ความร้อนและอุณหภูมิ (Heat and Temperature)

งานนำเสนอเรื่อง: "ความร้อนและอุณหภูมิ (Heat and Temperature)"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 ความร้อนและอุณหภูมิ (Heat and Temperature)

2 อุณหภูมิและความร้อน Temperature and heat
“ความร้อน” หรือ “ความเย็น” ของวัตถุแสดงได้ด้วยปริมาณที่เรียกว่า อุณหภูมิ เครื่องมือที่ใช้บอกอุณหภูมิ อาศัยความสัมพันธ์ของสมบัติทางกายภาพของสสารที่วัดได้กับอุณหภูมิ

3 “ถ้าวัตถุ A และ วัตถุ B ต่างก็อยู่ในสมดุลความร้อนกับวัตถุ C แล้ว วัตถุ A และวัตถุ B จะอยู่ในสมดุลความร้อนซึ่งกันและกันด้วย” วัตถุสองอันอยู่ในสมดุลความร้อนซึ่งกันและกันก็ต่อเมื่อมีอุณหภูมิเท่ากัน

4 กฎข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์ (The Zeroth Law of Thermodynamics)

5 เทอร์โมมิเตอร์และสเกลที่ใช้บอกอุณหภูมิ Thermometers and temperature scales
ตัวอย่างของเทอร์โมมิเตอร์ที่นิยมใช้มีโครงสร้างประกอบด้วย ปรอทหรือแอลกอฮอล์บรรจุในหลอดแก้วเล็ก ซึ่งอาศัยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของสสารที่ใช้กับความร้อน (หรือความเย็น) บอกอุณหภูมิ

6 สเกลที่ใช้บอกอุณหภูมิ
ความสัมพันธ์ระหว่างสเกลฟาร์เรนไฮต์กับสเกลเซลเซียส ช่วงอุณหภูมิถูกกำหนดโดยใช้จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์

7 ตัวอย่าง ทองมีจุดหลอมเหลวที่ และจุดเดือดที่
ก. จงเขียนอุณหภูมิเหล่านี้ในหน่วย และ ข. จงหาผลต่างระหว่างอุณหภูมิที่สองจุดนี้ในหน่วย และ วิธีทำ ก) ข) ผลต่างระหว่างสองจุด

8 Gas Thermometer Gas thermometer เป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่วัดอุณหภูมิโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของความดันก๊าซกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่ Gas Thermometer

9 อุณหภูมิและความดันสัมพันธ์แบบเชิงเส้น
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับความดัน ที่ได้จาก Gas thermometer

10 ? เมื่อ gas thermometer อ่านค่าอุณหภูมิได้ -1000C ความดันของก๊าซที่ใช้มีค่าเท่าใด
4000 Pa

11 กราฟจาก gas thermometer ตัดแกนนอนที่ค่าคงที่สำหรับค่าความดันเริ่มต้นต่างๆ

12 อุณหภูมิในสเกลเคลวินหรือสเกลสัมบูรณ์ Kelvin or absolute temperature scale
สเกลเคลวินถูกกำหนดให้สัมพันธ์กับค่าความดันศูนย์ อุณหภูมิ ณ ค่าความดันนี้คือ O K หรือศูนย์องศาสัมบูรณ์ สัมพันธ์กับค่าอุณหภูมิ C

13 การขยายตัวตามอุณหภูมิหรือความร้อน Thermal expansion
โดยทั่วไปสสารเมื่อได้รับความร้อนจะเกิดการขยายตัว เมื่อได้รับความเย็นจะเกิดการหดตัว การขยายตัวมี 3 แบบ คือ การขยายตัวเชิงเส้น (Linear expansion) การขยายตัวเชิงพื้นที่ (Area expansion) การขยายตัวเชิงปริมาตร (Volume expansion)

14 การขยายตัวเชิงเส้น Linear expansion
ความยาวของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงแปรตามความยาวเดิมของวัตถุและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น (coefficient of linear expansion)

15 ?อุณหภูมิต้องเพิ่มเป็นเท่าใดจึงทำให้ช่องว่างระหว่างแท่งโลหะทั้งสองปิดพอดี กำหนดให้อุณหภูมิเริ่มต้นเป็น 280C Brass:        19 x C-1 Aluminum:  23 x 10-6 C-1

16 ช่องว่างระหว่างรอยต่อของรางรถไฟ

17 โครงสร้างบริเวณรอยต่อของผิวสะพานเมื่อคำนึงถึงผลของ thermal expansion

18 การขยายตัวเชิงพื้นที่ Area expansion
พื้นที่ของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงแปรตามพื้นที่เดิมของวัตถุและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงพื้นที่ (coefficient of area expansion)

19 กำหนดให้  เป็นสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของโลหะ และมีการขยายตัวในทุกทิศทางเท่ากัน

