Sách bài tập Vật lí 12 Bài 2 (Chân trời sáng tạo): Thang nhiệt độ

Giải SBT Vật lí 12 Bài 2: Thang nhiệt độ

A. Trắc nghiệm

Câu 2.1 (B) trang 10 SBT Vật Lí 12: Một hệ gồm hai vật, mỗi vật có nhiệt độ 30 °C. Nhiệt độ của hệ là

A. 10 °C.

B. 20 °C.

C. 30 °C.

D. 60 °C.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Hai vật có nhiệt độ bằng nhau, hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Câu 2.2 (B) trang 10 SBT Vật Lí 12: Một vật có nhiệt độ theo thang Celsius là 0 °C. Nhiệt độ của vật theo thang Kelvin (làm tròn) là

A. 0 K.

B. 173 K.

C. 273 K.

D. 305 K.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

$t\left(K\right)=t(°C)+273$

Câu 2.3 (B) trang 10 SBT Vật Lí 12: Cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau. Năng lượng nhiệt được truyền từ

A. vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

B. vật có khối lượng lớn hơn sang vật có khối lượng nhỏ hơn.

C. vật ở trên cao sang vật ở dưới thấp.

D. vật ở dưới thấp sang vật ở trên cao.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau. Năng lượng nhiệt được truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

Câu 2.4 (B) trang 10 SBT Vật Lí 12: Một hệ gồm hai vật A và B có cùng nhiệt độ nhưng khối lượng vật A lớn gấp đôi khối lượng vật B. Cho hai vật tiếp xúc với nhau. Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường ngoài. Chọn đáp án đúng.

A. Nhiệt độ vật A giảm dần, nhiệt độ vật B tăng dần.

B. Nhiệt độ vật A tăng dần, nhiệt độ vật B giảm dần.

C. Nhiệt độ cả hai vật đều tăng.

D. Nhiệt độ cả hai vật đều không đổi.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Hai vật có nhiệt độ bằng nhau, khi tiếp xúc với nhau chúng giữ trạng thái cân bằng nhiệt.

Câu 2.5 (B) trang 10 SBT Vật Lí 12: Cho biết mối liên hệ giữa thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ Fahrenheit là T (°F) = 1,8t (°C) + 32. Một vật có nhiệt độ theo thang Celsius là 52 °C. Nhiệt độ của vật theo thang Fahrenheit là

A. 125,6 °F.

B. 152,6 °F.

C. 126,5 °F.

D. 162,5 °F.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

T (°F) = 1,8t (°C) + 32 = 1,8.52 + 32 = 125,6 °F.

Câu 2.6 (H) trang 10 SBT Vật Lí 12: Một vật có nhiệt độ theo thang Fahrenheit là 95 °F. Nhiệt độ của vật theo thang Kelvin (làm tròn) là

A. 35 K.

B. 308 K.

C. 368 K.

D. 178 K.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

T (°F) = 1,8t (°C) + 32

$t\left(K\right)=t(°C)+273$

$t\left(K\right)=\frac{t(°F)-32}{1,8}+273=308K$

Câu 2.7 (H) trang 11 SBT Vật Lí 12: Thông thường, nhiệt kế thuỷ ngân thường dùng để đo thân nhiệt có phạm vi đo từ 35 °C đến 42 °C. Trong mỗi phát biểu sau, em hãy chọn đúng hoặc sai.

a) Vì đó là giới hạn tối đa trong sự dãn nở vì nhiệt của thuỷ ngân.

b) Vì thân nhiệt bình thường của con người nằm trong khoảng này.

c) Vì nhiệt độ cao hơn 42 °C thì thể tích thuỷ ngân biến thiên không còn tuyến tính.

d) Vì nhiệt độ thấp hơn 35 °C thì thể tích thuỷ ngân biến thiên không còn tuyến tính.

Lời giải:

Thân nhiệt bình thường của con người nằm trong khoảng 35 °C đến 42 °C.

a) Sai;

b) Đúng;

c) Sai;

d) Sai.

Câu 2.8 (H) trang 11 SBT Vật Lí 12: Giả sử một nhiệt kế thuỷ ngân bị mất thông số vạch chia độ. Ở áp suất tiêu chuẩn, để xác định lại vị trí vạch 0 °C trên nhiệt kế thì cần đặt nhiệt kế vào đối tượng nào dưới đây? Trong mỗi phát biểu sau, em hãy chọn đúng hoặc sai.

a) Ngăn đông của tủ lạnh.

b) Ngọn lửa của bếp gas.

c) Nước đá đang tan chảy.

d) Nước sôi.

