ความร้อน อุณหพลศาสตร์ ·...
TRANSCRIPT
ความรอน -อณหพลศาสตร
อณหภมและความรอน
กฎขอทศนยทางอณหพลศาสตร
การขยายตวเชงความรอน
อณหพลศาสตร คอ ศาสตรทวาดวยการเปลยนแปลงความรอน
เชงมหภาคโดยอาศยตวแปรสถานะของระบบ เชน ปรมาตร (V)
อณหภม (T) และ ความดน (P) เปนตน
อณหภม (Temperature : T)อณหภม
• เปนปรมาณทสอใหเหนวา
วตถนน รอน หรอ เยน
เพยงใด. ของแขง ของเหลว แกส
เพม อณหภม
พลาสมา
+ - + - + - - +- + - + - + - + -- - + - + - + + -- - + - + - + + -- - + - + - + + -- - + - + - + + -- - + - + + + -
ของแขงและของเหลว จะประกอบดวยอะตอม
จานวนมากเชอมตอกนดวยระยะประมาณ 10-10 m
ดวยแรงดงดดทางไฟฟาในสถานะของเหลวแกส
หรอพลาสมา อะตอมหรอโมเลกล (รวมท ง
ไอออน) จะมการเคลอนทแบบสม
การวดอณหภม หนวยวดอณหภม และเทอรโมมเตอร สเกลของอณหภม (Temperature scales)
องศาฟาเรนไฮต (degree Fahrenheit : 0F)
นยามจากชวงอณหภมทสตวเลยงในฟารมจะดารงชวตอยไดดวยตวเอง (0 0F คอ เยน
ทสด และ 100 0F คอ รอนทสด)
องศาเซลเซยสหรอเซลตเกรด (degree Celsius or Centigrade : 0C)
นยามจากคณสมบตของคณสมบตของนาทผวโลก ณ ระดบนาทะเล (0 0C คอ จดเยอก
แขง และ 100 0C คอ จดเดอด)
0 05( ) ( ) 329
T C T F = −
0 0
0 0
0 320 17.78
C FF C
=
≈ −0 09( ) ( ) 32
5T F T C= +
เคลวน (Kelvin : K)
นยามจากจดอณหภมทพลงงานระดบโมเลกลมคาตาสดซงกาหนดเปนศนยองศาสมบรณ
(Absolute zero) หรอ 0 K ≅ -273.150C
15.273)()( 0 += CTKT 15.273)()(0 −= KTCTสเกล 1 K = 1 0C
สเกลของอณหภม (Temperature scales)
tx
tKtCtFt
สเกลของอณหภม (Temperature scales)
15.27315.37315.273
01000
3221232
−−
=−
−=
−−
=−
− KCFx tttFPBP
FPt
10015.273
10018032 −
==−
=−
− KCFx tttFPBP
FPt
สาหรบ ตวแปรอณภมเคลวนนยามเขยนดวย T
จบค 0C กบ 0F :100180
32 CF tt=
− ( ) ( )329532
180100
−=−= FFC ttt
จบค 0C กบ K :100
15.273100
−=
TtC 15.273−= TtC
เครองวดอณหภม : เทอรโมมเตอร (Thermometer)
เทอรโมมเตอร คอ อปกรณทใชวดอณหภม T โดยใชหลกการสมดลทางความ
รอน (Thermal equilibrium)
“สสารทกชนด จะไมมการถายเทความรอนซงกนและกน เมอสสาร
เหลานนมอณหภมหรอระดบความรอนเทากน”
สมบตของเทอรโมมเตอร
• ความไวสง
• แมนยา
• ผลตงาย
• เขาสสมดลทางความรอนไดเรว
ชนดของเทอรโมมเตอร
ตวอยางชนดของเทอรโมมเตอร
แบบแกสปรมาตรคงทแบบของเหลวบรรจในหลอดแกวยาว
