บทที่ 15 ความร้อนและแก๊ส

      เมื่อกล่าวถึงความร้อนเรามักจะนึกถึงความร้อนที่พบในชีวิตประจำวัน ได้แก่ ความร้อนจากดวงอาทิตย์และความร้อนจากการเผาไหม้ มนุษย์ได้ใช้ประโยชน์จากความร้อนดังกล่าว ในการดำรงชีวิตมากมาย เช่นการหุงต้มอาหาร การให้ความอบอุ่นในวันที่อากาศหนาวเย็น การเผาไหม้เพื่อทำให้เครื่องยนต์และเครื่องจักรทำงาน

      การศึกษากระบวนการเปลี่ยนแปลงระหว่างความร้อนและพลังงานกล เป็นสาขาหนึ่งในวิชาฟิสิกส์ เรียกว่าอุณหพลศาสตร์ ซึ่งในบทนี้ จะศึกษาอุณหพลศาสตร์ ในขอบเขตที่ครอบคลุม ระบบที่เป็นแก๊สของแข็งและของเหลว โดยเน้นที่การอธิบายความร้อนจากพฤติกรรมของแก๊ส

อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิ เรียกว่าเทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายชนิด ส่วนใหญ่ทำงานโดยอาศัยสมบัติของสารที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ เส้นปริมาตร ความต้านทานไฟฟ้า และสีเป็นต้น

      อุณหภูมิในเคลวิน เรียกว่า อุณหภูมิสัมบูรณ์ และที่อุณหภูมิ 0 เคลวิน เรียกว่าศูนย์สัมบูรณ์ อุณหภูมิดังกล่าวถือเป็นอุณหภูมิต่ำที่สุดในทางทฤษฎี ที่เป็นไปได้ของสสาร ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่อนุภาคหยุดการเคลื่อนไหวอย่างสิ้นเชิง

ความรู้เพิ่มเติม

นอกจากอุณหภูมิในเคลวิน มีชื่อเรียกว่า อุณหภูมิสัมบูรณ์แล้ว ยังมีชื่อเรียกว่า อุณหภูมิอุณหพลวัตอีกด้วย

ถ้าให้ T เป็นอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน (K) และ t เป็นอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส อุณหภูมิทั้งสองมีความสำคัญดังนี้

T= t + 273.15

ความจุความร้อนและความร้อนจำเพาะ

ความจุความร้อน (C) คือปริมาณความร้อน ΔQ จูล ที่ทำให้มวลสารมวล m กิโลกรัม
มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 เคลวิน มีหน่วยเป็นจูล/เคลวิน

ความจุความร้อนจำเพาะ (c) คือปริมาณความร้อน ΔQ จูล ที่ทำให้มวลสารมวล 1 กิโลกรัม
มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 เคลวิน มีหน่วยเป็นจูล/กิโลกรัม.เคลวิน

เมื่อ c คือ ความจุความร้อนจำเพาะของสาร

ΔQ คือ ปริมาณความร้อนที่มวลสารได้รับ

Δt คือ อุณหภูมิของมวลสารที่เปลี่ยนไป

m คือ ปริมาณมวลสาร

ความร้อนแฝง

ความร้อน ที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ ของสารมวล 1 หน่วย โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยน เรียกว่า ความร้อนแฝง ซึ่งจะมีความสัมพันธ์กับความร้อนที่ให้กับสารดังสมการ

การถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน
ความร้อนสามารถถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่ วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้ เราสามารถอธิบายกระบวนการถ่ายโอนความร้อนได้ดังนี้

การนำความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนผ่านตัวนำความร้อนโดยที่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลของตัวนำไม่ได้เคลื่อนที่ตามไปด้วย

การพาความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสสารพาความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

การแผ่รังสีความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นเมื่อวัตถุ 2 อันที่สามารถถ่ายโอนความร้อนถึงกันและกันได้มีอุณหภูมิแตกต่างกัน

แก๊สอุดมคติ

      สำหรับสารในสถานะแก๊ส โมเลกุลของแก๊สสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและฟุ้งกระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ ถ้าเปลี่ยนปริมาตรของภาชนะที่ใช้ในการบรรจุแก๊ส แก๊สก็จะมีปริมาตรเปลี่ยนไป ตามปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ

แก๊สอุดมคติ คือแก๊สที่มีสมบัติดังต่อไปนี้

1. มีโมเลกุลขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่าเป็นปริมาตรแต่ละโมเลกุลน้อยจนเกือบเป็นศูนย์เมื่อเทียบกับปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ


2. ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล แต่จะมีแรงกระทำต่อโมเลกุลของแก๊ส เมื่อมีการชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะ


3. มีการเคลื่อนที่แบบสุ่ม กล่าวคือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของแก๊สมีขนาดและทิศทางของความเร็วไม่แน่นอน โดยทุกโมเลกุลของแก๊สจะมีโอกาสในการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วขณะใดๆ และทิศทางใดๆด้วย ความน่าจะเป็นที่เท่ากันทุกโมเลกุล


