Bài 3. Nhiệt độ. Thang nhiệt độ – nhiệt kế – Tóm tắt Vật lí 12

1. Nhiệt độ và nhiệt kế

Các khái niệm trọng tâm

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho mức độ nóng, lạnh của vật. Nếu hai vật tiếp xúc đủ lâu và không trao đổi nhiệt với môi trường ngoài, chúng đạt trạng thái cân bằng nhiệt: lúc đó nhiệt độ của hai vật bằng nhau.
Năng lượng nhiệt tự truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn; khi hai vật có cùng nhiệt độ thì không còn truyền nhiệt giữa chúng.
Nhiệt kế là dụng cụ dùng để đo nhiệt độ.
Nhiệt kế hoạt động dựa trên một đại lượng vật lí thay đổi theo nhiệt độ, chẳng hạn: thể tích chất lỏng, áp suất chất khí, điện trở của dây dẫn.

Khi dùng nhiệt kế, cần chọn loại có giới hạn đo phù hợp với khoảng nhiệt độ cần đo; đặt phần cảm ứng tiếp xúc tốt với vật, chờ chỉ số ổn định rồi đọc. Nếu là nhiệt kế thủy ngân, ta đọc tại chỗ mắt nhìn thẳng với mực chất lỏng trong mao quản.

2. Thang nhiệt độ

Thang Celsius: chọn hai mốc ở áp suất tiêu chuẩn là nhiệt độ nước đá đang tan ( $0^\circ\mathrm{C}$ ) và nhiệt độ nước đang sôi ( $100^\circ\mathrm{C}$ ), chia khoảng giữa thành 100 phần bằng nhau.
Thang Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối): mốc $0\,\mathrm{K}$ là độ không tuyệt đối, nhiệt độ thấp nhất có thể có, tại đó động năng chuyển động nhiệt của các phân tử bằng không (thế năng tương tác là cực tiểu). Kelvin (K) là đơn vị nhiệt độ trong hệ SI; $1\,\mathrm{K}$ có độ lớn bằng $1^\circ\mathrm{C}$ .

Thang nhiệt độ	Điểm đóng băng	Điểm sôi
Celsius ( $^\circ\mathrm{C}$ )	$0$	$100$
Fahrenheit ( $^\circ\mathrm{F}$ )	$32$	$212$
Kelvin ( $\mathrm{K}$ )	$273{,}15$	$373{,}15$

Mối liên hệ giữa các thang nhiệt độ.

Nếu $t_C$ là nhiệt độ đo theo độ Celsius, $t_F$ là nhiệt độ đo theo độ Fahrenheit, $T$ là nhiệt độ trong thang Kelvin, thì

T=t_C+273{,}15\approx t_C+273,\qquad \frac{t_C}{5}=\frac{t_F-32}{9}.

Lưu ý

Một độ chia trên thang Celsius bằng một độ chia trên thang Kelvin, nên nhiệt độ tăng $1^\circ\mathrm{C}$ thì cũng tăng $1\,\mathrm{K}$ ; khác nhau chỉ ở mốc $0$ .
Ở Việt Nam thường dùng độ Celsius trong đời sống; thang Kelvin hay dùng khi viết các định luật vật lí.
$0^\circ\mathrm{C}$ không phải là không có nhiệt độ; đó chỉ là điểm đóng băng của nước ở áp suất tiêu chuẩn. Độ không tuyệt đối là $0\,\mathrm{K}=-273{,}15^\circ\mathrm{C}$ ; không có nhiệt độ âm trên thang Kelvin.

Các bước chuyển đổi nhiệt độ

1.
Xác định giá trị nhiệt độ đã cho và thang nhiệt độ cần đổi sang.
2.
Nếu chỉ hỏi hiệu nhiệt độ thì dùng tỉ lệ: $\Delta t_F=1{,}8\,\Delta t_C$ và $\Delta T=\Delta t_C$ (với $\Delta t_C$ tính bằng $^\circ\mathrm{C}$ , $\Delta T$ tính bằng $\mathrm{K}$ ).
3.
Nếu hỏi giá trị tuyệt đối thì thay vào công thức liên hệ đã nêu ở trên; sau cùng ghi kèm đơn vị.

3. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Một ngày hè nóng, nhiệt độ không khí là $30^\circ\mathrm{C}$ . Hãy tính nhiệt độ đó theo độ Fahrenheit và theo thang Kelvin.

Lời giải · 2 bước

Áp dụng công thức liên hệ:

\frac{30}{5}=\frac{t_F-32}{9} \Rightarrow t_F-32=54 \Rightarrow t_F=86\,^\circ\mathrm{F}.

T=30+273{,}15=303{,}15\,\mathrm{K}\approx 303\,\mathrm{K}.

Bước 2

Vậy ngày hè đó có nhiệt độ $86^\circ\mathrm{F}$ , tức khoảng $303\,\mathrm{K}$ .

Ví dụ 2

Nhiệt kế y khoa cho biết thân nhiệt một người là $98{,}6^\circ\mathrm{F}$ . Nhiệt độ đó tương ứng bao nhiêu độ Celsius và bao nhiêu kelvin?

Lời giải · 3 bước

\frac{t_C}{5}=\frac{98{,}6-32}{9}=\frac{66{,}6}{9}=7{,}4 \Rightarrow t_C=37\,^\circ\mathrm{C}.

Bước 2

Sang thang Kelvin:

T=37+273{,}15=310{,}15\,\mathrm{K}.

Bước 3

Vậy thân nhiệt đó là $37^\circ\mathrm{C}$ , tức $310{,}15\,\mathrm{K}$ .

Ví dụ 3

Một phòng thí nghiệm điều chỉnh nhiệt độ từ $20^\circ\mathrm{C}$ lên $80^\circ\mathrm{C}$ . Hỏi chỉ số trên nhiệt kế Fahrenheit tăng thêm bao nhiêu độ?

Lời giải · 2 bước

Nhiệt độ tăng trên thang Celsius là

\Delta t_C=80-20=60\,^\circ\mathrm{C}.

Bước 2

Vì $\Delta t_F=1{,}8\,\Delta t_C$ nên chỉ số Fahrenheit tăng thêm

\Delta t_F=1{,}8\times 60=108\,^\circ\mathrm{F}.

4. Liên hệ thực tế

Khi sốt, người ta đo thân nhiệt bằng nhiệt kế y khoa; mức $37^\circ\mathrm{C}$ được xem là mốc thông thường của cơ thể.
Trong dự báo thời tiết quốc tế, nhiệt độ có thể được phát bằng độ Fahrenheit; cần đổi sang Celsius để so sánh với thông thường.
Trên đỉnh núi cao, áp suất khí quyển thấp hơn nên nước sôi ở nhiệt độ nhỏ hơn $100^\circ\mathrm{C}$ ; vì vậy nấu nướng ở nơi cao thường lâu chín hơn.

Nhớ nhanh

1. Nhiệt độ và nhiệt kế

2. Thang nhiệt độ

3. Ví dụ minh hoạ

4. Liên hệ thực tế