สอนโดย อ.ดร.กตยาน อาษานอกเทอมตน / 2555

�ความรอนและอณหภม �ปรมาณความรอน �ความจความรอนและความจความรอนจาเพาะ�การเปล%ยนวฏภาคและความรอนแฝง�การเปล%ยนวฏภาคและความรอนแฝง�ความช,นสมพทธ�การขยายตวดวยควมรอน�กฎของแกส�ทฤษฎจลนของแกส

• อณหพลศาสตร

� อณหภมเปนคณสมบตอยางหน%งของวตถท%เก%ยวกบพลงงานจลนเฉล%ยของอะตอมและโมเลกลของวตถ

�ความรอนเปนพลงงานรปหน%งซ%งไมไดเปนคณสมบตประจาตวของวตถน ,น ๆ เม%ออะตอมหรอโมเลกลเกดการประจาตวของวตถน ,น ๆ เม%ออะตอมหรอโมเลกลเกดการส %นไหวเคล%อนท%ไดเรวข,น พลงงานจลนของมนกจะมากข,นดวย วตถน ,นจะรอนและมอณหภมสงข,น

�ความรอนทาใหอณหภมของวตถอ%นสงข,น, ของแขงหลอมเหลวหรอเดอดได

� เทอรโมมเตอร ใชหลกการการทางานข,นอยกบคณสมบตของสสารซ%งจะขยายตวเม%อไดรบความรอนและจะหดตวเม%อเยนลง

� ทาไมจงใชปรอทบรรจในเทอรโมมเตอร เพราะ1. สามารถมองผานแกวเขาไปเหนไดงาย1. สามารถมองผานแกวเขาไปเหนไดงาย2. นาความรอนไดอยางรวดเรว3. เกาะตวกนไดดเม%อสมผสกบแกว4. จดเยอกแขงต%า (-39o C) และจดเดอดสง (358o C)5. มการขยายตวตอหน%งหนวยองศาท%เพ%มข,นอยางเหนไดชด

และสม%าเสมอ

5

273

9

32

5

−=

−=

KFC

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/86/Thermometer_%28PSF%29.png

595

Gabriel Daniel Farenheit (1689 – 1736) นกฟสกสชาวเยอรมนAnders Celsius (1701 – 1744 ) นกวทยาศาสตรชาวสวเดน William Thomson, Lord Kelvin (1824 – 1907) นกฟสกส-คณตศาสตรชาวไอรแลนด

� นยมพดในเร%องของพลงงานความรอนของอาหาร ซ%งเปนพลงงานภายในของอาหารท%ปลอยออกมาในรปของความรอนท%วดไดจากการเผาไหมอาหารน ,น

�1 แคลลอร% หมายถง ปรมาณความรอนท%ทาใหน,า 1 กโลกรม มอณหภมเพ%มข,น 1 องศา

�1 cal = 4.186 J

� ความจความรอนของสาร หมายถง ปรมาณพลงงานความรอนท%ทาใหสารน ,นท ,งกอนมอณหภมเปล%ยนไป (เพ%มข,นหรอลดลง) 1 องศา ซ%งสารแตละชนดจะมความสามารถในการรบหรอคายพลงงานความรอนไดแตกตางกนออกไป แตกตางกนออกไป

� ความจความรอนจาเพาะของสาร หมายถง ปรมาณพลงงานความรอนท%ทาใหสารน ,นมวล 1 หนวย มอณหภมเปล%ยนไป 1 องศา

TmcQ ∆= C มหนวยเปน J/kg-K หรอ J/kg-oC

เชน เหลก มคาความจความรอนจาเพาะ 0.11 kcal/kg.oCน+า มคาความจความรอนจาเพาะ 1.0 kcal/kg.oC

� ตวอยางท% 2 เทกาแฟรอนอณหภม 95o C จานวน 0.3 kg ลงใน� ตวอยางท% 2 เทกาแฟรอนอณหภม 95o C จานวน 0.3 kg ลงในแกวมวล 0.15 kg อณหภม 25o C สมมตไมมความรอนสญหายไปเลย จงคานวณหาอณหภมสดทาย กาหนดใหความจความรอนจาเพาะของกาแฟเทากบ 4186 J/kg.o C และแกว มคาเทากบ 669 J/kg.o C (ตอบ 89.82 oC)

� ความรอนแฝง เปนการเปล%ยนสถานะของสารโดยไมเปล%ยนแปลงอณหภม

� ความรอนแฝงของการหลอมเหลว� ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ

http://nakhamwit.ac.th/pingpong_web/State&Changing/State&Change_clip_image004_0002.jpg

น�ามคาความรอนแฝงจาเพาะของการหลอมเหลว 80 แคลอรตอกรม-องศาเซลเซยส น�ามคาความรอนแฝงจาเพาะของการกลายเปนไอ 600 แคลอรตอกรม-องศาเซลเซยส

mLQ =ตวอยางท- 3 จะตองใชน+ าแขงท- -5o C ปรมาณเทาใด เพ-อใสลงไปในน+าจานวน 0.8 กโลกรมท- 25o C แลวทาใหอณหภมผสมกลายเปน 0o C กาหนดใหความจความรอนอณหภมผสมกลายเปน 0 C กาหนดใหความจความรอนจาเพาะของน+าแขงเทากบ 0.5 kcal/kg- oCและน+า 1.0 kcal/kg- oC (ตอบ 0.24 กโลกรม)

� ความช,นสมพทธ (%) = จานวนไอน,าในอากาศ × 100

จานวนไอน,าอ%มตวท%อณหภมเดยวกน

� หรอ ความช,นสมพทธ (%) = ความหนาแนนไอท%มอยจรง × 100

ความหนาแนนไออ%มตว

เชน อากาศท% 25o C มไอน,าอย 11.5 กรม/ลบ.ม. และท%อณหภมน,อากาศจะมไอน,าไดมาก

%5010023

5.11=×

เชน อากาศท% 25 C มไอน,าอย 11.5 กรม/ลบ.ม. และท%อณหภมน,อากาศจะมไอน,าไดมากท%สด 23 กรม/ลบ.ม. ดงน ,นความช,นสมพทธของอากาศขณะน ,นคอ 50% คาความช,นสมพทธสงสดคอ 100% ณ ความช,นสมพทธน, น,าในวตถจะไมระเหยออกมาอก ในชวงฤดรอนความช,นสมพทธจะสงถง 90% ในขณะท%ฤดหนาวอาจลดต%าลงกวา 40 % ความช,นสมพทธท%พอเหมาะอยราว 60-70 % หากสงกวาน,เราจะรสกวาอากาศช,นและอบอาว เหง%อแหงชา แตถาต%ากวาน,เราจะรสกวาผวแตกแหง คน และไมสบายตว

0

LT

L

Lk T

α∆

∆

∆= ∆

คา k คอ สมประสทธ9 ของการขยายตวตามเสน (หนวย /oC )L0 คอ ความยาวในตอนแรกL คอ ความยาวท-ขยายตววดไดT0 คอ อณหภมเดมT คอ อณหภมท-วดได

0

0

Lk T

L

L kL T

∆= ∆

∆ = ∆

T คอ อณหภมท-วดไดเชน ทองเหลองมคา k=18×10-6 /oC เม-ออณหภมเพ-มข+น1 องศาเซลเซยส แทงทองเหลองจะยาวเพ-มข+น18×10-6 เมตร

� สายไฟฟาท%รอยตามเสาไฟ จะหยอนในวนท%อากาศรอนและตงในวนท%อากาศเยน

http://www.vcharkarn.com/uploads/47/47245.jpg

http://www.trueplookpunya.com/true/knowledge_detail.php?mul_content_id=429

� การนาความรอน เปนการสงถายความรอนระหวางวตถ 2 ช,นหรอระหวางจด 2 จด ภายในของวตถเองโดยท%วตถน ,น ๆ ไมมการเคล%อนท%ไปดวย

T

Q TKA

t l

∆=

A T2T1

l

คา K คอคาคงท-สภาพนาความรอนของสาร มหนวยเปน J/m-s-oC หรอ W/m-oCt คอ เวลา

� แกสเปนตวนาความรอนท%เลวท%สดจงนาไปใชเปนฉนวนเม%อตองการใหเกดการถายเทความรอนดาเนนไปชา ๆ เชน หนาตางท%มกระจก 2 ช ,น ผาหมขนสตว ฯลฯ

� ประโยชนของการนาความรอนท%นามาประยกตใชในชวตประจาวน ไดแก กระตกน,าแขง กระเปาน,ารอน การประคบรอนบรเวณฟกช,า ฯลฯ

� การพาความรอน เปนการถายเทความรอนโดยท%ตวกลางท%ความรอนผานมการเคล%อนท%เกดข,น สวนมากเกดกบของไหล การพาความรอนท%พบเหนในชวตประจาวน ไดแก อากาศรอนเหนอเตาไฟ ลมบก ลมทะเล ลมมรสม ระบบฮตเตอร ฯลฯ

http://bkw.ac.th/yong/data/ebook/sci/images6/19p44-2.jpg

ThAt

Q∆=

Q/t อตราการสงถายความรอนโดยการพาh คอ สมประสทธ*การพาความรอนของตวกลางA พ�นท+ผวของตวกลางThA

t∆= A พ�นท+ผวของตวกลาง

∆∆∆∆T เปนผลตางของอณหภมระหวาง 2 จดของตวกลาง

� การแผรงสความรอน เปนการถายเทความรอนในรปของคล%นแมเหลกไฟฟา โดยมความเรวคล%นเทากบความเรวของแสงคอ 3×108 m/s และไมตองการตวกลางในการเคล%อนท%สามารถเคล%อนท%ผานสญญากาศได เชน การแผรงสของดวงอาทตย การเอามอเขาไปใกล ๆ หลอดไฟฟาท%กาลงเปดไฟสวางอย

4eATt

Qσ=

Q/t อตราการสงถายความรอนโดยการแผรงสσσσσ คอ คาคงท+ของโบลซมานซ 5.67××××10-8 W/m2-K4

e คอสภาพเปลงรงสของวตถ (0->1 ถาเขาใกล 0 แสดงวาสขาวมนวาว แตถาเขาใกล 1 แสดงวาสดาดดกลนแสง)A พ�นท+ผวของวตถT อณหภมสมบรณของผววตถ (เทยบเทาวตถดา)

การแผรงสของดวงอาทตยมายงโลก การสวมเส�อผาสเขม สออน

( )41

42 TTAe

t

Q−= σ

ตวอยางท- ตวอยางท- 55 จงคานวณหาอตราการสงถายความรอนโดยจงคานวณหาอตราการสงถายความรอนโดยตวอยางท- ตวอยางท- 55 จงคานวณหาอตราการสงถายความรอนโดยจงคานวณหาอตราการสงถายความรอนโดยการแผรงสจากรางกายของชายคนหน-งท-ไมไดสวมเส+อผาการแผรงสจากรางกายของชายคนหน-งท-ไมไดสวมเส+อผาและกาลงยนอยภายในหองมดท-มอณหภม และกาลงยนอยภายในหองมดท-มอณหภม 2020ooCC สมมตสมมตพ+นท-ผวของชายคนน+ เปน พ+นท-ผวของชายคนน+ เปน 11..5 5 mm22 และวดอณหภมของและวดอณหภมของเขาได เขาได 3333ooCC กาหนดใหสภาพเปลงรงสของหองมดเทากบ กาหนดใหสภาพเปลงรงสของหองมดเทากบ 00..97 97 ((ตอบตอบ 115 115 วตตวตต))

�มพ,นฐานมาจากการเคล%อนท%ของโมเลกลภายในแกส ซ%งเปนไปตามทฤษฎโมเลกลจลน (kinetic-molecular theory) เปนทฤษฎท%เก%ยวของกบปรมาตร ความดนและอณหภมของแกส โดยมใจความดงน,อณหภมของแกส โดยมใจความดงน,

� แกสประกอบดวยอนภาคขนาดเลก ๆ ท%เรยกวาโมเลกล� โมเลกลเหลาน,มมวลและความเรว�ปรมาตรของโมเลกลของแกสน ,นเลกมากเม%อเปรยบเทยบกบ

ท%วางท ,งหมดท%บรรจอย

� แตละโมเลกลของแกสจะเคล%อนท%ไดอยางอสระในแนวเสนตรงจนกวาจะว%งไปชนเขากบโมเลกลอ%น หรอผนงของภาชนะท%บรรจ การชนกนน,เปนการชนแบบยดหยนสมบรณ ซ%งหมายถงวาโมเลกลจะไมสญเสยโมเมนตมเลย

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/Robert_Boyle_0001.jpg

(1627–1691)

วาโมเลกลจะไมสญเสยโมเมนตมเลย� กฎของบอยล (Boyle’s Law) ถาอณหภมของแกสคงท%

ปรมาตรของแกสจะแปรผกผนกบความดนของแกส

PV

1α

TV α

• กฎของชารลส (Charles’s Law) ถาความดนของแกสคงท- ปรมาตรของแกสจะแปรผนตรงกบอณหภมสมบรณของแกสน+น

เม-อ เม-อ P P คงท-คงท-TV α

kT

PV=ทาใหได

เม-อ เม-อ P P คงท-คงท-

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Jacques_Alexandre_C%C3%A9sar_Charles.jpg

(1746-1823)

� กฎของเกย-ลสแซก (Gay-Lussac’s Law) ถาปรมาตรของแกสคงท% ความดนจะแปรผนตรงกบอณหภมสมบรณ

TP α เม-อ เม-อ V V คงท-คงท-

http://www.nndb.com/people/885/000100585/gay-lussac-1-sized.jpg

(1778-1850)

TP α

nRTPV = TN

RNPV

=

0เม-อ n คอ มวลของแกสมหนวยเปนโมลR คอ คานจสากลของแกส 8.314 J/mol-K หรอ 1.986 cal/mol-KN0 คอเลขอโวกาโดร 6.022×1023 โมเลกล/โมลN คอจานวนโมเลกลท+งหมดของแกสท-ใช

คานจโบลตซมานน kB

1.38×10-23 J/K

� ตวอยางท% 7 อากาศ 1000 ลบ.ม. ท% 27 องศาเซลเซยส � ตวอยางท% 7 อากาศ 1000 ลบ.ม. ท% 27 องศาเซลเซยส ความดน 80 Pa ถกอดจนมปรมาตร 500 ลบ.ม. และมความดน 200 Pa จะมอณหภมเทาไร (ตอบ 375 เคลวน)

http://lms.thaicyberu.go.th/officialtcu/main/advcourse/presentstu/course/bk521/007sanong/bodysuangok.jpg

http://www.gammaco.com/product/zoom/19-242.gif

� กฎของดอลตน (Dalton’s Law) ความดนยอยของแกสแตละชนดในแกสผสมจะแปรผนตรงกบจานวนเปอรเซนตของมนในแกสผสมน ,น

RTnRTn

RTnnnPV +++= 321 ....)(เชน อากาศเปนแกสผสมของออกซเจน 20.96%

Pn

nPP

n

nP

PPPPV

RTnP

V

RTnP

=

=

+++=∴

==

22

11

321

22

11

,

....

,

20.96%ไนโตรเจน 79% และคารบอนไดออกไซด 0.04% ถาความดนปกตวดได 760 torrความดนยอยของออกซเจนจงเปน (20.96/100)×760 = 159.3 torr

� กฎของเฮนร% (Henry’s Law) เม%ออณหภมของแกสคงท% ปรมาณของแกสท%เขาไปอยในสารละลายใด ๆ จะแปรผนตรงกบความดนยอยของแกสน ,น เม%อแกสสมผสกบผวของเหลว โมเลกลบางโมเลกลของแกสจะผานลงไปในของเหลวน ,น ช %วโมเลกลบางโมเลกลของแกสจะผานลงไปในของเหลวน ,น ช %วเวลาตอมาบางโมเลกลกจะหนกลบออกสอากาศ เปนเชนน,ไปเร%อย ๆ จนกวาวาความดนยอยของแกสท%ละลายอยในของเหลวเทากบความดนยอยของแกสท%อยเหนอของเหลว ซ%งแสดงถงสารละลายอ%มตวแลว

แบบจาลองของแกส มดงน,� แกสในอดมคตประกอบไปดวยโมเลกลซ%งเม%อเกดการชนกน

จะตองเปนการชนแบบยดหยน พลงงานกอนชนเทากบพลงงานหลงชนเสมอพลงงานหลงชนเสมอ

� แตละโมเลกลมแตพลงงานจลนเทาน ,น ไมมพลงงานศกย� ความเรวแตละโมเลกลมไมเทากน สามารถใชหลกการทาง

สถตพจารณาหาคาเฉล%ยคณสมบตของโมเลกลเหลาน ,น

TkE Bk 2

3=

m

Tkv B

rms

3=

อตราเรวรากท-สองของกาลงสองเฉล-ยอตราเรวรากท-สองของกาลงสองเฉล-ย

ตวอยางท- ตวอยางท- 88 จงหาอตราเรวรากท-สองของกาลงสองเฉล-ยจงหาอตราเรวรากท-สองของกาลงสองเฉล-ยของโมเลกลออกซเจนท-อณหภม ของโมเลกลออกซเจนท-อณหภม 2525o o C (C (ออกซเจนมออกซเจนมมวลโมเลกล มวลโมเลกล 32 32 u [u [1 1 amuamu ==11..6666××1010--2727

kgkg) ) ตอบตอบ 482482..47 47 เมตรเมตร//วนาทวนาท

� สสารท%ไดรบพลงงานความรอนหรอคายพลงงานความรอนออกมา เรยกวา ระบบ (system) เชน แกสท%อยในกระบอกสบทก ๆ โมเลกลของแกสคอ ตวระบบ

� ส%งท%ใหความรอนหรอรบความรอนจากระบบคอ ส�งแวดลอม surroundingส%งท%ใหความรอนหรอรบความรอนจากระบบคอ ส�งแวดลอม (surrounding)

ระบบปด

ระบบเปด

ไมมการถายเทมวล แตถายเทพลงงานผานขอบเขตของระบบ

� กฎขอท%ศนย กลาววา หากเรามระบบ (หรอวตถ) อย 3 ระบบ เชน ระบบ ก, ข, ค แลวระบบท ,งสามน,สมผสกนอยและสามารถถายเทความรอนไปมาระหวางกนได ถาหากวา ระบบ ก กบ ระบบ ข อยในสภาวะสมดลกนทางความรอน (มความรอนเทากนน %นเอง) และ ระบบ ข กบ ระบบ ค อยในสภาวะสมดลกนทางความรอนเชนกน สภาวะสมดลกนทางความรอน (มความรอนเทากนน %นเอง) และ ระบบ ข กบ ระบบ ค อยในสภาวะสมดลกนทางความรอนเชนกน

http://www.rmutphysics.com/physics/oldfront/86/Thermo1/index.htm

� กฎขอท%หน%ง เม%อพลงงานความรอนเปล%ยนรปไปเปนพลงงานรปอ%น ๆ ในระบบ ปรมาณของพลงงานท ,งหมดจะคงท%

Q=∆u+W

เม%อ Q คอ พลงงานความรอน เม%อ Q คอ พลงงานความรอน W คอ ปรมาณงาน ∆u คอ การเปล%ยนแปลงของพลงงานภายในระบบ

ลกสบW = แรง × ∆× ∆× ∆× ∆y = (แรง/พ�นท+) × ∆) × ∆) × ∆) × ∆y × × × × พ�นท+ = P∆∆∆∆Vจะไดวา Q = ∆∆∆∆u + P∆∆∆∆V

∆y

� ตวอยางท% 9 อากาศจานวนหน%งเม%อไดรบความรอน 4.5 kJ จะขยายตวออก 14 ลตร ณ ความดนคงท% กาหนดใหพลงงานภายในเพ%มข,น 300 J ในการขยายตวน, จงหาความดนเคร%องวดท%กระทาโดยอากาศรอนน, (ตอบ 30,000 Pa)

� กฎขอท%สอง เปนไปไมไดท%ระบบใด ๆ จะดาเนนการในลกษณะท%ดดกลนความรอนจากแหลงความรอนท%มอณหภมคาหน%งแลวเปล%ยนความรอนน ,นใหเปนงานกลไดอยางสมบรณ โดยเม%อส,นสดกระบวนการระบบกลบเขาสสถานะเดมตอนเร%มตนกระบวนการระบบกลบเขาสสถานะเดมตอนเร%มตน

� เชน เวลาท%รถเคล%อนท%พลงงานท%จะเขาไปในรถในรปของน,ามน พลงงานบางสวนเปล%ยนไปอยในรปพ,นผวถนนรอน ยางลอรอน ลกสบในเคร%องยนตรอนข,น เกดการเส%อมสภาพ ช,นสวนผผง ฯลฯ