พลังงานความรัอน

พลังงาน ความร้อน (Thermal Energy) วิทยาศาสตร์ ม.1 เพจ...สรุปวิทย์ ม.ตน้ ครจู าว

พลังงานความร้อน Thermal Energy Tสูง Heat Tต่ำ ความรอ้ น (Heat) คอื พลังงานรูปหน่งึ หนว่ ย พลงั งานความรอ้ น สามารถเปลีย่ นรูปและ ถ่ายโอนพลงั งานจาก • จูล (J) • แคลอรี (calorie) Tสูง ไปยงั Tตา่ ได้ 1 cal = 4.2 J อุณหภมู ิ (Temperature; T) หนว่ ยทใี ชว้ ดั ปริมำณควำมร้อน เทยี บกับจดุ เดือด-จุดเยอื กแข็งของนำ่ หน่วย ระบบสากล (SI)  เคลวนิ (K)

ทมี ำ: trueplookpanya เคร่ืองมอื วัดอณุ หภูมิ  เทอรโ์ มมเิ ตอร์ การเปล่ียนหนว่ ยอณุ หภมู ิ K  °C °C คือหนว่ ย องศาเซลเซยี ส *ใชบ้ อ่ ยที่สุด หมายเหต:ุ K = C+273 หรอื C = K-273 F = องศำฟำเรนไฮต์ การเปลยี่ นหนว่ ยอณุ หภมู อิ ่นื ๆ R = องศำโรเมอร์ C = F-32 = R = K-273 5 94 5 พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ทบทวน! สถานะของสาร รปู รา่ ง ปรมิ าตร การจดั เรยี งอนภุ าค สถานะ คงที คงที เป็นระเบียบ อย่ชู ดิ กันมำก ของแขง็ (solid; s) อยหู่ ลวมๆ ของเหลว ไมค่ งที คงที (liquid; l) (ขนึ กบั ภำชนะ) อยูห่ ่ำงกัน แกส๊ ไม่คงที ไม่คงที ฟุง้ กระจำย (gas; g) (เทำ่ กบั ภำชนะ) (เทำ่ กับภำชนะ) พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

พลังงานกบั การสถานะของสาร การระเหิด ดดู พลงั งาน การหลอมเหลว การกลายเปน็ ไอ คายพลังงาน การเยือกแข็ง การควบแน่น การระเหิดกลับ จ่า สรา้ ง-คาย อนุภาคอยู่ใกล้กันมากขึ้น (สรา้ ง)  คายพลงั งาน สลาย-ดดู อนภุ าคอยหู่ า่ งกนั มากข้นึ (สลาย)  ดดู พลงั งาน พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ระบบและส่งิ แวดล้อม สงิ แวดลอ้ ม ระบบ หมายถึง สิง่ ท่อี ยู่ภายในขอบเขต ระบบ ทตี่ ้องการศกึ ษา ระบบเปดิ มวลสำรและพลงั งำน (Open System) เปลียนแปลง ระบบปิด มวลสำรไม่เปลยี นแปลง (Close System) พลงั งำนเปลยี นแปลง สง่ิ แวดลอ้ ม หมายถึง อยนู่ อกขอบเขตทตี่ อ้ งการศกึ ษา พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

มวล พลงั งำน พลังงำน มวลคงที ระบบเปิด ระบบปดิ พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy) ทีมำ: surfguppy.com

