อุณหพลศาสตร์ (Themodynamics)

1. อุณหพลศาสตร์ (Themodynamics)

2. อุณหภูมิและความร้อน • อุณหภูมิเป็นสมบัติที่ใช้ในการบอก “ความร้อน”หรือ “ความเย็น”ของวัตถุ • ในการวัดอุณหภูมิของวัตถุ ต้องสร้างเครื่องวัดอุณหภูมิ ที่เรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์(thermometer) มาสัมผัสกับวัตถุนั้น • ทั้งเทอร์โมมิเตอร์และวัตถุอยู่ในสภาวะที่สมดุลกัน(equilibrium condition) • สมดุลความร้อน (thermal equilibrium)

3. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • สมดุลความร้อน(thermal equilibrium) • กฎข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์(The Zeroth Law of Thermodynamics) • “ ถ้าวัตถุ A และวัตถุ B ต่างก็อยู่ในสมดุลความร้อนกับวัตถุ C แล้ววัตถุ A และวัตถุ B จะอยู่ในสมดุลความร้อนซึ่งกันและกันด้วย ”

4. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • เทอร์โมมิเตอร์(thermometer) • Liquid – in – Glass tube thermometer

5. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • เทอร์โมมิเตอร์(thermometer) • ขีดสเกลบนท่อ แบ่งเป็น 100 ช่วงเท่า ๆ กัน • จุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์อยู่ที่ศูนย์ และ ระดับที่อุณหภูมิ ณ จุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์อยู่ที่ 100 • แต่ละช่วงเรียกว่า องศา(degree) • สเกลนี้เรียกว่า สเกลเซลเซียส (Celsius temperature scale) • หน่วยที่ใช้บอกอุณหภูมิคือ องศาเซลเซียส

6. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • เทอร์โมมิเตอร์(thermometer) • สเกลฟาเรนไฮต์(Fahrenheit Temperature Scale) • จุดเยือกแข็งของน้ำอยู่ที่ 32 องศาฟาเรนไฮต์ • จุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 212 องศาฟาเรนไฮต์ • จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำจะอยู่ห่างกัน 180 องศาฟาเรนไฮต์ • จะได้ความสัมพันธ์ระหว่างสเกลฟาเรนไฮต์กับสเกลเซลเซียส คือ

7. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • อุณหภูมิในสเกลเคลวินหรือสเกลสัมบูรณ์(Kelvin or Absolute Temperature Scale ) • ถ้าเปลี่ยนชนิดของของเหลวจะต้องเปลี่ยนสเกล บนท่อด้วยทำให้มีความต้องการสเกลของอุณหภูมิที่ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของสสาร • จึงใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบใช้ก๊าซ(gas thermometer)

8. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • อุณหภูมิในสเกลเคลวินหรือสเกลสัมบูรณ์(Kelvin or Absolute Temperature Scale ) • วัดความดันที่ 0 องศาเซลเซียส และ ที่ 100 องศาเซลเซียส • ความดันเป็น 0 ที่ - 273.15 องศาเซลเซียส

9. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • อุณหภูมิในสเกลเคลวินหรือสเกลสัมบูรณ์(Kelvin or Absolute Temperature Scale ) • ใช้ก๊าซต่างชนิดกัน ก็จะพบว่าความดันเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิ - 273.15 องศาเซลเซียส

10. อุณหภูมิและความร้อน(Temperature and Heat) • อุณหภูมิในสเกลเคลวินหรือสเกลสัมบูรณ์(Kelvin or Absolute Temperature Scale ) • อุณหภูมิเป็น 0 K ที่ความดันเป็น 0 • เรียกสเกลนี้ว่า สเกลเคลวิน หรือ สเกลสัมบูรณ์ (Absolute scale) • 0 K = -273.15 องศาเซลเซียส นั่นคือ

11. Example 1 Converting Temperatures • On a day when the temperature reaches 50 °F, what is the temperature in degrees Celsius and in kelvins? • Solution

12. Example 2 Converting Temperatures • A pan of water is heated from 25 °C to 80 °C. What is the change in its temperature on the Kelvin scale and on the Fahrenheit scale? • Solution

