Đơn vị đo nhiệt độ trong hệ SI là kelvin (K), nhưng ngoài đời sống và nhà máy ở Việt Nam, người ta đọc nhiệt độ bằng độ Celsius (°C). Mỹ và một số nước dùng độ Fahrenheit (°F), còn kỹ sư nhiệt động lực học đôi khi dùng độ Rankine (°R). Bốn thang này liên hệ với nhau bằng công thức tuyến tính đơn giản, nên đổi qua lại được chỉ với một phép nhân và một phép cộng.
Bài này giải thích nhiệt độ là gì, nguồn gốc và định nghĩa của từng thang, công thức quy đổi kèm ví dụ, bảng mốc nhiệt độ hay gặp trong nhà máy, và cách đọc nhiệt độ trên thông số van, gioăng và thiết bị đo.
Nhiệt độ là gì
Nhiệt độ là đại lượng vật lý, đo bằng các đơn vị đo nhiệt độ như °C hay K, đặc trưng cho động năng tịnh tiến trung bình của các phân tử trong vật chất. Phân tử càng chuyển động và dao động mạnh thì vật càng nóng. 0 K (độ không tuyệt đối) là trạng thái năng lượng thấp nhất của vật chất; không có nhiệt độ nào thấp hơn và trên thực tế cũng không thể đạt tới đúng 0 K.
Hai vật tiếp xúc nhau sẽ trao đổi năng lượng cho đến khi cùng nhiệt độ; trạng thái đó gọi là cân bằng nhiệt. Nguyên lý này là cơ sở của mọi nhiệt kế, bất kể đơn vị đo nhiệt độ hiển thị là gì: đầu đo phải đạt cân bằng nhiệt với môi trường thì số đọc mới đúng.
Cần phân biệt nhiệt độ với nhiệt lượng. Nhiệt độ cho biết vật nóng đến mức nào và đo bằng đơn vị đo nhiệt độ (°C, K). Nhiệt lượng là năng lượng truyền đi, đo bằng joule. Một thùng nước 1 000 L ở 60 °C chứa nhiều nhiệt năng hơn hẳn một cốc nước 100 °C, dù nhiệt độ thấp hơn.
Nhiệt độ còn làm vật chất giãn nở. Khi nóng lên, chất lỏng chiếm thể tích lớn hơn, nên bồn chứa, bình giãn nở và đường ống kín phải tính đến điều này; phần quy đổi dung tích có trong bài thể tích chất lỏng giãn nở theo nhiệt độ và các đơn vị thể tích tương ứng.
Các đơn vị đo nhiệt độ phổ biến
Mỗi đơn vị đo nhiệt độ gắn với một thang nhiệt độ, xác định bởi hai điểm mốc và số khoảng chia giữa chúng. Sự khác nhau giữa các đơn vị đo nhiệt độ nằm ở điểm gốc (zero) và độ lớn của một độ.
Độ Celsius (°C)
Thang Celsius do Anders Celsius đề xuất năm 1742, ban đầu đánh số ngược (0 là điểm sôi, 100 là điểm đóng băng) và được đảo lại ít năm sau. Phiên bản hiện đại lấy 0 °C là điểm đóng băng và xấp xỉ 100 °C là điểm sôi của nước ở áp suất 1 atm, chia làm 100 khoảng. Chính xác hơn, theo thang ITS-90 nước tinh khiết sôi ở khoảng 99,97 °C; con số 100 °C dùng đủ chính xác cho tính toán công nghiệp.
Ngày nay độ Celsius được định nghĩa qua kelvin: t(°C) = T(K) − 273,15, nên 0 °C bằng đúng 273,15 K và một độ C có độ lớn bằng một kelvin. Đây là đơn vị đo nhiệt độ dùng trên đồng hồ, cảm biến và bản vẽ P&ID ở nhà máy trong nước.
Kelvin (K), đơn vị đo nhiệt độ của SI
Kelvin là đơn vị đo nhiệt độ cơ bản của nhiệt độ nhiệt động học trong SI, đặt theo tên William Thomson (Lord Kelvin). Thang này bắt đầu từ độ không tuyệt đối nên không có giá trị âm, và viết là “K” chứ không viết “°K”. Hội nghị Cân đo Quốc tế (CGPM) lần thứ 13, năm 1967–1968, đã bỏ chữ “độ” khỏi tên đơn vị này; cách gọi “độ K” vẫn phổ biến trong đời thường nhưng không đúng cách viết SI.
