Bài 3: Nhiệt độ, thang nhiệt độ và nhiệt kế
Vì sao 1 K cũng đúng bằng độ chênh 1 °C, nhưng không thể thay trực tiếp 300 K bằng 300 °C? Cùng luyện đổi thang đo và đọc nhiệt kế.
HỌC XONG BÀI NÀY
- Phân biệt nhiệt độ, nhiệt lượng và cân bằng nhiệt.
- Quy đổi thành thạo Celsius, Kelvin, Fahrenheit.
- Biết cách đọc, kiểm tra và đánh giá sai số nhiệt kế.
Kiến thức nền tảng
Nhiệt độ cho biết trạng thái nóng–lạnh và chiều trao đổi nhiệt tự phát giữa các vật tiếp xúc. Khi hai hệ ở cân bằng nhiệt, nhiệt độ của chúng bằng nhau và không còn dòng truyền nhiệt thuần theo chênh lệch nhiệt độ.
Nhiệt kế cho biết nhiệt độ sau khi tiếp xúc đủ lâu để gần cân bằng nhiệt. Chọn đúng giới hạn đo, độ chia và cách đặt cảm biến trước khi đọc. Không đồng nhất nhiệt độ của một vật với tổng năng lượng của vật đó.
Nhiệt độ và cân bằng nhiệt
Nhiệt truyền tự phát từ vật có nhiệt độ cao sang thấp khi có tiếp xúc nhiệt, cho đến cân bằng. Nhiệt kế phải được chờ ổn định và dùng trong giới hạn đo. T(K)=t(°C)+273,15; có thể dùng 273 khi đề quy định gần đúng. Độ tăng 1 K bằng độ tăng 1°C, nhưng tỉ số nhiệt độ trong định luật khí phải dùng K. 0 K là không độ tuyệt đối; không diễn giải thành mọi chuyển động vi mô đều dừng trong mô tả lượng tử.
Ghi nhớ
Nhiệt độ đặc trưng trạng thái nóng lạnh; nhiệt lượng là năng lượng truyền do chênh lệch nhiệt độ. Giữ rõ trạng thái, áp suất và thang nhiệt độ trước khi tính.
Đổi thang đo và đọc nhiệt kế
T/K = t/°C + 273,15; tF = 95tC + 32.
Khi đề cho phép, dùng 273 thay 273,15. Độ tăng 1 °C bằng độ tăng 1 K; nhưng 20 °C không bằng 20 K. Kí hiệu kelvin là K, không có dấu độ.
Với thang đo tuyến tính X có hai mốc x₁, x₂ tương ứng t₁, t₂, dùng cùng một tỉ lệ khoảng:
x − x₁x₂ − x₁ = t − t₁t₂ − t₁.
Nhiệt kế chất lỏng dựa vào sự nở vì nhiệt; cảm biến điện dựa vào tính chất điện phụ thuộc nhiệt độ; nhiệt kế hồng ngoại suy nhiệt độ từ bức xạ. Chọn đúng giới hạn đo, chờ ổn định, đọc đúng vị trí và tránh để cảm biến chạm đáy bình khi đo nhiệt độ chất lỏng.
Phân biệt điểm ba và điểm nóng chảy của nước
Điểm ba gần 273,16 K (0,01 °C), ở áp suất gần 611,657 Pa; không phải 273,15 K ở áp suất khí quyển. Trong SI hiện hành, kelvin được định nghĩa qua hằng số Boltzmann. Các bài đổi nhiệt độ vẫn dùng T/K = t/°C + 273,15.
Bảng kiến thức cần nhớ
| Nội dung | Ghi nhớ | Điều kiện |
|---|---|---|
| Đổi thang | T(K) = t(°C) + 273,15 | Dùng 273 nếu đề cho phép |
| Độ chênh | ΔT(K) = Δt(°C) | Không cộng thêm 273,15 |
| Tỉ số nhiệt độ | T₂T₁ | Phải dùng kelvin |
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Đổi nhiệt độ và độ tăng
Từ 25 °C lên 65 °C: T₁ = 298,15 K; T₂ = 338,15 K; độ tăng bằng 40 K, cũng bằng 40 °C. Không viết độ tăng là 313,15 K.
Ví dụ 2. Nhiệt độ tăng gấp đôi?
Một khí từ 20 °C lên 40 °C có tỉ số nhiệt độ tuyệt đối 313,15/293,15 ≈ 1,068. Nhiệt độ tuyệt đối chỉ tăng khoảng 6,8%, không tăng gấp đôi. Đây là tỉ số cần dùng trong định luật khí.
