พลังงานความร้อน

พลังงานความร้อน
เกริ่นเรื่อง: งานกูโว้ยย
29 พ.ย. 53 , View: 13918 , Post : 0


Jan 21, '09

  ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นได้

และสามารถเปลียนรูปมาจากพลังงานรูปอื่น ๆ ได้เช่นเดียวกัน ในเนื้อหาหัวข้อนี้เราจะได้ศึกษาเรื่อง

 ผลของความร้อน เช่น ความร้อนกับอุณหภูมิ ความร้อนกับสถานะของวัตถุ

และความร้อนกับการขยายตัวของวัตถุนอกจากนั้นยังมีเรื่องการถ่ายโอนพลังงานความร้อน

การดูดกลืนความร้อน และการคายความร้อนรวมทั้งสมดุลความร้อน

  2.1ความร้อนกับอุณหภูมิ
     อุณหภูมิเป็นปริมาณที่บอกระดับความร้อนในวัตถุ

เราใช้เทอร์โมมิเตอร์ในการวัดอุณฟภูมิ เทอร์โมมิเตอร์จะมีขนาด

รูปร่างและลักษณะแตกต่างกันไปตามลักษณะการใช้งาน อุณหภูมิมีหน่วยเป็นเคลวิน(K)

     เราเรียกความสามารถในการกักเก็บความร้อนของวัตถุว่า

ความจุความร้อน และถ้าพิจารณาความจุความร้อนเทียบต่อหนึ่งหน่วยมวลจะเรียกว่า

ความจุความร้อนจำเพาะ

เราสามารถหาความจุความร้อนจำเพาะได้จากสมการ

C = Q/mt

เมื่อ   

Q= พลังงานความร้อนมีหน่วยเป็นจูล
m =
มวลของวัตถุ
t=
อุณหภูมิของวัตถุที่เปลี่ยนไป
c =
แทนความจุความร้อนจำเพาะ

  2.2 ความร้อนกับสถานะของวัตถุ

     สสารมี 3 สถานะคือ ของแข็งของเหลว และก๊าซ สารบางอย่างจะมีทั้งหมดได้

 3 สถานะ คือน้ำ นักเรียนคิดว่าความร้อนมีผลต่อสถานะของวัตถุหรือไม่

     น้ำแข็งเมื่อได้รับความร้อนจะหลอมเหลวจนหมดเปลี่ยนสถานะจากของแข็ง

กลายเป็นของเหลวเมื่อน้ำได้รับความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ100 'C

จะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอ เราสามารถแสดงได้ด้วยกราฟ ดังนี้

     ขณะที่วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะ อุณหภูมิของวัตถุจะมีค่าคงที่

แม้เราจะให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องกับวัตถุ ที่เป็นเช่นนี้เพราะความร้อนถูกนำ

ไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะของวัตถุ เราเรียกความร้อนที่ใช้ในการเปลี่นรสถานะว่า

 ความร้อนแฝง หากเราพิจารณาความร้อนแฝงเทียบหนึ่งหน่วยมวล

จะเรียกชื่อใหม่นี้ว่า ความร้อนแฝงจำเพาะ ใช้สัญลักษณะ L

  2.3 ความร้อนกับการขยายตัวของวัตถุ

      การขยายตัวของวัตถุ หมายถึง การเปลี่ยนแปลงขนาดของวัตถุ

ในทางเพิ่มมากขึ้น เช่น มีพื้นที่ใหญ่ขึ้นหรือปริมาตรใหญ่ขึ้น

     สมมุตว่าเรานำใข่ที่ต้มสุกพร้อมทั้งแกะเปลือกแล้วไปวางในวงลวด

ที่มีขนาดโตกว่าใข่ที่ต้มสุกเพียงเล็กน้อย จะพบว่า ไข่ไม่สามารถลอดผ่านวงลวดได้

 นั่นแสดงว่าเมื่อไข่ได้รับความร้อน ไขจะ่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม ซึ่งสอดคล้องกับแนวทฤษฎี

โดยเมื่อวางวัตถุได้รับความร้อนจะทำให้อนุภาคหรือโมเลกุลเกิดการสั่นแรงขึ้นทำให้

โมเลกุลข้างเคียงถูกผลักให้ห่างจากกัน แต่เนื่องจากวัตถุต่าง ๆ มีโมเลกุลจำนวนมาก

 การสั่นและผลักโมเลกุลจึงเกิดกับทุก ๆ ส่วนของวัตถุ จึงทำให้วัตถุเกิดการขยายตัว

     การนำความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อน

ไปใช้ประโยชน์นั้นมีอย่างหลากหลาย ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดเจน

เช่น กรณี รางรถไฟ รางจะต่อเรียงกันไปตามยาว โดยแท่งเหล็หที่

ใช้ทำรางจะไม่ต่อจนปลายแท่งเหล็กชิดกัน เพื่อป้องกันการดันกันของ

ปลายรางที่เกิดการขยายตัวตามยาว ทำให้เกิดการโค้งงอของรางรถไฟ

ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้รถไฟตกรางได้

  2.4 การถ่ายโอนพลังงานความร้อน

วัตถุที่มีอุณหภูมิต่างกัน วัตถุหนึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าวัตถุหนึ่งจะทำให้เกิด

