หน่วยที่ 1 ศึกษาทฤษฎีของไหล

หน่วยท่ี 1 ทฤษฎขี องไหล ครูผสู้ อนและผู้จดั ทา นางจฑุ าทพิ ย์ รักษ์ศรี ตาแหน่ง ครู วทิ ยฐานะชานาญการพเิ ศษ

สสาร คอื สงิ่ ต่างๆที่ตอ้ งการท่ีอยู่และมีน้าหนัก และสัมผัส ไดห้ น่วยทีเ่ ล็กท่ีสุดของสสารคอื อะตอม และอะตอมเป็น ตวั แสดงสมบัตขิ องสสารนัน้ สมบัตขิ องสาร หมายถึง ลกั ษณะประจ้าตวั ของสารแต่ละชนิด ซ่ึงแตกตา่ งจากสารอน่ื เช่น กระดาษตดิ ไฟได้ แตแ่ มเ่ หลก็ ไม่ ติดไฟ ออกซิเจนอยใู่ สสถานะกา๊ ซท่ีอุณหภมู ิและความดนั ปกติ แต่น้าเป็นของเหลว นา้ ส้มสายชมู ีรสเปรย้ี วแตน่ ้ามรี ส จดื น้ามจี ดุ เดอื ด 100 เซลเซยี ส แต่เอธานอลมจี ุดเดอื ด 78.5 องศาเซลเซียส

สมบตั ขิ องสารแบง่ ออกเป็น 2 ประเภท 1. สมบัตทิ างกายภาพ หมายถงึ ลักษณะภายนอกของสารทไ่ี ด้ จากการสงั เกตหรือทราบไดจ้ ากการทดลองง่าย ๆ เชน่ สี กลิ่น รส จุดเดอื ด จดุ หลอมเหลว ความแขง็ การนาไฟฟ้า การ นาความรอ้ น ความหนาแนน่ ความถ่วงจาเพาะ ลกั ษณะผลึก เป็น ต้น 2. สมบตั ิทางเคมี เป็นสมบตั ทิ ่ที ราบไดโ้ ดยอาศัยการ เปลย่ี นแปลงทางเคมี หรอื เปน็ สมบตั ิทีเ่ ก่ยี วกบั การเปลี่ยนแปลงจาก สารหนึง่ ไปเปน็ สารอื่น ๆ เช่น เหลก็ เป็นสนมิ ถา่ นเมื่อเผาไหม้เกิด ก๊าซคารบ์ อนไดออกไซด์ สังกะสีเม่ือทาปฏกิ ริ ิยากับกรดไฮโดรคลอริก ไดก้ ๊าซไฮโดรเจน เป็นต้น

อะตอมเปน็ ตัวแสดงสมบัติของสสาร อะตอม ประกอบดว้ ยอนภุ าคมลู ฐาน 3 อนุภาคคือ โปรตอน นิวตรอน และอเิ ล็กตรอน โดยท่ีโปรตอนและนิวตรอนจะรวมกนั อย่ใู น นวิ เคลยี ส ดังน้นั ในนวิ เคลยี สจะเป็นท่รี วมสว่ น ใหญข่ องอะตอม

โปรตอน มีมวล 1.625x10-27 kg มปี ระจุไฟฟ้า +1.6x10-19 C นิวตรอน มมี วล 1.648x10-27 kg ไม่มีประจไุ ฟฟา้ อิเลก็ ตรอน มีมวล 9.109x10-31 kg มีประจุไฟฟ้า -1.6x10-19 C

สสารแบง่ ออกเปน็ 3 ชนิด คือ ของแข็ง อะตอมภายในของแข็งถูกยึดแน่นอยกู่ บั ท่ี แต่สามารถ สัน่ ไปมารอบๆตาแหนง่ ของอะตอมนน้ั ๆ ของเหลว แรงยดึ เหน่ยี วระหวา่ งอะตอมนอ้ ยลง มอี สิ ระในการ เคล่อื นทมี่ ากข้ึน สามารถไหลได้ กา๊ ซ แรงยึดเหน่ียวระหวา่ งอะตอมมีนอ้ ยมาก จนแทบไม่มี ทาให้แตล่ ะอะตอมเคล่ือนทีไ่ ดอ้ ย่างอิสระอยา่ ง สมบรู ณ์

