ฟิสิกส์ความร้อน

สสารมีสามสถานะคือ ของแข็ง, ของเหลว และ แก๊ส

การเปลี่ยนสถานะมีดังนี้: การหลอมเหลว (ของแข็ง → ของเหลว), การเดือด/การระเหย (ของเหลว → ก๊าซ), การควบแน่น (ก๊าซ → ของเหลว) และ การแข็งตัว (ของเหลว → ของแข็ง) ในการควบแน่นอนุภาคก๊าซจะเคลื่อนที่ช้าลงและเข้าใกล้กันเพื่อสร้างเป็นของเหลว ในการแข็งตัวอนุภาคของเหลวจะสูญเสียพลังงานและจัดเรียงอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอน

สสารทั้งหมดประกอบด้วย อนุภาค ขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ตลอดเวลา นี่คือโมเดลอนุภาคเชิงจลน์

• ในของแข็ง อนุภาคจะ สั่น อยู่เฉพาะในตำแหน่งที่กำหนดไว้เท่านั้น
• ในของเหลว อนุภาคยังคงอยู่ใกล้กันแต่สามารถเลื่อนผ่านกันได้
• ในก๊าซ อนุภาคอยู่ห่างกันมากและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วในทิศทางสุ่ม

อุณหภูมิและพลังงานของอนุภาค

เมื่อให้ความร้อนกับสาร อนุภาคของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น จึงมี พลังงานจลน์ มากขึ้น อุณหภูมิ เป็นค่าวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาค

อุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้คือ ศูนย์สัมบูรณ์, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$ ที่จุดนี้ อนุภาคจะมีพลังงานน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นได้

ความดันของก๊าซ

อนุภาคของก๊าซชนกับผนังภาชนะของตน การชนแต่ละครั้งเป็นการผลักเล็กน้อย ความดัน ของก๊าซคือแรงรวมของการชนเหล่านี้ต่อหน่วยพื้นที่

• การให้ความร้อนแก่ก๊าซ (ที่ปริมาตรคงที่) ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้น ชนแรงขึ้นและบ่อยขึ้น ดังนั้นความดันจึงเพิ่มขึ้น
• การบีบอัดก๊าซให้เข้าไปอยู่ในปริมาตรที่เล็กลง (ที่อุณหภูมิคงที่) หมายถึงมีการชนต่อวินาทีมากขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ ดังนั้นความดันจึงเพิ่มขึ้น

สำหรับมวลของก๊าซที่กำหนดที่อุณหภูมิคงที่:

ดังนั้นหากปริมาตรลดลงครึ่งหนึ่ง ความดันจะเพิ่มขึ้นสองเท่า

ตัวอย่างวิธีทำ. ก๊าซมีปริมาตร $200\ \text{cm}^3$ ที่ความดัน $100\ \text{kPa}$ ถูกบีบอัดเหลือ $50\ \text{cm}^3$ ที่อุณหภูมิคงที่ จงหาความดันใหม่

เนื่องจาก $pV$ คงที่ ดังนั้น $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

หากคุณดูควันในอากาศภายใต้กล้องจุลทรรศน์ คุณจะเห็นจุดเล็กๆ เคลื่อนที่ในลักษณะกระตุกและสุ่ม นี่คือ การเคลื่อนที่แบบบราวียน จุดเล็กๆ เหล่านี้ถูกผลักโดยอนุภาคอากาศที่เร็วและไม่มองเห็นได้ซึ่งชนมัน เป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งสำหรับโมเดลอนุภาคเชิงจลน์

สเกลเคลวิน

นักวิทยาศาสตร์มักใช้สเกลอุณหภูมิ เคลวิน (K) ซึ่งเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ ในการแปลงค่า:

ดังนั้น $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$

ตัวอย่างวิธีทำ แปลง $25\,{}^{\circ}\text{C}$ เป็นเคลวิน และ $200\ \text{K}$ เป็นองศาเซลเซียส

เมื่อสสารได้รับความร้อน อนุภาคของมันจะเคลื่อนที่มากขึ้นและกินพื้นที่มากขึ้น ทำให้วัสดุขยายตัว ก๊าซขยายตัวมากที่สุด ตามด้วยของเหลว แล้วถึงของแข็ง ลำดับนี้เกิดจากแรงระหว่างอนุภาค: ในของแข็ง อนุภาคถูกยึดติดกันใน โครงผลึก (รูปแบบที่กำหนดไว้) ดังนั้นจึงสั่นได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น; ในของเหลวถูกยึดด้วยแรงน้อยกว่า; ในก๊าซแรงมีความอ่อนแอกว่ามาก ดังนั้นอนุภาคจึงกระจายออกได้มากกว่ามาก

ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน: ทิ้งช่องว่างระหว่างรางรถไฟ; สะพานวางอยู่บนลูกกลิ้ง; ฝาโลหะที่แน่นจะคลายออกเมื่อได้รับความร้อน

พลังงานภายใน ของวัตถุคือพลังงานรวมของอนุภาคทั้งหมด ให้ความร้อนกับวัตถุจะเพิ่มพลังงานภายในของมันและมักจะทำให้สูงขึ้นอุณหภูมิ它也

ความจุความร้อนจำเพาะ คือพลังงานที่ต้องการเพื่อ升高อุณหภูมิของวัสดุ 1 กิโลกรัม ขึ้น 1 °C

วัสดุที่มีความจุความร้อนจำเพาะสูง (เช่น น้ำ) ต้องการพลังงานมากในการทำความร้อนและเย็นลงช้า

ตัวอย่างวิธีทำ. ต้องใช้พลังงานเท่าไหร่ในการทำความร้อน $2.0\ \text{kg}$ ของน้ำจาก $20\,{}^{\circ}\text{C}$ ไปยัง $70\,{}^{\circ}\text{C}$? ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำคือ $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$

จัดรูป $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ ใหม่จะได้ $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, โดยที่ $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

การวัดความจุความร้อนจำเพาะ. สำหรับของแข็ง ใช้บล็อกโลหะที่มีรูสองรู: รูหนึ่งสำหรับเครื่อง ให้ความร้อน ไฟฟ้า และอีก รูหนึ่งสำหรับ เทอร์โมมิเตอร์ วัดมวล $m$ ของบล็อก เปิดเครื่องให้ความร้อนเป็นเวลา $t$ ที่วัดได้ และบันทึกกระแสไฟ $I$ และแรงดันไฟฟ้า $V$, ดังนั้นพลังงานที่จ่ายเข้าไปคือ $E = IVt$ (หรืออ่านค่าพลังงานจากจูลมิเตอร์) บันทึกการ升高อุณหภูมิ $\Delta\theta$. จากนั้น $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. สำหรับของเหลว, ให้ความร้อนมวลของเหลวที่วัดได้ในภาชนะและคนให้混匀, เพื่อให้混匀อุณหภูมิเท่ากันทั่วทั้งภาชนะ ห่อブロックหรือภาชนะด้วย ฉนวน, เพื่อลดการรั่วไหลของพลังงานสู่บรรยากาศ

การหลอมเหลว และ การเดือด ต้องใช้พลังงาน แต่อุณหภูมิจะคงที่ขณะเปลี่ยนสถานะ พลังงานนี้ใช้เพื่อทำลายแรงระหว่างอนุภาค สำหรับน้ำที่ความดันบรรยากาศปกติ การหลอมเหลวเกิดขึ้นที่ $0\,{}^{\circ}\text{C}$ และการเดือดเกิดขึ้นที่ $100\,{}^{\circ}\text{C}$

*ขณะที่สารละลายและ mientras它 boiling อุณหภูมิจะคงที่ แม้ว่าจะมีการเพิ่มพลังงานอย่างต่อเนื่องก็ตาม

การระเหย คือกระบวนการที่ของเหลวเปลี่ยนเป็นแก๊สที่ผิวหน้า โดยต่ำกว่าจุดเดือด อนุภาคที่มีความเร็วที่สุดจะหลุดออกจากผิวหน้า เมื่ออนุภาคที่มีพลังงานสูง (เร็วที่สุด) ออกไป พลังงานเฉลี่ยของอนุภาคที่เหลืออยู่จึงลดลง ทำให้ของเหลว เย็นลง วัตถุที่สัมผัสกับของเหลวที่กำลังระ,evaporate ก็เย็นลงเช่นกัน เนื่องจากของเหลวดูดความร้อนจากวัตถุนั้น นี่คือเหตุผลที่เหงื่อทำให้ผิวหนังเย็นลง

การระเหยเกิดขึ้นได้เร็วกว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พื้นที่ผิวกว้างขึ้น และมีกระแสอากาศไหลผ่านผิวหน้ามากขึ้น

พลังงานความร้อนเคลื่อนที่จากแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ในสามรูปแบบ