การถ่ายพลังงานความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูทิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า

การถ่ายเทพลังงานความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งนี้เรียกว่า การถ่ายโอนพลังงานความร้อน

นักเรียนคิดว่า การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีใดบ้าง

     เมื่อนำเส้นลวดเส้นหนึ่งมาลนไฟแล้วใช้มือจับปลายเส้นลวดให้ห่างจากเปลว

ไฟประมาณ 10 เซนติเมตร เราจะรู้สึกร้อนและเมื่อเวลาผ่านไปนาน ๆ จะรู้สึกร้อนขึ้นเรื่อย ๆ

ทั้งๆที่บริเวณดังกล่าวจะไม่รู้สึกร้อนถ้าไม่มีเส้นลวด แสดงว่าความร้อนเคลื่อน

ที่ผ่านเส้นลวดมาถึงมือเรา ตามทฤษฎีแล้วสามารถอธิบายได้ว่า โมเลกุลของเส้นลวด

เมื่อได้รับความร้อนก็จะมีพลังงานจลน์มากขึ้น เกิดการสั่นแรงขึ้น ทำให้เกิดการชน

 เกิดการขัดสีดกับโมเลกุลข้างเคียง ทำให้โมเลกุลข้างเคียงมีอุณหภูมิสูงขึ้น

 มีพลังงานจลน์มากขึ้น เกิดการสั่นแรงขึ้นและเกิดการขัดสีกับ

โมเลกุลที่อยู่ถัดไปเช่นนี้เรื่อยๆ จนความร้อนถูกส่งมาถึงมือเรา

     เราสามารถกล่าวได้อีกว่าความร้อนสามารถส่งผ่านเส้นลวดได้

เส้นลวดเป็นเสมือนทางที่นำความร้อนมาสู่มือเรา และสรุปได้ว่า

"ความร้อนสามรถถ่ายโอนได้ด้วยวิธีการนำความร้อน"

ซึ่งกรณีการนำความร้อนนี้ต้องอาศัยตัวกลางในการถ่ายโอนพลังงานความร้อน

     ในการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะมี 3 แบบด้วยกัน

คือ การนำความร้อน การพาความร้อน และ การแผ่รังสีความร้อน

โดยการนำความร้อนและพาความร้อนต้องอาศัยตัวกลางในการถ่าย

โอนพลังงานความร้อน ส่วนในการแผ่รังสีความร้อนไม่ต้องใช้ตัวกลาง

ในการถ่ายโอนพลังงานความร้อน

  2.5 การดูดกลืนและคายความร้อน

ความร้อนที่ถ่ายโอนพลังงานที่มาถึงวัตถุแล้ว วัตถุต่างๆ จะรับความร้อนหรือดูด

กลืนความร้อนไว้ในวัตถุได้ เช่น ถ้าเราทาแอลกอฮอล์บริเวณผิวหนังเราจะรู้สึกเย็น

 อันเนื่องมาจากแอลกอฮอล์ดูดความร้อนจากผิวหนัง อีกกรณีหนึ่งได้แก่

การนำสำลีที่จุมแอลกอฮอล์แล้วนำไปพันรอบเทอร์มอมิเตอร์ อุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์

จะลดลง เพราะว่าแอลกอฮอล์ดูดความร้อนจากเทอร์โมมิเตอร์ นั่นคือวัตถุสามารถ

ดูดกลืนความร้อนได้ ถ้าเราศึกษารายละเอียดจะพบว่า ความร้อนที่หายไปนั้น

แอลกอฮอล์ดูดกลืนเพื่อนำไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะของแอลกอฮอล์

  2.6 สมดุลความร้อน

     เราทราบว่า ถ้าอุณหภูมิของวัตถุ 2 ชนิดแตกต่างกันจะเกิดการถ่ายโอน

พลังงานความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตุที่มีอุณหภูมิต่ำหมายความว่า

 การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจะไม่เกิดขึ้นถ้าวัตถุมีอุณหภูมิเท่ากัน

    ถ้าวัตถุ 2 ชนิดที่มีอุณหภูมิตอนเริ่มต้นแตกต่างกัน เมื่อนำมาวางในที่เดียวกัน

ในช่วงระยะเวลาหนึ่งอุณหภูมิทั้งสองแหล่งจะเท่ากัน หรือกล่าวว่าวัตถุจะหยุด

ถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กันและกัน เราเรียกสภาวะนี้ว่า สมดุลความร้อน