Lời giải:

Nước đá đang tan ở 0 °C.

a) Sai;

b) Sai;

c) Đúng;

d) Sai.

B. Tự luận

Bài 2.1 (B) trang 11 SBT Vật Lí 12: Người ta sử dụng một nhiệt kế thuỷ ngân dùng thang nhiệt độ Celsius đo được khoảng cách từ vạch 20 °C đến vạch 32 °C là 1,5 cm. Tính khoảng cách từ vạch 14 °C đến vạch 50 °C trên nhiệt kế này.

Lời giải:

Khoảng cách giữa hai vạch lệch nhau 1 °C là $\frac{1,5}{32-20}=0,125 \text{cm}.$ Từ đó, ta tính được khoảng cách từ vạch 14 °C đến vạch 50 °C là 0,125.(50 – 14) = 4,5 cm.

Bài 2.2 (B) trang 11 SBT Vật Lí 12: Người ta sử dụng một nhiệt kế thuỷ ngân dùng thang nhiệt độ Kelvin đo được khoảng cách từ vạch ứng với nhiệt độ nước đá tinh khiết đang tan ở 1 atm đến vạch ứng với nước tinh khiết sôi ở 1 atm là 12 cm. Tính khoảng cách giữa hai vạch lệch nhau 1 K liên tiếp trên nhiệt kế này.

Lời giải:

Khoảng cách giữa hai vạch lệch nhau 1 K liên tiếp là $\frac{12}{100}=0,12 \text{cm}$

Bài 2.3 (H) trang 11 SBT Vật Lí 12: Chiều cao của cột thuỷ ngân trong nhiệt kế tương ứng với điểm nước đá tinh khiết đang tan ở 1 atm và điểm sôi của nước tinh khiết ở 1 atm lần lượt là 50 mm và 70 mm. Giả sử chiều dài này có thể đọc chính xác đến 0,1 mm thì nhiệt kế này có thể dùng để phân biệt nhiệt độ giữa điểm nước đá tinh khiết đang tan và điểm ba của nước không?

Lời giải:

Mỗi °C tương ứng với $\frac{70-50}{100-0}=0,2 \text{mm}.$ Vì chiều dài này có thể đọc chính xác đến 0,1 mm nghĩa là chính xác đến 0,5 °C. Do đó, nhiệt kế này không thể dùng để phân biệt nhiệt độ giữa điểm nước đá tinh khiết đang tan và điểm ba của nước (0,01 °C).

Bài 2.4 (H) trang 12 SBT Vật Lí 12: Hãy nêu một vài khó khăn nếu dùng nước thay cho thuỷ ngân trong các nhiệt kế.

Lời giải:

Nếu dùng nước thay cho thuỷ ngân trong các nhiệt kế thì vấn đề dễ nhận thấy nhất là khó quan sát vì nước trong suốt. Nếu khắc phục bằng cách pha màu cho nước thì vẫn gặp các vấn đề bất lợi sau:

– Không thể dùng nhiệt kế này đo các vật có nhiệt độ từ 0 °C trở xuống vì nước đã đông đặc;

– Trong khoảng từ 4 °C đến 0 °C, thể tích của nước tăng chứ không giảm;

– Thậm chí, nếu dùng nhiệt kế nước để đo nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng bình thường thì cũng rất khó vì thể tích của nước tăng khá chậm so với thuỷ ngân.

Bài 2.5 (H) trang 12 SBT Vật Lí 12: Các thang đo nhiệt độ của nhiệt kế thuỷ ngân được xây dựng dựa trên việc thể tích thuỷ ngân tăng tuyến tính theo nhiệt độ. Có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm vấn đề này hay không? Nếu có, hãy thử đề xuất một phương án kiểm chứng bằng thực nghiệm vấn đề này.

Lời giải:

Không thể kiểm chứng bằng thực nghiệm vấn đề thể tích thuỷ ngân tăng tuyến tính theo nhiệt độ. Vì để kiểm chứng điều này, ta lại phải sử dụng chính nhiệt kế trong thí nghiệm kiểm chứng, trong khi để có được thang đo trên nhiệt kế, ta đã giả thiết rằng thể tích thuỷ ngân biến đổi tuyến tính theo nhiệt độ.