การนำความร้อน

การนำความร้อน คือการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านวัสดุโดยไม่มีการเคลื่อนที่ของตัววัสดุนั้นเอง อนุภาคในของแข็งจัดเรียงอยู่ในโครงผลึก อนุภาคที่ถูกทำความร้อนจะสั่นสะเทือนมากขึ้นและส่งต่อพลังงานให้เพื่อนบ้าน ในโลหะ อิเล็กตรอนอิสระ (electrons ที่ไม่ติดกับอะตอม) จะพาพลังงานไปอย่างรวดเร็ว ดังนั้นโลหะจึงเป็น ตัวนำความร้อนที่ดี

วัสดุที่นำความร้อนไม่ดี (เช่น อากาศ ไม้ และพลาสติก)被称为 ฉนวนกันความร้อน

การทดสอบตัวนำความร้อน ยึดหมุดกระดาษด้วยขี้ผึ้งเล็กน้อยไว้ที่ปลายหนึ่งของแท่งทองแดง เหล็ก แก้ว และไม้ แล้วให้ความร้อนที่ปลายอีกด้านเท่าๆ กัน หมุดจะหลุดจากแท่งทองแดงก่อน ตามด้วยแท่งเหล็ก และสุดท้าย (หรืออาจไม่หลุดเลย) จากแก้วและไม้: โลหะคือตัวนำที่ดีที่สุด แท่งโลหะที่จับไว้ในเปลวไฟจะร้อนทันที ส่วนแท่งไม้จะไม่ร้อน

แก๊สและของเหลวส่วนใหญ่เป็นตัวนำความร้อนไม่ดี เพราะอนุภาคอยู่ห่างกันมากและส่งต่อพลังงานกันได้ก็ต่อเมื่อเกิดการชนกันโดยบังเอิญ ไม่มีโครงผลึกและไม่อิเล็กตรอนอิสระ

การพาความร้อน

การพาความร้อน เกิดขึ้นในของเหลวและแก๊ส เมื่อของไหลได้รับความร้อนจะขยายตัว ความหนาแน่นลดลง และลอยตัวขึ้น ของไหลที่เย็นกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่าจะจมลงไปแทนที่ ลูปของการเคลื่อนที่ของของไหลนี้เรียกว่า กระแสการพาความร้อน

การสาธิตการพาความร้อน หยดผลึกสีม่วงของ โพแทสเซียมเพอร์แมงกาเนต ลงในถ้วยวัดปริมาณน้ำแล้วให้ความร้อนถ้วยเบาๆ ใต้ผลึก จะเห็นสายสีลอยขึ้นเหนือแหล่งความร้อน แพร่กระจายไปทั่วด้านบน และจมลงตามขอบด้านข้าง ในอากาศ เทียนที่จุดอยู่ใต้ปล่องควันด้านหนึ่งของกล่อง烟雾箱 ดึงควันลงปล่องควันอีกด้านและลอยขึ้นเหนือเปลวไฟ

การพาความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นในของแข็งได้เพราะอนุภาคไม่สามารถเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้

การแผ่รังสี

รังสีความร้อน คือพลังงานที่พาไปด้วยคลื่น อินฟราเรด วัตถุทุกชนิดปล่อยรังสีนี้ออกมา และไม่จำเป็นต้องมีสื่อกลางในการเดินทาง สามารถทะลุผ่านอวกาศว่างเปล่าได้ (นี่คือวิธีที่พลังงานจากดวงอาทิตย์มาถึงเรา)

พื้นผิวที่เป็น ด้าน และสีดำ เป็น ผู้ปล่อย และ ผู้ดูดซับ อินฟราเรดได้ดี พื้นผิวที่เป็นมันเงาและสีขาว เป็นผู้ปล่อยที่ไม่ดีและเป็น ตัวสะท้อน ที่ดี

เปรียบเทียบพื้นผิว เติมกระป๋องสองใบ一个ด้านเป็นสีดำด้าน อีกด้านเป็นสีเงินมันเงา ด้วยน้ำร้อนที่มีอุณหภูมิเท่ากัน แล้วใส่เทอร์โมมิเตอร์ในทั้งสองใบ กระป๋องสีดำจะเย็นลงเร็วกว่า แสดงว่าเป็นผู้ปล่อยที่ดีกว่า จากนั้นนำกระป๋องทั้งสองใบที่เต็มไปด้วยน้ำเย็นวาง距热源เท่ากัน กระป๋องสีดำจะอุ่นขึ้นเร็วกว่า แสดงว่าเป็นผู้ดูดซับที่ดีกว่า ลูกบาศก์เลสลี (กล่องโลหะที่มีแต่ละด้านเป็นพื้นผิวที่แตกต่างกัน) แสดงผลลัพธ์เดียวกัน

