1

รายวิชา ฟสิกสพ้ืนฐานและเพ่ิมเติม 3 ใบความรู 5

ผลการเรียนท่ีคาดหวังท่ี 5

รหัสวิชา ว 40203 ระดับช้ัน ม. 5 ใชประกอบแผนจัดการเรียนรูท่ี 5

ความรอน และการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ

ความรอน (Thermal)

ความรอนเปนพลังงานรูปหนึ่งท่ีเปลี่ยนมาจากพลังงานรูปอ่ืน เชน พลังงานไฟฟา พลังงานกล

(พลังงานศักยและ พลังงานจลน) พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร หรืองาน เปนตน

พลังงานความรอนมีหนวยเปนจูล (Joule, J ) ในระบบเอสไอ (SI) แตบางครั้งอาจบอกเปนหนวย

อ่ืนได เชน แคลอรี (cal) และบีทียู (BTU)

พลังงานความรอน 1 แคลอรี คือ พลังงานความรอนท่ีทําใหน้ํามวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเพ่ิมข้ึน 1 องศาเซลเซียส (℃) ในชวง 14.5 ℃ ถึง 15.5 ℃

พลังงานความรอน 1 บีทียู คือ พลังงานความรอนท่ีทําใหน้ํามวล 1 ปอนด มีอุณหภูมิเพ่ิมข้ึน 1 องศาฟาเรนไฮต (℉) ในชวง 58.1 ℉ ถึง 59.1 ℉

จากการทดลองพบวา 1 cal = 4.186 J

1 BTU = 252 cal = 1055 J

อุณหภูมิ (Temperature )

นักวิทยาศาสตรไดกําหนดวา อุณหภูมิ คือ ปริมาณท่ีแปรผันโดยตรงกับพลังงานจลนเฉล่ียของแกส การท่ีเราจะบอกวาวัตถุใดรอนมากหรือนอย เราสามารถบอกไดดวยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุท่ีมีระดับความรอนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุท่ีมีระดับความรอนนอยจะมีอุณหภูมิต่ํา ดังนั้นถาเราเอาวัตถุท่ีมีอุณหภูมิสูงมาสัมผัสวัตถุท่ีมีอุณหภูมิต่ํา พลังงานความรอนจะถูกถายโอนจากวัตถุท่ีมีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุท่ีมีอุณหภูมิต่ํา จนวัตถุท้ังสองมีอุณหภูมิเทากัน

อุปกรณท่ีใชวัดอุณหภูมิเรียกวา เทอรโมมิเตอร เทอรโมมิเตอรมีหลายชนิด เชน

1. สเกลองศาเซลเซียส (Celsuis, ℃ ) หรือบางท่ีเรียกวาองศาเซนติเกรด (ท่ีความดัน 1 บรรยากาศ จุด เยือกแข็งของน้ําเปน 0 เซลเซียสและจุดเดือดเปน 100 เซลเซียส ระหวางจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบงเปน 100 สวนเทาๆ กัน ) 2. สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, K) เปนหนวยของอุณหภูมิสัมบูรณ (ท่ีความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือก แข็งของน้ําเปน 273.16 เคลวินและจุดเดือดเปน 373.16 เคลวิน ระหวางจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบงเปน 100 สวนเทาๆ กัน ) ## หนวยเคลวินเปนหนวยมาตรฐานในระบบเอสไอ

ความสัมพันธระหวางอุณหภูมิหนวย เซลเซียส ฟาเรนไฮต โรเมอร และเคลวิน ตามลําดับ

จากรูป เปนเทอรโมมิเตอร 4 อัน ตางชนิดกัน วัดอุณหภูมิของวัตถุชนิดเดียวกัน จะไดความสัมพันธดังนี ้

𝐶𝐶100

= 𝐹𝐹−32180

= 𝑅𝑅80

= 𝐾𝐾−273100

หรือ

𝐶𝐶5 =

𝐹𝐹 − 329 =

𝑅𝑅4 =

𝐾𝐾 − 2735

2

ปริมาณความรอนของวตัถุ (HEAT, Q) เปนพลังงานความรอนท่ีวัตถุรับเขามาหรือคายออกไป จากการ ศึกษาผลของความรอนตอสสาร