20 การขยายตัวเชิงปริมาตร Volume expansion
ปริมาตรของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงแปรตามปริมาตรเดิมของวัตถุและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตร (coefficient of volume expansion)

21 การขยายตัวตามอุณหภูมิสำหรับของแข็งแบบไอโซทรอปิก (isotropic)

22 ปริมาณความร้อน Quantity of heat
ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งซึ่งถูกส่งผ่านจากระบบที่มีอุณหภูมิสูงไปยังระบบที่อุณหภูมิต่ำ ปริมาณความร้อน 1 cal คือปริมาณความร้อนที่ใช้ในการทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มจาก C เป็น 15.50C ที่ความดัน 1 atm Joule equivalence : 1.00 cal = 4.19 J

23 ระบบ SI หน่วยของความร้อน คือ J (จูล)
ความร้อน (Heat); Q T1 >T2 T1 T2 ทิศการไหลของความร้อน Q ระบบ SI หน่วยของความร้อน คือ J (จูล) หน่วยของความร้อน อื่นๆ คือ แคลอรี (cal) 1 cal =4.186 J 1 Btu = 522 ft.lb = 252 cal = 1055 J

24 ความจุความร้อนจำเพาะ Specific heat capacity
สสารที่มีค่าความจุความร้อนต่ำสามารถเปลี่ยนอุณหภูมิได้ง่ายกว่าสสารที่มีค่าความจุความร้อนสูง

25 เมื่อเปรียบเทียบระหว่างน้ำ (water) และ เหล็ก (iron) ซึ่งมีมวลเท่ากัน โดยได้รับความร้อนปริมาณเท่ากัน ในช่วงเวลาเท่ากันและมีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน พบว่าเหล็กมีอุณหภูมิสูงกว่าน้ำ เนื่องจากความจุความร้อนจำเพาะของเหล็กน้อยกว่าน้ำ พิจารณาได้จาก C เหล็ก = cal/g 0C C น้ำ = cal/g 0C

26 การเปลี่ยนสถานะและความร้อนแฝง Phase changes and Latent heat

27 กราฟแสดง การเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป

28 230c

29 วิธีลดความร้อนออกจากร่างกายในขณะที่มีไข้สูงคือใช้ผ้าชุบแอลกอฮอล์เช็ดตัว การระเหยของแอลกอฮอล์นั้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ถามว่าเราต้องใช้แอลกอฮอล์ทั้งหมดกี่กรัมในการระเหยออกจากผิวหนังของชายที่หนัก 70 kg เพื่อลดอุณหภูมิลง 1.5 0C สมมติให้พลังงานความร้อนที่ต้องการใช้ในการระเหยของแอลกอฮอล์มาจากชายคนนี้ ดังนั้น

30

31 การส่งผ่านความร้อน Heat transfer
การนำความร้อน (Heat conduction) การพาความร้อน (Heat convection) การแผ่รังสีความร้อน (Heat radiation)

32 การนำความร้อน (Heat conduction)
การนำความร้อน เป็นการส่งผ่านความร้อนด้วยการชนกันของอนุภาคตัวกลางที่อยู่ติดกัน โดยไม่มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลาง การไหลของความร้อนมีทิศทางจากที่ที่มีอุณภูมิสูงไปยังที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ แสดงการนำความร้อนในฉนวน

33 การนำความร้อนในโลหะเกิดขึ้นได้รวดเร็วกว่าในฉนวนเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระช่วยในการส่งผ่านความร้อน

34 วิเคราะห์การนำความร้อน
พิจารณาแท่งตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัด A ยาว L ต่อกับแหล่งอุณหภูมิสูง TH และแหล่งอุณหภูมิต่ำ TC แท่งตัวนนำถูกหุ้มด้วยฉนวน อัตราการไหลของความร้อนหรือ กระแสความร้อน k = สภาพนำความร้อน (Thermal conductivity)

35 การนำความร้อน (heat conduction)
IH = กระแสความร้อน (J/s หรือ W) Q = พลังงานความร้อน (J) k = สภาพนำความร้อน (W/m.K) A= พื้นที่หน้าตัดของตัวกลางที่ความร้อนไหลผ่าน (m2) t= เวลา (s) T= อุณหภูมิ (K) L= ความหนาของตัวกลางที่ความร้อนไหลผ่าน (m)

36 สภาพนำความร้อน (Thermal conductivity)

37 การนำความร้อนของวัสดุต่างชนิด

38 ตัวอย่าง. เตาอบอาหารมีพื้นที่ผิวทั้งหมด 0. 20 m2 และผนังหนา 1
ตัวอย่าง เตาอบอาหารมีพื้นที่ผิวทั้งหมด 0.20 m2 และผนังหนา 1.5 cm ซึ่งมีสภาพนำความร้อน จงหาว่าใน 30 นาที มีการสูญเสียความร้อนเท่าไร เมื่ออุณหภูมิในเตาเป็น และภายนอกเป็น อัตราการไหลของความร้อนผ่านผนังเตา ดังนั้นใน 30 นาที มีการสูญเสียความร้อนไป