13. แบบฝึกหัด • จงแปลงอุณหภูมิต่อไปนี้ให้อยู่ในสเกลเซลเซียส • 32 ฟาเรนไฮต์ • 98.6 ฟาเรนไฮต์ • -40 ฟาเรนไฮต์

14. การขยายตัวตามอุณหภูมิหรือความร้อน(Thermal Expansion) • การขยายตัวเชิงเส้น(Linear Expansion) • การขยายตัวเชิงพื้นที่ (Area Expansion) • การขยายตัวเชิงปริมาตร(Volume Expansion)

15. การขยายตัวเชิงเส้น(Linear Expansion) • ความยาวที่เปลี่ยนไปของวัตถุ( )จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป( )และความยาวตั้งต้น( ) เมื่อ • หรือ • โดยที่ คือสัมประสิทธ์การขยายตัวเชิงเส้น • มีหน่วยเป็น

16. ตารางแสดงตัวอย่างสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นตารางแสดงตัวอย่างสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น

17. การขยายตัวเชิงพื้นที่ (Area Expansion) • พื้นที่ที่เปลี่ยนไปของวัตถุจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปและพื้นที่ตั้งต้น • วงแหวนเหล็กถูกเผาไฟ • รัศมีของรูจะเพิ่มขึ้นในทุกทิศทุกทาง

18. การขยายตัวเชิงปริมาตร(Volume Expansion) • ปริมาตรที่เปลี่ยนไปของวัตถุ( ) จะแปรผันตรงกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป( )และปริมาตรตั้งต้น( ) • คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตร • โดยที่

19. การขยายตัวเชิงปริมาตร(Volume Expansion) • การหาค่า • เมื่อ จะได้

20. ประโยชน์ : การขยายตัวตามอุณหภูมิหรือความร้อน

21. ประโยชน์ : การขยายตัวตามอุณหภูมิหรือความร้อน • Bimetallic Strip

22. ตัวอย่าง • รางรถไฟทำด้วยเหล็กแต่ละท่อนยาว 30.0 เมตร ในขณะที่อุณหภูมิ 0 0C เมื่อและ Y=20x1010N/m2 • วันหนึ่งมีอากาศร้อนจัดวัดอุณหภูมิได้ 40 0C รางรถไฟแต่ละท่อนจะยาวขึ้นจากเดิมกี่เมตร • ถ้าการวางราง วางให้ชิดกันในวันที่มีอากาศ 0 0C และตรึงรางให้แน่นป้องกันไม่ให้เกิดการขยายตัวในวันที่มีอุณหภูมิ 40 0C จะเกิดความเค้นเนื่องจากความร้อนขึ้นในรางเท่าไร

23. ตัวอย่าง • เติมน้ำมันเต็มถังขนาด 40.0 L ซึ่งถังทำจากเหล็ก ในขณะที่อุณหภูมิ 200 C น้ำมันจะล้นออกมากจากถังเท่าใดถ้าตั้งถังน้ำมันนี้ไว้กลางแดดที่อุณหภูมิ 350C โดยไม่ปิดฝา กำหนดให้ และ • ตอบ น้ำมันล้นออกมา 560 cm3

24. ปริมาณของความร้อน (Quantity of Heat) • Heatis defined as the transfer of energy across the boundary of a system due to a temperature difference between the system and its surroundings. • ความร้อน เป็นพลังงานรูปหนึ่งซึ่งถูกส่งผ่านจากระบบหนึ่ง(ที่อุณหภูมิสูงกว่า) ไปยังอีกระบบหนึ่ง (ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า) อันเป็นผลเนื่องจากระบบทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกัน

25. หน่วยของความร้อน • ในระบบ SI หน่วยของความร้อนคือ จูล(Joules : J)

26. หน่วยของความร้อน(ต่อ) • แคลอรี (calorie : cal) • ปริมาณความร้อน 1 cal คือปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 14.5 องศาเซลเซียส เป็น 15.5 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 atm • 1 cal = 4.186 J