Luyện tập và đề ôn liên quan
Tự kiểm tra
Tăng 12 °C tương ứng tăng bao nhiêu kelvin?
Xem đáp án và cách kiểm
Tăng 12 K. Chỉ độ chênh nhiệt độ được giữ nguyên trị số giữa hai thang.
ĐỌC SÂU HƠN · KẾT NỐI VỚI BÀI TẬP
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Quy đổi Celsius sang Kelvin
T tính bằng K, t tính bằng °C. Chênh lệch 1 K bằng chênh lệch 1 °C.
Quy đổi Fahrenheit
Fahrenheit và Celsius có độ lớn khoảng chia khác nhau.
1. Ba thang đo thường gặp
Ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn, nước đá đang tan ở khoảng 0 °C và nước tinh khiết sôi gần 100 °C, tương ứng khoảng 32 °F và 212 °F. Trong hệ SI, đơn vị cơ bản cho nhiệt độ nhiệt động lực học là kelvin (K).
| Mốc | °C | K | °F |
|---|---|---|---|
| Nước đá đang tan (xấp xỉ) | 0 | 273,15 | 32 |
| Nhiệt độ phòng tham khảo | 25 | 298,15 | 77 |
| Nước tinh khiết sôi ở 1 atm | 100 | 373,15 | 212 |
2. Độ chênh nhiệt độ và nhiệt độ tuyệt đối
Một độ tăng 1 K bằng đúng độ tăng 1 °C: ΔT (K) = Δt (°C). Nhưng giá trị tuyệt đối phải cộng 273,15. Với Fahrenheit, độ tăng 1 °C bằng độ tăng 1,8 °F, nên ΔF = 1,8Δt.
3. Dùng nhiệt kế và kiểm tra số đo
Chọn loại nhiệt kế thích hợp với dải nhiệt độ và đối tượng đo. Nếu đo bằng cảm biến tiếp xúc, đặt đầu đo đủ gần vùng cần khảo sát, chờ số chỉ ổn định và tránh để cảm biến chạm thành bình nóng/lạnh khiến số đo bị sai lệch.
Đọc đúng độ phân giải của dụng cụ, nêu đơn vị, ghi điều kiện khi dùng mốc 0 °C hoặc 100 °C. Với nhiệt kế hồng ngoại, kết quả còn phụ thuộc độ phát xạ và bề mặt đo.
4. Ví dụ vận dụng
- Nhiệt độ cuối: 35 + 18 = 53 °C.
- Kelvin: T = 53 + 273,15 = 326,15 K.
- Fahrenheit: F = 1,8 × 53 + 32 = 127,4 °F.
Độ tăng là 18 K, không phải 291,15 K.
Những lỗi học sinh thường mắc
- Cộng 273,15 vào độ tăng nhiệt độ ΔT.
- Viết đơn vị “°K” thay vì kelvin (K).
- Xem 40 °C là gấp đôi 20 °C về nhiệt độ tuyệt đối.
- Bỏ qua việc nhiệt kế chưa ổn định hoặc đặt sai vị trí.
Liên hệ thực tế
Tại vùng núi cao, nước có thể sôi dưới 100 °C vì áp suất khí quyển thấp. Trong y tế, nhiệt kế đo thân nhiệt cần được vệ sinh và dùng đúng vị trí; trong phòng thí nghiệm, cảm biến điện tử cho phép ghi lại sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian.
Sơ đồ tư duy Bài 3
Mỗi nhánh ghi rõ kiến thức, điều kiện hoặc lỗi dễ nhầm — em có thể mở bản vector lớn để đọc chi tiết.
Đọc sơ đồ bằng chữ
- Nhiệt độ: Đặc trưng trạng thái nóng lạnh · Cho chiều truyền nhiệt tự phát · Cân bằng khi T bằng nhau
- Celsius: Đơn vị: °C · Nước đá tan khoảng 0 °C · Nước sôi gần 100 °C ở 1 atm
- Kelvin: Đơn vị: K, không viết °K · T = t + 273,15 · Dùng T cho công thức khí
- Fahrenheit: Đơn vị: °F · F = 1,8t + 32 · ΔF = 1,8Δt
- Nhiệt kế: Chọn đúng dải đo · Chờ cảm biến ổn định · Ghi đơn vị, độ phân giải
- Cảnh báo: ΔT(K) = Δt(°C) · Không cộng 273,15 vào ΔT · 20 °C ≠ ½ của 40 °C
HIỂU RỒI THÌ LUYỆN
Tự kiểm tra kiến thức Bài 3
Học theo từng câu, chọn Đúng/Sai từng ý và mở lời giải sau khi tự làm. Bộ câu hỏi được biên soạn tương ứng với bài này.