62 câu Trắc nghiệm Vật lý 12 Cánh diều Bài 3: Thang nhiệt độ

Áp dụng công thức đổi nhiệt độ giữa hai thang ta có:

$x=x.1{,}8+32\overset{}{\rightarrow }x=-40$

Ứng với nhiệt độ −40 °C trên thang Celsius đổi sang thang nhiệt độ Fahrenheit là –40 °F.

a) Ta có 140 khoảng chia thang đo Z bằng 100 khoảng chia thang đo Celsius .

Suy ra: $\frac{t({}^{^{\circ}}Z)-10}{150-10}=\frac{t({}^{^{\circ}}\text{C})-0}{100-0}\Rightarrow \text{t}({}^{^{\circ}}\text{Z})=1{,}4\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})+10$

b) Áp dụng công thức: $80=1{,}4\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})+10\Rightarrow \text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})={50}^{^{\circ}}\text{C}$

Bất kỳ thang đo nào cũng tuân theo phương trình:

Thay số vào ta được: $\frac{{t}_{c}-0}{100-0}=\frac{{t}_{Y}-5}{95-5}\overset{{t}_{Y}=59}{\rightarrow }{t}_{c}={60}^{^{\circ}}\text{C}$

Bất kỳ thang đo nào cũng tuân theo phương trình:

Thay số vào ta được: $\frac{{t}_{X}-(-125)}{375-(-125)}=\frac{{t}_{Y}-(-70)}{-30-(-70)}\overset{{t}_{Y}=50}{\rightarrow }{t}_{X}={1375}^{^{\circ}}X$

Khi hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, năng lượng nhiệt sẽ truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn cho đến khi cả hai vật đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt.

Đây là một quá trình tự nhiên mà ở đó sự chênh lệch nhiệt độ là động lực cho sự truyền nhiệt. Sự truyền nhiệt này có thể xảy ra qua ba hình thức cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu, và bức xạ.

Để kiểm tra dự đoán trên, bạn có thể tiến hành một thí nghiệm đơn giản với hai cốc nước ở nhiệt độ khác nhau ta sẽ nhận thấy rằng nước nóng sẽ mất nhiệt và trở nên mát mẻ hơn, trong khi nước lạnh sẽ nhận nhiệt và trở nên ấm áp hơn. Điều này chứng minh rằng năng lượng nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao sang vật có nhiệt độ thấp cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

* Cảm giác lạnh khi bạn chạm tay vào song sắt và đỡ lạnh hơn khi chạm vào bàn gỗ, mặc dù cả hai đều ở trong cùng một phòng, không phải vì bàn gỗ có nhiệt độ cao hơn song sắt. Sự khác biệt về cảm giác nhiệt khi chạm vào chúng là do tính chất dẫn nhiệt của vật liệu.

* Cách đo nhiệt độ: phổ biến nhất là sử dụng nhiệt kế.

* Ví dụ về sự truyền năng lượng nhiệt: nấu ăn, sưởi ấm nhà cửa, phơi quần áo,...

* Đối với nhiệt kế thủy ngân hoạt động dựa trên nguyên tắc sự giãn nở vì nhiệt của chất lỏng, cụ thể là thủy ngân. Sự thay đổi thể tích của thủy ngân này làm cho cột thủy ngân trong ống mao dẫn di chuyển lên hoặc xuống theo từng vạch chia độ

* Đối với nhiệt kế điện trở hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Cụ thể hơn, điện trở của hầu hết các vật liệu tăng lên khi nhiệt độ tăng và giảm khi nhiệt độ giảm.

* Tóm lại, hai nhiệt kế trên hoạt động dựa trên sự nở vì nhiệt.

* Nguyên lí đo nhiệt độ của cảm biến hồng ngoại:

• Cảm biến hồng ngoại đo nhiệt độ dựa trên nguyên tắc cơ bản là mọi vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại tỷ lệ thuận với nhiệt độ của chính nó. Dựa vào nguyên tắc này, cảm biến hồng ngoại đo được lượng bức xạ hồng ngoại mà một vật thể phát ra, từ đó tính toán và xác định nhiệt độ của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

• Cảm biến hồng ngoại thường gồm có một hệ thống thu bức xạ hồng ngoại, một bộ phận chuyển đổi bức xạ thành tín hiệu điện tử, và một mạch xử lý tín hiệu để đưa ra giá trị nhiệt độ. Bức xạ hồng ngoại từ vật thể được thu qua một hệ thống lăng kính hoặc gương phản xạ, sau đó tập trung vào một bộ phát hiện. Bộ phát hiện này chuyển đổi bức xạ thành tín hiệu điện, tín hiệu này sau đó được xử lý và hiển thị thành giá trị nhiệt độ.

* Cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại điện tử:

• Bật bật nhiệt kế hồng ngoại.

• Chọn chế độ đo: đo nhiệt độ bề mặt hoặc đo nhiệt độ không khí...

• Hướng nhiệt kế: Hướng phần đầu đo của nhiệt kế về phía vật thể bạn muốn đo nhiệt độ.

• Khoảng cách đo: Tuân theo hướng dẫn sử dụng về khoảng cách đo lý tưởng.

• Nhấn nút đo: Nhấn nút đo và giữ nhiệt kế cố định cho đến khi bạn nhận được giá trị.

• Đọc kết quả: Kết quả đo sẽ hiển thị trên màn hình điện tử của nhiệt kế.

Có nhiều thang nhiệt độ được sử dụng trên thế giới để đo lường nhiệt độ. Dưới đây là một số thang nhiệt độ phổ biến mà bạn có thể biết:

1. Thang Celsius (°C):

Được đặt theo tên của nhà khoa học Anders Celsius. Trong thang này, điểm đóng băng của nước được đặt là 0 độ C và điểm sôi là 100 độ C ở áp suất khí quyển chuẩn.

2. Thang Fahrenheit (°F):

Được phát triển bởi Gabriel Fahrenheit. Trong thang này, điểm đóng băng của nước được đặt là 32 độ F và điểm sôi là 212 độ F ở áp suất khí quyển chuẩn.

3. Thang Kelvin (K):

Đây là thang nhiệt độ chuẩn của hệ thống đo lường quốc tế (SI), được đặt theo tên của Lord Kelvin. Thang này không có giá trị âm, với 0 K (–273,15 °C) được xác định là nhiệt độ tuyệt đối, nơi mà tất cả chuyển động nhiệt hạt nhân cơ bản dừng lại.

4. Thang Rankine (°R hoặc °Ra):

Đây là thang nhiệt độ được sử dụng chủ yếu trong một số lĩnh vực kỹ thuật và khoa học tại Hoa Kỳ. Nó tương tự như thang Kelvin nhưng sử dụng đơn vị độ Fahrenheit thay vì Celsius.

5. Thang Réaumur (°Ré, °Re, hoặc °R):

Được phát triển bởi René Antoine Ferchault de Réaumur. Trong thang này, điểm đóng băng của nước được đặt là 0 độ Re và điểm sôi là 80 độ Re.

1. Thang nhiệt độ Celsius:

Trong thang nhiệt độ Celsius chia khoảng cách giữa nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết 0 °C và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết 100 °C thành 100 phần bằng nhau. Mỗi phần bằng nhau được gọi là 1 độ Celsius (°C).

2. Thang nhiệt độ Kelvin:

* Trong thang nhiệt độ Kelvin là thang nhiệt độ tuyệt đối dựa trên đơn vị SI. Điểm 0 K được gọi là nhiệt độ không tuyệt đối, là nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được về mặt lý thuyết.

* Khoảng cách giữa 0 K và 273,15 K tương ứng với khoảng cách giữa nhiệt độ nóng chảy của nước tinh khiết (0 °C) và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết (100 °C) ở áp suất 1 atm.

* Mỗi phần bằng nhau trong khoảng cách này được gọi là 1 Kelvin (K).

3. Chứng minh:

Chứng minh ${1}^{^{\circ}}\text{C}=\frac{1}{100}$ của khoảng cách giữa 0 °C và 100 °C:

Theo định nghĩa thang nhiệt độ Celsius, 1°C là $\frac{1}{100}$ của khoảng cách giữa 0 °C và 100°C.

Do đó, ta có: ${1}^{^{\circ}}\text{C}=\frac{({100}^{^{\circ}}\text{C}-{0}^{^{\circ}}\text{C})}{100}$

Chứng minh $\frac{1}{273{,}16}$ của khoảng cách giữa 0 K và 273,15 K:

Theo định nghĩa thang nhiệt độ Kelvin, 1 K là $\frac{1}{273{,}16}$ của khoảng cách giữa 0 K và 273,15 K.