หรือวัตถุในชั้นนี้จะศึกษาเพียงสองดาน คือ 1. ความรอนจําเพาะ ( Specific heat ) หมายถึง พลังงานความรอนท่ีทําใหวัตถุมีอุณหภูมิสูงข้ึนหรือ

ต่ําลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม 2. ความรอนแฝง (Latent Heat) หมายถึง พลังงานความรอนท่ีทําใหวัตถุเปลี่ยนสถานะโดยท่ีอุณหภูมิ

ยังคงท่ี ความจคุวามรอน ( Heat capacity,C ) คือความรอนท่ีทําใหสารท้ังหมดท่ีกําลังพิจารณามีอุณหภูมิ

เปลี่ยนไปหนึ่งหนวย โดยสถานะไมเปลี่ยน

ถาใหปริมาณความรอน ∆Q แกวัตถุ ทําใหอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป ∆T ดังนั้นถาอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หนวย จะใชความรอน C คือ

𝐶𝐶 = ∆𝑄𝑄∆𝑇𝑇

มีหนวยเปน จูล/ เคลวิน (J/K)

ความจคุวามรอนจาํเพาะ (Specific Heat Capacity, c ) คือความรอนท่ีทําใหสาร(วัตถุ) มวลหนึ่งหนวยมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งองศาเคลวิน คือ

𝑐𝑐 = ∆𝑄𝑄𝑚𝑚∆𝑇𝑇

ความจุความรอนจําเพาะของสาร(J/kg-K)

นั่นคือ เม่ือสารมวล m มีอุณหภูมิเพ่ิมจาก T1 เปน T2�� และความจุความรอนจําเพาะมีคาคงตัว ความรอนท่ีสาร

ไดรับ คือ

𝑄𝑄 = 𝐶𝐶∆𝑇𝑇 หรือ 𝑄𝑄 = 𝑚𝑚𝑐𝑐∆𝑇𝑇

ตารางท่ี 1 แสดงความจุความรอนจําเพาะของสารท่ีอุณหภูมิหองและท่ีความดันบรรยากาศ

วัสดุ ความจคุวามรอนจาํเพาะของสาร(J/kg K)

อะลูมิเนียม ทองแดง เหล็ก ตะก่ัว ปรอท หนิออน เอทานอล น้ํา รางกายมนุษย

900 390 450 130 140 860

2,500 4,186 3,500

ตัวอยางท่ี 1 จงหาพลังงานความรอนท่ีทําใหน้ํามวล 500 กรัม ท่ีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียสมีอุณหภูมิ

สูงข้ึนเปน 50 องศาเซลเซียส

วิธีทํา m = 500 g = 0.5 kg จากตาราง น้ํามีคา c = 4,186 J/kg K

∆T = T2 - T1 = (50 - 25) = 25 °K

∆Q = mc∆T = 0.5 x 4,186 x 25 = 52,325 J คาํตอบ ความรอนท่ีตองการคือ 52,325 จูล

3

ความรอนแฝง (Latent Heat) คือ ปริมาณความรอนท่ีทําใหวัตถุเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงท่ี ความรอนแฝงจําเพาะ (Specific Latent Heat, L ) คือความรอนท่ีทําใหสาร(วัตถุ) มวลหนึ่งหนวย

เปลี่ยนสถานะไปจนหมด เชน น้ําท่ีความดัน 1 บรรยากาศ ความรอนท่ีทําใหน้ําแข็ง 1 กิโลกรัม อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวกลายเปนน้ําหมดท่ีอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส จะใชความรอน 333 กิโลจูล

ดังนั้น ความรอนแฝงจําเพาะของการหลอมเหลวของน้ํา คือ Lf Lf = 333 kJ/kg

และท่ีความดัน 1 บรรยากาศ ความรอนท่ีทําใหน้ํา 1 กิโลกรัม อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส กลายเปนไอน้ําหมดท่ีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส จะใชความรอน 2256 กิโลจูล

