Physics 207105 Thermodynamics-1

1. Physics 207105Thermodynamics-1

2. อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics)-1 อุณหพลศาสตร์ คือ ศาสตร์ที่ว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงความร้อนเชิงมหภาคโดยอาศัยตัวแปรสถานะของระบบ เช่น ปริมาตร(V) อุณหภูมิ(T) และ ความดัน(P) เป็นต้น • อุณหภูมิและความร้อน • กฎข้อที่ศูนย์ทางอุณหพลศาสตร์ • การขยายตัวเชิงความร้อน

3. + - + - + - - + • + - + - + - + - • - + - + - + + - • - + - + - + + - • - + - + - + + - • - + - + - + + - • - + - + + + - ของเหลว แก๊ส พลาสมา ของแข็ง เพิ่ม อุณหภูมิ อุณหภูมิ (Temperature : T) อุณหภูมิ • เป็นปริมาณที่สื่อให้เห็นว่าวัตถุนั้น ร้อน หรือ เย็น เพียงใด. ของแข็งและของเหลว จะประกอบด้วยอะตอมจำนวนมากเชื่อมต่อกันด้วยระยะประมาณ10-10 m ด้วยแรงดึงดูดทางไฟฟ้า. ในสถานะของเหลว,แก๊สหรือพลาสมา อะตอมหรือโมเลกุล(รวมทั้งไอออน) จะมีการเคลื่อนที่แบบสุ่ม

4. การวัดอุณหภูมิ หน่วยวัดอุณหภูมิ และเทอร์โมมิเตอร์ สเกลของอุณหภูมิ (Temperature scales) องศาฟาเรนไฮต์ (degree Fahrenheit: 0F) นิยามจากช่วงอุณหภูมิที่สัตว์เลี้ยงในฟาร์มจะดำรงชีวิตอยู่ได้ด้วยตัวเอง (0 0Fคือเย็นที่สุดและ100 0Fคือร้อนที่สุด) องศาเซลเซียสหรือเซลติเกรด (degree Celsius or Centigrade : 0C) นิยามจากคุณสมบัติของคุณสมบัติของน้ำที่ผิวโลก ณ ระดับน้ำทะเล(0 0C คือจุดเยือกแข็ง และ100 0C คือจุดเดือด) เคลวิน (Kelvin: K) นิยามจากจุดอุณหภูมิที่พลังงานระดับโมเลกุลมีค่าต่ำสุดซึ่งกำหนดเป็นศูนย์องศาสัมบูรณ์(Absolute zero) หรือ 0 K -273.150C สเกล 1 K =1 0C

5. สเกลของอุณหภูมิ (Temperature scales) tF tC tK t tx

6. สเกลของอุณหภูมิ (Temperature scales) สำหรับ ตัวแปรอุณภูมิเคลวินนิยามเขียนด้วย T จับคู่ 0C กับ 0F : จับคู่ 0C กับ K :

7. เครื่องวัดอุณหภูมิ : เทอร์โมมิเตอร์ (Thermometer) เทอร์โมมิเตอร์ คือ อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิ T โดยใช้หลักการสมดุลทางความร้อน (Thermal equilibrium) • สมบัติของเทอร์โมมิเตอร์ • ความไวสูง • แม่นยำ • ผลิตง่าย • เข้าสู่สมดุลทางความร้อนได้เร็ว “สสารทุกชนิด จะไม่มีการถ่ายเทความร้อนซึ่งกันและกัน เมื่อสสารเหล่านั้นมีอุณหภูมิหรือระดับความร้อนเท่ากัน”

8. ชนิดของเทอร์โมมิเตอร์ชนิดของเทอร์โมมิเตอร์

9. ตัวอย่างชนิดของเทอร์โมมิเตอร์ตัวอย่างชนิดของเทอร์โมมิเตอร์ แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้วยาว แบบแก๊สปริมาตรคงที่

10. ตัวอย่าง: มาตรอุณหภูมิฟาเรนไฮต์อันหนึ่ง ซึ่งมีจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำเป็น 32 และ 212oF ตามลำดับ อ่านอุณหภูมิของน้ำในภาชนะใบหนึ่งได้เท่ากับ 122oF จงหาอุณหภูมิของน้ำในภาชนะใบนั้นเป็นองศาเซลเซียสและเคลวิน