Bài 2.6 (H) trang 12 SBT Vật Lí 12: Từ cách xác định mỗi độ chia thang Kelvin (1 K): Từ vạch 0,01 °C (hay 273,16 K) đến vạch –273,15 °C (hay 0 K) chia thành 273,16 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng tương ứng với 1 K. Vấn đề đặt ra là: Chúng ta chưa thể hạ nhiệt độ một vật trong thực tế xuống đến giá trị 0 K (hay – 273,15 °C), chưa kể đến các hiệu ứng khác xuất hiện khi ở nhiệt độ quá thấp. Làm thế nào ta xác định được vạch 0 K trên nhiệt kế?

Lời giải:

Trong thực tế không thể tạo ra nhiệt độ 0 K rồi đánh dấu vạch đó được. Tuy nhiên, do ta luôn giả định là thể tích tăng tuyến tính theo nhiệt độ, nên từ vạch 273,16 K (0,01 °C) đến vạch nước sôi ở 373,15 K (100 °C) ta chia thành 99,99 đoạn bằng nhau. Sau đó, từ vạch 273,16 K ta kẻ thêm 273,16 đoạn bằng nhau như trên là đến vạch 0 K.

Bài 2.7 (H) trang 12 SBT Vật Lí 12: Người ta thiết kế một nhiệt kế sử dụng một thang nhiệt độ mới, gọi là thang nhiệt độ X, nhiệt độ được kí hiệu là T_X, có đơn vị là °X. Trong đó, 0 °C tương ứng với 10 °X và khi cùng đo nhiệt độ của một vật thì thấy số chỉ theo thang nhiệt độ Celsius và thang nhiệt độ nhiệt độ X đều là 50.

a) Hãy thiết lập biểu thức chuyển đổi nhiệt độ từ thang nhiệt độ Celsius sang thang nhiệt độ X.

b) Ở nhiệt độ bao nhiêu theo thang Celsius (nhỏ hơn 50 °C) thì độ chênh lệch số chỉ của hai thang đo là 3?

Lời giải:

a) Biết rằng:

- 0 °C tương ứng với 10 °X

- 50 °C tương ứng với 50 °X

Gọi nhiệt độ theo thang Celsius là t và nhiệt độ theo thang X là T_X.

Dựa trên thông tin trên, ta có thể thiết lập hệ phương trình để tìm mối quan hệ giữa t và T_X:

Xét mối quan hệ tuyến tính giữa t và T_X: T_X = a⋅t + b

Sử dụng các điểm đã cho để xác định aa và bb:

- Khi t = 0 °C, T_X = a.0 + b = 10 °X

- Khi t = 50 °C, T_X = a.50 + b = 50 °X

Giải hệ phương trình tìm được a = 0,8; b = 10.

Do đó, biểu thức chuyển đổi từ Celsius sang X là: T_X = 0,8t + 10

b) Thay |T_X – t| = 3 vào biểu thức ở câu a, ta tính được t = 35 °C.

Bài 2.8 (VD) trang 12 SBT Vật Lí 12: Xét một nhiệt kế sử dụng hai thang đo khác nhau với cách chọn mốc như sau: Thang đo X (nhiệt độ kí hiệu T_X, có đơn vị °X) chỉ vạch 20 °X ứng với điểm nước đá tinh khiết đang tan ở 1 atm và chỉ 220 °X ứng với điểm nước tinh khiết sôi ở 1 atm; Thang đo Y (nhiệt độ kí hiệu T_Y, có đơn vị °Y) chỉ vạch −20 °Y ứng với điểm nước đá tinh khiết đang tan ở áp suất 1 atm và chỉ 380 °Y ứng với điểm nước tinh khiết sôi ở áp suất 1 atm.

a) Khi thang nhiệt độ X chỉ 90 °X thì trong thang nhiệt độ Y chỉ giá trị bao nhiêu?

b) Ở nhiệt độ bao nhiêu thì số chỉ trên hai thang đo cùng giá trị?

Lời giải:

a) Ta có: T_Y = aT_X + b.