Do đó, ta có: $1\text{K}=\frac{(273{,}15\text{K}-0\text{K})}{273{,}16}$

a) Dùng công thức chuyển đổi:

$\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})=\text{T}-273{,}15\Rightarrow \{\begin{matrix}{\text{t}}_{1}=273-273{,}15=-0,{15}^{^{\circ}}\text{C} \\ {\text{t}}_{2}=1273-273{,}15={1000}^{^{\circ}}\text{C}\end{matrix}$

Vậy, phạm vi đo của nhiệt kế trong thang nhiệt độ Celsius là từ –0,15 °C đến 1000 °C.

b) Từ giới hạn đo ở trên ta thấy nhiệt kế không thể đo được nhiệt độ lò nung đang nấu chảy đồng ở 1083 °C.

Chuyển đổi nhiệt độ giữa thang Celsius và thang Z.

a) Thiết lập biểu thức chuyển đổi:

Gọi a là số độ chênh lệch giữa 1 °Z và 1 °C. Ta có:

• Khoảng cách nhiệt độ giữa nước đá tan và nước sôi trong thang Z là

105 °Z - (-5 °Z) = 110 °Z.

• Khoảng cách nhiệt độ giữa nước đá tan và nước sôi trong thang Celsius là 100 °C - 0 °C = 100 °C.

Do đó, ta có tỷ lệ: $\frac{\text{a}({}^{^{\circ}}\text{Z})}{1({}^{^{\circ}}\text{C})}=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}\Rightarrow \text{a}=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}$(1)

* Thiết lập biểu thức chuyển đổi:

• Gọi t (°C) là nhiệt độ đo theo thang Celsius và z (°Z) là nhiệt độ đo theo thang Z.

• Mối liên hệ: z = a.t+b. Trong đó, b là giá trị chênh lệch giữa nhiệt độ 0 °C và –5 °Z.

• Thay a bằng giá trị đã tính ở (1), ta được: $\text{z}=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}\cdot \text{t}+\text{b}$

* Tìm giá trị b:

Khi nhiệt độ nước đá tan (t = 0 °C), ta có z = −5 °Z

$\Rightarrow -5({}^{^{\circ}}\text{Z})=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}\cdot {0}^{^{\circ}}\text{C}+\text{b}\Rightarrow \text{b}=-5({}^{^{\circ}}\text{Z})$.

Vậy Công thức chuyển đổi là: $z({}^{^{\circ}}\text{Z})=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}\cdot t({}^{^{\circ}}\text{C})-5({}^{^{\circ}}\text{Z})=1{,}1\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})-5$

b) Nhiệt độ của vật khi đo bằng thang Z là 61°Z:

Thay z=61 °Z vào biểu thức chuyển đổi: 61=1,1t(°C)-5=t(°C) ≈ 60 °C.

c) Nhiệt độ của vật để số chỉ trên hai thang nhiệt độ bằng nhau:

Gọi t (°C) là nhiệt độ cần tìm.

Khi số chỉ trên hai thang nhiệt độ bằng nhau, ta có: t (°C) = z (°Z)

Thay z (°Z) vào công thức:

$\text{z}({}^{^{\circ}}\text{Z})=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}\cdot \text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})-5({}^{^{\circ}}\text{Z})\Rightarrow \text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})=\frac{110({}^{^{\circ}}\text{Z})}{100({}^{^{\circ}}\text{C})}\cdot \text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})-5({}^{^{\circ}}\text{Z})$

Hay → t(°C) = 50(°C).

Vậy, nhiệt độ của vật để số chỉ trên hai thang nhiệt độ bằng nhau là khoảng 50°C.

* Cách 2: Áp dụng công thức:

a) Ta có: $\frac{\text{t}({}^{^{\circ}}\text{Z})-(-5)}{105-(-5)}=\frac{\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})-0}{100-0}\Rightarrow \text{t}({}^{^{\circ}}\text{Z})=\frac{110}{100}\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})-5\Rightarrow \text{t}({}^{^{\circ}}\text{Z})=1{,}1\text{t}({}^{^{\circ}}\text{C})-5$

b) Áp dụng công thức: 61 = 1,1t(°C) – 5 → t(°C) ≈ 60°C.

c) Khi hai thang nhiệt độ bằng nhau: t(°Z) = t(°C), ta suy ra:

→ t(°C) = 1,1t(°C) – 5(°C) t = 50°C.