ประเภทการเปล่ยี นแปลงพลังงานของระบบ (คาย/ดดู ) สิงแวดลอ้ ม 1. การคายพลงั งาน หมายถงึ ระบบคายพลงั งานให้สง่ิ แวดล้อม ระบบ คำยออก จับแลว้ รู้สกึ ร้อน ดดู เขำ้ 2. การดดู พลงั งาน หมายถึง ระบบดูดพลังงานจากสง่ิ แวดล้อม จบั แลว้ รู้สกึ เยน็ พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ผลของความร้อนท่มี ตี ่อการเปลยี่ นแปลงของสาร อุณหภูมเิ ปลย่ี น Q = mc∆T สถานะเปลย่ี น Q = mL ขนาดเปลย่ี น ขยายตวั หดตวั พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ผลของความร้อนทมี่ ีต่อการเปลยี่ นแปลงของสาร อุณหภูมิเปลยี่ น อุณหภูมขิ องสารเปลีย่ น แต่สถานะยังคงท่ี สมการ Q = mc∆T โดย Q คอื พลงั งานความรอ้ น หน่วย จูล (J) หรือ แคลอรี (cal) m คือ มวลของสาร หน่วย กรัม (g) หรือ กิโลกรมั (kg) C คอื ความจุความร้อนจาเพาะ โดย Cน้าแข็ง = 0.5 cal/g °C Cนา้ = 1 cal/g °C Cไอนา้ = 0.48 cal/g °C T คอื∆ ผลต่างของอุณหภูมิ โดย Tมาก – Tน้อย เสมอ หน่วย องศาเซลเซียส (°C) พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ผลของความรอ้ นทม่ี ตี อ่ การเปลย่ี นแปลงของสาร สถานะเปลย่ี น สถานะของสารเปลยี่ น แต่อุณหภมู ิคงที่ สมการ Q = mL โดย Q คอื พลังงานความร้อน หน่วย จลู (J) หรือ แคลอรี (cal) m คือ มวลของสาร หนว่ ย กรมั (g) หรอื กิโลกรัม (kg) L คอื ความรอ้ นแฝง โดย Lหลอมของน้า = 80 cal/g Lไอของนา้ = 540 cal/g พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ผลของความร้อนทม่ี ตี อ่ การเปล่ยี นแปลงของสาร ***ข้อควรระวงั การเลือกใชห้ น่วย ใหด้ ทู ีค่ า่ c หรือ L เช่น Cน้า = 4.2 kJ/kg °C ดงั นัน้ Q หน่วย J m หนว่ ย kg ∆T หนว่ ย °C พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ผลของความร้อนทมี่ ตี อ่ การเปลยี่ นแปลงของสาร ขนาดเปลยี่ น ขยายตวั จ่ำนวนอนภุ ำคยงั คงเทำ่ เดมิ สสารเมอ่ื ได้รับความร้อนจะขยายตัว เนื่องจากอนุภาคของสารอยหู่ ่างกนั มากขน้ึ หดตวั สสารเมื่อสญู เสยี ความร้อนจะหดตัว เน่อื งจากอนภุ าคของสารอยู่ชิดกันมากขึ้น กำรขยำยตัวและหดตัวของปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ผลของความร้อนทมี่ ตี ่อการเปลี่ยนแปลงของสาร ขนาดเปลย่ี น รำงรถไฟขยำยตวั เนืองจำกควำมรอ้ น กำรขยำยตวั ของแกส๊ ในบอลลนู พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

แผนภาพแสดงการเปล่ยี นแปลงอณุ หภมู แิ ละสถานะของสาร (เช่น น้า) Q2 = mL Q4 = mL <0 °C 0 °C 0 °C 100 °C Q3 = mc∆T 100 °C >100 °C Q1 = mc∆T Q5 = mc∆T (พลงั งานรวม) Qรวม = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ตัวอยา่ งการค้านวณเรอ่ื งพลังงานความร้อน 1. ตอ้ งกำรใหน้ ่ำแข็ง มวล 20 g ทีอณุ หภมู ิ 0 °C กลำยเป็นไอนำ่ ที 150 °C ตอ้ งใช้พลังงำนกกี โิ ลจูล Cนำ่ = 1 cal/g °C Cไอนำ่ = 0.48 cal/g °C ก่ำหนดให้ Cนำ่ แขง็ = 0.5 cal/g °C Lไอของน่ำ = 540 cal/g Lหลอมของนำ่ = 80 cal/g วธิ ีท่ำ วำดแผนภำพ H2O (s) H2O (l) H2O (l) H2O (g) H2O (g) 0 °C Q1 0 °C Q2 100 °C Q3 100 °C Q4 150 °C พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