- Khi T_X = 20 °X, T_Y = a.20 + b = -20 °Y

- Khi T_X = 220 °X, T_Y = a.220 + b = 380 °Y

Giải hệ phương trình tìm được a = 2; b = -60.

Thay các cặp giá trị đề bài đã cho vào biểu thức trên, ta xác định được: T_Y = 2T_X - 60

Thay T_X = 90 °X vào biểu thức vừa xác định, ta tính được T_Y = 120 °Y.

b) Thay T_X = T_Y vào biểu thức ở câu a, ta tính được: T_X = 60 °X.

Lý thuyết Thanh nhiệt độ

1. Chiều truyền năng lượng nhiệt giữa hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc nhau

Thí nghiệm

Dụng cụ:

1 chậu nhựa nhỏ, 1 chiếc cốc loại lớn (hoặc bát) bằng kim loại, 1 nhiệt kế thuỷ ngân dùng trong phòng thí nghiệm, bình chứa nước nóng, nước ở nhiệt độ phòng.

Tiến hành thí nghiệm

Bước 1: Đổ nước vào chậu nhựa.

Bước 2: Đổ nước nóng vào cốc kim loại.

Bước 3: Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước trong cốc và trong chậu, ghi kết quả đo được.

Bước 4: Đặt cốc nước nóng vào trong chậu sao cho nước trong chậu không tràn vào cốc.

Bước 5: Đợi khoảng 1,5 - 2 phút, sau đó dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước trong cốc và nước trong chậu. Ghi kết quả đo được.

Kết quả

Khi cho hai vật chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc nhau, năng lượng nhiệt luôn truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn. Quá trình truyền nhiệt kết thúc khi hai vật ở cùng nhiệt độ (trạng thái cân bằng nhiệt).

2. Thang nhiệt độ

Nguyên lí đo nhiệt độ của nhiệt kế

Với nhiệt kế thuỷ ngân (Hình 2.2a), nhiệt độ được xác định dựa trên hiện tượng dãn nở vì nhiệt của thuỷ ngân. Thông qua việc xác định độ cao cột thuỷ ngân ở các nhiệt độ khác nhau, ta xác định được nhiệt độ cần đo.

Với nhiệt kế điện trở (Hình 2.2b), nhiệt độ được xác định thông qua biểu thức sự phụ thuộc điện trở của vật theo nhiệt độ, từ giá trị điện trở đo được, ta xác định được nhiệt độ cần đo.

Thang nhiệt độ

Thang nhiệt độ Celsius

Trong thang nhiệt độ Celsius, chọn hai mốc nhiệt độ là nhiệt độ của nước đá (nước tinh khiết đóng băng) đang tan ở áp suất 1 atm là 0 C và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết ở áp suất 1 atm là 100 C. Từ vạch 0 °C đến vạch 100 C chia thành 100 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng ứng với 1 °C. Nhiệt độ trong thang đo này được kí hiệu là t. Đơn vị là độ Celsius (kí hiệu: C).

Thang nhiệt độ Kelvin (thang nhiệt độ tuyệt đối)

Trong thang nhiệt độ Kelvin, chọn hai mốc nhiệt độ là nhiệt độ mà tại đó động năng chuyển động nhiệt của các phân tử, nguyên tử cấu tạo nên các chất bằng không là 0 K (gọi là độ không tuyệt đối) và chọn nhiệt độ nước tinh khiết tồn tại đồng thời ở thể rắn, lỏng và hơi là 273,16 K (Hình 2.3). Trong khoảng giữa hai giá trị nhiệt độ này, chia thành 273,16 khoảng bằng nhau, mỗi khoảng là 1 K.

Nhiệt độ không tuyệt đối

Khi nhiệt độ giảm thì chuyển động nhiệt cũng giảm theo và ở nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0 K) thì chuyển động nhiệt của các phân tử đều dừng lại (động năng của chúng bằng không). Khi đó, không có sự va chạm của các phân tử và thế năng tương tác giữa các phân tử là tối thiểu.

Chuyển đổi nhiệt độ giữa các thang đo

Gọi t là giá trị nhiệt độ của vật theo thang nhiệt độ Celcius và T là giá trị nhiệt độ của vật đó theo thang nhiệt độ Kelvin thì: T(K) = t(°C) + 273,15

Có thể áp dụng biểu thức gần đúng: T(K) = t(℃) + 273