27. หน่วยของความร้อน(ต่อ) • หน่วยในระบบบริทิช (British Unit) • British thermal unit(Btu) • ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการทำให้น้ำหนัก 1 ปอนด์มีอุณหภูมิเพิ่มจาก 63 องศาฟาเรนไฮต์ เป็น 64 องศาฟาเรนไฮต์ • 1 Btu = 778 ft.lb = 252 cal

28. ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity) • แทนปริมาณความร้อน ที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ • ความจุความร้อน (heat capacity, C,) • ความจุความร้อนจำเพาะ (specific heat capacity) หรือ ความร้อนจำเพาะ (specific heat)

29. ความจุความร้อนโมลาร์(Molar Heat Capacity) • บางครั้งสะดวกกว่าในการบอกปริมาณของสารโดยใช้ จำนวนโมล (mole) n แทนที่จะใช้ มวล(mass) m • จากวิชาเคมี หนึ่งโมล มี 6.02x1023โมเลกุล • มวลโมลาร์(molar mass) หรือ มวลโมเลกุล(molecular weight) M ของสารใด ๆ คือมวลของสารหนึ่งโมล • . • เช่น มวลโมลาร์ ของน้ำ 18.0 g/mol หมายถึงน้ำ 1 โมลจะมีมวลเท่ากับ 18.0 g

30. ความจุความร้อนโมลาร์(Molar Heat Capacity) • จาก • แทนค่าด้วย • จะได้ • เมื่อ C = Mc

31. ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity) • ถ้าระบบมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น : • QและDTเป็นบวก • พลังงานจะถ่ายโอนเข้าสู่ระบบ • ถ้าระบบมีอุณหภูมิลดลง: • QและDTมีค่าเป็นลบ • พลังงานจะถ่ายโอนออกจากระบบ

32. ตัวอย่างความจุความร้อนจำเพาะตัวอย่างความจุความร้อนจำเพาะ

33. Conservation of Energy: Calorimetry • กฎการอนุรักษ์พลังงาน • หาอุณหภูมิผสม • จากสมการ

34. ตัวอย่าง

35. การเปลี่ยนสถานะและความร้อนแฝง(Phase Changes and Latent Heat) • สถานะ(phase) • ของแข็ง , ของเหลว , ก๊าซ • การเปลี่ยนสถานะจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งเรียกว่า phase change หรือ phase transition • การเปลี่ยนสถานะเกิดขึ้น ณ อุณหภูมิหนึ่ง (นั่นคือ อุณหภูมิไม่เปลี่ยน) • เช่นการละลายของน้ำแข็ง • ต้องใส่ความร้อนเข้าไปเพื่อเปลี่ยนสถานะของน้ำจากของแข็งไปเป็นของเหลว ความร้อนที่ใช้นี้เรียกว่า ความร้อนแฝง(latent heat)

36. การเปลี่ยนสถานะและความร้อนแฝง(Phase Changes and Latent Heat) • ความร้อนแฝง (latent heat) • ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว(latent heat of fusion) • ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ(latent heat of vaporization)

37. Sample Latent Heat Values

38. ตัวอย่าง

39. การส่งผ่านความร้อน(Heat Transfer) • การนำความร้อน(conduction) • การพาความร้อน(convection) • การแผ่รังสี(radiation)

40. การนำความร้อน(Conduction) • การนำความร้อนเป็นผลเนื่องจากการชนระหว่างโมเลกุลหรืออะตอมในเนื้อสาร (molecular collision) • เกิดขึ้นระหว่างบริเวณที่มีอุณหภูมิต่างกันเท่านั้น • ทิศทางของการไหลของความร้อนจะต้องไปจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเสมอ

41. การนำความร้อน(Conduction) • การนำความร้อนในแท่งตัวนำ • พิจารณาแท่งตัวนำความร้อนที่มีพื้นที่หน้าตัด A และยาว L • ปริมาณความร้อน dQ ถูกส่งผ่านไปแท่งวัตถุนี้ภายในเวลา dt • อัตราการไหลของความร้อนคือ dQ/dt • อัตราการไหลของความร้อนนี้เรียกว่า กระแสความร้อน (heat current)