Trước 2019, kelvin được định nghĩa bằng 1/273,16 nhiệt độ điểm ba của nước. Từ ngày 20/5/2019, kelvin được định nghĩa lại bằng cách gán cho hằng số Boltzmann giá trị chính xác k = 1,380 649 × 10−23 J/K. Nhờ vậy đơn vị không còn phụ thuộc vào một vật liệu cụ thể. Điểm ba của nước vẫn xấp xỉ 273,16 K, nhưng giờ là giá trị đo được. Định nghĩa chính thức của các đơn vị đo nhiệt độ SI có thể đối chiếu tại trang đơn vị đo của BIPM.
Trong tính toán công nghiệp, kelvin xuất hiện ở các công thức khí lý tưởng (pV = nRT) và định luật Charles. Các công thức này luôn dùng nhiệt độ tuyệt đối (K) cùng áp suất tuyệt đối; dùng °C hoặc áp suất dư (gauge) sẽ cho kết quả sai.
Chẳng hạn, khí trong bình kín nóng từ 20 °C lên 80 °C thì áp suất tuyệt đối tăng khoảng 20 % (353,15/293,15 ≈ 1,20), không phải 300 % như khi lấy 80/20. Với bình đang ở 6 bar áp dư (7,01 bar tuyệt đối), áp suất tuyệt đối lên khoảng 8,45 bar, tức 7,44 bar áp dư: áp dư tăng khoảng 24 %, không phải 20 %. Nhầm lẫn kiểu này thường gặp khi trộn đơn vị đo nhiệt độ tương đối (°C) và áp suất dư trong cùng một phép tính.
Độ Fahrenheit (°F)
Daniel Gabriel Fahrenheit xây dựng thang này năm 1724, và đây là đơn vị đo nhiệt độ chính của Mỹ. Trên thang hiện nay, nước đóng băng ở 32 °F và sôi ở 212 °F (ở 1 atm), tức 180 khoảng chia giữa hai mốc, nên một độ F nhỏ hơn một độ C (1 °F = 5/9 °C). Thang này còn dùng phổ biến ở Mỹ, nên catalogue và datasheet van, đồng hồ của hãng Mỹ thường ghi nhiệt độ theo °F, ví dụ định mức áp suất ở 100 °F hoặc 400 °F.
Độ Rankine (°R)
Độ Rankine là đơn vị đo nhiệt độ tuyệt đối thuộc hệ Anh–Mỹ; thang Rankine do William Rankine đề xuất năm 1859. Nó có gốc ở độ không tuyệt đối như kelvin, nhưng mỗi độ có cùng độ lớn với độ Fahrenheit. Vì thế 0 °R = 0 K, và °R = K × 1,8 = °F + 459,67. Độ Rankine chủ yếu xuất hiện trong tài liệu nhiệt động lực học theo hệ đo lường Anh–Mỹ, nơi người ta cần thang tuyệt đối nhưng vẫn dùng °F.
Các thang nhiệt độ lịch sử ít dùng
Ngoài bốn đơn vị đo nhiệt độ trên, lịch sử còn để lại một số thang khác. Hiện nay chúng hầu như không được dùng trong công nghiệp, nhưng đôi khi xuất hiện trong tài liệu cũ.
| Thang | Công thức từ °C | Điểm mốc |
|---|---|---|
| Réaumur (°Ré) | °Ré = °C × 0,8 | Nước đóng băng 0, sôi 80 |
| Newton (°N) | °N = °C × 33/100 | Nước đóng băng 0, sôi 33 |
| Rømer (°Rø) | °Rø = °C × 21/40 + 7,5 | Nước đóng băng 7,5, sôi 60 |
| Delisle (°De) | °De = (100 − °C) × 1,5 | Nước sôi 0, đóng băng 150 (thang đảo chiều) |
| Wedgwood (°W) | °C ≈ 580,8 + 72,2 × °W (giá trị gốc) | 0 °W ≈ 580,8 °C; dùng ước lượng nhiệt độ lò nung gốm |
Thang Delisle đáng chú ý vì chạy ngược: nhiệt độ càng cao, số đọc càng nhỏ. Thang Wedgwood do Josiah Wedgwood tạo ra khoảng năm 1782 để ước lượng nhiệt độ lò gốm dựa trên độ co của mẫu đất sét, nên có khoảng chia rất lớn; các phép đo sau này cho thấy giá trị quy đổi gốc sai lệch nhiều, nên chỉ có ý nghĩa lịch sử.