วัตถุจะคงอุณหภูมิไว้ได้เมื่อปล่อยพลังงานในอัตราเท่ากับที่ดูดซับพลังงาน อัตราการปล่อยจะเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นผิวยิ่งร้อนและยิ่งใหญ่ หากวัตถุดูดซับพลังงานได้เร็วกว่าที่ปล่อย出来 อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น; ถ้าปล่อยออกได้เร็วกว่าที่ดูดซับ出来 อุณหภูมิจะลดลง

อุณหภูมิของโลก โลกดูดกลืนรังสีจากดวงอาทิตย์และปล่อยรังสีอินฟราเรดกลับสู่อวกาศ อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกจะคงที่ก็ต่อเมื่ออัตราการดูดกลืนและการปล่อยรังสีเท่ากัน สิ่งใดเปลี่ยนแปลงสมดุลนี้จะทำให้เปลี่ยนอุณหภูมิ ก๊าซใน บรรยากาศ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดส่วนหนึ่งและส่งกลับมาบางส่วน ทำให้ก๊าซเหล่านี้มากขึ้นทำให้โลกอุ่นขึ้น เมฆและน้ำแข็งสะท้อนแสงอาทิตย์ที่เข้ามา ดังนั้นน้ำแข็งน้อยลงหมายถึงการดูดกลืนพลังงานมากขึ้น และโลกจะอุ่นขึ้นอีก

ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน

• กระทะทำครัวมีฐานโลหะที่นำความร้อนไปยังอาหารได้อย่างรวดเร็ว และมีด้ามจับพลาสติกหรือไม้ซึ่งเป็นฉนวนกันความร้อน ทำให้คุณถือได้ปลอดภัย
• เครื่องทำความร้อน อุ่นห้องด้วยการพาความร้อน: อากาศข้างๆ它อุ่นขึ้น ลอยขึ้น และอากาศเย็นไหลเข้ามาแทนที่ ทำให้ทั้งห้องอุ่นขึ้น
• การนั่งใกล้กองไฟ คุณจะรู้สึกถึงความร้อนแบบรังสีบนใบหน้าทันที; อากาศระหว่างคุณกับกองไฟเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี
• ขวดสุญญากาศ ช่วยรักษาอุณหภูมิของเครื่องดื่มให้ร้อนโดยขัดขวางการถ่ายโอนความร้อนทั้งสามแบบ: สุญญากาศระหว่างผนังสองชั้นช่วยหยุดการนำและความร้อนด้วยการพา และพื้นผิวสีเงินมันเงาช่วยหยุดการแผ่รังสี

• ใน แบบจำลองอนุภาคจลน์ การให้ความร้อนแก๊สทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้นชนผนังแรงและบ่อยขึ้น ส่งผลให้ความดันเพิ่มขึ้น ส่วนตัวอนุภาคเองไม่ได้มีขนาดใหญ่ขึ้น
• การระเหย เกิดขึ้นเฉพาะที่ผิวด้านบนและสามารถเกิดขึ้นได้ทุกอุณหภูมิ ในขณะที่ การเดือด เกิดขึ้นทั่วทั้งของเหลวที่อุณหภูมิคงที่หนึ่งเดียว การระเหยทำให้ของเหลวที่เหลืออยู่เย็นลง เนื่องจากอนุภาคที่มีพลังงานสูงที่สุดจะหลุดออกนอกของเหลว
• ระหว่าง การหลอมละลาย และ การเดือด อุณหภูมิจะคงที่แม้ว่าจะมีการจ่ายพลังงานเข้ามาอย่างต่อเนื่อง — พลังงานนี้จะใช้เพื่อทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค
• สำหรับ ความจุความร้อนจำเพาะ ให้ใช้ $\Delta E = mc\,\Delta\theta$ โดยที่ $\Delta\theta$ คือ การเปลี่ยนแปลง ของอุณหภูมิ ไม่ใช่ค่าอุณหภูมิสุดท้าย
• พื้นสีดำด้านเป็น ตัวแผ่รังสีและตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ที่ดีที่สุด ส่วนพื้นผิวมันแสงสว่างจะเป็นตัวสะท้อนที่ดีที่สุด การพาความร้อน ต้องอาศัยของไหลในการไหลเวียน จึงไม่สามารถเกิดขึ้นในของแข็งได้