ตวอยาง : มาตรอณหภมฟาเรนไฮตอนหนง ซงมจดเยอกแขงและจดเดอดของนาเปน 32 และ 212oF ตามลาดบ อานอณหภม ของนาในภาชนะใบหนงไดเทากบ 122oF จงหาอณหภมของนาในภาชนะใบน นเปนองศาเซลเซยสและเคลวน
10015.273
10018032 −
==−
=−
− KCFx tttFPBP
FPt
Ctt FC°=−=−= 50)32122(
95)32(
95
Ktt CK 15.32315.273 =+=
กฎขอทศนยทางอณหพลศาสตร
(The zeroth law of thermodynamics)“ถาระบบสองระบบตางอยในภาวะสมดลทางความรอนกบระบบทสามแลว
ระบบทงสองนตางกอยในภาวะสมดลทางความรอนซงกนและกนดวย”
• ถาอณหภมท A เทากบท C
• และอณหภมท C เทากบท B• อณหภมท A จะเทากบท B
ตวกลาง (mediums)ตวกลางแอเดยแบตก (adiabatic medium; A; ) คอตวกลางสมมตทไม
ยอมใหพลงงานความรอนผานไดเลย เชน ฉนวน
ตวกลางไดอะเทอรมก (diathermic medium; D; ) คอตวกลางสมมตท
ยอมใหพลงงานความรอนผานไดด เชน โลหะตวนา
DS1 S2
A
D DA
S1 S2
S3
The zeroth law of thermodynamics
The zeroth law of thermodynamics
ระบบ 2 ระบบทอยในสมดลความรอนยอมมอณหภมเทากน
หลกการเทอรโมมเตอร : สมดลความรอน(อณหภมเทากน)
• ถาเราวางวตถทรอนใหสมผสกบวตถทเยน วตถทรอนกจะเยนตวลง และวตถทเยนกจะรอนขน
• ในทสดความรอนกจะไมมการถายเทระหวางวตถทงสอง
• เรยกวาวตถทงสองอยในสมดลความรอน
• หรอ วตถทงสองมอณหภมเทากน
อณหภม
คอ การวดวาวตถนน มความรอน เยน แคไหน
การบอกระดบความรอนจากการสมผสม
ขอจากด และในหลายกรณกอใหเกดความผดพลาด
ไดงาย
การขยายตวเชงความรอน (Thermal Expansion)
วสดสวนใหญขยายตวเมอไดรบความรอน:ระยะหางระหวางอะตอมเพมมากขนเมออณหภมเพมสงขน
การเปลยนแปลงของอณหภมตองไมมากนก (ไมมากพอทจะทาใหวสดมการ
เปลยนแปลงสถานะ)
และผลของอณหภมทเปลยนทาใหขนาดของสารเปลยนแปลง เชนความยาว
เปลยนไป
การขยายตวของสารจากความรอน (Thermal expansion)
โดยทวไปการขยายตวตามเสนจะแปรตามอณหภมทเปลยนแปลง
0lll −=∆
0ttt −=∆
เมอ α คอ ส.ป.ส. การขยายตวตามเสน
tll ∆=∆ 0α
ดงนนสามารถเขยนไดวา
( )tll ∆+= α10
การขยายตวตามพนท ( )0 1A A tγ= + ∆
การขยายตวตามปรมาตร ( )0 1V V tβ= + ∆
การขยายตวตามเสน
และจะไดวา
เมอ γ คอ ส.ป.ส. การขยายตวตามพนท
เมอ β คอ ส.ป.ส. การขยายตวตาม
ปรมาตร
การขยายตวของสารจากความรอน
0 (1 )A A Tγ= + ∆
ขยายตวตามเสน ขยายตวตามพนท ขยายตวตามปรมาตร
( )0 1L L Tα= + ∆ ( )0 1V V Tβ= + ∆
αγ 2= และ αβ 3=โดยทวไป
การขยายตวของสารจากความรอน
ผลกระทบจากการขยายตวเชงความรอน
การประยกตใชงาน
การขยายตวของรกลางวตถ
พลงงานความรอนความรอนและการถายเทความรอน ความจความรอน และ ความจความรอนจาเพาะการถายเทความรอน