Công thức quy đổi đơn vị đo nhiệt độ
Muốn quy đổi đơn vị đo nhiệt độ giữa các thang, chỉ cần nhớ ba mối quan hệ gốc: T(K) = t(°C) + 273,15; t(°F) = 1,8 × t(°C) + 32; °R = °F + 459,67. Bảng dưới là các cặp quy đổi đơn vị đo nhiệt độ thường dùng nhất.
| Từ | Sang °C | Sang K | Sang °F |
|---|---|---|---|
| °C | — | K = °C + 273,15 | °F = °C × 9/5 + 32 |
| K | °C = K − 273,15 | — | °F = K × 9/5 − 459,67 |
| °F | °C = (°F − 32) × 5/9 | K = (°F + 459,67) × 5/9 | — |
| °R | °C = (°R − 491,67) × 5/9 | K = °R × 5/9 | °F = °R − 459,67 |
Ví dụ 1: đổi 150 °C sang °F. 150 × 1,8 + 32 = 302 °F. Ví dụ 2: đổi 98,6 °F sang °C. (98,6 − 32) × 5/9 = 37 °C. Ví dụ 3: đổi 25 °C sang K. 25 + 273,15 = 298,15 K.
Khi cần đổi nhanh theo hướng ngược lại, hướng dẫn chi tiết có trong bài đổi độ F sang độ C, kèm bảng tra sẵn.
Lỗi hay gặp khi đổi đơn vị đo nhiệt độ cho độ chênh
Công thức quy đổi đơn vị đo nhiệt độ ở trên áp dụng cho giá trị nhiệt độ, không áp dụng cho độ chênh. Với độ chênh, phần cộng trừ hằng số biến mất: ΔT = 1 K = 1 °C, và 1 °F = 5/9 °C. Do đó chênh nhiệt 20 °C tương đương 36 °F (20 × 1,8), không phải 68 °F. Nhầm điểm này thường gặp khi tính dải chênh nhiệt của bộ trao đổi nhiệt, hoặc khi đổi sai số của cảm biến: sai số ±0,5 °C bằng ±0,9 °F, không phải ±32,9 °F.
Một mẹo khác khi đổi đơn vị đo nhiệt độ: −40 là điểm duy nhất mà °C và °F có cùng số đọc, vì −40 × 1,8 + 32 = −40.
Bảng mốc đơn vị đo nhiệt độ thường gặp trong công nghiệp
Bảng dưới đổi sẵn các mốc theo từng đơn vị đo nhiệt độ hay gặp khi đọc datasheet van, gioăng và thiết bị đo. Giá trị làm tròn đến 0,01 khi cần.
| °C | °F | K | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| −40 | −40 | 233,15 | Điểm °C và °F trùng số đọc |
| 0 | 32 | 273,15 | Nước đóng băng |
| 20 | 68 | 293,15 | Nhiệt độ phòng; mốc tham chiếu thường dùng cho định mức PN |
| 100 | 212 | 373,15 | Nước sôi ở 1 atm (xấp xỉ) |
| 120 | 248 | 393,15 | Hơi bão hòa ≈ 1,0 bar áp dư |
| 150 | 302 | 423,15 | Hơi bão hòa ≈ 3,8 bar áp dư |
| 180 | 356 | 453,15 | Hơi bão hòa ≈ 9,0 bar áp dư |
| 200 | 392 | 473,15 | Hơi bão hòa ≈ 14,5 bar áp dư |
| 250 | 482 | 523,15 | Hơi bão hòa ≈ 38,7 bar áp dư |
| 400 | 752 | 673,15 | Trên điểm tới hạn của nước (≈ 374 °C), chỉ còn hơi quá nhiệt |
Đơn vị đo nhiệt độ trên thông số van và vật liệu
Mọi thân van và gioăng đều có giới hạn nhiệt độ làm việc, ghi trên datasheet bằng đơn vị đo nhiệt độ của hãng, và giới hạn đó thường quyết định chọn vật liệu trước cả kích thước. Nguyên nhân nằm ở vật liệu: kim loại giảm giới hạn chảy khi nóng, còn polymer mềm đi, nhão và lão hóa nhanh hơn.
