ความร้อนกับการขยายตัวของวัตถุ

การขยายตัวของวัตถุ
         เมื่อวัตถุได้รับพลังงานความร้อน  ทำให้อุณหภูมิในวัตถุเพิ่มขึ้น  วัตถุจะขยายตัว และเมื่อวัตถุคายพลังงานความร้อนทำให้อุณหภูมิของวัตถุลดลง วัตถุจะหดตัว

การนำความรู้เกี่ยวกับการขยายตัวของวัตถุไปใช้ประโยชน์
1. การออกแบบบ้านให้ระบายความร้อนได้ดี         จากการขยายตัวของแก๊สได้นำมาใช้ในการออกแบบบ้านทรงไทยให้มีใต้ถุนสูง หน้าจั่วหลังคาสูงมากและมีช่องอากาศเพื่อให้อากาศร้อนที่ลอยตัวสูงขึ้นระบายออกมาจากบ้านได้ดี  ทำให้มีอากาศเย็นจากภายนอกเคลื่อนเข้ามาแทนที่                                                                              
2. การสร้างบอลลูน            การเป่าลมร้อนเข้าไปในบอลลูน  ทำให้อากาศที่อยู่ภายในบอลลูนร้อนและลอยสูงขึ้น  เมื่อมีปริมาณมากจะทำให้บอลลูนสามารถลอยตัวได้                                                                                     
3. การสร้างตัวควบคุมอุณหภูมิ            จากความรู้เกี่ยวกับขยายตัวของของแข็งได้นำมาใช้ในการสร้างตัวควบคุมอุณหภูมิ  เพื่อใช้ในการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น เครื่องปรับอากาศ เตารีดไฟฟ้า หม้อหุงข้าวไฟฟ้า เป็นต้น
4.  การสร้างสะพานหรือรางรถไฟ            การสร้างสะพานหรือรางรถไฟมักจะเว้นระยะห่างระหว่างรอยต่อของสะพานหรือรางรถไฟเล็กน้อย  เพื่อป้องกันการขยายตัวของเหล็กเมื่ออากาศร้อนจัด  หรือเมื่อเกิดการเสียดสีกับล้อรถจนทำให้เกิดความร้อน

พลังงานความร้อน

            - การวัดอุณหภูมิเป็นการวัดระดับความร้อนของสาร สามารถวัดด้วยเทอร์มอมิเตอร์

            - การถ่ายโอนพลังงานความร้อนของสาร ได้แก่ การนำความร้อนเป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนโดยการสั่นของโมเลกุลของสาร การพาความร้อน เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนโดยโมเลกุลของสารเคลื่อนที่ไปด้วย การแผ่รังสีความร้อน เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

            - วัตถุที่แตกต่างกันมีสมบัติในการดูดกลืนและคายความร้อนได้ต่างกัน

            - เมื่อวัตถุสองสิ่งอยู่ในสมดุลความร้อน วัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน

            - การคำนวณค่าปริมาณความร้อน

            - หน่วยที่ใช้วัดพลังงานความร้อน

สมดุลความร้อน

                   อุณหภูมิผสม คือ อุณหภูมิของวัตถุที่เกิดสมดุลความร้อน

                   สมดุลความร้อน เกิดจากการนำวัตถุ 2 ชนิดที่มีอุณหภูมิต่างกันมาผสมเข้าด้วยกันหรือมาแตะกัน จะมีการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้น จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจนกระทั่งมีอุณหภูมิเท่ากัน

                         สูตรการคำนวณ

                            ปริมาณความร้อนลด              =               ปริมาณความร้อนเพิ่ม

                                                Q ลด                     =               Q เพิ่ม      











การคำนวณค่าปริมาณความร้อน

                    ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว หมายถึง ปริมาณพลังงานความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนแปลงสถานะของของแข็งเป็นของเหลว โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง

                    ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว หมายถึง ปริมาณพลังงานความร้อนที่ทำให้สาร

ที่เป็นของแข็งมีมวล 1 กรัม เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว 1 กรัม โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง มีหน่วยเป็นแคลอรีต่อกรัม เช่น ความร้อนแฝงจำเพาะของน้ำแข็ง มีค่าประมาณ 80 แคลอรีต่อกรัม