4. .ความน่าจะเป็นที่โมเลกุลของแก๊สจะมีความเร็วค่าใดค่าหนึ่งและทิศทางใดทิศทางหนึ่งมีค่าเท่ากัน


5. มีการชนแบบยืดหยุ่นกล่าวคือโมเลกุลของแก๊สจะไม่มีการสูญเสียพลังงานจลน์ระหว่างการชน ไม่ว่าจะเป็นการชนกันระหว่างโมเลกุลของแก๊ส หรือการชนกับผนังภาชนะ

Credit : @pewwhip

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

เป็นทฤษฎีที่ตั้งขึ้นเพื่อใช้อธิบายกฎ ปรากฏการณ์ หรือผลการทดลองที่เกี่ยวกับแก๊ส และพฤติกรรมของแก๊ส

1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากที่มีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่าอนุภาคของแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับขนาดภาชนะที่บรรจุ โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมาก ทำให้แรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างโมเลกุลน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อกัน


2. โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในแนวเส้นตรง เป็นอิสระ ด้วยอัตราเร็วคงที่ และไม่เป็นระเบียบ จนกระทั่งชนกับโมเลกุลอื่น ๆ หรือชนกับผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางและอัตราเร็ว


3. โมเลกุลของแก๊สที่ชนกันเองหรือชนกับผนังภาชนะจะเกิดการถ่ายโอนพลังงานให้แก่กันได้ แต่พลังงานรวมของระบบคงที่ ณ อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วไม่เท่ากัน แต่จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน โดยที่


4. พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

+ แก๊สที่มีสมบัติเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สทุกประการเรียกว่า แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) โดยปกติแก๊สทั่วไปจะมีสมบัติเคียงกับแก๊สอุดมคติเท่านั้น

สำหรับแก๊สที่มีอนุภาคขนาดเล็ก เมื่อควบคุมให้อยู่ในภาวะที่มีปริมาตรมาก ความดันต่ำ และอุณหภูมิสูง จะมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติมากขึ้น

โดยเฉพาะแก๊สเฉื่อยจะมีสมบัติใกล้เคียงกับแก๊สอุดมคติมากจนอาจจัดเป็นแก๊สอุดมคติได้

กฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร

พลังงานภายในระบบ
พลังงานภายในระบบ คือ ผลรวมของพลังงานจลน์เฉลี่ยทั้งหมดของแก๊สในระบบปิด เขียนแทนด้วยสัญญลักษณ์
“ U ”

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบ คือ ผลต่างของพลังงานภายในระบบหลังเปลี่ยนแปลง กับพลังงานภายในระบบก่อน เปลี่ยนแปลง เขียนแทนด้วย “U”

ระบบประกอบด้วยสิ่งต่างๆ ที่อยู่ในขอบเขตที่ต้องการศึกษา เช่น ระบบโมเลกุลของแก๊สจะประกอบด้วยโมเลกุลของแก๊สทุกตัวในภาชนะ พลังงานภายในของระบบคือ พลังงานทั้งหมดของโมเลกุลของแก๊สในระบบ

เทอร์โมไดนามิกส์ (Thermo Dynamics)
คือ การศึกษาที่เกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานความร้อนและงานที่ระบบกระทำหรือถูกกระทำโดยสิ่งแวดล้อม

กฎข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์

ถ้าวัตถุ A และวัตถุ B อยู่ในสมดุลทางความร้อน และวัตถุ A กับวัตถุ C อยู่ในสมดุลทาง

ความร้อนแล้ว วัตถุ B กับวัตถุ C ก็จะอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนด้วย กล่าวคือ มีอุณหภูมิเท่ากัน

กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ (กฎอนุรักษ์พลังงาน)

ความร้อนที่ระบบได้รับเท่ากับพลังงานภายในของระบบที่เพิ่มขึ้นบวกกับงานที่ระบบได้รับจาก สิ่งแวดล้อม

1. ระบบเปิด คือ ระบบที่สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสาร เข้า-ออก จากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อมได้


2. ระบบปิด คือ ระบบที่ไม่สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสาร เข้า-ออก จากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อมได้ แต่อาจจะเกิดการถ่ายเทพลังงานได้


3. ระบบโดดเดี่ยว คือ ระบบที่ไม่สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสารและพลังงาน เข้า-ออก จากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อมได้

การประยุกต์ของอุณหภูมิพลศาสตร์

หา'การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ'กัน

หา'การเปลี่ยนสถานะ'กัน

หา'งานของระบบ'กัน

หา'แก๊สในอุดมคติ'กัน

แบบทดสอบเรื่อง ความร้อนและแก๊ส

Quizizz	rmutphysics
kruseksan	physics

แหล่งที่มา

https://sites.google.com/

http://www.rmutphysics.com/

แหล่งที่มา แบบทดสอบ

https://quizizz.com/

http://www.rmutphysics.com/

http://www.kruseksan.com/

http://physics.ipst.ac.th/