11. กฎข้อที่ศูนย์ทางอุณหพลศาสตร์(The zeroth law of thermodynamics) “ถ้าระบบสองระบบต่างอยู่ในภาวะสมดุลทางความร้อนกับระบบที่สามแล้ว ระบบทั้งสองนี้ต่างก็อยู่ในภาวะสมดุลทางความร้อนซึ่งกันและกันด้วย” • ถ้าอุณหภูมิที่ A เท่ากับที่ C • และอุณหภูมิที่ C เท่ากับที่ B • อุณหภูมิที่ A จะเท่ากับที่ B

12. ตัวกลาง (mediums) ตัวกลางแอเดียแบติก (adiabatic medium; A; ) คือตัวกลางสมมติที่ไม่ยอมให้พลังงานความร้อนผ่านได้เลย เช่น ฉนวน ตัวกลางไดอะเทอร์มิก (diathermic medium; D; ) คือตัวกลางสมมติที่ยอมให้พลังงานความร้อนผ่านได้ดี เช่น โลหะตัวนำ A S3 D S1 S2 D D A S1 S2 The zeroth law of thermodynamics

13. The zeroth law of thermodynamics ระบบ 2 ระบบที่อยู่ในสมดุลความร้อนย่อมมีอุณหภูมิเท่ากัน

14. หลักการเทอร์โมมิเตอร์ : สมดุลความร้อน(อุณหภูมิเท่ากัน) • ถ้าเราวางวัตถุที่ร้อนให้สัมผัสกับวัตถุที่เย็น วัตถุที่ร้อนก็จะเย็นตัวลง และวัตถุที่เย็นก็จะร้อนขึ้น • ในที่สุดความร้อนก็จะไม่มีการถ่ายเทระหว่างวัตถุทั้งสอง • เรียกว่าวัตถุทั้งสองอยู่ในสมดุลความร้อน • หรือ วัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน อุณหภูมิ • คือ การวัดว่าวัตถุนั้น มีความร้อน เย็น แค่ไหน • การบอกระดับความร้อนจากการสัมผัสมีข้อจำกัด และในหลายกรณีก่อให้เกิดความผิดพลาดได้ง่าย

15. การขยายตัวเชิงความร้อน (Thermal Expansion) วัสดุส่วนใหญ่ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน: • ระยะห่างระหว่างอะตอมเพิ่มมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น • การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิต้องไม่มากนัก (ไม่มากพอที่จะทำให้วัสดุมีการเปลี่ยนแปลงสถานะ)

16. การขยายตัวของสารจากความร้อน (Thermal expansion) โดยทั่วไปการขยายตัวตามเส้นจะแปรตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง และผลของอุณหภูมิที่เปลี่ยนทำให้ขนาดของสารเปลี่ยนแปลง เช่นความยาวเปลี่ยนไป และจะได้ว่า ดังนั้นสามารถเขียนได้ว่า การขยายตัวตามเส้น เมื่อ  คือ ส.ป.ส. การขยายตัวตามเส้น การขยายตัวตามพื้นที่ เมื่อ  คือ ส.ป.ส. การขยายตัวตามพื้นที่ การขยายตัวตามปริมาตร เมื่อ  คือ ส.ป.ส. การขยายตัวตาม ปริมาตร

17. การขยายตัวของสารจากความร้อนการขยายตัวของสารจากความร้อน ขยายตัวตามพื้นที่ ขยายตัวตามปริมาตร ขยายตัวตามเส้น และ โดยทั่วไป

18. การขยายตัวของสารจากความร้อนการขยายตัวของสารจากความร้อน

19. ผลกระทบจากการขยายตัวเชิงความร้อนผลกระทบจากการขยายตัวเชิงความร้อน

20. petrol 70 L steel ตัวอย่าง:แท็งก์เหล็กขนาดความจุ 70 ลิตร บรรจุน้ำมันไว้จนเต็ม ถ้าในวันหนึ่ง อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงจากเดิม 20 oC ไปเป็น 35 oC. จะมีน้ำมันปริมาณเท่าใดที่จะล้นหกไป สำหรับของเหลว การเปลี่ยนแปลงปริมาตร : สำหรับแท็งก์โลหะ : เป็นปริมาณน้ำมันที่ล้นหกไป

21. การประยุกต์ใช้งาน

22. การขยายตัวของรูกลางวัตถุ

23. Physics 207105Thermodynamics-2

24. อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics)-2 • พลังงานความร้อน • ความร้อนและการถ่ายเทความร้อน • ความจุความร้อน และ ความจุความ • ร้อนจำเพาะ • การถ่ายเทความร้อน