พลงงานความรอน (Thermal Energy)การทดลองของ จล (James Pascott Joule; 1818–1889)
ใหแนวคดสมมลเชงกลความรอน
(Mechanical equivalent of heat)
หรอ สมมลของจล (Joule’s equivalent)
นบวาเปนจดทสาคญทเชอมระหวาง
ปรมาณความรอนเขากบพลงงาน
ความรอนไดเปนอยางด
Mechanical equivalent of heat
ความรอนและการถายเทความรอน (Heat and heat transfer)
หนวยของความรอน
คาลอร (calorie : cal) : 1 cal = ความรอนททาใหน า 1 gm ณ 14.50Cมอณหภม
สงขน 10C
BTU (British Thermal Unit) : 1 BTU = ความรอนททาใหน า 1 pound ม
อณหภมสงขน 1 0F (630F ไปเปน 640F)
ซง 1 BTU ≅ 1055 จล ≅ 251.996 cal (1 pound ∼ 0.4536 kg)การทดลองของจล (Joule)
พลงงานกล พลงงานความรอน
work 4.18605heat
Jcal=คาสมมลยความรอนกล (J) =
ความรอน (Heat) คอ รปหนงของพลงงานทสงผานเนองจากผลตางระหวางอณหภม
1 cal = 4.186 J
ความจความรอนและความจความรอนจาเพาะ(Heat capacity and specific heat capacity)ความจความรอน คอ ความรอนทเปลยนแปลงตออณหภม :
TQC
∆∆
=
ทาใหเปนปรมาณไมขนกบมวล (intensive variable) โดยการหารดวยมวล
TQ
mmCc
∆∆
==1 เรยกวา ความจความรอนจาเพาะ
(specific heat capacity)
ทงคา C และ c จะไมคงท โดยจะขนกบอณหภม T
ในกรณทหารดวยจานวนโมล n จะได
TQ
nc
∆∆
=1 เรยกวา ความจความรอนจาเพาะเทยบกบโมล
(molar specific heat capacity)
Kgcal
นา ⋅= 00.1c
การวดคาความจความรอน
การหาคาความจความรอนสามารถทาไดโดยใชอปกรณทเรยกวา Calorimeter
ในกรณใหความรอนจากไฟฟาจะไดวา
พลงงานไฟฟาทให = (mc∆T)ของเหลว+
(mc∆T)กระปองโดยการชงมวลและวดอณหภมทเปลยนแปลง
จะสามารถหาคาความจความรอนจาเพาะ c ได
ตวอยางความจความรอน
จาเพาะของของแขงตาง ๆ ฉนวนกระปอง
ขดลวดตานทาน
ตวอยาง : ตองเตมนมทมอณหภม 4oC ปรมาณเทาใดลงในกาแฟ 0.25 kg ทมอณหภม 95oC เพอใหไดอณหภมสดทายเปน70oC (ถาพจารณาใหการเปลยนแปลงอณหภมของแกวกาแฟมนอยมาก)
ใหccoffee = cwater = cmilk
=4180 J/kg-°C
นม
กาแฟ
HLoss = HGain
ความรอนของกาแฟทลดลง = ความรอนของนมทเพมข น
วธทา
gmkgm
mTcmTcm
m
m
m
mmmccc
5.90095.0
)470(4180)7095(418025.0
==
−××=−××∆=∆
ตวอยาง : เมอใสกอนอะลมเนยมมวล 120 กรม ลงใน แคลอรมเตอร ทมนา อณหภม 20oC อย 1.5 กโลกรม ถากอนใสกอนอะลมเนยมมอณหภม เทากบ 205oC ใหหาวาสดทายแลวอณหภมของนาจะเปนเทาใด กาหนด cAl = 900 J/kg.oC-1
1.5 kg
กอนใส
120 g205 oC
20 oC
หลงใส
TF = ?