H2O (s) H2O (l) H2O (l) H2O (g) H2O (g) 0 °C Q1 0 °C Q2 100 °C Q3 100 °C Q4 150 °C พลังงานรวม = Qรวม = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 Qรวม = mLหลอม + mcน่ำ∆T + mL ไอ + mcไอนำ่ ∆T แทนค่า Qรวม = 20(80) + 20(1)(100-0) + 20(540) + 20(0.48)(150-100) Qรวม = 1,600 + 2,000 + 10,800 + 480 = 14,880 cal เปลยี่ นหนว่ ย cal ให้เป็น J = 14,880x4.2 = 62,496 J ทาใหเ้ ปน็ กิโลจลู = 62.5 kJ ตอบ พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ล อ ง ทา . . . ตม้ น้าแขง็ มวล 10 g ที่อณุ หภูมิ 0 °C ให้หลอมเหลวเป็นนา้ ที่อณุ หภมู ิ 40 °C ตอ้ งใชพ้ ลงั งานกจ่ี ลู (กำ่ หนดให้ Cนำ่ = 1 cal/g °C , Lหลอมของนำ่ = 80 cal/g) วิธีทำ่ พลังงานความรอ้ น

ตม้ น้าแขง็ มวล 10 g ท่ีอณุ หภมู ิ 0 °C ให้หลอมเหลวเปน็ น้าทอี่ ณุ หภมู ิ 40 °C ต้องใชพ้ ลงั งานกจี่ ลู (ก่ำหนดให้ Cน่ำ = 1 cal/g °C , Lหลอมของนำ่ = 80 cal/g) วธิ ที ำ่ วำดแผนภำพ ล อ ง ทา . . . H2O (s) Q1 H2O (l) H2O (l) 0 °C 0 °C พลงั งานความร้อน Q2 40 °C เฉลย Qรวม = Q1 + Q2 Qรวม = mLหลอม + mcน่ำ∆T = 10(80) + 10(1)(40-0) = 800 + 400 = 1,200 cal เปลยี่ นหนว่ ย cal ใหเ้ ปน็ J = 1,200x4.2 = 5,040 J ตอบ

สมดุล คือ การถ่ายโอนพลังงานจากทีห่ น่ึงไปยังอีกทหี่ นึง่ ความร้อน จาก อณุ หภูมิสงู  อณุ หภมู ติ า่ จนกระทงั่ มีอุณหภมู ิเท่ากนั แลว้ จะหยดุ การถ่ายโอนความร้อน เรยี กว่า ภาวะสมดลุ ความรอ้ น ปรมิ าณความร้อนท่สี ารหน่ึงสญู เสยี เท่ากับ Tสงู Heat Tตำ่ ปรมิ าณความรอ้ นท่ีอีกสารหน่ึงได้รับ สมการ ∆Qเพ่มิ = ∆Qลด Tเทำ่ กัน พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

สมดลุ ความร้อน เช่น การนาไข่ต้มไปแช่ในนา้ เย็น จะทาใหไ้ ขเ่ ย็นเร็วขนึ้ Tสงู Tสงู Tต่ำ Tสงู พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ตัวอย่างการคา้ นวณเรือ่ งสมดลุ ความร้อน นา้ เย็นอณุ หภูมิ 20 °C มวล 100 g ผสมกับนา้ รอ้ นอุณหภูมิ 80 °C มวล 200 g จงหาอุณหภมู ิผสมของน้า วิธที ำ่ วำดแผนภำพ H2O (l) Qเพมิ่ H2O (l) Qลด H2O (l) 20 °C X °C 80 °C 200 g 100 g Qเพ่ิม = Qลด mcน่ำ∆T = mcน่ำ∆T พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

