Nhiệt độ và sự cân bằng nhiệt (Phần 1)

ĐỊNH NGHĨA NHIỆT ĐỘ

Khi bạn cầm một ly nước chanh đá, ví dụ như trên Hình 1, bạn cảm thấy một cảm giác buốt ở bàn tay mà chúng ta mô tả là “lạnh”. Tương tự, bạn sẽ có cảm giác “nóng” khi bạn chạm tay vào một tách chocolate mới pha. Chúng ta thường gán nhiệt độ cho một vật với mức cảm nhận nóng hoặc lạnh khi chúng ta tiếp xúc với nó. Cảm giác tiếp xúc của chúng ta giữ vai trò một chỉ dấu định tính của nhiệt độ. Tuy nhiên, cảm giác nóng hoặc lạnh này còn tùy thuộc vào nhiệt độ của da và do đó có thể là sai lầm. Cùng một vật có thể cảm thấy ấm hoặc lạnh tùy thuộc vào các đặc điểm của vật và thể trạng của cơ thể bạn.

Việc xác định chính xác nhiệt độ của một vật đòi hỏi một định nghĩa chuẩn của nhiệt độ và một thủ tục tiến hành các phép đo xác lập các vật “nóng” hay “lạnh” bao nhiêu.

Nhiệt độ

Hình 1. Các vật ở nhiệt độ thấp mang lại cảm giác lạnh khi tiếp xúc, còn các vật ở nhiệt độ cao mang lại cảm giác nóng. Tuy nhiên, cảm giác nóng hoặc lạnh có thể là sai lầm.

Nhiệt độ

Bổ sung hoặc loại bớt năng lượng thường làm thay đổi nhiệt độ

Xét cái xảy ra khi bạn sử dụng một bếp điện để đun nấu thức ăn. Bằng cách vặn núm điều khiển dòng điện chạy đến cuộn dây nung, bạn có thể điều chỉnh nhiệt độ của cuộn nung. Khi cường độ dòng điện tăng thì nhiệt độ của cuộn nung tăng. Tương tự, khi dòng điện giảm thì nhiệt độ của cuộn nung giảm. Nói chung, năng lượng phải được bổ sung thêm hoặc lấy ra khỏi một chất thì nhiệt độ của nó mới thay đổi.

Nhiệt độ tỉ lệ với động năng của các nguyên tử và phân tử

Nhiệt độ của một chất tỉ lệ với động năng trung bình của các hạt trong chất đó. Nhiệt độ của một chất tăng lên là kết quả trực tiếp của năng lượng bổ sung được phân bố cho các hạt của chất, như minh họa trên Hình 2.

Nhiệt độ

Hình 2. Động năng trung bình thấp của các hạt (a), và do đó nhiệt độ của chất khí, tăng lên khi cấp thêm năng lượng cho chất khí (b).

nhiệt độ

một số đo của động năng trung bình của các hạt trong một chất.

Chất khí đơn nguyên tử chỉ gồm một loại nguyên tử. Đối với một chất khí đơn nguyên tử, nhiệt độ có thể được hiểu theo động năng tịnh tiến của các nguyên tử trong chất khí đó. Đối với những loại chất khác, các phân tử có thể quay hoặc dao động, cho nên những loại năng lượng khác cũng có mặt, như trình bày trong Bảng 1.

Nhiệt độ

Năng lượng đi cùng với chuyển động nguyên tử được gọi là nội năng, nó tỉ lệ với nhiệt độ của chất (giả sử không có sự biến đổi pha). Đối với một chất khí lí tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí. Đối với các chất khí không lí tưởng, cũng như đối với chất lỏng và chất rắn, những đặc điểm khác cũng góp phần cho nội năng. Nội năng được kí hiệu bởi chữ cái U, và ΔU là độ biến thiên nội năng.

nội năng

năng lượng của một chất vừa do các chuyển động ngẫu nhiên của các hạt của nó, vừa do thế năng từ khoảng cách và sự sắp xếp giữa các hạt.

Nhiệt độ chỉ có nghĩa khi nó ổn định

Tưởng tượng một chai nhỏ đựng nước trái cây ấm nhúng chìm trong một vại lớn nước lạnh. Sau khoảng 15 phút, chai nước trái cây sẽ lạnh hơn và nước xung quanh nó sẽ ấm hơn một chút. Cuối cùng, chai nước trái cây và vại nước sẽ có nhiệt độ bằng nhau. Nhiệt độ đó sẽ không thay đổi miễn là các điều kiện trong vại nước vẫn giữ như cũ. Một cách khác biểu thị nội dung này là phát biểu rằng nước và chai nước trái cây cân bằng nhiệt với nhau.

cân bằng nhiệt

trạng thái trong đó hai vật tiếp xúc vật lí với nhau có nhiệt độ bằng nhau.

Cân bằng nhiệt là cơ sở để đo nhiệt độ bằng nhiệt kế. Bằng cách đặt một nhiệt kế tiếp xúc với một vật và chờ cho đến khi cột chất lỏng trong nhiệt kế ngừng dâng lên hoặc hạ xuống, bạn có thể tìm được nhiệt độ của vật. Nguyên nhân là vì nhiệt kế đang cân bằng nhiệt với vật. Giống hệt như trong trường hợp chai nước trái cây ngâm trong nước lạnh, nhiệt độ của hai vật bất kì lúc cân bằng nhiệt nằm lưng chừng giữa hai nhiệt độ ban đầu của chúng.