ดังนั้น ความรอนแฝงจําเพาะของในการกลายเปนไอของน้ํา คือ Lv Lv = 2256 kJ/kg นั่นคือ ถาให Q คือความรอนท่ีทําใหสาร(วัตถุ) มวล m เปลี่ยนสถานะหมดคือ

𝑄𝑄 = 𝑚𝑚𝑚𝑚

การเปลี่ยนสถานะของสาร

สารและสิ่งของท่ีอยูรอบตัวเราพบวามีอยู 3 สถานะ คือ ของแข็ง(น้ําแข็ง) ของเหลว(น้ํา) และ

แกส(ไอน้าํ) ได I. ของแข็ง แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมีคามาก ทําใหโมเลกุลอยูใกลกัน จึงทําใหรูปทรงของของแข็งไม

เปลี่ยนแปลงมากเม่ือมีแรงขนาดไมมากนักมากระทํา ตามคําจํากัดความนี้ เหล็ก คอนกรีต กอนหิน เปนของแข็ง

II. ของเหลว แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมีคานอย โมเลกุลจึงเคลื่อนท่ีไปมาไดบาง จึงทําใหรูปทรงของของเหลวเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะท่ีท่ีบรรจุ น้ํา น้ํามัน ปรอท เปนของเหลว

III. แกส แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมีคานอยมาก จนโมเลกุลของแกสอยูหางกันมากและเคลื่อนท่ีไดสะเปะสะปะ ฟุงกระจายเต็มภาชนะท่ีบรรจุ เชนอากาศและแกสชนิดตางๆ

รูป แสดงการเปลี่ยนสถานะของน้ําเม่ือไดรับความรอน

ถาเรานําน้ําแข็งท่ีอุณหภูมิ -20 ℃ ท่ีความดันบรรยากาศ 1 บรรยากาศ ความรอนทําใหน้ําแข็งมีการเปลี่ยนแปลงเปนชวงๆ คือ

1. น้ําแข็งท่ีอุณหภูมิ -20 ℃ กลายเปนน้ําแข็ง 0 ℃ (เปนคา c ของน้ําแข็ง)

2. น้ําแข็ง 0 ℃ ละลายกลายเปนน้ํา 0 ℃

3. น้ํา 0 ℃ อุณหภูมิสูงข้ึนจนเปนน้ํา 100 ℃ (เปนคา c ของน้ํา )

4. น้ํา 100 ℃ เดือดกลายเปนไอน้ํา 100 ℃

4

ท่ีมาของภาพ http://www.myfirstbrain.com/thaidata/image.asp?ID=1654594 ตัวอยางท่ี 2 จงหาปริมาณความรอนท่ีทําใหน้ําแข็งมวล 250 กรัมอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส กลายเปนน้ําหมด และสุดทายน้ํา 50 กรัม เดือดกลายเปนไอ วิธีทํา มวลน้ําแข็ง 250 g = 0.25 kg

น้ําแข็งละลายหมดกลายเปนน้ํา 0 ℃ ตองการความรอน Q1 = mLf = 0.25 x 333 = 83.25 kJ

น้ํา 0 ℃ กลายเปนน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน

Q2 = mc∆T = 0.25 x 4.2 x 100 = 105 กิโลจูล

น้ํา 10 กรัม หรือ 0.01 กิโลกรัม ท่ี 100 ℃ เดือดเปนไอน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน Q3 = mLv = 0.05 x 2256 = 112.8 kJ ความรอนท้ังหมดท่ีตองใช Q = Q1 + Q2 + Q3

= 83.25 + 105 + 112.8 = 301.05 kJ

คาํตอบ ความรอนท่ีตองการคือ 301.05 กิโลจูล

ตัวอยางท่ี 3 กอนอะลูมิเนียมมวล 200 กรัม อุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส อยูในภาชนะท่ีเปนฉนวน เม่ือเท

