หน่วยที่1

หน่วยท่ี 1 เรื่อง สสาร อุณหภูมิ ความรอ้ น ตันความเย็น และความดัน ครูอภัย สุดจิตร แผนกวิชาไฟฟ้ากำลัง หน่วยที่ 1

เน้อื หาสาระการเรียนรู้ 1. สสาร สสาร (Substance) คือ วตั ถใุ ดๆ ทีอ่ ยู่รอบๆ ตัวเรา มีสมบัติ คอื ต้องมีนำ้ หนกั ต้องการที่อยู่และสัมผัสได้ สสารประกอบด้วยโมเลกุลหลายๆ โมเลกุล และในแต่ละโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมสสารแบ่งออกตาม ลกั ษณะทางกายภาพได้เป็น 3 สถานะ คือ 1.1 ของแข็ง (Solid) เป็นสสารที่มีรูปทรง ขนาด และปริมาตรที่คงท่ี สสารที่เป็นของแข็งจะมีแรงดึงดูด ระหว่างโมเลกุลมาก หรือโมเลกลุ ยึดเกาะกนั อย่างเหนยี วแน่น จึงทำให้สามารถคงความเป็นรปู ร่างอยู่ได้ เช่น แทง่ โลหะ ก้อนหนิ ไม้ ฯลฯ 1.2 ของเหลว (Liquid) เปน็ สสารที่มีปริมาณที่คงที่ แต่รปู ร่างจะไม่คงท่ีข้ึนอยกู่ ับภาชนะท่ีบรรจุ แรงยึด เหนีย่ วระหวา่ งโมเลกลุ จะน้อยกวา่ ขงแขง็ เช่น นำ้ ทีบ่ รรจุในขวด น้ำมนั ที่บรรจุแกลลอน ฯลฯ 1.3 แก๊ส (Gas) เป็นสสารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยที่สุด มีรูปร่างและปริมาตรที่ไม่แน่นอน แตโ่ มเลกลุ จะมพี ลงั งานมากท่ีสุด จะฟงุ้ กระจายอยูภ่ ายในภาชนะท่ีบรรจุ จึงตอ้ งบรรจุไวใ้ นภาชนะที่ปิดมิดชิด เพ่อื ปอ้ งกนั การรว่ั ซมึ ออกสู่บรรยากาศภายนอก เช่น แกส๊ หุงตม้ บรรจุอย่ใู นถังลม ท่เี ตมิ ในยางรถยนต์ ฯลฯ สสารทั้งสามสถานะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะได้เสมอ เมื่อมีพลังงานมากระทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่าง โมเลกุลลดลง หรือกระทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น โดยมีปัจจัยที่สำคัญที่ทำให้เกิดการ เปล่ยี นแปลงสถานะของสสาร คือ ความร้อนและความดนั ซึ่งเปน็ พ้ืนฐานในการทำความเย็นการเปลี่ยนสถานะ ของสสาร ดังรปู ท่ี 1.1 รูปท่ี 1.1 การเปลย่ี นแปลงสถานะของสสาร