1. การจดั เรยี งอนุภาคของสาร ความไมเ่ ปน็ ระเบียบ (entropy) แกส๊ : เคลอ่ื นท่ตี ลอดเวลา มแี รงกระทาตอ่ กนั น้อย ของเหลว: เคลือ่ นท่ไี ด้ ไหลได้ มแี รงกระทาตอ่ กนั มาก ของแขง็ : เคลื่อนท่ไี ม่ได้ มแี รงกระทาต่อกันมากกวา่ ของเหลว

การเปล่ยี นสถานะของสสาร

สถานะ ปรมิ าตร/ ความ ความสามารถ ความสามารถ แก๊ส รปู รา่ ง หนาแนน่ ในการ ในการถกู เคลื่อนที่ บบี อัด ปรมิ าตร/รปู รา่ ง ต่า อิสระสงู ตามภาชนะ ถูกบบี อัด ท่บี รรจุ ได้มาก ของเหลว ปรมิ าตร/รูปร่าง ปานกลาง เคล่ือนไปมา ถูกบีบอัด แนน่ อนแต่ตาม ได้ ไดน้ ้อย ภาชนะที่บรรจุ ของแข็ง มีปรมิ าตร/ สูง สน่ั สะเทือน ไมส่ ามารถ อยู่กับท่ี ถกู บีบอดั รปู ร่างท่แี นน่ อน

นอกเหนอื จาก 3 สถานะนแ้ี ลว้ ยงั มีสสารอีก 1 ชนิดคือพลาสมา ประกอบดว้ ย อนภุ าคหรืออะตอมที่มปี ระจุไฟฟ้ารวมกันอยใู่ น ลักษณะกา๊ ซ เม่อื มีอุณหภูมสิ งู ขนึ้ จะแตกตวั เป็นไอออนและ เปล่ียนสถานะเปน็ พลาสมา ได้แก่สสารในอวกาศ



เราจึงอาจแบง่ สสารออกเปน็ 2 สถานะ คอื ของแข็ง และ ของไหล โดยท่สี ถานะของของไหลแบ่งออกเปน็ ของเหลวและกา๊ ซ โดยแบง่ จากความแตกตา่ งของช่องวา่ ง และอตั ราการเคลือ่ นไหวของโมเลกุล

คณุ สมบตั ขิ องของเหลว •1.ความหนาแนน่ ของของเหลว • 2.ความดันของของเหลว • 3.ความตงึ ผวิ ของของเหลว • 4.ความหนดื ของของเหลว

ความหนาแนน่ Density ความหนาแนน่ ρ  ของสสารคือ อตั ราส่วน ของมวลหรอื น้าหนกั ของสสารนัน้ (m) ต่อหน่วย ปรมิ าตร ρ  m  m  ρV V 14

ถา้ พจิ ารณามวลในรปู น้าหนกั แล้วจะได้ W  mg  ρVg หน่วยของความหนาแน่นคอื kg/m3 , g/(cm)3 และใน 1 m3 = 1 gallons 1 g/(cm)3 = 1 g/mL และน้ามคี วามหนาแนน่ เปน็ 1000 kg/m3 = 1 g/(cm)3 15

ความหนาแน่นสัมพัทธห์ รอื ถว่ งจ้าเพาะ คืออตั ราส่วนความหนาแนน่ ของสสารน้ันเทยี บ กับสารมาตรฐาน ถา้ สสารเป็นของเหลวหรอื ของแขง็ สสารมาตรฐานมกั จะเปน็ น้า (ที่อุณหภมู ิ 40 C) หากเป็นก๊าซมกั จะใช้อากาศ เป็นสารมาตรฐาน ความหนาแน่นของของเหลวและ ของแข็งมคี า่ โดยประมาณเทา่ กบั ความหนาแน่น สัมพทั ธเ์ นอ่ื งจาก ความหนาแนน่ น้า = 1 g/mL 16