25. พลังงานความร้อน (Thermal Energy) การทดลองของ จูล (James Pascott Joule; 1818–1889) ให้แนวคิด สมมูลเชิงกลความร้อน (Mechanical equivalent of heat) หรือ สมมูลของจูล (Joule’s equivalent) นับว่าเป็นจุดที่สำคัญที่เชื่อมระหว่างปริมาณความร้อนเข้ากับพลังงานความร้อนได้เป็นอย่างดี

26. Mechanical equivalent of heat

27. พลังงานกล พลังงานความร้อน ความร้อนและการถ่ายเทความร้อน (Heat and heat transfer) ความร้อน (Heat)คือรูปหนึ่งของพลังงานที่ส่งผ่านเนื่องจากผลต่างระหว่างอุณหภูมิ • หน่วยของความร้อน • คาลอรี(calorie : cal): 1 cal = ความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 gm ณ 14.50Cมีอุณหภูมิสูงขึ้น 10C • BTU (British Thermal Unit) : 1 BTU = ความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 pound มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 0F (630F ไปเป็น 640F) • ซึ่ง 1 BTU  1055 จูล 251.996 cal(1 pound  0.4536 kg) การทดลองของจูล (Joule) ค่าสมมูลย์ความร้อนกล (J) = 1 cal = 4.186 J

28. ความจุความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะ(Heat capacity and specific heat capacity) ความจุความร้อน คือ ความร้อนที่เปลี่ยนแปลงต่ออุณหภูมิ : ทำให้เป็นปริมาณไม่ขึ้นกับมวล (intensive variable) โดยการหารด้วยมวล เรียกว่า ความจุความร้อนจำเพาะ (specific heat capacity) ในกรณีที่หารด้วยจำนวนโมล nจะได้ เรียกว่า ความจุความร้อนจำเพาะเทียบกับโมล (molar specific heat capacity) ทั้งค่า Cและ cจะไม่คงที่ โดยจะขึ้นกับอุณหภูมิ T

29. ตัวอย่างความจุความร้อนตัวอย่างความจุความร้อน จำเพาะของของแข็งต่าง ๆ การวัดค่าความจุความร้อน การหาค่าความจุความร้อนสามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Calorimeter ฉนวน กระป๋อง ขดลวดต้านทาน ในกรณีให้ความร้อนจากไฟฟ้าจะได้ว่า พลังงานไฟฟ้าที่ให้ = (mcT)ของเหลว+ (mcT)กระป๋อง โดยการชั่งมวลและวัดอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง จะสามารถหาค่าความจุความร้อนจำเพาะ cได้

30. นม กาแฟ ตัวอย่าง: ต้องเติมนมที่มีอุณหภูมิ 4oC ปริมาณเท่าใดลงในกาแฟ 0.25 kg ที่มีอุณหภูมิ 95oC เพื่อให้ได้อุณหภูมิสุดท้ายเป็น 70oC (ถ้าพิจารณาให้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของแก้วกาแฟมีน้อยมาก) วิธีทำ ให้ ccoffee = cwater = cmilk =4180 J/kg-C HLoss = HGain ความร้อนของกาแฟที่ลดลง =ความร้อนของนมที่เพิ่มขึ้น

31. ก่อนใส่ 120 g 205 oC หลังใส่ 20 oC 1.5 kg TF = ? NOTE:อุณหภูมิของน้ำ 3 oC อุณหภูมิของก้อนอลูมิเนียม 182 oC ตัวอย่าง : เมื่อใส่ก้อนอะลูมิเนียมมวล 120 กรัม ลงใน แคลอรีมิเตอร์ ที่มีน้ำ อุณหภูมิ 20oC อยู่ 1.5 กิโลกรัม ถ้าก่อนใส่ก้อนอะลูมิเนียมมีอุณหภูมิ เท่ากับ 205oC ให้หาว่าสุดท้ายแล้วอุณหภูมิของน้ำจะเป็นเท่าใดกำหนด cAl = 900 J/kg.oC-1 วิธีทำ HLoss = HGain ความร้อนของก้อนอะลูมิเนียมที่ลดลง = ความร้อนของน้ำที่เพิ่มขึ้น

32. ความร้อนแฝง (Latent heat; L) • ความร้อนแฝงคือ ความร้อนที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสาร • จากของแข็งเป็นของเหลว : ความร้อนแฝงของการหลอม (Latent heat of fusion) • จากของเหลวเป็นแก๊ส : ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (Latent heat of vaporization) • ณ จุดที่เปลี่ยนสถานะอุณหภูมิคงที่ ความร้อนที่ให้จะไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะ แก๊ส (G) ของเหลว (L) (L)+(G) (L)+(S) ของเหลว (L) ของแข็ง (S) กลายเป็นไอ(เดือด) หลอมเหลว