H2O (l) Qเพ่ิม H2O (l) Qลด H2O (l) 20 °C X °C 80 °C 200 g 100 g Qเพม่ิ = Qลด mcนำ่ ∆T = mcนำ่ ∆T 100(1)(X-20) = 200(1)(80-X) 100X - 2,000 = 16,000 – 200X 100X + 200X = 16,000 + 2,000 300X = 18,000 X = 18,000 300 ตอบ 60 องศำเซลเซยี ส X = 60 °C พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ใชน้ า้ เย็น 200 g อุณหภูมิ 10 °C ผสมกับ นา้ รอ้ น 90 °C แลว้ ไดน้ า้ อณุ หภูมิผสมเท่ากบั 50 °C จงหามวลของนา้ รอ้ นทใี่ ชใ้ นการผสมครง้ั นี้ วิธที ่ำ ล อ ง ทา . . . สมดุลความรอ้ น

ใชน้ า้ เยน็ 200 g อณุ หภมู ิ 10 °C ผสมกบั นา้ รอ้ น 90 °C แลว้ ไดน้ า้ อณุ หภมู ผิ สมเทา่ กบั 50 °C จงหามวลของนา้ รอ้ นทใี่ ชใ้ นการผสมครง้ั นี้ วิธีทำ่ วำดแผนภำพ ล อ ง ทา . . . H2O (l) Qเพ่ิม H2O (l) H2O (l) 10 °C 90 °C 200 g 50 °C Qลด Xg สมดุลความรอ้ น Qเพม่ิ = Qลด เฉลย mcนำ่ ∆T = mcน่ำ∆T 200(1)(50-10) = X(1)(90-50) 200(40) = 40X X = 200 g ดังนนั้ มวลของนา้ รอ้ นทใ่ี ชใ้ นการผสมครง้ั นี้ เท่ากบั 200 กรมั

การถา่ ยโอนความรอ้ น (Heat Transfer) มี 3 วธิ ี คือ การนาความร้อน การพาความรอ้ น และการแผ่รังสีความร้อน อำศัยตัวกลำงของเหลว,แกส๊ การพาความร้อน จากบรเิ วณที่มอี ณุ หภมู ิสงู ไปยงั บรเิ วณท่ีมีอณุ หภูมิตา้่ การแผ่รงั สคี วามร้อน ไมอ่ ำศัยตัวกลำง พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

1. การน้าความร้อน (Conduction) เชน่ จับภาชนะแลว้ รู้สกึ ร้อน • ตวั กลาง: ของแข็ง • ตวั กลางไม่เคลือ่ นทอ่ี าศัยการส่นั สะเทือน (สง่ ตอ่ ควำมรอ้ น)  ตวั นาความรอ้ น (heat conductor) คือ วตั ถุท่ีนาความร้อนไดด้ ี เช่น โลหะ นาความร้อนได้ดีทส่ี ุด คอื เงิน  ฉนวนความรอ้ น (heat insulator) คอื วตั ถทุ ี่ไมน่ าความร้อน หรอื ยอมให้ความรอ้ นผ่านได้นอ้ ยมาก เชน่ ไม้ พลาสตกิ แกว้ เป็นตน้ พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

โลหะ 1. การน้าความรอ้ น (Conduction) (ตัวนาความรอ้ น) พลาสตกิ (ฉนวนความรอ้ น) พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

2. การพาความรอ้ น (Convection) • ตัวกลาง: ของเหลว แกส๊ • ตวั กลางจะเคลือ่ นท่ีไปดว้ ย โมเลกุล Tสูง จะลอยข้ึน โมเลกลุ Tต่า เข้ามาแทนท่ี เชน่ การต้มน้า พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

3. การแผร่ งั สคี วามร้อน (Radiation) • .ไมอ่ าศัยตัวกลาง • ความรอ้ นจะถกู ปล่อยออกมาทุกทิศทาง เช่น การแผ่รงั สีของดวงอาทิตยม์ ายังโลก พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