Ex1. จงหาความหนาแน่นและความหนา แนน่ สมั พัทธ์ของเอทิลแอลกอฮอล์ ถา้ เอทลิ แอลกอฮอล์ 63.3 กรมั มีปรมิ าตร 80.0 มิลลลิ ติ ร ρ  M  63.3  0.791 g / mL,  791 kg / m3 V 80.0 ความหนาแน่นสัมพัทธ์  791  0.791 1000

Ex2. แท่งไมร้ ปู สีเ่ หลย่ี มลูกบาศกย์ าว 5 m. กวา้ ง 2 m. หนา 1 m. จะมีมวลเท่ากบั แท่งเงินทม่ี ีปริมาตร 20 cm3 . ท่ีเงนิ มีความหนาแน่นสมั พทั ธเ์ ปน็ 12.5 จงหา มวล และ ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของแท่งไม้ ?

Ex3. ในสว่ นผสมของกามะถนั ทีม่ ี ความหนาแนน่ สัมพัทธ์ 3.7 มี ปรมิ าตร 20 cm3.กบั น้าปรมิ าตร 80 cm3.จงหาค่า ความหนาแนน่ สัมพัทธ์ของส่วนผสมนี้เมือ่ ก. ปริมาตรของสว่ นผสมไมเ่ ปลีย่ นแปลง ข. ปริมาตรของส่วนผสมลดลง 20 %

หลักของอาร์คมิ ดิ ีส ( Archimedes ' Principle ) อาร์คมิ ดิ สี เปน็ นักวทิ ยาศาสตร์ นักคณติ ศาสตร์ และ นกั ประดิษฐ์ชาวกรีก เขาพบหลกั การแทนที่ ของวัตถใุ นของเหลว ได้ข้อสรปุ ดังน้ี

1.เม่ือของเหลวถกู แทนทดี่ ้วยวตั ถุ ปรมิ าตรของวตั ถุที่จมใน ของเหลวจะเท่ากบั ปรมิ าตรของของเหลวทถี่ กู แทนที่ ถา้ มี ของเหลวอยเู่ ต็มภาชนะกอ่ นหย่อนวัตถุลงไปปริมาตรของ ของเหลวทีล่ ้นออกมาจะเท่ากับปรมิ าตรของวัตถุ 2.เมอ่ื ช่งั วัตถุในของเหลว น้าหนกั ทชี่ ง่ั ได้จะน้อยกวา่ น้าหนกั ของวัตถทุ ่ชี งั่ ได้ในอากาศ นา้ หนักของวัตถุที่หายไป ในของเหลวจะเทา่ กบั น้าหนักของของเหลวทมี่ ีปรมิ าตร เทา่ กับวตั ถุ 3.เมื่อวัตถุจมในของเหลวจะมีแรงทข่ี องเหลวทาต่อวัตถุ แรงนน้ั เรยี กว่าแรงลอยตวั

การจมการลอยของวัตถจุ ากหลกั ของอาร์คมิ ดิ สี จากหลกั ของแรงลอยตัวของของเหลวที่ทาตอ่ วัตถุในของเหลวตามหลกั ของอาร์คิมิดสี ทข่ี นาด แรงลอยตัวจะเท่ากับนา้ หนักของของเหลวที่มี ปรมิ าตรเท่ากบั ปรมิ าตรของวตั ถุท่จี มในของเหลว ซ่งึ มผี ลตอ่ การจมการลอยของวตั ถุในของเหลว ดงั นี้

