẫn truyền từ cốc nước sôi (nội năng nhỏ, nhiệt độ cao) sang bồn nước (nội năng lớn, nhiệt độ thấp).

II. Thang nhiệt độ – Nhiệt kế

1. Các thang nhiệt độ

Hoạt động trang 17

Đề bài: Hình 3.3 giới thiệu nhiệt độ của một số sự vật, hiện tượng, quá trình.

1. Nhiệt độ không tuyệt đối là nhiệt độ nào trong hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin?
2. Nêu ý nghĩa của nhiệt độ không tuyệt đối.
3. Hãy dựa vào bảng so sánh hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin ở Hình 3.2 để chứng minh rằng: mỗi độ chia (1 °C) trong thang nhiệt độ Celsius có độ lớn bằng 1 độ chia (1 K) trong thang nhiệt độ Kelvin.
4. Chứng minh công thức chuyển nhiệt độ từ thang Celsius sang thang Kelvin và ngược lại:

$$t; (°C) = T; (K) – 273{,}15$$ $$T; (K) = t; (°C) + 273{,}15$$

Lời giải:

1. Nhiệt độ không tuyệt đối là:

• Trong thang Kelvin: $T = 0$ K.
• Trong thang Celsius: $t = -273{,}15$ °C.

2. Ý nghĩa của nhiệt độ không tuyệt đối:

• Là nhiệt độ thấp nhất mà các vật có thể có. Không có vật nào ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này.
• Ở nhiệt độ không tuyệt đối, động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên vật bằng 0, và thế năng của chúng là tối thiểu.

3. Dựa vào Hình 3.2:

• Nhiệt độ đóng băng của nước: 0 °C tương ứng với 273,15 K.
• Nhiệt độ sôi của nước: 100 °C tương ứng với 373,15 K.

Xét khoảng cách giữa hai mốc trong mỗi thang:

• Thang Celsius: $100 – 0 = 100$ °C, được chia thành 100 phần bằng nhau.
• Thang Kelvin: $373{,}15 – 273{,}15 = 100$ K, cũng được chia thành 100 phần bằng nhau.

→ Vì cùng một khoảng cách giữa hai mốc và cùng chia thành 100 phần bằng nhau, nên 1 °C = 1 K (về độ lớn khoảng chia).

4. Chứng minh công thức chuyển đổi:

• Xét nhiệt độ đóng băng của nước: $t = 0$ °C tương ứng $T = 273{,}15$ K → hiệu số $T – t = 273{,}15$.
• Vì 1 °C = 1 K, nên khi nhiệt độ thay đổi, giá trị $t$ và $T$ đều thay đổi cùng một lượng như nhau → hiệu số $T – t$ luôn không đổi và bằng 273,15.

Do đó:

$$T; (K) = t; (°C) + 273{,}15$$

$$t; (°C) = T; (K) – 273{,}15$$

Câu hỏi trang 18

Đề bài:

1. Chuyển đổi nhiệt độ:a) Từ thang Celsius sang thang Kelvin: 270 °C; –270 °C; 500 °C.b) Từ thang Kelvin sang thang Celsius: 0 K; 500 K; 1 000 K.
2. Một vật được làm lạnh từ 100 °C xuống 0 °C. Hỏi nhiệt độ của vật theo thang Kelvin giảm đi bao nhiêu độ?
3. Thang nhiệt độ Kelvin có những ưu điểm gì so với thang nhiệt độ Celsius?

Lời giải:

1. Sử dụng công thức làm tròn: $T; (K) = t; (°C) + 273$ và $t; (°C) = T; (K) – 273$.

a) Từ Celsius sang Kelvin:

• $270$ °C $= 270 + 273 = 543$ K
• $-270$ °C $= -270 + 273 = 3$ K
• $500$ °C $= 500 + 273 = 773$ K

b) Từ Kelvin sang Celsius:

• $0$ K $= 0 – 273 = -273$ °C
• $500$ K $= 500 – 273 = 227$ °C
• $1000$ K $= 1000 – 273 = 727$ °C

2. Nhiệt độ vật giảm từ 100 °C xuống 0 °C.

Vì 1 °C = 1 K (về độ lớn khoảng chia), nên độ giảm nhiệt độ trong hai thang là như nhau:

$$\Delta T = \Delta t = 100 – 0 = 100 ; \text{K}$$

Kiểm tra: $100$ °C $= 373$ K; $0$ °C $= 273$ K → giảm $373 – 273 = 100$ K ✓.

Vậy nhiệt độ theo thang Kelvin giảm đi 100 K.

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

• Trong thang Kelvin, mọi giá trị nhiệt độ đều dương (không có nhiệt độ âm) → thuận tiện cho tính toán trong nhiệt động lực học.
• Là thang tuyệt đối: mốc 0 K có ý nghĩa vật lí rõ ràng (là nhiệt độ thấp nhất có thể có, tại đó động năng phân tử bằng 0).
• Là đơn vị chính thức của nhiệt độ trong hệ đơn vị đo lường quốc tế SI.

Em có thể

Giải thích được các hiện tượng truyền nhiệt năng thường gặp trong đời sống

Lời giải:

Chiều truyền nhiệt luôn từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp cho đến khi hai vật cân bằng nhiệt. Một số hiện tượng thường gặp:

• Đun nước bằng bếp: nhiệt truyền từ ngọn lửa (nhiệt độ cao) → sang ấm → sang nước → nước nóng lên và sôi.
• Cho đá vào cốc nước: nhiệt truyền từ nước (nhiệt độ cao) sang đá (nhiệt độ thấp) → đá tan, nước lạnh đi.
• Mặc áo ấm mùa đông: áo ấm ngăn nhiệt từ cơ thể (nhiệt độ ≈ 37 °C) truyền ra môi trường lạnh hơn, giúp cơ thể giữ ấm.
• Bình giữ nhiệt (phích nước): cấu tạo cách nhiệt giúp hạn chế sự truyền nhiệt giữa nước bên trong và môi trường → giữ nước nóng hoặc lạnh lâu hơn.
• Sờ vào kim loại và gỗ ở cùng nhiệt độ phòng: ta thấy kim loại “lạnh hơn” gỗ, vì kim loại dẫn nhiệt tốt hơn → nhiệt từ tay truyền sang kim loại nhanh hơn, làm tay có cảm giác lạnh.

Phân biệt được hai thang nhiệt độ Celsius và Kelvin

Lời giải:

→ Điểm chung: độ lớn của một độ chia trong hai thang là bằng nhau ($1$ °C $= 1$ K).

→ Điểm khác biệt cốt lõi: vị trí mốc “0” khác nhau (0 °C là nhiệt độ đóng băng của nước, còn 0 K là nhiệt độ thấp nhất có thể có).

Chuyển đổi được nhiệt độ Celsius sang nhiệt độ Kelvin và ngược lại

Lời giải:

Sử dụng hai công thức chuyển đổi (thường làm tròn):

$$T; (K) = t; (°C) + 273$$

$$t; (°C) = T; (K) – 273$$

Ví dụ áp dụng:

• Nhiệt độ phòng $25$ °C $= 25 + 273 = 298$ K.
• Nhiệt độ cơ thể người khoẻ mạnh $37$ °C $= 37 + 273 = 310$ K.
• Điểm sôi của rượu etylic $79$ °C $= 79 + 273 = 352$ K.
• Điểm sôi của oxygen $90$ K $= 90 – 273 = -183$ °C.
• Điểm nóng chảy của vàng $1340$ K $= 1340 – 273 = 1067$ °C.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn