ความร้อนและอุณหภูมิ (Heat and Temperature )

1. ความร้อนและอุณหภูมิ (Heat and Temperature)

2. อุณหภูมิและความร้อนTemperature 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. เทอร์โมมิเตอร์และสเกลที่ใช้บอกอุณหภูมิThermometers and temperature scales • ตัวอย่างของเทอร์โมมิเตอร์ที่นิยมใช้มีโครงสร้างประกอบด้วย ปรอทหรือแอลกอฮอล์บรรจุในหลอดแก้วเล็ก ซึ่งอาศัยการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของสสารที่ใช้กับความร้อน (หรือความเย็น) บอกอุณหภูมิ

6. สเกลที่ใช้บอกอุณหภูมิสเกลที่ใช้บอกอุณหภูมิ ความสัมพันธ์ระหว่างสเกลฟาร์เรนไฮต์กับสเกลเซลเซียส • ช่วงอุณหภูมิถูกกำหนดโดยใช้จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์

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

8. Gas Thermometer Gas thermometer เป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่วัดอุณหภูมิโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของความดันก๊าซกับอุณหภูมิเมื่อปริมาตรคงที่ Gas Thermometer

9. อุณหภูมิและความดันสัมพันธ์แบบเชิงเส้นอุณหภูมิและความดันสัมพันธ์แบบเชิงเส้น กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับความดัน ที่ได้จาก Gas thermometer

10. ? เมื่อ gas thermometerอ่านค่าอุณหภูมิได้ -1000Cความดันของก๊าซที่ใช้มีค่าเท่าใด 4000 Pa

11. กราฟจาก gas thermometerตัดแกนนอนที่ค่าคงที่สำหรับค่าความดันเริ่มต้นต่างๆ

12. อุณหภูมิในสเกลเคลวินหรือสเกลสัมบูรณ์Kelvin or absolute temperature scale • สเกลเคลวินถูกกำหนดให้สัมพันธ์กับค่าความดันศูนย์ อุณหภูมิ ณ ค่าความดันนี้คือ O K หรือศูนย์องศาสัมบูรณ์ สัมพันธ์กับค่าอุณหภูมิ -273.150C

13. การขยายตัวตามอุณหภูมิหรือความร้อนThermal expansion โดยทั่วไปสสารเมื่อได้รับความร้อนจะเกิดการขยายตัว เมื่อได้รับความเย็นจะเกิดการหดตัว การขยายตัวมี 3 แบบ คือ • การขยายตัวเชิงเส้น (Linear expansion) • การขยายตัวเชิงพื้นที่ (Area expansion) • การขยายตัวเชิงปริมาตร (Volume expansion)

14. การขยายตัวเชิงเส้นLinear expansion ความยาวของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงแปรตามความยาวเดิมของวัตถุและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น (coefficient of linear expansion)

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

16. ช่องว่างระหว่างรอยต่อของรางรถไฟช่องว่างระหว่างรอยต่อของรางรถไฟ

17. โครงสร้างบริเวณรอยต่อของผิวสะพานเมื่อคำนึงถึงผลของ thermal expansion

18. การขยายตัวเชิงพื้นที่Area expansion พื้นที่ของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงแปรตามพื้นที่เดิมของวัตถุและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงพื้นที่ (coefficient of area expansion)

19. กำหนดให้  เป็นสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของโลหะ และมีการขยายตัวในทุกทิศทางเท่ากัน

20. การขยายตัวเชิงปริมาตรVolume expansion ปริมาตรของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงแปรตามปริมาตรเดิมของวัตถุและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตร (coefficient of volume expansion)

21. การขยายตัวตามอุณหภูมิสำหรับของแข็งแบบไอโซทรอปิก (isotropic)

22. ปริมาณความร้อนQuantity of heat • ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งซึ่งถูกส่งผ่านจากระบบที่มีอุณหภูมิสูงไปยังระบบที่อุณหภูมิต่ำ • ปริมาณความร้อน 1 cal คือปริมาณความร้อนที่ใช้ในการทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มจาก 14.50C เป็น 15.50C ที่ความดัน 1 atm • Joule equivalence : 1.00 cal = 4.19 J

23. ความร้อน (Heat); Q T1 >T2 T1 T2 ทิศการไหลของความร้อนQ 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. ความจุความร้อนจำเพาะSpecific heat capacity ความจุความร้อนจำเพาะ cคือปริมาณความร้อนที่ใช้เพิ่มหรือลดอุณหภูมิของสสารมวลหนึ่งหน่วยไป 1องศา สสารที่มีค่าความจุความร้อนต่ำสามารถเปลี่ยนอุณหภูมิได้ง่ายกว่าสสารที่มีค่าความจุความร้อนสูง

25. เมื่อเปรียบเทียบระหว่างน้ำ (water)และ เหล็ก (iron) ซึ่งมีมวลเท่ากัน โดยได้รับความร้อนปริมาณเท่ากัน ในช่วงเวลาเท่ากันและมีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน พบว่าเหล็กมีอุณหภูมิสูงกว่าน้ำ เนื่องจากความจุความร้อนจำเพาะของเหล็กน้อยกว่าน้ำ พิจารณาได้จาก Cเหล็ก = 0.11 cal/g 0C Cน้ำ = 1.00 cal/g 0C

26. การเปลี่ยนสถานะและความร้อนแฝงPhase changes and Latent heat

27. กราฟแสดง การเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป

28. 230c

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

31. การส่งผ่านความร้อนHeat transfer • การนำความร้อน (Heat conduction) • การพาความร้อน (Heat convection) • การแผ่รังสีความร้อน (Heat radiation)

32. การนำความร้อน(Heat conduction) การนำความร้อน เป็นการส่งผ่านความร้อนด้วยการชนกันของอนุภาคตัวกลางที่อยู่ติดกัน โดยไม่มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคตัวกลาง การไหลของความร้อนมีทิศทางจากที่ที่มีอุณภูมิสูงไปยังที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ แสดงการนำความร้อนในฉนวน

33. การนำความร้อนในโลหะเกิดขึ้นได้รวดเร็วกว่าในฉนวนเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระช่วยในการส่งผ่านความร้อนการนำความร้อนในโลหะเกิดขึ้นได้รวดเร็วกว่าในฉนวนเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระช่วยในการส่งผ่านความร้อน

34. วิเคราะห์การนำความร้อนวิเคราะห์การนำความร้อน พิจารณาแท่งตัวนำที่มีพื้นที่หน้าตัด Aยาว Lต่อกับแหล่งอุณหภูมิสูง THและแหล่งอุณหภูมิต่ำ TCแท่งตัวนนำถูกหุ้มด้วยฉนวน 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. การนำความร้อนของวัสดุต่างชนิดการนำความร้อนของวัสดุต่างชนิด

38. ตัวอย่าง เตาอบอาหารมีพื้นที่ผิวทั้งหมด 0.20 m2และผนังหนา 1.5 cm ซึ่งมีสภาพนำความร้อน จงหาว่าใน 30 นาที มีการสูญเสียความร้อนเท่าไร เมื่ออุณหภูมิในเตาเป็น และภายนอกเป็น อัตราการไหลของความร้อนผ่านผนังเตา ดังนั้นใน 30 นาที มีการสูญเสียความร้อนไป

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. ลมทะเลและลมบกเกิดเนื่องจากความแตกต่างของความจุความร้อนจำเพาะของทรายกับน้ำลมทะเลและลมบกเกิดเนื่องจากความแตกต่างของความจุความร้อนจำเพาะของทรายกับน้ำ ลมบก ลมทะเล

44. การแผ่รังสีความร้อน(Radiation)การแผ่รังสีความร้อน(Radiation) การแผ่รังสีความร้อนเป็นการส่งผ่านความร้อนโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่รังสีเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เช่น ความร้อนที่มาจากดวงอาทิตย์ หรือความร้อนที่มาจากกองไฟ

45. การแผ่รังสีความร้อน (heat radiation)

46. แสดงค่าอุณหภูมิของวัตถุแสดงค่าอุณหภูมิของวัตถุ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานการแผ่รังสีกับความยาวคลื่น วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 Kจะแผ่รังสีออกมาทุกช่วงความยาวคลื่น

47. เมื่อ = Wein’s displacement constant = กระแสของความร้อน IHเนื่องจากการแผ่รังสี หรืออัตราการแผ่รังสีของวัตถุพื้นที่ Aที่มีอุณหภูมิสัมบูรณ์ Tคือ

48. Stefan-Boltzmann Law e = emissivityหรือ สภาพการแผ่รังสี มีค่าอยู่ระหว่าง 0ถึง 1 ขึ้นอยู่กับชนิดและอุณหภูมิของวัตถุ วัตถุดำ (black body)มีค่า emissivityเป็น 1 วัตถุดำคือ วัตถุที่ดูดกลืนพลังงานรังสีทั้งหมดที่ตกลงบนวัตถุ ที่สภาวะสมดุลทางความร้อน มันจะแผ่รังสีออกมาเท่ากับที่มันดูดเข้าไป

49. Thermal imagings

50. Infrared