2. ความร้อน (Heat) คือ พลังงานรูปหนึ่งซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นๆ หรือพลังงานรูปอื่นๆ ก็ สามารถเปล่ียนเปน็ พลังงานความร้อนได้ พลงั งานความร้อนเมอ่ื ถ่ายเทให้กบั สสารจะทำให้โมเลกุลของสสารมี อุณหภูมิเพิม่ ข้นึ และมพี ลงั งานเพ่ิมขึ้น การเคลือ่ นทข่ี องความร้อนมี 3 วิธี คือ 2.1 การนำพา (Conduction) คือ การเคลื่อนที่ของความร้อนในของแข็งที่สมบัติเป็นตัวนำความร้อน เช่น กระทะอะลมู ิเนียมนำความรอ้ นจากเปลวไฟไปสอู่ าหารทกี่ ำลงั ปรงุ ฯลฯ 2.2 การพา (Convection) คือ การเคลื่อนทขี่ องความร้อนจากทีห่ นึ่งไปยงั อีกท่ีหน่ึง โดยอาศัยตัวกลางที่ เป็นของเหลวหรือแก๊ส เช่น สารทำความเย็นเหลวพาความร้อนจากของที่แช่อยู่ในตู้เย็นออกไปทิ้งภายนอก ตเู้ ยน็ ฯลฯ 2.3 การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) คือ การเคลื่อนที่ของความร้อนในรูปของคลื่นความร้อนโดยไม่ ตอ้ งอาศัยตัวกลาง และสามารถเคล่ือนทไี่ ด้ในสุญญากาศ เช่น ดวงอาทิตยแ์ ผร่ งั สีความร้อนมายังโลกหรือแมก เนตรอนแผร่ งั สคี วามร้อนไปยังอาหารท่อี ยูภ่ ายในเตาไมโครเวฟ ฯลฯ การนำและการพาความรอ้ นเปน็ ปรากฏการณ์ที่เกิดข้ึนอย่างช้าๆ ส่วนการแผร่ ังสีความรอ้ นเป็นการส่งผ่าน ความรอ้ นทเี่ กิดขึ้นอย่างรวดเรว็ เมือ่ สสารได้รบั ความร้อนจะเกิดผลดงั น้ี 1 สสารมอี ุณหภูมิเพมิ่ ข้ึน 2) สสารจะขยายตัว 3) สสารจะเปลีย่ นสถานะ 3. อุณหภมู ิ อณุ หภมู ิ (Temperature) คือ ระดับความร้อนหรอื สภาวะทเ่ี กดิ จากการเคลอื่ นที่ของโมเลกุลในสสาร การวัดอณุ หภมู ิ คอื การวัดระดับความร้อนในสสารมหี น่วยการวดั 2 หน่วย คือ ระบบเมตริก (Metric System) และระบบอังกฤษ (Imperial System) เครื่องมือทใี่ ชว้ ดั อุณหภมู ิ เรยี กว่า เทอร์มอมเิ ตอร์ (Thermometer) 1) หนว่ ยการวดั อุณหภูมใิ นระบบเมตริก มีหนว่ ยวดั เป็น องศาเซลเซียล (Celsius, °C) โดยจุดเยือกแขง็ ของนำ้ จะเทา่ กบั 0 °C และจุดเดือดของน้ำจะเทา่ กับ 100 °C 2) หน่วยการวดั อณุ หภมู ิในระบบอังกฤษ มหี นว่ ยวดั เปน็ องศาฟาเรนไฮต์ (Fahrenheit, °F) โดยจดุ เยอื ก แขง็ ของนำ้ จะเท่ากับ 32 °F และจดุ เดอื ดของน้ำจะเทา่ กับ 212 °F

การเปรียบเทียบอุณหภูมิระหว่างระบบเมตริกและระบบอังกฤษ หรือการแปลงอุณหภูมิระหว่างหน่วย องศาเซลเซียส และหนว่ ยองศาฟาเรนไฮต์ °������−0 = °������−32 100−0 212−32 °������ =°������−32 หรือ 100 180 °������ =°������−32 59 °C = °������−32 1.8 °F= 1.8°C + 32 ตวั อยา่ งที่ 1.1 วดั อุณหภมู ิชอ่ งแชแ่ ข็งของตูแ้ ช่ได้ -2°C อยากทราบวา่ จะเทา่ กบั กี่องศาฟาเรนไฮต์ วิธีทำ จาก °F = 1.8 °C + 32 °F = {1.8 (-2)} + 32 =-3.6 + 32 =28.4°F ดงั น้นั อณุ หภมู ิ -2 °C มคี ่าเท่ากับ 28.4 °F