HLoss = HGain
ความรอนของกอนอะลมเนยมทลดลง = ความรอนของนาทเพมขน
วธทา
C23T)20T(41805.1)T205(90010120
F
FF3
°=∴−××=−××× −
NOTE: อณหภมของนา 3 oCอณหภมของกอนอลมเนยม 182 oC
wwwAlAlAl TcmTcm ∆=∆
ความรอนแฝง (Latent heat; L)
ความรอนแฝง คอ ความรอนทตองใชในการเปลยนสถานะของสาร
• จากของแขงเปนของเหลว : ความรอนแฝงของการหลอม (Latent heat of fusion)
• จากของเหลวเปนแกส : ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (Latent heat of vaporization)
• ณ จดทเปลยนสถานะอณหภมคงท ความรอนทใหจะไปใชในการเปลยนสถานะ
หลอมเหลว กลายเปนไอ(เดอด)
ของแขง (S)
ของเหลว (L)
(L)+(S)
ของเหลว (L)
แกส (G)
(L)+(G)
นยาม
ความรอนแฝงของการหลอม m mQ mL=
ความรอนแฝงของการกลายเปนไอ vv mLQ =
เมอ m คอ มวลของระบบ
Lf และ Lv คอ ความรอนแฝงจาเพาะ (specific latent heat) ของ
การหลอมเหลวและการกลายเปนไอตามลาดบ
ตวอยาง สาหรบนา
f fQ mL=หรอ
79.7cal/gm 334J/gmLm = ≈
539cal/gm 2260J/gmLv = ≈
ความรอนแฝง (Latent heat; L)
Graph of Ice to Steam
A=Warming Ice B=Melting Ice C=Warming Water
D=Boiling Water E=Heating Steam
ตวอยาง : ใสกอนนาแขงมวล 20 กรม ทมอณหภม 0oC ลงในกระปองแคลอรมเตอรททาจากทองแดง ทมนามวล 100 กรม อณหภม 20 oC โดยทกระปองแคลอรมเตอรมวล 500 กรม ถากระปองแคลอรมเตอร และ นามอณหภม 8oC ตอนทนาแขงละลายหมด จงหา Lf ของนาแขง
HG = HL
15F kgJ1034.3L −×=∴
F i i i i c c c w w wL m m c T m c T m c T× + ∆ = ∆ + ∆)cal(waterHL)cal(HL)ice(waterHGiceHG +=+
0 oC, 20 g
20 oC, 500 g
นาแขง
20 oC, 100 g
CW = 4180 J kg-1 oC-1
Cc = 390 J kg-1 oC-1
3 3( 20 10 ) [20 10 4180 (8 0)]FL − −× × + × × × − [0.5 390 (20 8)] [ 0.1 4180 (20 8)]= × × − + × × −
การถายเท (โอน) ความรอน (Heat transferring)
การถายเทความรอน
• การนาความรอน (conduction)
• การพาความรอน (convection)
• การแผรงสความรอน (radiation)
การนาความรอน
สถานะคงท (steady state) : t ∞
T1
T2
T1 > T2
Q
xTkA
tQ
∆∆
=∆∆
คาคงท=∆∆
tQ
อตราการสงผานความรอนไมเปลยนตามเวลา
adiabatic
Temperature gradient =xT
∆∆
ท steady state : คงท=dtdQ
xTA
tQ
∆∆
−∆∆ αα
dxdTA
dtdQ
−ααหรอ
คงท=∆∆
tQ
หรอ
กลาวคอ
ดงนน dxdTkA
dtdQ
−=
เรยก HdtdQ
= วาเปนอตราการถายเทปรมาณ
ความรอน (Rate of heat flow หรอ Heat current)
นนคอdxdTkAH −=
เมอคาคงท k คอ ส.ป.ส. การนาความรอน(สภาพนาความรอน): Watt/m.K
T1
T2
T1 > T2
Q
การนาความรอน
กฎการนาความรอนของฟเรยร (Fourier’s heat conduction law)
การนาความรอน
สาหรบแทงวตถพนทหนาตด A ยาว L ขณะทปลายรอนเปน T1 สวนท
ปลายเยนเปน T2 ท steady state จะคานวณ H ไดดงน
dxdTkAH −= kAdTHdx −=
ดงนน ∫∫ −=2
10
T
T
L
kAdTHdx เมอ H มคาคงทเนองจาก steady state
ได ( )12 TTkAHL −−=
( ) ( )2 1 cold hotkA kAH T T T TL L
= − − = − −
T1 T2
L
Q
T1 > T2
การนาความรอน
ผนงประกอบ (compound wall)