33. ความร้อนแฝง (Latent heat; L) นิยาม หรือ ความร้อนแฝงของการหลอม ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ เมื่อ m คือ มวลของระบบ Lf และ Lvคือ ความร้อนแฝงจำเพาะ (specific latent heat)ของการหลอมเหลวและการกลายเป็นไอตามลำดับ ตัวอย่าง สำหรับน้ำ

34. Graph of Ice to Steam A=Warming Ice B=Melting Ice C=Warming Water D=Boiling Water E=Heating Steam

35. น้ำแข็ง 0 oC, 20 g 20 oC, 500 g 20 oC, 100 g ตัวอย่าง:ใส่ก้อนน้ำแข็งมวล 20กรัมที่มีอุณหภูมิ 0oC ลงในกระป๋องแคลอรีมิเตอร์ที่ทำจากทองแดง ที่มีน้ำมวล 100 กรัม อุณหภูมิ 20 oC โดยที่กระป๋องแคลอรีมิเตอร์มวล 500 กรัม ถ้ากระป๋องแคลอรีมิเตอร์ และ น้ำมีอุณหภูมิ 8oC ตอนที่น้ำแข็งละลายหมด จงหา Lfของน้ำแข็ง CW = 4180 J kg-1oC-1 Cc = 390 J kg-1oC-1 HG=HL

36. การถ่ายเท (โอน) ความร้อน (Heat transferring) การถ่ายเทความร้อน • การนำความร้อน (conduction) • การพาความร้อน (convection) • การแผ่รังสีความร้อน (radiation)

37. T2 Q T1 T1 > T2 การนำความร้อน adiabatic สถานะคงที่ (steady state) : t  อัตราการส่งผ่านความร้อนไม่เปลี่ยนตามเวลา

38. T2 Q T1 T1 > T2 การนำความร้อน Temperature gradient = ที่ steady state : หรือ กล่าวคือ หรือ ดังนั้น เรียก ว่าเป็นอัตราการถ่ายเทปริมาณ ความร้อน (Rate of heat flow หรือ Heat current) กฎการนำความร้อนของฟูเรียร์ (Fourier’s heat conduction law) นั่นคือ เมื่อค่าคงที่ k คือ ส.ป.ส. การนำความร้อน(สภาพนำความร้อน): Watt/m.K

39. Q T1 T2 L การนำความร้อน สำหรับแท่งวัตถุพื้นที่หน้าตัด Aยาว Lขณะที่ปลายร้อนเป็น T1ส่วนที่ปลายเย็นเป็น T2 ที่ steady state จะคำนวณ H ได้ดังนี้ เมื่อ Hมีค่าคงที่เนื่องจาก steady state ดังนั้น ได้ T1 > T2

40. รอยต่ออุณหภูมิ Tx H x การนำความร้อน ผนังประกอบ (compound wall) ที่ steady state : Hคงที่ สำหรับ L1 : สำหรับ L2 : ถ้า A1 = A2 = A ได้ T2 > T1 รูปแบบทั่วไปสำหรับหลายผนังประกอบ คือ

41. L การนำความร้อน ทรงกระบอกกลวง ภายใน: รัศมี r1, อุณหภูมิ T1 ภายนอก:รัศมี r2, อุณหภูมิ T2 โดย T1 > T2 ที่รัศมี rใด ๆ ในโลหะ พื้นที่ที่ส่งผ่านความร้อน ณ ที่ rใด ๆ คือ A = 2 r L ดังนั้น

42. การพาความร้อน การพาความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านของไหล - การพาอย่างอิสระ (natural/free convection) - การพาอย่างไม่อิสระ (forced convection) ทั้งสองลักษณะขึ้นกับ 1. รูปลักษณะผิววัตถุ 2. ผิววัตถุอยู่แนวดิ่งหรือราบ 3. ตัวกลางที่พาความร้อน(เหลวหรือแข็ง) 4. ความหนาแน่น ความหนืด ความร้อนจำเพาะ สภาพนำความร้อนของตัวกลาง 5. ตัวกลางเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอหรือวกวน 6. ขณะพาความร้อน ตัวกลางเปลี่ยนสถานะหรือไม่

