สรุปเนื้อหาเรื่อง ความร้อน คืออะไร
ความร้อน เป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สามารถทำงานได้ และเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นได้ หรืออาจจะเปลี่ยนรูปมาจากพลังงานรูปอื่นได้ เช่น พลังงานเคมี พลังงานไฟฟ้า ฯลฯ อีกทั้ง ความร้อนยังเป็นพลังงานซึ่งสามารถถ่ายทอดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า และจะถ่ายเทให้กันจนกระทั่งอุณหภูมิเท่ากัน
หน่วยของพลังงานความร้อน
- จุล (joule, J ) เป็นหน่วยของพลังงานกลที่ใช้ในระบบเอสไอ
- แคลอรี ( calorie, cal ) เป็นหน่วยหนึ่งของพลังงานความร้อน (1 cal = 4.186 J) ซึ่ง 1 แคลอรี คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส (ในช่วง 14.5 องศาเซลเซียส ถึง 15.5 องศาเซลเซียส) ที่ความดัน 1 บรรยากาศ
- บีทียู (British thermal unit หรือ Btu) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ (ในช่วง 63 องศาฟาเรนไฮต์ ถึง 64 องศาฟาเรนไฮต์) ที่ความคัน 1 บรรยากาศ (1 Btu = 252 cal = 1,055 J)
อุณหภูมิ
อุณหภูมิ คือ ปริมาณที่แปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส ซึ่งการที่เราจะบอกว่าวัตถุใดร้อนเพียงใด เราสามารถบอกได้ด้วยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุที่มีระดับความร้อนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุที่มีระดับความร้อนน้อยจะมีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น หากเราเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ จนวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน
อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายชนิด เช่น
- สเกลองศาเซลเซียส (Celsius, °C) หรือบางที่เรียกว่าองศาเซนติเกรด (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0 เซลเซียส และจุดเดือดเป็น 100 เซลเซียส ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน )
- สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, °K) เป็นหน่วยมาตรฐานในระบบเอสไอ โดยเคลวินนั้นเป็นหน่วยของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 273.16 เคลวินและจุดเดือดเป็น 373.16 เคลวิน ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน)
ปริมาณความร้อนของวัตถุ
- ความร้อนจำเพาะ (Specific heat ) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม
- ความร้อนแฝง (Latent Heat) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่
ความจุความร้อน ( Heat capacity, C )
ความจุความร้อน คือ ความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย โดยสถานะไม่เปลี่ยน ถ้าให้ปริมาณความร้อน ΔQ แก่วัตถุ ทำให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป ΔT ดังนั้น ถ้าอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หน่วย จะใช้ความร้อน C คือ
C = ΔQ/ΔT
มีหน่วยเป็น จูล/เคลวิน (J/K)
ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat capacity , c )
ความจุความร้อนจำเพาะ คือ ความร้อนที่ทำให้สาร (วัตถุ) มวลหนึ่งหน่วย มีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งเคลวิน คือ ความจุความร้อนจำเพาะของสาร (J/kg-K)
c = ΔQ/mΔT
นั่นคือ เมื่อสารมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มจาก T1 เป็น T2 และความจุความร้อนจำเพาะมีค่าคงตัว ความร้อนที่สารได้รับ คือ
ΔQ = mcΔT
สถานะและการเปลี่ยนสถานะของสาร
- โดยทั่วไป เราจำแนกสถานะของสารออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ซึ่งการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารนั้น เมื่อได้รับความร้อนก็จะกลายเป็นของเหลว และถ้าร้อมากขึ้นก็จะกลายเป็นแก๊ส
- การเปลี่ยนแปลงจากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นแก๊ส เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะ
- การเปลี่ยนแปลงสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว และจากของเหลวเป็นของแข็ง ในขณะที่วัตถุกำลังเปลี่ยนสถานะ อุณหภูมิของวัตถุจะคงที่อยู่ตลอดเวลา การเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเข็งเป็นของเหลว เรียกว่าหรือการกลายเป็นของเหลว ส่วนการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง เรียกว่า การกลายเป็นของแข็ง หรือเยือกแข็ง
- อุณหภูมิในขณะที่ของแข็งกำลังเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวภายใต้ความดันปกติ เรียกว่า จุดหลอมเหลว
- อุณหภูมิในขณะที่ของเหลวกาลังกลายสถานะเป็นของแข็งภายใต้ความดันปกติ เรียกว่า จุดเยือกแข็ง
- ความร้อนที่ทำให้วัตถุมวล 1 หน่วยเปลี่ยนสถานะทั้งหมด โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง คือ ความร้อนแฝงจำเพาะ แบ่งเป็น
- ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว
- ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ
การถ่ายโอนความร้อน
