บทที่ 6 อุณหภูมิและความร้อน

งานนำเสนอเรื่อง: "บทที่ 6 อุณหภูมิและความร้อน"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 บทที่ 6 อุณหภูมิและความร้อน

2 ความร้อน ความร้อนถูกนิยามว่า เป็นพลังงานที่ไหลหรือถ่ายเทจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ไปยัง ที่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ดังนั้น ความร้อนจะเกิดขึ้นได้ เมื่อมีการไหลของพลังงาน เท่านั้น เราจึงไม่อาจบอกว่า วัตถุกักเก็บความร้อน แต่เราจะใช้คำว่า พลังงาน ภายใน (Internal Energy) แทน ซึ่งพลังงานภายใน นี่เองที่สามารถเปลี่ยนเป็น ความร้อนได้ บางครั้งเราจึงเรียกพลังงานภายในนี้เองว่า พลังงานความร้อน (Thermal Energy)

3 พลังงานความร้อน (Thermal Energy)
พลังงานภายใน หรือ พลังงานความร้อน เกิดขึ้นจากพลังงานจลน์อันเนื่องมาจากการ เคลื่อนที่ของอะตอม/โมเลกุล อันเป็นองค์ประกอบ ของวัตถุ บวกกับพลังงานศักย์ซึ่ง เกิดขึ้นจากแรงกระทำระหว่างอะตอม/โมเลกุล (Molecular Interactions) ซึ่งอันที่ จริงนั้น วิชาเทอร์โมไดนามิกส์แบบดั้งเดิมก็มิได้สนใจความเป็นไปในระดับอะตอมแต่อย่าง ใด กฎต่างๆ ของเทอร์โมไดนามิกส์ได้ถูกพิสูจน์ถึงความถูกต้อง ก่อนที่มนุษย์จะพัฒนา ทฤษฎีอะตอมขึ้นมาเสียอีก สมมิตว่าเรากำลังสนใจพลังงานความร้อนของวัตถุที่เป็นก๊าซ และ เราก็มีความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมเสียด้วย (ซึ่งเทอร์โมไดนามิกส์แบบดั้งเดิมไม่ได้ ใส่ใจเรื่องนี้เลย) พลังงานความร้อนนี้เป็นผลมาจาก อะตอมของก๊าซเคลื่อนที่ไปมา ถ้าก๊าซ เป็นก๊าซอะตอมเดี่ยว (monatomic gases) เช่น ก๊าซเฉื่อยทั้งหลาย อย่างเช่น ฮีเลียม หรือ นีออน พลังงานจลน์นั้นมาจากการเคลื่อนที่เชิงเส้น (translational motion) ของอะตอม แต่ถ้าก๊าซเป็นก๊าซอะตอมคู่ หรือ อาจมี จำนวนอะตอมมากกว่าสองขึ้นไป พลังงานความร้อนนั้นมาจากพลังงานจลน์อันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่เชิงเส้น (translational motion) บวกกับ การหมุน (rotational motion) และ การสั่น (vibrational motion) และ ยังรวมถึง พลังงานศักย์อันเกิดจากแรงดึงดูดระหว่าง โมเลกุลอีกด้วย

4 หน่วยของความร้อน เนื่องจาก ความร้อน และ พลังงานความร้อน เป็นรูปหนึ่งของพลังงาน มันจึงมี หน่วยเดียวกับ พลังงาน ซึ่งตามระบบ SI ก็จะมีหน่วยเป็น จูล นั่นเอง จะว่าไปแล้ว หน่วย จูล นั้นกลับไม่ค่อยจะ มีใครใช้ เนื่องจาก จูล ถูกนิยามจากกลศาสตร์ ดังที่ได้ กล่าวไปแล้ว 1 จูล มีค่าเท่ากับ 1 นิวตันเมตร นั่นคือ การออกแรงกับวัตถุเป็นแรง ขนาด 1 นิวตันเป็นระยะทาง 1 เมตร หน่วยที่ได้รับความนิยมมากกว่าในเรื่องของ การวัดปริมาณของพลังงานความร้อน ก็คือ คาลอรี (calorie) ตัวย่อว่า cal ซึ่ง นิยามว่าเป็นปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส หน่วยคาลอรี มัก ถูกใช้กับการพูดถึงโภชนาการ ว่าให้คาลอรีสูงหรือต่ำ ซึ่ง ความหมายในทางโภชนาการนั้น หน่วยคาลอรี (1 Cal) สังเกตว่า ตัว C เป็น ตัวพิมพ์ใหญ่ มีค่าเท่ากับ 1000 cal 1 Cal = 1000 cal = 1 kcal