1.เมือ่ วัตถมุ คี วามหนาแนน่ มากกวา่ ความหนาแน่นของ ของเหลว วตั ถุจะจมอยทู่ ก่ี น้ ภาชนะบรรจุของเหลว และแรง ลอยตัวทขี่ องเหลวทาต่อวตั ถจุ ะนอ้ ยกวา่ นา้ หนักของวัตถุ 2.เมอื่ วตั ถุมคี วามหนาแน่นเท่ากบั ความหนาแนน่ ของ ของเหลว วตั ถจุ ะจมมดิ อย่ใู นเน้อื ของเหลว ท่ีตาแหนง่ ใดๆ ท่ีไมช่ นก้นและผนังภาชนะ และแรงลอยตวั ท่ขี องเหลวทาตอ่ วตั ถุจะเท่ากบั น้าหนกั ของวตั ถุ 3.เม่อื วัตถมุ คี วามหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของ ของเหลว วตั ถุจะลอยท่ผี วิ ของเหลว และมบี างสว่ นของ วัตถุจมลงในของเหลว และแรงลอยตัวที่ของเหลวทาตอ่ วัตถุจะมากกวา่ นา้ หนกั ของวตั ถุ

หลักการคานวณความหนาแนน่ ของวตั ถุ และ การจมการ ลอยของวตั ถุ 1.เขียนรปู ภาชนะทบ่ี รรจุของเหลวตามโจทย์กาหนด 2.เขยี นตาแหน่งวตั ถุทอ่ี ยู่ในของเหลว พรอ้ มแรงทก่ี ระทาบน วตั ถนุ ้ัน 3.วตั ถทุ ่อี ยูน่ ่งิ ในของเหลวและมีแรงมากระทา จะอยใู่ นสภาพ สมดุลต่อต่อการเล่ือนที่ 4.ในการคานวณหาค่าจะใช้แรงขึ้น = แรงลง และความ หนาแนน่ ของของเหลว กบั ของวตั ถุ

แรงลอยตัว คอื แรงท่ีของเหลวพยายามยกตวั วัตถุข้นึ มา หลกั สมดลุ แรงรวมขึ้น = แรงรวมลง

ความดันและแรงดนั ของของเหลว แรงดันของของ ไหล คอื แรงท่ีเกิดจากนา้ หนักของของไหลท่กี ระทาต่อ พืน้ ท่ีหรอื ผนังด้านขา้ งของภาชนะทบ่ี รรจุ หรือ ส่วนใด ส่วนหนง่ึ ของของไหลในแนวตั้งฉากกับพน้ื ที่ผิวนน้ั ๆ ความดนั ของของไหล คอื ขนาดแรงดันของของไหลตอ่ พน้ื ทที่ ่ีตั้งฉาก ซ่ึงความดนั ของของไหลจะเป็นปริมาณ สเกลาร์ มีหน่วยวดั เปน็ N/m2 หรือ ปาสคาล (Pa) (ของไหลจะแสดงถึงของเหลวและก๊าซ)

สรปุ สมบัตแิ รงดนั ของของเหลว 1.แรงดันของของเหลวมไี ดท้ กุ ทศิ ทาง และมีทศิ ต้ังฉากผิว ภาชนะทข่ี องเหลวสมั ผัส 2.แรงดันบนผวิ ของเหลวเดยี วกนั จะมีค่าเพ่ิมข้นึ ตามความ ลกึ ของของของเหลว 3.แรงดันของของเหลวมคี ่าเทา่ กับน้าหนกั ของของเหลวบน พ้ืนท่ีทข่ี องเหลวนัน้ สมั ผสั

สรปุ สมบตั คิ วามดันของของเหลว 1.ความดนั ของของเหลวชนดิ เดยี วกนั ทอ่ี ย่ใู นระดับลึกเท่ากันยอ่ ม มคี า่ เทา่ กัน 2.เมื่อเปน็ ของเหลวชนดิ เดียวกันค่าความดันจะแปรผนั ตรงกับ ความลึกทว่ี ดั จากผิวของของเหลวลงไป 3.เมอ่ื วดั ความดันของเหลวที่ระดับลึกเดยี วกนั คา่ ความดนั ของ ของเหลวจะแปรผนั ตรงกบั ความหนาแนน่ ของของเหลว 4.ความดนั ของของเหลวทจ่ี ุดใด ๆ ในของเหลวจะมีค่าเทา่ กนั ทกุ ทศิ ทางท่จี ดุ นน้ั

จบการจมการลอยของของเหลว อย่าลมื สรปุ องคค์ วามรู้