ความร้อน และอุณหภูมิ

          พลังงาน (energy) หมายถึง ความสามารถในการทำงาน ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิง ทำให้รถยนต์เคลื่อนที่ พลังงานมีหลายรูปแบบ พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปสู่อีกรูปหนึ่ง เช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิงเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อนในเครื่องยนต์ จากนั้นก็แปรเปลี่ยนเป็นพลังงานกลทำให้รถยนต์เคลื่อนที่
เราแบ่งพลังงานออกเป็น 2 ประเภทคือ
           พลังงานศักย์ (Potential energy) หมายถึง ศักยภาพที่จะทำให้เกิดงาน ซึ่งมีอยู่ในวัตถุที่หยุดนิ่ง เช่น เชื้อเพลิง อาหาร
           พลังงานจลน์ (Kinetic energy) หมายถึง พลังงานซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อเราใช้ค้อนตอกตะปู ค้อนทำให้เกิดพลังงานจลน์ดันตะปูให้เคลื่อนที่ ยิ่งค้อนมีมวลมาก และมีความเร็วสูง พลังงานจลน์ก็ยิ่งมาก

ความร้อน และ อุณหภูมิ
          สสารทั้งหลายประกอบด้วย อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอะตอม หรือการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” (Heat) เราพิจารณาพลังงานความร้อน (Heat energy) จากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร
          อุณหภูมิ (Temperature) หมายถึง การวัดค่าเฉลี่ยของพลังงาานจลน์ซึ่งเกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละตัว หรือแต่ละโมเลกุลของสสาร เมื่อเราใส่พลังงานความร้อนให้กับสสาร อะตอมของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดพลังงานความร้อน อะตอมของสสารจะเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง
          หากเราต้มน้ำด้วยถ้วยและหม้อบนเตาเดียวกัน จะเห็นได้ว่าน้ำในถ้วยจะมีอุณหภูมิสูงกว่า แต่จะมีพลังงานความร้อนน้อยกว่าในหม้อ เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ดังนั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก (ชั้นเทอร์โมสเฟียร์) จึงมีอุณหภูมิสูง แต่มีพลังงานความร้อนน้อย เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่อย่างเบาบาง

สเกลอุณหภูมิ
           องศาฟาเรนไฮต
            ในปี ค.ศ.1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Gabrial Fahrenheit) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ซึ่งบรรจุปรอทไว้ในหลอดแก้ว เขาพยายามทำให้ปรอทลดต่ำสุด (0°F) โดยใช้น้ำแข็งและเกลือผสมน้ำ เขาพิจารณาจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 32°F และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 212°F
           องศาเซลเซียส
            ในปี ค.ศ.1742 แอนเดอส์ เซลเซียส (Anders Celsius) นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ออกแบบสเกลเทอร์มอมิเตอร์ให้อ่านได้ง่ายขึ้น โดยมีจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 0°C และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100°C
           เคลวิน (องศาสัมบูรณ์)
            ต่อมาในคริสศตวรรษที่ 19 ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง
ความร้อนและอุณหภูมิว่า ณ อุณหภูมิ -273°C อะตอมของสสารจะไม่มีการเคลื่อนที่ และจะไม่มีสิ่งใดหนาวเย็นไปกว่านี้ได้อีก เขาจึงกำหนดให้ 0 K = -273°C (ไม่ต้องใช้เครื่องหมาย ° กำกับหน้าอักษร K) สเกลองศาสัมบูรณ์หรือเคลวิน เช่นเดียวกับองศาเซลเซียสทุกประการ เพียงแต่ +273 เข้าไป เมื่อต้องการเปลี่ยนเคลวินเป็นเซลเซียส

                    

ภาพที่ 1 เปรียบเทียบสเกลอุณหภูมิทั้ง 3 ระบบ

ความสัมพันธ์ของสเกลอุณหภูมิ

ระยะสเกลฟาเรนไฮต์ = 212 °F – 32 °F= 180 °F
ระยะสเกลเซลเซียส= 100 °C – 0 °C = 100 °C
สเกลทั้งสองมีความแตกต่างกัน= 180/100= 1.8

ความสัมพันธ์ของสเกลทั้งสองจึงเป็นดังนี้

°F= (1.8 X °C) + 32
°C= (°F -32) / 1.8


  ตัวอย่าง:
อุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ 98.6°F คิดเป็นองศาเซลเซียส และเคลวิน ได้เท่าไร

   แปลงเป็นองศาเซลเซียส = (°F -32) / 1.8
                               = (98.6 -32) / 1.8
                               = 37°C

   แปลงเป็นองศาสัมบูรณ์ = 37+ 273 K
                              = 310 K


ภาพที่ 2 การถ่ายเทความร้อน

กลไกการถ่ายเทความร้อน
          เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก
           การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว
           การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสสารซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซ ส่วนของแข็งนั้นจะมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน และการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนจึงมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศ และมหาสมุทร รวมทั้งภายในโลก และดวงอาทิตย์
          ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว ความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ทำให้น้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า “วัฏจักรการพาความร้อน” (Convection circulation)
           การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว


แฟนคลับ [2]
Add เป็นแฟนคลับ Blog นี้

แจ้ง Blog ไม่เหมาะสม



  • C o m m e n t
  • 1

    1


    My Blog
    1
    Comments
    0
    Fanclub
    2


        Blog ที่ผ่านมา


    ดู Blog ทั้งหมด


        Favorite Blog
    เก็บรายชื่อ Blog ที่เราชอบมากๆ

    ยังไม่มี Favorite Blog