Với gioăng và đệm kín đàn hồi, dải nhiệt độ làm việc điển hình như sau (tham khảo, thay đổi theo hãng và công thức hợp chất):
| Vật liệu | Dải nhiệt độ (tham khảo) | Ghi chú |
|---|---|---|
| NBR | khoảng −20…80 °C | Phổ biến với dầu, nước; lão hóa nhanh khi nóng |
| EPDM | khoảng −20…120 °C | Chịu nước nóng, hơi áp thấp; không hợp với dầu khoáng |
| PTFE | khoảng −20…180 °C | Trơ hóa học; PTFE nguyên chất chịu cao hơn, nhưng làm ghế van bị chảy lạnh (creep) khi nóng nên thường giới hạn thấp hơn |
| Viton (FKM) | khoảng −20…200 °C | Chịu dầu, dung môi; kém với hơi nước nóng và kiềm mạnh |
Vượt giới hạn trên, cao su cứng hóa, mất đàn hồi và rò rỉ; PTFE thì chảy dần dưới lực siết. Ở nhiệt độ thấp, gioăng cứng lại và mất khả năng bù biến dạng, nên dải đáy −20 °C chỉ là giá trị điển hình.
Với thân van, áp suất cho phép còn phụ thuộc nhiệt độ qua bảng P-T. Ví dụ, van thép đúc cấp áp lực cùng một PN nhưng chịu được ít áp hơn khi lên 200 hay 300 °C, vì giới hạn chảy của thép giảm khi nhiệt độ tăng. Con số PN16 chỉ đúng ở nhiệt độ chuẩn, thường là 20 °C; giải thích đầy đủ có trong bài về cấp áp suất PN. Nếu catalogue ghi theo psi hoặc kgf/cm², dùng bài đơn vị đo áp suất để quy đổi trước khi đối chiếu bảng P-T.
Với hơi nước, nhiệt độ gắn chặt với áp suất. Hơi bão hòa ở 1 atm có nhiệt độ khoảng 100 °C, nhưng ở 11 bar tuyệt đối (khoảng 10 bar áp dư) thì khoảng 184 °C. Gioăng EPDM chọn theo nhiệt độ nước nóng sẽ không đủ cho đường hơi 10 bar, vì nhiệt độ hơi bão hòa đã vượt giới hạn trên của nó.
Thiết bị đo nhiệt độ trong công nghiệp
Muốn đọc được đơn vị đo nhiệt độ trên thực tế, cần thiết bị đo phù hợp. Cảm biến nhiệt độ chuyển nhiệt độ thành tín hiệu điện để đưa về bộ hiển thị hoặc PLC, còn nhiệt kế cơ chỉ cho số đọc tại chỗ. Cách phân loại cơ bản nhất là theo phương pháp đo: tiếp xúc và không tiếp xúc.
Đo tiếp xúc
Đầu đo tiếp xúc trực tiếp với môi chất hoặc bề mặt và phải đạt cân bằng nhiệt mới cho số đúng. Phương pháp này chính xác, nhưng có thời gian đáp ứng và có thể bị lỗi nếu đầu đo lắp sai vị trí.
- Nhiệt kế lưỡng kim: hai lá kim loại có hệ số giãn nở khác nhau cuộn thành lò xo xoắn, quay kim khi nóng lên. Mặt chỉ thị thường chia °C, loại một thang kép °C/°F cũng phổ biến. Dải đo điển hình khoảng 0…120 hoặc 0…300 °C, và là cấu tạo của nhiều loại đồng hồ đo nhiệt độ lắp trên đường ống.
- Nhiệt kế áp suất (dầu hoặc khí): bầu cảm biến chứa chất lỏng hoặc khí; nhiệt độ làm áp suất bên trong tăng và đẩy ống Bourdon. Có thể nối bầu với đồng hồ bằng ống mao dẫn dài vài mét.