ท steady state : H คงท
สาหรบ L1 :
สาหรบ L2 :
( )xTTLAkH −−= 11
11
( )22
22 TTLAkH x −−= H
รอยตออณหภม
Tx
xถา A1 = A2 = A ได
( )
2
2
1
1
21
kL
kL
TTAH+
−=
รปแบบทวไปสาหรบหลายผนงประกอบ คอ( ) ( )2 1 hot cold
i i
i i
A T T A T TH L L
k k
− −= =
∑ ∑
T2 > T1
L
การนาความรอน
ทรงกระบอกกลวง
ภายใน : รศม r1, อณหภม T1
ภายนอก:รศม r2, อณหภม T2
โดย T1 > T2
ทรศม r ใด ๆ ในโลหะ statesteady , คงท =−=dxdTkAH
พนททสงผานความรอน ณ ท r ใด ๆ คอ A = 2π r L
ดงนน ( )drdTLrkH π2−=
( )∫∫ −==
=
2
1
2
1
2T
T
rr
rr
dTLkrdrH π
( )121
2 2ln TTkLrrH −−= π
( )( )
( )( )
1 2
2 1 2 1
2 2ln ln
hot coldkL T T kL T TH
r r r rπ π− −
= =
การพาความรอนการพาความรอน เปนกระบวนการถายโอนพลงงานความรอนผานของไหล
- การพาอยางอสระ (natural/free convection)
- การพาอยางไมอสระ (forced convection)
ทงสองลกษณะขนกบ
1. รปลกษณะผววตถ
2. ผววตถอยแนวดงหรอราบ
3. ตวกลางทพาความรอน(เหลวหรอแขง)4. ความหนาแนน ความหนด ความรอนจาเพาะ
สภาพนาความรอนของตวกลาง5. ตวกลางเคลอนทแบบสมาเสมอหรอวกวน
6. ขณะพาความรอน ตวกลางเปลยนสถานะหรอไม
การพาความรอนการระเหย
เปนการพาความรอนในลกษณะหนง
นา จะตองใชพลงงานในการระเหย = 241 J/gm ท 37 0C
ตวอยาง ผวหนงและปอดของมนษย จะระเหยนาประมาณ 600 gm/วน คานวณหา
อตราความรอนทสญเสย
วธทา ในการระเหย นา 1 gm จะใชพลงงาน 241 J
∴นา 600 gm จะใชพลงงานในการระเหย = 1.45×105 J51.45 10 J1.7 1.7 Watt
24 60 60 sQHt
∆ ×= = = =
∆ × ×
*เมตาบอรซมคนปกต ≈ 120 Watt ดงนน นาระเหย 600 gm/วน ≈ 1% metabolism
ตอบ
การแผรงสความรอน
กาหนดให อตราการแผรงส = Reและ R α A
α Te4
(e : emission , ปลดปลอย)
เมอ A = พนทผวของวตถ
Te = อณหภมของวตถ : เคลวนเขยน 4
ee ATR σε=เมอσ = Stefan-Boltzmann constant
= 5.67×10-8 W/m2-K4
ε = สภาพเปลงรงส (emissitivity) ;
มคา 0 ถง 1
= ความสามารถในการแผรงสของวตถ
กฏของสเตฟาน-โบลตซมานน
EMW: คลนวทย-โทรทศน, microwave, infrared, light, UV, X-ray, gamma
การแผรงสความรอน
วตถตงในสงแวดลอมอณหภม Ta วตถจะดดกลนรงสจากสงแวดลอม
4aa ATR σε= (a : absorption , ดดกลน)
ε : (0-1)เมอ Ra = อตราการดดกลนรงสของวตถ
Ta = อณหภมสงแวดลอม, เคลวน,
ถา Te > Ta อณหภมวตถลดลง , Re > Ra
Te < Ta อณหภมวตถเพมขน , Re < Ra
ปรมาณสทธทวตถไดรบพลงงาน
R = Re - RaR เปนลบ อณหภมของวตถจะเพม
R เปนบวก อณหภมของวตถจะลด
ดด
แผ
Te = อณหภมของวตถ : เคลวน
ตวอยาง : จงหา Q ททาใหนาแขง 250 g ท 00Cกลายเปนนาหมดและสดทายนา 10 g เดอดกลายเปนไอ(กาหนด cนา = 4.2 kJ/kg-K, Lm=334 kJ/kg,Lv=2260 kJ/kg)
วธทา
นาแขง นาท 00C: ( ) ( )1 = 0.25kg × 334kJ/kg 83.5kJmQ mL= =
นาท 00C นา 1000C:
นา 10 g ไอนา 1000C : ( ) ( )3 0.01kg × 2260kJ/kg = 22.6kJvQ mL= =
ดงนน ความรอนทงหมดทตองใช เทากบ 83.5 kJ + 105 kJ + 22.6 kJ = 211.1 kJ
kJKKKgkJkgTmcQ 105100)/2.4()25.0(2 =×−×=∆=