ตวั อย่างที่ 1.2 วัดอุณหภูมลิ มจากหนา้ คอนเดนซิ่งยนู ิตของเครอ่ื งปรับอากาศได้ 104°F อยากทราบวา่ จะ เท่ากบั ก่ีองศาเซลเซียส วิธีทำ จาก °C = °������−32 1.8 °C = 104°−32 1.8 = 72 1.8 = 40°C ดงั น้ันอณุ หภูมิ 104°F มีคา่ เท่ากบั 40°C 3.1 ของเหลวอิ่มตัว (Saturated Liquid) หมายถึง ของเหลวที่อยู่ใต้ความกดดันของบรรยากาศค่า หนึ่งเมื่อได้รับความร้อนจะทำให้อุณหภูมิของของเหลวเพิ่มสูงขึ้นถึงอุณหภูมิระดับหนึ่ง และอุณหภูมิของ ของเหลวจะไม่เพิม่ ข้ึนอีกถึงแม้จะใหค้ วามรอ้ นต่อไป แต่ของเหลวจะเปลีย่ นสถานะเป็นไอ อุณหภูมิของเหลว อมิ่ ตวั ของสารแต่ละชนิดจะไม่เท่ากัน เช่น นำ้ กลายเปน็ ไอท่อี ณุ หภมู ิ 212°F (100°C) แอลกอฮอล์กลายเป็นไอ ที่อุณหภูมิ 170°F (76.7°C) สารทำความเย็น R-134A กลายเป็นไอที่อุณหภูมิ – 15.1°F (-26.2°C) ฯลฯ อุณหภมู ขิ องของเหลวท่ีสภาวะนี้เรยี กวา่ อุณหภูมิของเหลวอิ่มตัว เชน่ ตม้ นำ้ ทค่ี วามกดดันบรรยากาศน้ำจะมี อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ จนถึง 212°F (100°C) และถ้าต้มน้ำต่อไปอีก อุณหภูมิของน้ำก็จะไม่เพิ่มขึ้นอีก อุณหภูมิทีจ่ ดุ นค้ี อื อุณหภูมิของเหลวอมิ่ ตวั 3.2 ไออิ่มตัว (Saturated Vapor) หมายถึง ไอที่เกิดจากการเดือดของเหลว และอุณหภูมิของไอท่ี ผิวหน้าของของเหลวจะมีคา่ เทา่ กับอุณหภูมิจุดเดือดของของเหลวนั้น หรือเท่ากับอณุ หภูมิของของเหลวอ่ิมตัว ท่ีความกดอากาศค่าเดียวกนั อุณหภูมิของไอที่จดุ นี้ เรียกว่า อณุ หภูมไิ ออิม่ ตัว เชน่ สารทำความเยน็ เหลว R – 22 อุณหภูมิไออิม่ ตัวจะเท่ากับอุณหภูมิจุดเดือดของของเหลว หรือเท่ากับอุณหภูมขิ องเหลวอิม่ ตัวของสารทำ ความเยน็ R – 22 จะมคี ่าเทา่ กบั –41.4°F หรือ – 40.8°C ฯลฯ

3.3 ไอร้อนยิ่งยวด (Superheated Vapor) หมายถึง ไอที่มีอุณหภมู ิสูงกว่าอณุ หภูมิไออิม่ ตัว เช่น ไอ น้ำที่อุณหภูมิไออิ่มตัว 212°F ได้รับความร้อน ทำให้ไอน้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 300°F ไอร้อนยิ่งยวดจะมีค่า เทา่ กบั 88°F (300°F - 212°F = 88°F) ไอร้อนยิ่งยวดจะเกดิ ขน้ึ ในสสารสถานะไอเทา่ นั้น 3.4 ของเหลวเยือกเย็น (Subcooled Liquid) หมายถึง การลดอุณหภูมิของของเหลวหรือการทำให้ ของเหลวมีอุณหภูมลิ ดลง สามารถทำได้โดยการถา่ ยเทความร้อนออกจากของเหลว เช่น ของเหลวที่อุณหภูมิ 212°F ลดลง เหลือ 180°F นั่น คือ ของเหลวถูกทำให้เยือกเย็นลง 32°F (212°F - 108°F = 32°F) ของเหลวเยือกเยน็ จะเกดิ ขึน้ ในสถานะของเหลวเทา่ นั้ 4. ตันความเยน็ ตันความเยน็ (Ton of Refrigeration) หมายถงึ หน่วยวัดความรอ้ นในระบบอังกฤษ หนึ่งตันความเย็น หมายถึง ความสามารถของเคร่ืองทำความเย็นสามารถดูดรับความรอ้ นไวไ้ ด้ 12,000 BTU ในเวลาหน่งึ ชวั่ โมง BTU (British Termal Unit) คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำบริสุทธิ์หนัก 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิ เปลี่ยนแปลงไป 1°F เช่น เอาน้ำบริสุทธิ์หนัก 1 ปอนด์ อุณหภูมิ 100°F ใส่ภาชนะตั้งไฟ และถ้าน้ำมีอณุ หภูมิ เพิ่มขึ้นเป็น 101°F ดังนั้นปริมาณความร้อนที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิ 1°F จะมีค่าเท่ากับ 1 BTU หรือ เอาน้ำ บริสุทธิ์หนัก 1 ปอนด์ อุณหภูมิ 100°F วางในห้องปรับอากาศ และถ้าน้ำมีอุณหภูมิลดลงเป็น 99°F ดังนัน้ ปริมาณความร้อนทใ่ี ช้ในการลดอุณหภมู ิ 1°F จะมคี า่ เท่ากับ 1 BTU 5. ความดัน ความดัน (Pressure) หมายถึง แรงหรือน้ำหนักที่กระทำต่อพื้นที่ 1 ตารางหน่วยพื้นที่ เช่น ปอนด์ต่อ ตารางน้วิ (Psi) กิโลกรมั ต่อตารางเซนติเมตร (kg/cm2) 5.1 ความดนั บรรยากาศ (Atmospheric Pressure) หมายถงึ ความดนั หรอื น้ำหนกั ของอากาศท่หี ่อหมุ้ โลก ตกลงกระทำต่อผวิ โลก มีคา่ เท่ากบั 14.7 Psi หรือ 1.03 kg/cm2 หรอื 29.92 นว้ิ ปรอท (inHg) เกิดจากการ การนำหลอดแกว้ บรรจปุ รอทให้เต็ม ใชน้ ิว้ มอื อดุ ปลายด้านหนึง่ ของเหลวแกว้ ควำ่ ปลาย ด้านน้ลี งในอ่างบรรจปุ รอท แล้วปดิ น้วิ มือท่อี ุดหลอดแก้วไวแ้ ละตั้งหลอดแกว้ ให้ตรง ปรอทท่ีอยใู่ น หลอดแกว้ จะลดระดบั ลงมาตำแหน่งหนึง่ และจะไมล่ ดลงอีก เน่อื งจากแรงกดบรรยากาศท่กี ดอยทู่ ี่ปรอททอ่ี ยู่ใน