5 อุณหภูมิ อุณหภูมิ เป็นปริมาณที่ใช้บ่งบอกว่าวัตถุหรือสสารนั้ยร้อนหรือหนาว ขึ้นอยู่กับพลังงานภายในของสสารนั้น

6 สเกลอุณหภูมิ

7 ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิ

8 ระบบ

9 ประเภทของระบบ ระบบอิสระ (isolated systems) คือ ระบบที่ปิดกั้นตัวเองจากสิ่งแวดล้อมโดย สมบูรณ์ มวลหรือพลังงานภายนอกไม่สามารถเข้ามาในระบบได้ ระบบปิด (closed systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้พลังงานถ่ายเทผ่านเข้าหรือ ออกระบบได้ แต่ไม่อนุญาตให้มวลเข้ามาในระบบ (มวลโดยรวมของระบบคงที่ ตลอดเวลา) ในการวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ เรานิยามพลังงานที่ เข้าออกจากระบบให้มีสองประเภทคือ พลังงานความร้อน (พลังงานที่เกิดจากความ แตกต่างระหว่างอุณหภูมิของระบบกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม) และ พลังงานอื่น (เช่น พลังงานที่เกิดจากงานทางกลศาสตร์) ระบบเปิด (open systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้ทั้งมวลและพลังงานเข้าออก จากระบบได้ หนังสือบางเล่มกำหนดว่าระบบเปิดจะต้องนิยามให้ปริมาตรคงที่ (fixed volume)

10 กฏของอุณหพลศาสตร์ กฏข้อที่ศูนย์ กล่าวถึงภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ โดยอธิบายได้ดังนี้ ถ้าระบบ A และ B อยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และระบบ B และ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์แล้ว ระบบ A และ C จะอยู่ในภาวะ สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ด้วยเช่นกัน นั่นคือภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์มีคุณสมบัติถ่ายทอด (transitive) ได้นั่นเอง

11 กฏข้อที่ 1 กล่าวถึงกฎทรงพลังงาน โดยอธิบายได้ดังนี้
พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการอะเดียแบติก (กระบวนการที่ ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อ ระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและ สถานะสุดท้ายเท่านั้น นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติความไม่แปรผัน (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. เรา สามารถแสดงได้ว่ากฎข้อนี้เขียนแทนได้ด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ โดย E หมายถึงพลังงานของระบบ, Q หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ W หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

12 กฏข้อที่ 2 กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีหรือพลังงานเสียในระบบอิสระ โดยอธิบายได้ หลายแบบดังนี้ ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 % (เคลวิน-พลังค์) ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณภูมิสูง กว่าได้ โดยธรรมชาติ (เคลาซิอุส) เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใด ๆ (ทั่วไป) นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็นฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของ เวลา. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีใน การระบุทิศทางของเวลาได้

13 กฏข้อที่ 3 กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้ เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะ ลู่เข้าค่าคงที่

14 การถ่ายเทความร้อน 1. การนำความร้อน (conduction) หมายถึงการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นตกคร่อมระหว่างตัวสื่อกลาง 2. การพาความร้อน (convection) หมายถึงการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นตกคร่อมระหว่างพื้นผิวและของไหลที่ เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ผิว และมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน 3. การแผ่รังสีความร้อน (radiation) ทุกๆ พื้นผิวมีอุณหภูมิอยู่ค่าๆ หนึ่งจะมีการส่งพลังงานออกมาในรูปของคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า และโดยที่ไม่ต้องมีสื่อกลางใดๆ จะมีการส่งผ่านความร้อนระหว่างสองพื้นที่ผิวที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน

15

16 การบ้าน 1. การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบทางอุณหพลศาสตร์
กระบวนการแอเดียแบติก (Adiabatic Process) กระบวนการไอโซคอริก (Isochoric Process) กระบวนการไอโซบาลิกก (Isobaric Process) กระบวนการไอโซเทอร์มอล (Isothermal Process) 2 . สมการการถ่ายเทความร้อนทั้งสามแบบ