- RTD (như Pt100): điện trở kim loại tăng theo nhiệt độ; Pt100 có 100 Ω ở 0 °C. Chính xác, ổn định, dùng đến khoảng 600 °C.
- Cặp nhiệt điện (thermocouple): hai kim loại khác nhau tạo điện áp cỡ mV khi chênh nhiệt độ giữa hai đầu. Chịu được nhiệt độ rất cao, từ hàng trăm đến trên 1 000 °C tùy loại.
Đo không tiếp xúc
Nhiệt kế hồng ngoại đo bức xạ nhiệt phát ra từ bề mặt vật, nên không cần chạm vào. Cách này hợp với vật đang chuyển động, bề mặt rất nóng hoặc mang điện. Số đọc phụ thuộc hệ số phát xạ của bề mặt: kim loại bóng phản xạ nhiều, dễ đọc thấp hơn thực tế, nên cần chỉnh hệ số hoặc dán băng sơn mờ lên bề mặt đo.
Nhiều nhiệt kế dân dụng và công nghiệp cho phép chuyển đổi giữa °C và °F bằng một nút bấm; luôn kiểm tra đơn vị đo nhiệt độ đang hiển thị trước khi ghi số liệu vào biên bản.
Để điều khiển theo nhiệt độ, tín hiệu từ cảm biến được đưa vào bộ điều nhiệt, bộ này so sánh với giá trị đặt và đóng cắt tải sưởi hoặc van.
Nếu cần chọn thiết bị đo theo dải nhiệt độ, môi chất và kiểu kết nối, kỹ sư của Viva có thể hỗ trợ đối chiếu thông số, đơn vị đo nhiệt độ hiển thị và ngõ ra tín hiệu với điều kiện vận hành thực tế. Bạn cũng có thể đến trực tiếp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để xem sản phẩm.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về đơn vị đo nhiệt độ
Đơn vị đo nhiệt độ chuẩn quốc tế là gì?
Đơn vị đo nhiệt độ trong hệ SI là kelvin (K). Từ năm 2019, kelvin được định nghĩa qua hằng số Boltzmann k = 1,380 649 × 10⁻²³ J/K. Độ Celsius vẫn được chấp nhận dùng song song vì độ lớn của nó bằng kelvin, chỉ lệch gốc 273,15. Do đó 0 °C tương ứng 273,15 K.
Công thức đổi đơn vị đo nhiệt độ °C sang °F và ngược lại thế nào?
Đổi từ °C sang °F dùng °F = °C × 9/5 + 32; ví dụ 100 °C ra 212 °F. Đổi ngược lại dùng °C = (°F − 32) × 5/9; ví dụ 68 °F ra 20 °C. Nhớ rằng công thức này dành cho giá trị nhiệt độ, còn độ chênh thì chỉ nhân 1,8 hoặc 5/9, không cộng 32.
Vì sao kelvin không có ký hiệu độ?
Kelvin là đơn vị đo tuyệt đối, tính từ độ không tuyệt đối chứ không từ một mốc chọn tùy ý như điểm đóng băng của nước. Năm 1967, CGPM lần thứ 13 quyết định bỏ chữ ‘độ’ khỏi tên kelvin và viết là K, không phải °K. Trong thực tế bạn vẫn gặp cách gọi ‘độ K’, nhưng tài liệu kỹ thuật nên viết đúng chuẩn.
Chênh nhiệt 10 °C bằng bao nhiêu °F và K?
Chênh nhiệt 10 °C bằng đúng 10 K, vì độ lớn của hai đơn vị bằng nhau. Khi đổi sang Fahrenheit, độ chênh bằng 10 × 1,8 = 18 °F. Không cộng thêm 32 hay 273,15, vì các hằng số đó chỉ có nghĩa khi đổi vị trí điểm gốc, không áp dụng cho khoảng chênh.
Vì sao nhiệt độ làm việc của van lại quan trọng bằng áp suất?
Nhiệt độ tăng làm kim loại giảm giới hạn chảy, nên áp suất cho phép của thân van giảm theo bảng P-T. Gioăng cao su và polymer cũng mềm, lão hóa hoặc chảy ngoài dải nhiệt độ của chúng, dẫn đến rò rỉ. Vì vậy cần đối chiếu cả hai thông số, ngoài PN.