น้ําแข็งอุณหภูมิ 0 ℃ มวล 70 กรัม ลงในภาชนะจากนั้นปดภาชนะดวยฉนวนอุณหภูมิสุดทายภายในภาชนะเปนเทาใด (ใหคิดวาภาชนะใหหรือรับความรอนนอยมาก) วิธีทํา เหตุการณท่ีอาจเกิดข้ึนไดในภาชนะ 4 รูปแบบคือ

1.) น้ําแข็งละลายไมหมด ดังนั้นอุณหภูมิสุดทาย t = 0 ℃

2.) น้ําแข็งละลายหมด แตอุณหภูมิของอะลูมิเนียมสูงกวา 0 ℃ ทําใหน้ํามีอุณหภูมิสูงข้ึน แตไมเดือด

ดังนั้นอุณหภูมิสุดทายอยูระหวาง 0 ℃ กับ 100 ℃ คือ 0 < t < 100

3.) น้ําบางสวนเดือด อุณหภูมิสุดทาย t = 100 ℃

4.) น้ําเดือดหมด และกอนอะลูมิเนียม อุณหภูมิสุดทาย t > 100 ℃ ดังนั้นเราตองคํานวณความรอนทีละชวงคือ พิจารณา ความรอนท่ีน้ําแข็งมวล 0.07 kg ละลายหมดตองการความรอน Q1 = mLf = .07 x 333000 = 23310 J พิจารณา ความรอนที่กอนอะลูมิเนียม 0.2 kg คายออกมาจนมีอุณหภูมิเปน 0 oC คือ

Q2 = mc∆T = 0.2 x 900 x 300 = 54000 J พิจารณา ความรอนที่นํ้า 0 oC กลายเปนน้ํา 100 oC ความรอนท่ีตองการ คือ

คายความรอ้น คายความรอ้น คายความรอ้น

5

Q3 = mc∆T = 0.07 x 4200 x 100 = 29400 J เม่ือพิจารณาความรอนของน้ําและอะลูมิเนียมแลวไดผลดังนี้ (Q1 + Q3 ) < Q2

นั่นคือ ดังนั้นอุณหภูมิสุดทายอยูระหวาง 0 ℃ กับ 100 ℃ คือ 0 < t < 100 จากกฏการอนุรักษพลังงาน Q1 + mc(t - 0) = mAlcAl(300 - t) 23310 + 0.07 x 4200 x t = 0.2 x 900(300 - t)

t = 64.7 ℃ ตอบ อุณหภูมิผสมสุดทายของน้ําและอะลูมิเนียมเทากับ 64.7 องศาเซลเซียส

ตัวอยางท่ี 4 จงหาพลังงานความรอนท่ีทําใหน้ําแข็งมวล 100 กรัม อุณหภูมิ -20 ℃ หลอมละลายกลายเปนน้ําหมด น้ํา และน้ํามีอุณหภูมิสูงจนเดือดเปนไอหมดท่ีความดัน 1 บรรยากาศ

วิธีทํา น้ําแข็ง - 20 ℃ กลายเปนน้ําแข็ง 0 ℃ ตองการความรอน

Q1 = mc∆T = 0.100 x 2.1(0 - (-20)) = 4.2 กิโลจูล มวลน้ําแข็ง 100 g = 0.100 kg

น้ําแข็งละลายหมดกลายเปนน้ํา 0 ℃ ตองการความรอน Q2 = mLf = 0.100 x 333 = 33.3 kJ

น้ํา 0 ℃ กลายเปนน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน

Q3 = mc∆T = 0.100 x 4.2 x 100 = 42 กิโลจูล

น้ํา 10 กรัม หรือ 0. 1 กิโลกรัม ท่ี 100 ℃ เดือดเปนไอน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน Q4 = mLv = 0.100 x 2256 = 225.6 kJ ความรอนท้ังหมดท่ีตองใช Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4