ดูดกลนื ควำม ดูดกลืนควำม เมอื่ พลงั งานความรอ้ น รอ้ นได้ดี ร้อนได้ไมด่ ี มากระทบกบั วัตถตุ า่ ง ๆ ร้อน เยน็ จะดดู กลนื ความรอ้ นไว้ แลว้ คายความรอ้ นออกมา การดูดกลนื หรอื คายความรอ้ น ขนึ้ อย่กู ับ  สขี องวัตถุ สเี ขม้ -ดูดและคายความร้อนได้ดีกวา่ สีอ่อน  พ้ืนผิวของวตั ถุ เรียบและมนั วาวจะดูดความรอ้ นได้น้อย แต่สะทอ้ นความรอ้ นไดด้ ี พ ลั ง ง า น ค ว า ม ร้ อ น (Thermal Energy)

จงเตมิ ✓หนา้ ข้อความทถ่ี ูก และ  หน้าข้อความทผ่ี ดิ ล อ ง ทา . . . • ความร้อนเปน็ พลังงานรปู หนงึ่ สามารถเปลีย่ นรูปและถา่ ยโอนได้ • หน่วยของพลงั งานความรอ้ น คอื องศาเซลเซียส พลงั งานความรอ้ น • ความร้อนจะถ่ายโอนจากทม่ี อี ุณหภมู ิตา่ ไปยังท่ีมอี ณุ หภมู ิสูง • เคลวนิ คอื หนว่ ยสากลของอณุ หภมู ทิ ใ่ี ชก้ นั ทัว่ โลก • 1 จูล มคี า่ เท่ากบั 4.2 แคลอรี • เครื่องมอื ทใ่ี ช้วดั อณุ หภมู ิ ไดแ้ ก่ เทอรโ์ มมิเตอร์ • ผลของการเปล่ยี นแปลงพลังงานทาให้อณุ หภูมแิ ละสถานะเปลย่ี น • ระบบปดิ ไม่มีการถา่ ยเทมวลและพลงั งาน • การควบแน่น เปน็ การเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความรอ้ น • การระเหดิ เป็นการเปลยี่ นแปลงประเภทคายความร้อน

จงเติม ✓หน้าข้อความทถี่ กู และ  หนา้ ขอ้ ความทผี่ ดิ ล อ ง ทา . . . ✓ • ความร้อนเปน็ พลังงานรูปหนึง่ สามารถเปลยี่ นรูปและถา่ ยโอนได้  • หนว่ ยของพลงั งานความรอ้ น คือ องศาเซลเซยี ส พลงั งานความร้อน  • ความรอ้ นจะถา่ ยโอนจากท่ีมีอณุ หภมู ิต่าไปยงั ทม่ี อี ณุ หภมู ิสูง เฉลย ✓ • เคลวิน คอื หนว่ ยสากลของอณุ หภูมทิ ่ใี ช้กนั ทั่วโลก  • 1 จลู มคี า่ เท่ากับ 4.2 แคลอรี ✓ • เครอ่ื งมือทใี่ ช้วดั อุณหภูมิ ได้แก่ เทอรโ์ มมเิ ตอร์ ✓ • ผลของการเปลย่ี นแปลงพลังงานทาให้อุณหภูมแิ ละสถานะเปลย่ี น  • ระบบปิด ไมม่ ีการถ่ายเทมวลและพลงั งาน  • การควบแนน่ เปน็ การเปลี่ยนแปลงประเภทดดู ความร้อน  • การระเหดิ เป็นการเปลยี่ นแปลงประเภทคายความร้อน

จากภาพเปน็ การถา่ ยโอนความรอ้ นแบบใด ล อ ง ทา . . . การถา่ ยโอน ความร้อน

จากภาพเปน็ การถา่ ยโอนความรอ้ นแบบใด การแผ่รังสีความรอ้ น ล อ ง ทา . . . การนาความรอ้ น การถ่ายโอน ความร้อน เฉลย การพาความร้อน