                    ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ หมายถึง ปริมาณพลังงานความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของของเหลวกลายเป็นไอ โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง

                    ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ หมายถึง ปริมาณพลังงานความร้อนที่ทำให้สาร

ที่เป็นของเหลวมวล 1 กรัม เปลี่ยนสถานะเป็นแก๊สโดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง เช่น ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอของน้ำเดือด มีค่าประมาณ 540 แคลอรีต่อกรัม

                    ความจุความร้อนจำเพาะ หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ทำให้สารมวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 ^°C

                   ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำมีค่าเท่ากับ 1 แคลอรี / กรัม- องศาเซลเซียส (cal/g - ^°C)

              

                   สูตรคำนวณค่าปริมาณความร้อน

                       Q   =   mL

                               Q   =   ปริมาณความร้อน หน่วย  แคลอรี 

                               m   =   มวลของสาร หน่วย กรัม

                                L   =   ความร้อนแฝงจำเพาะ หน่วย แคลอรี / กรัม

                   

                                Q   =   msΔt

                                Q   =   ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการลดหรือเพิ่มอุณหภูมิของสารนั้น ๆ หน่วย  แคลอรี 

                                m   =   มวลของสาร หน่วย กรัม

                                    s =   ความจุความร้อนจำเพาะของสาร หน่วย แคลอรี / กรัม-องศาเซลเซียส

                              Δt   =   อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปอาจเพิ่มขึ้นหรือลดลง

ขั้นตอนการเปลี่ยนสถานะของน้ำแข็งจนกระทั่งกลายเป็นไอน้ำ

ตัวอย่าง

               Ex ถ้านักเรียนต้องการทำให้น้ำแข็งมวล 10 กรัม  เกิดการหลอมเหลวกลายเป็นของเหลวได้หมดพอดี จะต้องใช้ปริมาณความร้อนเท่าใด

วิธีทำ                      m  =  10 กรัม      L  =  80 แคลอรี/กรัม        Q  =  ?

 สูตร  Q  =  mL

 =  10 × 80  =  800 แคลอรี

ดังนั้น น้ำแข็งต้องใช้ปริมาณความร้อนในการหลอมเหลวเท่ากับ 800 แคลอรี

ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวของสารชนิดอื่น ๆ ที่ไม่ใช่น้ำ  จำเป็นหรือไม่ว่าจะต้องมีค่าเท่ากับ 80 แคลอรีต่อกรัม (ไม่จำเป็น)

               Ex ถ้านักเรียนต้องการทำให้น้ำมวล 10 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 ^°C จะต้องใช้ปริมาณความร้อนเท่าใด

  สูตร  Q               =             ms Δt

                                =             10 × 1 × 1     

                                =             10 แคลอรี

ดังนั้น จะต้องใช้ปริมาณความร้อนเท่ากับ 10 แคลอรี

             ความจุความร้อนจำเพาะของสารชนิดอื่นที่ไม่ใช่น้ำ จำเป็นหรือไม่ว่าจะต้องมีค่าเท่ากับ 1 cal/g- ^°C  (ไม่จำเป็น)

 

การดูดกลืนความร้อนและการคายความร้อนของวัตถุที่มีสีต่างกัน

               วัตถุที่ผิวเรียบหรือเป็นมันเงา และมีสีสว่างจะสะท้อนรังสีความร้อนได้ดี เช่น กระจก

ส่วนวัตถุที่มีผิวขรุขระ และสีมืด ๆ  คล้ำ จะดูดกลืนรังสีความร้อนได้ดี  

               ในฤดูร้อน นักเรียนควรเลือกสวมใส่เสื้อสีอ่อนหรือสีเข้มเพราะเหตุใด

                   (สีอ่อน เพราะสีอ่อนดูดกลืนรังสีความร้อนได้น้อยกว่าสีเข้ม)

               วัตถุที่มีผิวเรียบหรือเป็นมันเงา จะดูดกลืนพลังงานได้ดีเหมือนกับวัตถุที่มีผิวขรุขระและสีมืด ๆ เข้ม ๆ หรือไม่ 