ความร้อนจะถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่วัตถุที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) การถ่ายโอนความร้อนมี 3 แบบ คือ
- การนำ (Conduction) เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านตัวกลางซึ่งโดยมากจะเป็นพวกโลหะต่างๆ เช่น เราเอามือไปจับช้อนโลหะที่ปลายข้างหนึ่งแช่อยู่ในน้ำร้อน มือเราจะรู้สึกร้อน เพราะความร้อนถูกส่งผ่านจากน้ำร้อนมายังมือเราโดยมีช้อนโลหะเป็นตัวนำความร้อน
- การพา (Convection) เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของตัวกลางเป็นตัวพาความร้อนไปจากบริเวณที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่บริเวณที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) เช่น เวลาต้มน้ำ ความร้อนจากเตาทำให้น้ำที่ก้นภาชนะร้อนจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำด้านบนจึงลอยตัวสูงขึ้นส่วนน้ำด้านบนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าและความหนาแน่นมากก็จะจมลงมาแทนที่ การหมุนวนของน้ำทำให้เกิดการพาความร้อน
- การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการส่งพลังงานความร้อนที่อยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีอินฟราเรด) ดังนั้น จึงไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก ความร้อนเคลื่อนผ่านอวกาศ ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก ผ่านบ้าน และก็มาถึงคนก็จะรู้สึกร้อน โดยทั่วไปวัตถุที่แผ่รังสีได้ดีก็จะรับ (ดูดกลืน) รังสีได้ดีด้วย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกว่าวัตถุดำ (Black Body) วัตถุดำไม่มีในธรรมชาติ มีแต่ในอุดมคติ ดังนั้นวัตถุที่มีลักษณะใกล้เคียงวัตถุดำคือ วัตถุที่มีสีดำ ในทางกลับกันวัตถุขาวจะไม่ดูดกลืนรังสีและ ไม่แผ่รังสีที่ตกกระทบ มีแต่ในอุดมคติเท่านั้น
อย่างไรก็ตามในบางครั้งเราจะพบว่า การถ่ายเทความร้อนนั้นมีได้ทั้ง 3 แบบผสมกันไป ยกตัวอย่างเช่น แท่งเหล็กที่เราเอามือจับ และนำเอาอีกด้านหนึ่งไปเผาไฟ
- การนำ คือ ความร้อนวิ่งผ่านแท่งเหล็กมาสู่มือเรา
- การพา คือ เมื่อลมพัดผ่าน ความร้อนของแท่งเหล็กก็จะวิ่งมาหาเรา
- การแผ่รังสี คือ ความร้อนของแท่งเหล็กแผ่ออกมาทำให้รู้สึกร้อน ถ้าลองเอากระจกไสไปกันระหว่างเรากับแท่งเหล็กร้อน เรายังรู้สึกถึงความร้อนนั้นอยู่ความร้อนที่มาจากเหล็กร้อนนั้นเคลื่อนที่ผ่านแก้วได้
การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความร้อน
วัตถุโดยทั่วไปเมื่อได้รับความร้อนจะขยายตัว การขยายตัวของวัตถุจะขึ้นอยู่กับรูปร่างคือ
- วัตถุที่มีความยาว ซึ่งมีลักษณะเป็นเส้นหรือแท่งยาว จะมีการขยายตัวตามเส้น (การขยายตัวตามยาว)
- วัตถุที่เป็นแผ่น จะมีการขยายตัวตามพื้นที่
- วัตถุที่มีรูปร่างเป็นปริมาตร จะมีการขยายตัวตามปริมาตร
และในทางกลับกันถ้าวัตถุสูญเสียความร้อนก็จะหดตัว
ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง ความร้อน
1. ให้พลังงานความร้อน 30,000 กูล แก่น้ำแข็งมวล 50 กรัม อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ผลลัพธ์จะเป็นอย่างไร ถ้ากำหนดให้ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวของน้ำแข็งเท่ากับ 333 กูล ต่อกรัม และความจุความร้อนจำเพาะของน้ำเท่ากับ 4.2 จูลต่อกรัม.องศาเซลเซียส
ก. ได้น้ำร้อนอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส
ข. ได้น้ำร้อนอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส
ค. ได้น้ำเย็นอุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส
ง. ได้น้ำเย็นผสมน้ำแข็งอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส
2. ถ้าใช้หม้อต้มน้ำไฟฟ้าขนาด 220 โวลต์ 1000 วัตต์ ต้มน้ำ 1 ลิตร อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียล น้ำจะเริ่มเดือดภายในเวลากี่นาที ถ้าหารต้มน้ำนี้มีประสิทธิภาพร้อยละ 80 (ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4.2 KJ/Kg.K)
ก. 9 นาที
ข. 7 นาที
ค. 15 นาที
ง. 12 นาที
3. นำลวดทำความร้อนมีกำลัง 1000 วัตต์ จุ่มลงน้ำมวล 500 กรัม อุณหภูมิ 30 องศาสเซลเซียส ถ้ามีการสูญเสียความร้อนไป 30% อีกนานเท่าใดน้ำจึงจะเริ่มเดือด (กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4.2 KJ/Kg.K)
ก. 8 นาที
ข. 3 นาที
ค. 3.5 นาที
ง. 1 นาที
4. น้ำตกแห่งหนึ่งสูง 50 เมตร ถ้าพลังงานศักย์ของน้ำตกเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อนทั้งหมด อุณหภูมิของน้ำที่ปลายน้ำตกจะมีค่าสูงขึ้นเท่าใด (กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4.2 KJ/Kg.K)
ก. 8.4 องศาเซลเซียส
ข. 0.12 องศาเซลเซียส
ค. 4.2 องศาเซลเซียส
ง. 0.21 องศาเซลเซียส
5.กระป๋องโลหะมีมวล 200 กรัม ประกอบด้วยเหล็กและอลูมิเนียมในสัดส่วน 60 : 40 โดยน้ำหนัก จงหาความจุความร้อนของกระป๋องใบนี้ (กำหนดให้ค่าความจุความร้อนจำเพาะของเหล็กและอลูมิเนียมเท่ากับ 450 และ 900 J/kg K)
ก.126 J/k
ข. 1.26 J/kg.K
ค. 63 J/k
ง. 0.63 J/kg.K