Vật chất dãn nở khi nhiệt độ của nó tăng

Sự tăng nhiệt độ của một chất khí ở áp suất không đổi làm thể tích của chất khí đó tăng lên. Sự tăng thể tích này không chỉ xảy ra với chất khí mà cả với chất lỏng và chất rắn. Nói chung, nếu nhiệt độ của một chất tăng lên, thì thể tích của nó cũng tăng. Hiện tượng này được gọi là sự dãn nở vì nhiệt.

Bạn có thể để ý thấy các đoạn đường bê tông trên cầu thường ngăn cách nhau bởi những khe trống. Khe trống này là cần thiết vì bê tông dãn nở khi nhiệt độ tăng. Không có những khe trống này, sự dãn nở vì nhiệt sẽ làm cho các đoạn đường ép lên nhau, và cuối cùng chúng sẽ cong oằn và rạn nứt.

Các chất khác nhau dãn nở những lượng khác nhau với một độ biến thiên nhiệt độ cho trước. Các đặc điểm dãn nở vì nhiệt của một vật liệu được xác định bởi một đại lượng gọi là hệ số nở khối. Chất khí có hệ số nở khối lớn nhất. Chất lỏng có hệ số nở khối nhỏ hơn nhiều.

Nói chung, thể tích của một chất lỏng có xu hướng giảm khi nhiệt độ giảm. Nhưng, trong khoảng từ 0oC đến 4oC, thể tích của nước lại tăng khi nhiệt độ giảm. Đồng thời, khi nước đóng băng, nó tạo ra một tinh thể có khoảng trống giữa các phân tử lớn hơn khoảng trống đó giữa các phân tử trong nước lỏng. Điều này giải thích tại sao băng nổi trong nước lỏng. Nó cũng giải thích vì sao hồ nước đóng băng từ trên xuống thay vì từ dưới lên. Nếu điều này không xảy ra thì tôm cá không thể sống sót trong nhiệt độ băng giá.

Chất rắn thường có hệ số nở khối nhỏ nhất. Vì lí do này, các chất lỏng đựng trong bình chứa rắn dãn nở nhiều hơn bình chứa. Tính chất này cho phép sử dụng một số chất lỏng để đo sự biến thiên nhiệt độ.

1. Chocolate nóng

Nếu hai tách chocolate nóng, một ở 50oC và một ở 60oC, được rót chung vào một cái cốc lớn, thì nhiệt độ cuối cùng của cốc chocolate sẽ là

A. dưới 50oC.
B. giữa 50oC và 60oC.
C. trên 60oC.

Giải thích câu trả lời của bạn.

2. Nước nóng và nước lạnh

Một tách trà nóng vừa rót từ ấm trà ra, và một hồ bơi chứa đầy nước lạnh. Hỏi vật nào có nội năng toàn phần cao hơn? Vật nào có động năng trung bình cao hơn? Giải thích.

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


10 đột phá vật lí của năm 2017
13/12/2017
Tạp chí Physics World của Anh bình chọn các thành tựu quan trắc đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn là Đột phá của năm
Trump lệnh cho NASA trở lại Mặt Trăng
12/12/2017
Lần cuối các nhà du hành vũ trụ người Mĩ đặt chân lên Mặt Trăng là hồi những năm 1970. Tổng thống Mĩ Donald Trump muốn
Top 10 khám phá thiên văn học (Phần 2)
07/12/2017
6. Sự át trội của vật chất tối Hồi thập niên 1970, Vera Rubin không những đã có một khám phá vũ trụ học đồ sộ, mà trong
Top 10 khám phá thiên văn học (Phần 1)
05/12/2017
Những phát hiện không những làm thay đổi thế giới, mà còn thách thức cách chúng ta nhìn nhận sự tồn tại của mình và vị
Moment từ proton được đo chính xác nhất từ trước đến nay
26/11/2017
Các nhà vật lí ở Đức vừa đo được moment từ của proton đến sai số 0,3 phần tỉ. Giá trị này tốt gấp 11 bậc so với phép
Kiểm tra bản chất lượng tử của lực hấp dẫn
26/11/2017
Bất chấp hàng thập kỉ nỗ lực phấn đấu, một lí thuyết về lực hấp dẫn lượng tử vẫn nằm ngoài tầm với của chúng
Lỗ đen ăn thịt sao và ợ ra tia vũ trụ
26/11/2017
Kịch bản sao lùn trắng bị lỗ đen xé xác có thể giải thích được những cơn mưa tia vũ trụ và neutrino mà chúng ta thấy trên
Lí thuyết thống nhất trở lại ba lực trong tự nhiên
26/11/2017
Ngay sau Vụ Nổ Lớn, trong vũ trụ chỉ có một lực. Khi vũ trụ nguội đi, nó tách thành bốn lực của vũ trụ ngày nay: lực hấp
Vui Lòng Đợi

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com