39

40 การพาความร้อน (Convection)
การพาความร้อน เกิดขึ้นโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของมวลของของไหล เช่น น้ำ หรือ อากาศที่ถูกทำให้ร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง จากรูป โมเลกุลของน้ำพาความร้อนจากบริเวณก้นภาชนะไปยังส่วนต่างๆของภาชนะ

41 การพาความร้อน การพาความร้อนอย่างไม่อิสระ (forced convection) เกิดขึ้นเมื่อการเคลื่อนที่ของของไหลถูกบังคับ การพาความร้อนอย่างอิสระ (free convection) เกิดขึ้นเมื่อการเคลื่อนที่ของของไหลเกิดจากผลต่างของความหนาแน่น

42 ลมทะเล ลมบก การพาความร้อนในธรรมชาติ

43 ลมทะเลและลมบกเกิดเนื่องจากความแตกต่างของความจุความร้อนจำเพาะของทรายกับน้ำ

44 การแผ่รังสีความร้อน (Radiation)
การแผ่รังสีความร้อนเป็นการส่งผ่านความร้อนโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่รังสีเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เช่น ความร้อนที่มาจากดวงอาทิตย์ หรือความร้อนที่มาจากกองไฟ

45 การแผ่รังสีความร้อน (heat radiation)

46 ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานการแผ่รังสีกับความยาวคลื่น
แสดงค่าอุณหภูมิของวัตถุ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานการแผ่รังสีกับความยาวคลื่น วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 K จะแผ่รังสีออกมาทุกช่วงความยาวคลื่น

47 = Wein’s displacement constant =
เมื่อ = Wein’s displacement constant = กระแสของความร้อน IH เนื่องจากการแผ่รังสี หรืออัตราการแผ่รังสีของวัตถุพื้นที่ A ที่มีอุณหภูมิสัมบูรณ์ T คือ

48 Stefan-Boltzmann Law e = emissivity หรือ สภาพการแผ่รังสี มีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 ขึ้นอยู่กับชนิดและอุณหภูมิของวัตถุ วัตถุดำ (black body) มีค่า emissivity เป็น 1 วัตถุดำคือ วัตถุที่ดูดกลืนพลังงานรังสีทั้งหมดที่ตกลงบนวัตถุ ที่สภาวะสมดุลทางความร้อน มันจะแผ่รังสีออกมาเท่ากับที่มันดูดเข้าไป

49 Thermal imagings

50 Infrared

51 การระบายความร้อนออกจากร่างกาย
กระบวนการส่งผ่านความร้อนแบบใดที่ช่วยระบายความร้อนจากร่างกายได้ดีที่สุด?

52 สมการของสภาวะ (Equation of state)
ขอบเขต (boundary) ระบบ (System) P, V, T, m สิ่งแวดล้อม (surrounding)

53 สมการของสภาวะสำหรับก๊าซอุดมคติ (The Ideal Gas Equation of state)
ปริมาตร V แปรผันตรงกับจำนวนโมล n เมื่อ p และ T คงตัว ปริมาตร V แปรผกผันกับความดันสัมบูรณ์ (absolute pressure) p จะได้ว่า pV = ค่าคงตัว เมื่อ n และ T คงตัว ความดัน p แปรผันตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (สเกลเคลวิน) T จะได้ว่า p = (ค่าคงตัว) T เมื่อ n และ V คงตัว pV=nRT (The Ideal-gas equation of state) R คือ ค่าคงตัวสากลของก๊าซ = J/mol.K n คือจำนวนโมล

54 เขียนในรูป มวลทั้งหมด
mtot คือ มวลทั้งหมด M คือ มวลของโมลเลกุล 1 โมเลกุล จาก ค่าคงตัว ระบบมวลของก๊าซอุดมคติคงตัว (จำนวนโมลคงตัว)ในสองสภาวะที่ต่างกัน คือ

55 พิจารณาสมการของสภาวะของก๊าซในเทอมของจำนวนโมเลกุล N
เลขอาโวกาโดร จาก กำหนดให้ k หรือ kB คือ ค่าคงตัวของ Boltzmann

56 สมการ Van der waals สำหรับก๊าซจริง (Van der waals Equation for Real Gas)
คือ ปริมาตรของก๊าซ 1 โมล คือ แรงดึงดูดของระหว่างโมเลกุลของก๊าซที่อยู่ติดกัน

57 ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ y m vx l x l l z pressure

58 ความเร็วกำลังสองเฉลี่ยของโมเลกุลทั้งหมด คือ
จะได้ว่า เนื่องจาก เมื่อ จะได้

59 แทนค่าใน หาค่าความดัน เขียนใหม่ได้เป็น จาก

60 ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุล
ความเร็วรากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย (root-mean-square velocity) PV=nRT

61 แผนภาพ pV (pV- diagram)