เรียนรู้เรื่อง ฟิสิกส์พลังงาน พลังงานความร้อน พลังงานอุณหภูมิ ทฤษฏี กฏเทอร์โมไดนามิกส์ ทฤษฎีพลังงานความร้อน พลังงานอุณหภูมิ การคำนวณจากกฎเทอร์โมไดนามิกส์
พลังงานความร้อน เกิดจากการทำงานเชิงกล, ปฏิกิริยาเคมี, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และอื่นๆ สามารถทำให้วัตถุมีการขยายตัว หดตัว และสามารถทำงานได้ เราสามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกล และพลังงานความร้อนได้ดังนี้ ตัวอย่างของ Mechanical Energy เช่น พลังงานศักย์โน้มถ่วง เมื่อวัตถุตกถึงพื้นข้างล่างแล้ว พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะกลายไปเป็นความร้อน ตัวอย่างต่อไปเช่น กระสุนวิ่งไปชนเป้า กระสุนจะมีพลังงานจลน์ เมื่อวิ่งไปชนเป้าก็จะเปลี่ยนพลังงานจลน์ไปเป็นพลังงานความความร้อนให้กับลูกปืนและเป้า ตัวอย่างต่อไปเช่น พลังงานไฟฟ้าก็สามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนได้ด้วย โดยที่ P คือ กำลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์ หน่วยของกำลัง แบบอื่นเช่น 1 กำลังม้า มีค่าเท่ากับ 746 วัตต์ t คือ เวลา หน่วยเป็นวินาที พลังงานความร้อนที่วัตถุนั้นๆ ได้รับจากเหตุผลใดๆ ก็แล้วแต่ มีผลให้วัตถุมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป พลังงานความร้อนที่ได้รับทำให้วัตถุนั้นมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างไรหาได้จากสมการ โดยที่ m คือมวล c คือความจุความร้อนจำเพาะ(c พิมพ์เล็ก) และ t คือ อุณหภูมิ หรือสมการ โดยที่ C คือความจุความร้อน(c พิมพ์ใหญ่) และ t คือ อุณหภูมิ สิ่งที่ควรให้ความสนใจก่อนใช้งานสมการทั้งสองคือ Dt คือผลต่างของอุณหภูมิเริ่มต้น และ สุดท้าย ดั้งนั้นจะมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส หรือ องศาเคลวิน ก็ได้ เพราะมันคือผลต่าง c ความจุความร้อนจำเพาะมีหน่วยอะไร ให้ใช้ มวลเป็นหน่วยนั้นๆ ยกตัวอย่างเช่นอะลูมิเนียมีความจุความร้อนจำเพาะคือ ดังนั้นมวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม เพราะว่า หน่วยของมวล จากความจุความร้อนจำเพาะข้างต้น ใช้หน่วยเป็นกิโลกรัม แต่ถ้าใช้ C ความจุความร้อน ก็จะไม่มีมวลเข้ามาเกี่ยวข้องกับการคิดเลข การที่วัตถุได้รับความร้อนจนถึงจุดหนึ่ง ความร้อนที่ให้จะไปเปลี่ยนสถานะของวัตถุ เรียกความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะว่า ความร้อนแฝง การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของแหลว เรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว การเปลี่ยนสถานะจากของแหลวเป็นก๊าซ เรียกว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ความร้อนแฝงจำเพาะ คือความร้อนแฝงต่อมวล 1 หน่วย มีหน่วยเช่น จูลต่อกิโลกรัม สมการที่ใช้งานคือ โดยที่ L คือความร้อนแฝงจำเพาะ จากกราฟข้างต้นหามาดูของจริงเป็นตัวอย่างในที่นี้คือน้ำจะได้กราฟดังรูป มาพิจารณากันแบบสนุกๆ นะ ช่วง A น้ำแข็งหนัก 1 กรัม อุณหภูมิ -30 องศาเซลเซียส กลายไปเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 62.7 จูล ช่วง B น้ำแข็ง อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น น้ำที่ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 333 จูล (จากกราฟคือ 396-62.7) ช่วง C น้ำ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น น้ำที่ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 419 จูล (จากกราฟคือ 815-396) ช่วง D น้ำ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น ไอน้ำที่ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 2255 จูล (จากกราฟคือ 3070-815) ช่วง E ไอน้ำ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น ไอน้ำที่ อุณหภูมิ 130 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 40 จูล (จากกราฟคือ 3110-3070) Note: กราฟข้างต้นจะมีตัวเลขที่แตกต่างจากการคำนวณบ้างเล็กน้อย จากนี้ลองมาดูคำถามที่จะต้องเจอกัน ตัวอย่างที่ 1 รถยนต์มวล 800 กก. กำลังแล่นด้วยความเร็ว 72 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ถ้ารถเบรคจนกระทั้งหยุดสนิทภายในเวลา 5 วินาที อัตราการเกิดพลังงานความร้อนที่ระบบเบรคทั้งหมดเป็นเท่าใด? วิธีทำ รถกำลังแล่นย่อมมีพลังงานจลน์ เมือรถเบรคให้หยุดพลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ดังนั้นแล้ว พลังงานความร้อนทั้งหมด = พลังงานจลน์ที่ลดลง อัตราความร้อนที่เกิดขึ้น ก็คือ ความร้อนทั้งหมด หารด้วย เวลา หรือเรียกอีกอย่างว่า กำลัง (P) ตัวอย่าง 2 ใช้เลื่อยไฟฟ้าขนาด 0.5 แรงม้า เลื่อยอะลูมิเนียมแผ่นหนึ่งซึ่งมีมวล 500 กรัม ต่อเนื่องนาน 1 นาที วิธีทำ จากความร้อนที่ได้นำไปหาค่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นดังนี้ อุณหภูมิสูงขึ้น 10.66 องศาเซลเซียส หรือ เคลวิน ตัวอย่างที่ 3 กระสุนปืนทำด้วยทองแดงถูกยิงด้วยความเร็ว 200 เมตรต่อวินาที เข้ากระทบเป้าซึ่งมีความจุความร้อนจำเพาะต่ำมาก วิธีทำ ลูกปืนมีอุณหภูมิสูงขึ้น 25 องศาเซลเซียส หรือ เคลวิน ตัวอย่างที่ 4 เผาก้อนทองแดงก้อนหนึ่ง ซึ่งมีมวล 500 กรัม จนกระทั่งทองแดงมีอุณหภูมิ 150 องศาเซลเซียส วิธีทำ คำถามนี้เหมือนการผสมของ 2 สิ่งเข้าด้วยกัน ในที่นี้คือทองแดงกับน้ำ ทองแดงมีอุณหภูมิลดลง จนถึงจุดที่สมดุล ขั้นแรกหาความร้อนที่ก้อนทองแดงคายความร้อน ขั้นที่สองหาความร้อนที่น้ำรับความร้อน แต่ความร้อนที่ลงลด = ความร้อนที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นอุณหภูมิสุดท้ายคือ 27.3 องศาเซลเซียส
|
||||
 |