42. การนำความร้อน(Conduction) • การนำความร้อนในแท่งตัวนำ • กระแสความร้อน • เมื่อ k คือ สภาพนำความร้อน (thermal conductivity) • กระแสความร้อนมีหน่วยเป็น W/m.K

43. ตัวอย่างการนำความร้อนตัวอย่างการนำความร้อน • เตาอบอาหารมีพื้นที่ผิวทั้งหมด 0.20 m2 และผนังหนา 1.5 cm ซึ่งมีสภาพนำความร้อน 4x10-2 W/m 0C จงหาว่าใน 30 นาที มีการสูญเสียความร้อนเท่าไร เมื่ออุณหภูมิในเตาเป็น 2450C และภายนอกเป็น300C

44. การพาความร้อน(Convection) • การพาความร้อนเกิดขึ้นในสสารหรือตัวกลางที่เป็นของไหล โดยการเคลื่อนที่ของมวลของของไหลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง • เครื่องทำความร้อน(Radiator) ทำให้ห้องอบอุ่นด้วยการพาความร้อน • อากาศเหนือเครื่องทำความร้อนได้รับความร้อน • มีการขยายตัว ความหนาแน่นลดลง • อากาสลอยตัวสูงขึ้น (ตามหลักของการลอยตัว)

45. การแผ่รังสี(Radiation) • การแผ่รังสีเป็นการส่งผ่านความร้อนโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า • วัตถุทุกชนิด(อุณหภูมิสูงกว่า 0K) • จะแผ่รังสีออกมาในทุกช่วงความยาวคลื่น • แต่จะมีความยาวคลื่นค่าหนึ่งที่พลังงานถูกแผ่ออกมามากที่สุด เรียกว่า ซึ่งความยาวคลื่นนี้จะขึ้นกับอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิของวัตถุเพิ่มขึ้น ความยาวคลื่น จะลดลง

46. การแผ่รังสี(Radiation) • กระแสของความร้อน IHเนื่องจาการแผ่รังสี หรืออัตราการแผ่รังสีจากผิวของวัตถุที่มีพื้นที่ผิว A ซึ่งมีอุณหภูมิสัมบูรณ์ T จะอยู่ในรูป • คือค่าคงตัว เรียกว่า Stefan-Boltzmann constant • . • สภาพแผ่รังสี (emissivity) • ความสามารถในการแผ่รังสีของวัตถุ (ขึ้นอยู่กับชนิดและอุณหภูมิ) • มีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1

47. ตัวอย่าง การแผ่รังสี • หลอดไฟฟ้าดวงหนึ่งปกติจะทำงานโดยมีอุณหภูมิไส้ ถ้าให้หลอดไฟดวงนี้ทำงานที่ความต่างศักย์สูงกว่าจนทำให้อุณหภูมิของไส้หลอดเพิ่มขึ้นเป็น จงหาเปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของพลังงานการแผ่รังสี

48. สมบัติทางความร้อนของสสาร(Thermal Properties of Matter) • ศัพท์ทางเทอร์โมไดนามิกส์ • สภาวะ (state) • ระบบ (system) • สิ่งแวดล้อม (surrounding) • ขอบเขต (boundary)

49. สมบัติทางความร้อนของสสาร(Thermal Properties of Matter) • เทอร์โมไดนามิกส์เป็นการศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาวะ (state) ของระบบ (system) • พฤติกรรมหรือการเปลี่ยนแปลงสภาวะของระบบ บรรยายโดยใช้ปริมาณ • ปริมาณเชิงมหทรรศน์(macroscopic quantities) • ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิและมวลของระบบ • ปริมาณเชิงจุลทรรศน์(microscopic quantities) • มวล อัตราเร็ว พลังงานจลน์ และ โมเมนตัม ของแต่ละโมเลกุล

50. ก๊าซอุดมคติ (Ideal Gas) • สำหรับก๊าซ แรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมจะน้อยมาก ๆ • สามารถจินตนาการได้ว่าไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม • แต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่อย่างอิสระ • การชนของโมเลกุลเป็นการชนแบบยืดหยุ่น • สำหรับก๊าซจะมีปริมาตรเท่ากับปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