อ่างจะตา้ นไม่ให้ปรอทในหลอดแก้วไหลลงส่ใู นอา่ งได้อกี และวดั ความสูงของปรอทในหลอดแก้วเทียบกบั ระดับ ปรอทในอา่ งจะได้ 29.92 นว้ิ คือ ความดันบรรยากาศนั่นเอง ความดันบรรยากาศนจี้ ะมคี า่ ลดลงเมอื่ ความสูงเพ่ิมขนึ้ เนอ่ื งจากปรมิ าณอากาศมีค่าบางลงทำให้ความดัน บรรยากาศลดลงดว้ ย เช่น ทร่ี ะดบั นำ้ ทะเล ความดันบรรยากาศ 14.7 Psi. สงู จากระดบั นำ้ ทะเล 5,000 ฟุต ความดนั บรรยากาศ 12.6 Psi. สูงจากระดบั น้ำทะเล 15,000 ฟุต ความดนั บรรยากาศ 8.8 Psi. 5.2 ความดันสัมบรู ณ์ (Absolute Pressure) หมายถงึ ค่าความดันทเ่ี รม่ิ วดั จากจดุ ทไ่ี ม่มคี วามดันอยู่ เลย หรอื เป็นสุญญากาศ มีคา่ 0 Psia เรยี กวา่ Absolute Zero Pressure คา่ ความดนั ทีต่ ่ำกว่าบรรยากาศนยิ มวดั เป็นหนว่ ย นว้ิ ปรอท (Inch Mercury, inHg) ไดจ้ ากเครอ่ื งมอื วัดท่ี เรยี กวา่ บารอมิเตอร์ (Barometer) 5.3 ความดนั เกจวัด (Gauge Pressure) หมายถงึ ค่าความดันที่อ่านไดจ้ ากเกจวดั ความดนั ท่ีมคี ่าสงู กวา่ ความดนั บรรยากาศขึ้นไป โดยเร่ิมจาก 0 Psig ซ่งึ เทา่ กับ 14.7 Psi หาได้จาก ความดันสมั บรู ณ์ = ความดนั เกจ + ความดนั บรรยากาศ ความดนั สมั บรู ณ์ = ความดนั เกจ + 14.7 Psi ความดันสัมบูรณ์ = ความดนั เกจ + 29.92 inHg