Bài 3. Nhiệt độ. Thang nhiệt độ - Nhiệt kế

I. KHÁI NIỆM NHIỆT ĐỘ

Thí nghiệm sau đây sẽ giúp chúng ta hiểu được ý nghĩa của khái niệm nhiệt độ, nhận biết được khi nào có hoặc không có quá trình truyền nhiệt năng và chiều truyền nhiệt năng giữa hai vật tiếp xúc nhau.

Từ kết quả trên có thể rút ra kết luận sau:

Nhiệt độ cho biết trạng thái cân bằng nhiệt của các vật tiếp xúc nhau và chiều truyền nhiệt năng:

- Khi hai vật có nhiệt độ chênh lệch tiếp xúc nhau thì nhiệt năng truyền từ vật có nhiệt độ cao hơn sang vật có nhiệt độ thấp hơn.

- Khi hai vật có nhiệt độ bằng nhau tiếp xúc nhau thì không có sự truyền nhiệt năng giữa chúng. Hai vật ở trạng thái cân bằng nhiệt.

II. THANG NHIỆT ĐỘ - NHIỆT KẾ

1. Các thang nhiệt độ

a) Thang nhiệt độ Celsius

Thang nhiệt độ chúng ta vẫn dùng hằng ngày là thang Celsius. Hai nhiệt độ dùng làm mốc của thang này là nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ sôi của nước tinh khiết, ở áp suất tiêu chuẩn (Hình 3.2a). Khoảng cách giữa hai nhiệt độ này được chia thành 100 phần bằng nhau, mỗi phần là 1 độ. Vì được chia thành 100 phần bằng nhau nên ban đầu thang nhiệt độ này được gọi là thang nhiệt độ bách phân (centigrade).

Năm 1948, Hội đồng quốc tế về trọng lượng và đo lường đã quyết định công nhận thang nhiệt độ này và đổi tên nó thành thang nhiệt độ Celsius để vinh danh nhà khoa học Thụy Điển Anders Celsius (An-đo Xen-si-út) (1701–1774), người đầu tiên xây dựng thang nhiệt độ này vào năm 1742.

Nhiệt độ trong thang Celsius thường được kí hiệu bằng chữ t, đơn vị là độ C (°C). Các nhiệt độ cao hơn 0 °C có giá trị dương, thấp hơn 0 °C có giá trị âm.

Hiện nay, hầu hết các nước trên thế giới đều sử dụng thang nhiệt độ này, trừ một số nước nói tiếng Anh vẫn sử dụng thang nhiệt độ Fahrenheit do nhà khoa học người Đức Gabriel Fahrenheit (Ga-bri-en Pha-ren-hai) (1686 - 1736) xây dựng năm 1714.

b) Thang nhiệt độ Kelvin

Năm 1848, nhà vật lí người Ireland là William Thomson (Wi-li-am Tôm-son) - Nam tước Kelvin thứ nhất (1824-1907) đề xuất một thang nhiệt độ trong đó mọi nhiệt độ đều có giá trị dương. Hai nhiệt độ được dùng làm mốc là:

1. Nhiệt độ thấp nhất mà các vật có thể có. Không có vật ở bất kì trạng thái nào có thể có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này. Nhiệt độ này được gọi là "Độ không tuyệt đối" vì thế thang nhiệt độ này được gọi là Thang nhiệt độ tuyệt đối. Ở nhiệt độ không tuyệt đối, tất cả các chất đều có động năng chuyển động nhiệt của các phân tử bằng 0 và thế năng của chúng là tối thiểu. Người ta xác định được giá trị của độ không tuyệt đối trong thang Celsius là - 273,15 °C. Cách xác định và ý nghĩa của độ không tuyệt đối sẽ được giới thiệu trong bài Định luật Charles (Bài 10) ở chương sau.

2. Nhiệt độ mà nước tinh khiết có thể tồn tại đồng thời ở cả ba thể rắn, lỏng và hơi, trong trạng thái cân bằng nhiệt ở áp suất tiêu chuẩn (nhiệt độ này có độ lớn là 0,01 °C), được gọi là nhiệt độ điểm ba của nước (Hình 3.2b).

Năm 1954, Hội đồng quốc tế về trọng lượng và đo lường đã chính thức công nhận thang nhiệt độ tuyệt đối, gọi thang này là thang nhiệt độ Kelvin, nhiệt độ trong thang được gọi là nhiệt độ nhiệt động lực học, có đơn vị đo là Kelvin (K). Mỗi độ chia (1 K) trong thang nhiệt độ Kelvin có độ lớn bằng \(\dfrac{1}{273,16}\) khoảng cách giữa hai nhiệt độ mốc của thang nhiệt độ này.

Người ta thường làm tròn số như sau:

t (°C) = T (K) - 273        (1)

T (K) = t (°C) + 273       (2)

2. Nhiệt kế

Nhiệt kế là thiết bị dùng để đo nhiệt độ. Nhiệt kế được chế tạo dựa trên một số tính chất vật lí phụ thuộc vào nhiệt độ của các chất, các vật liệu, các linh kiện điện và điện tử.....

Tính chất vật lí được sử dụng nhiều trong trong việc chế tạo nhiệt kế là sự nở vì nhiệt.

Các nhiệt kế thường dùng là các nhiệt kế được chế tạo dựa trên sự nở dài của cột chất lỏng trong ống thuỷ tỉnh (nhiệt kế rượu, nhiệt kế thuỷ ngân, nhiệt kế dầu). Sự nở dài của một thanh kim loại mỏng thẳng hoặc xoắn ốc được dùng trong việc chế tạo các loại nhiệt kế kim loại; sự nở vì nhiệt của thể tích một lượng khí xác định ở áp suất không đổi được dùng để chế tạo các loại nhiệt kế khí.