= 4.2 + 33.3 + 42 + 225.6 = 305.1 kJ

คาํตอบ ความรอนท่ีตองการคือ 305.1 กิโลจูล

การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความรอน

วัตถุโดยท่ัวไปเม่ือไดรับความรอนจะขยายตัว การขายตัวของวัตถุจะข้ึนอยูกับรูปรางลักษณะของวัตถุเชน วัตถุท่ีมีความยาวมีลักษณะเปนเสนหรือแทงยาว จะมีการขยายตัวตามเสน (การขยายตัวตามยาว) วัตถุท่ีเปนแผนจะมีการขยายตัวตามพ้ืนท่ี วัตถุท่ีมีรูปรางเปนปริมาตรจะมีการขยายตัวตามปริมาตร ในทางกลับกันถาวัตถุสูญเสียความรอนก็จะหดตัว

6

ท่ีมาของภาพ http://www.thaiceramicsociety.com/images/ch_heat-3.jpg

สมบัติท่ีสําคัญๆ เกี่ยวกับการขยายของของแข็ง ไดแก 1. ของแข็งตางชนิดกัน ถาเดิมมีความยาวเทากัน เม่ือรอนข้ึนเทากันจะมีสวนขยายตัวเพ่ิมข้ึนไมเทากัน

2. ของแข็งชนิดเดียวกัน ถาเดิมมีความยาวเทากัน เม่ือรอนข้ึนเทากันจะมีสวนขยายตัวเพ่ิมข้ึนเทากัน

3. การขยายตัวของวัตถุเปนเรื่องท่ีสําคัญมากในทางวิศวกรรม เชน การวางเหล็กรางรถไฟ การขึงสายไฟฟาแรงสูงเปนตน

การถายโอนความรอน (Heat Transfer)

ความรอนจะถายโอนหรือสงผานจากวัตถุท่ีมีระดับความรอนสูง(อุณหภูมิสูง) ไปสูวัตถุท่ีมีระดับความรอนต่ํา (อุณหภูมิต่ํา) การถายโอนความรอนมี 3 แบบ คือ

1. การนํา (Conduction) เปนการถายโอนพลังงานความรอนผานตัวกลางซ่ึงโดยมากจะเปนพวกโลหะตางๆ เชน เราเอามือไปจับชอนโลหะท่ีปลายขางหนึ่งแชอยูในน้ํารอน มือเราจะรูสึกรอน เพราะความรอนถูกสงผานจากน้ํารอนมายังมือเราโดยมีชอนโลหะเปนตัวนําความรอน

2. การพา (Convection) เปนการถายโอนความรอนโดยการเคลื่อนท่ีของโมเลกุลของตัวกลางเปนตัวพาความรอนไปจากบริเวณท่ีมีระดับความรอนสูง(อุณหภูมิสูง) ไปสูบริเวณท่ีมีระดับความรอนต่ํา(อุณหภูมิต่ํา) เชน

เวลาตมน้ําความรอนจากเตาทําใหน้ําท่ีกนภาชนะรอนมันจะขยายตัวทําใหมีความหนาแนนนอยกวาน้ําดาน บนจึงลอยตัวสูงข้ึนสวนน้ําดานบนอุณหภูมิต่ํากวาความหนาแนนมากก็จะจมลงมาแทนท่ี การหมุนวนของน้ําทําใหเกิดการพาความรอน

3. การแผรังสี (Radition) เปนสงพลังงานความรอนท่ีอยูในรูปคลื่นแมเหล็กไฟฟา(รังสีอินฟราเรด) ดังนั้นจึงไมตองอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนท่ี เชนการแผรังสีความรอนจากดวงอาทิตยมายังโลก โดยท่ัวไปวัตถุท่ีแผรังสีไดดีก็จะรับ(ดูดกลืน)รังสีไดดีดวย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกวาวัตถุดํา(Black Body) วัตถุดําไมมีในธรรมชาติ มีแตในอุดมคติ ดังนั้นวัตถุท่ีมีลักษณะใกลเคียงวัตถุดําคือ วัตถุท่ีมีสีดํา ในทางกลับกันวัตถุขาวจะ ไมดูดกลืนรังสีและ ไมแผรังสีท่ีตกกระทบ มีแตในอุดมคติเทานั้น

ท่ีมาของภาพ http://www.fao.org/docrep/008/y7223e/y7223e0d.jpg