43. การพาความร้อน การระเหย เป็นการพาความร้อนในลักษณะหนึ่ง น้ำ จะต้องใช้พลังงานในการระเหย = 241 J/gm ที่ 37 0C ตัวอย่าง ผิวหนังและปอดของมนุษย์ จะระเหยน้ำประมาณ 600 gm/วัน คำนวณหาอัตราความร้อนที่สูญเสีย ในการระเหย น้ำ 1 gm จะใช้พลังงาน 241 J วิธีทำ น้ำ 600 gm จะใช้พลังงานในการระเหย =1.45105 J ตอบ *เมตาบอริซึมคนปกติ  120 Watt ดังนั้นน้ำระเหย 600 gm/วัน  1% metabolism

44. การแผ่รังสีความร้อน EMW: คลื่นวิทยุ-โทรทัศน์, microwave, infrared, light, UV, X-ray, gamma กำหนดให้ อัตราการแผ่รังสี = Re (e: emission , ปลดปล่อย) และ RA Te4 เมื่อ A = พื้นที่ผิวของวัตถุ Te = อุณหภูมิของวัตถุ : เคลวิน เขียน กฏของสเตฟาน-โบลต์ซมานน์ เมื่อ  = Stefan-Boltzmann constant = 5.6710-8 W/m2-K4  = สภาพเปล่งรังสี (emissitivity) ; มีค่า 0 ถึง 1 = ความสามารถในการแผ่รังสีของวัตถุ

45. การแผ่รังสีความร้อน วัตถุตั้งในสิ่งแวดล้อมอุณหภูมิ Taวัตถุจะดูดกลืนรังสีจากสิ่งแวดล้อม (a: absorption , ดูดกลืน)  : (0-1) เมื่อ Ra = อัตราการดูดกลืนรังสีของวัตถุ Ta = อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม, เคลวิน, Te = อุณหภูมิของวัตถุ : เคลวิน Te > Taอุณหภูมิวัตถุลดลง , Re > Ra ถ้า Te < Taอุณหภูมิวัตถุเพิ่มขึ้น , Re < Ra ปริมาณสุทธิที่วัตถุได้รับพลังงาน ดูด Rเป็นลบ อุณหภูมิของวัตถุจะเพิ่ม R = Re - Ra แผ่ Rเป็นบวก อุณหภูมิของวัตถุจะลด

46. ตัวอย่าง: จงหา Qที่ทำให้น้ำแข็ง 250 g ที่ 00C กลายเป็นน้ำหมดและสุดท้ายน้ำ 10 g เดือดกลายเป็นไอ (กำหนด cน้ำ= 4.2 kJ/kg-K, Lm=334 kJ/kg, Lv=2260 kJ/kg) วิธีทำ น้ำแข็งน้ำที่ 00C: น้ำที่ 00C น้ำ 1000C: น้ำ 10 gไอน้ำ 1000C : ดังนั้น ความร้อนทั้งหมดที่ต้องใช้ เท่ากับ 83.5 kJ + 105 kJ + 22.6 kJ = 211.1 kJ

47. ตัวอย่าง : แผ่นทองเหลือง 2 แผ่น แต่ละแผ่นมีความหนา 0.5 cm ระหว่างแผ่นทั้งสองมีแผ่นยางวางกั้นอยู่เป็นแซนวิชหนา 0.1 cm ผิวนอกของแผ่นหนึ่งมีอุณหภูมิ 00C และผิวนอกของอีกแผ่นมีอุณหภูมิ 1000C จงหาค่าอุณหภูมิที่ผิวทั้งสองของแผ่นยางที่ถูกประกบอยู่โดยสมมติให้การถ่ายเทความร้อนเป็นแบบมิติเดียว สภาวะคงตัว และ ขนาดพื้นที่หน้าตัดขวางของแผ่นทองเหลืองและยางมีค่าเท่ากัน (กำหนดให้สภาพการนำความร้อนของทองเหลืองมีค่า 490 เท่าของสภาพนำความร้อนของแผ่นยาง) 0.5cm 0.5cm 00C 1000C ยาง ทองเหลือง 0.1cm

48. วิธีทำ กำหนดที่ผิวแผ่นยางทั้งสองด้านมีอุณหภูมิ T1และ T2 ณ ที่สภาวะคงที่ ความร้อนที่ถ่ายเทระหว่างชั้นของวัสดุจะมีค่าเท่ากัน (ความร้อนขาเข้าจะเท่ากับความร้อนขาออก) ดังนั้น T1 T2 100C 0C จาก 1 และ 2 จะได้ และ จาก 2 และ 3 จะได้ จากการแก้สมการจะได้ว่า ตอบ

49. Physics 207105Thermodynamics-3

50. อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics)-3 • กฎเกี่ยวกับแก๊ส • และทฤษฎีจลน์ของแก๊ส