                   (ไม่ โดยวัตถุที่มีผิวเรียบหรือเป็นมันเงาจะดูดกลืนพลังงานได้น้อยกว่าวัตถุที่มีผิวขรุขระและสีมืด)

ประโยชน์ของการดูดกลืนแสงและการคายความร้อนของวัตถุ

1.      ทำตู้อบพลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้หลักการดูดกลืนความร้อนและการเก็บกักความร้อน ทำให้ภายในตู้อบมีพลังงานความร้อนสูงกว่าปกติ

2. กล่องอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้หลักการรับพลังงานจากแสงอาทิตย์โดยตรง ด้วยการนำผลิตภัณฑ์ที่ต้องการทำให้แห้งมาตากแดด เพื่อรับแสงอาทิตย์โดยตรง และจัดทำอุปกรณ์ขึ้นป้องกันฝุ่น ผง และน้ำค้างได้

3. เครื่องกลั่นน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ โดยใช้หลักการดูดพลังงานแสงอาทิตย์ ด้านในตู้ทำด้วยวัสดุดูดแสงสีดำ ซึ่งจะดูดพลังงานจากแสงอาทิตย์ไว้จนเกิดความร้อนและทำให้น้ำที่บรรจุอยู่ภายในระเหยสู่ด้านบน จากนั้นไอน้ำจะคายความร้อนออกมาเมื่อกระทบกับกระจกด้านบนและควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำบริสุทธิ์ในที่สุด

การถ่ายโอนพลังงานความร้อนและการใช้ประโยชน์

                   การนำความร้อน คือ การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากที่มีอุณหภูมิสูงไปยังที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าโดยอาศัยวัตถุตัวกลางซึ่งได้เคลื่อนที่ไปด้วย วัตถุตัวกลางที่ยอมให้พลังงานความร้อนผ่านได้ดี เรียกว่าตัวนำความร้อน ได้แก่ โลหะต่าง ๆ เช่น เงิน(นำความร้อนได้ดีที่สุด) เหล็ก ทองแดง ดีบุก อะลูมิเนียม เป็นต้น ส่วนวัตถุตัวกลางที่ไม่ยอมให้พลังงานความร้อนผ่านได้ดี  เรียกว่า  ฉนวนความร้อน ได้แก่  อโลหะต่าง ๆ  เช่น  ไม้ พลาสติก ไฟเบอร์ เป็นต้น

                    การพาความร้อน คือ การถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปยังที่ที่มีอุณหภูมิต่ำ โดยต้องอาศัยตัวกลางที่ได้รับความร้อนแล้วเคลื่อนที่มาเอาความร้อนนั้นไปด้วย เรียกว่า ตัวพาความร้อน ตัวอย่างเช่น เมื่อเราต้มน้ำในส่วนล่างจะได้รับความร้อนเกิดการขยายตัวแล้วเคลื่อนที่ขึ้นไปข้างบน น้ำส่วนที่เย็นกว่าหนักกว่าก็จะจมลงมาแทนที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของน้ำไปทั่วภาชนะที่ใช้ต้มน้ำและมีการพาความร้อนเคลื่อนที่ไปด้วย

                    การแผ่รังสี  คือ การถ่ายโอนพลังงานความร้อนออกไปโดยรอบ โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางใด ๆ ทั้งสิ้น เช่น ความร้อนจากดวงอาทิตย์แผ่รังสีมายังโลก รังสีอินฟาเรด แผ่ความร้อนออกมาในลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น

ภาพที่ 2 การถ่ายเทความร้อน

การเกิดพลังงานความร้อน (หน่วยที่ใช้วัดพลังงานความร้อน)

                   พลังงานเคมีที่สะสมในอาหาร  สามารถเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อนได้ ดังนั้น การใช้เปลวไฟที่ได้จากการเผาเมล็ดถั่วลิสงในการต้มน้ำจึงทำให้อุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น

                   พลังงานความร้อนในอาหารนิยมวัดเป็นหน่วยแคลอรี โดยกำหนดให้ 1 แคลอรี หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 กรัม (g) มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 ^°C

                   

1 แคลอรี (cal) มีค่าประมาณ 4.2 จูล (J)