การขยายตัวด้วยความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะ
| English | ไทย |
|---|---|
| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | ความจุความร้อนจำเพาะ |
| thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ | การขยายตัวจากความร้อน |
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | พลังงานภายใน |
ทำไมสะพานถึงมีช่องว่าง
- รेलทางรถไฟมีช่องว่างเล็กๆ; สะพานวางอยู่บนลูกกลิ้ง; สายไฟห้อยหย่อนคล้อยในฤดูร้อน
- ทั้งหมดเกิดจากเหตุผลเดียวกัน: สิ่งต่างๆ ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน
- การให้ความร้อนยังเก็บพลังงานภายในสสาร — วัดได้จาก ความจุความร้อนจำเพาะ ของมัน
การขยายตัวด้วยความร้อน
- ให้ความร้อนวัสดุและอนุภาคของมันเคลื่อนที่มากขึ้น จึงกินพื้นที่ มากขึ้น — มันจะ ขยายตัว
- ก๊าซ ขยายตัวมากที่สุด ตามด้วย ของเหลว แล้วจึงเป็น ของแข็ง (ซึ่งอนุภาคถูกยึดติดแน่น)
- วิศวกรทิ้ง ช่องว่าง ไว้ในรางและวางสะพานบน ลูกกลิ้ง เพื่อให้การขยายตัวไม่ทำให้มันบิดเบี้ยว
- ฝาโลหะปิดสนิทจะคลายออกเมื่อเอาไปล้างน้ำร้อน — โลหะขยายตัว
การขยายตัวด้วยความร้อน: การให้ความร้อนทำให้รางยาวขึ้น ปิดช่องว่างที่เหลือไว้ให้
ตัวอย่างวิธีทำ. สะพานเหล็กมีความยาว $50\ \text{m}$ ที่ $10\ {}^{\circ}\text{C}$. เหล็กขยายตัวประมาณ $0.012\ \text{mm}$ ต่อเมตรต่อ ${}^{\circ}\text{C}$. หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น $40\ {}^{\circ}\text{C}$ (การเพิ่มขึ้น $30\ {}^{\circ}\text{C}$): การขยายตัว $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. นั่นคือเหตุผลที่สะพานมีข้อต่อขยายตัว!
อนุภาคไม่ได้มีขนาดใหญ่ขึ้น. เมื่อของแข็งขยายตัว อนุภาคเองมีขนาดเท่าเดิม — มันแค่สั่นมากขึ้นและผลักกัน ไกลขึ้น นี่เป็นความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในการสอบ
การให้ความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะ
Q = mcΔT
พลังงานความร้อนที่ต้องการ แปรผันตรงกับ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ สำหรับมวลวัสดุที่กำหนด
สำหรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเท่ากัน物质哪个膨胀得最多？
แก๊สขยายตัวมากที่สุด ตามด้วยของเหลว แล้วถึงของแข็ง (ซึ่งอนุภาคถูกยึดเกาะแน่นที่สุด)
ทำไมต้องเว้นช่องว่างเล็กๆ ระหว่างทางรถไฟ?
ในวันที่ร้อน รางจะขยายตัว ช่องว่างให้พื้นที่เพิ่มเติมสำหรับการขยายตัว tersebut sehingga track ไม่บิดเบี้ยว
พลังงานภายใน
- พลังงานภายใน ของวัตถุคือ พลังงานรวมของอนุภาคทั้งหมด (การเคลื่อนที่และการจัดเรียงตัวของมัน)
- การทำความร้อนวัตถุจะเพิ่มพลังงานภายใน — โดยทั่วไปจะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นด้วย
มือเดียวกันในแสงธรรมดาและผ่านกล้องความร้อน (อินฟราเรด)
ความจุความร้อนจำเพาะ
- ความจุความร้อนจำเพาะ $c$ คือพลังงานที่ใช้เพื่อ升高อุณหภูมิของ $1\ \text{kg}$ วัสดุ sebanyak $1\ {}^{\circ}\text{C}$:
- ดังนั้นพลังงานที่ใช้เพื่ออุ่นสิ่งใดสิ่งหนึ่งคือ $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- น้ำ มีค่า $c$ สูงมาก ($\approx 4200$ จูลต่อน้ำหนึ่งกิโลกรัมต่อองศาเซลเซียส): ต้องใช้พลังงานมากในการทำให้ร้อนและเย็นลงช้า นั่นคือเหตุผลที่ทะเลมีอุณหภูมิอ่อนโยนและน้ำถูกนำไปใช้ในระบบทำความร้อน
เทอร์โมมิเตอร์ดิจิทัลวัดอุณหภูมิ
ต้องใช้พลังงานเท่าไหร่ในการทำความร้อน $2.0\ \text{kg}$ ของน้ำให้สูงขึ้น $10\ {}^{\circ}\text{C}$? (ใช้ $c = 4200$ J ต่อ kg ต่อ °C.)
$\Delta E = mc\,\Delta\theta = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84\,000\ \text{J}$.
การเติม $8400\ \text{J}$ จะทำให้อุณหภูมิของ $0.50\ \text{kg}$ ของโลหะเพิ่มขึ้น $40\ {}^{\circ}\text{C}$ ความจุความร้อนจำเพาะของโลหะนี้มีค่าเท่าใด ในหน่วย J ต่อ kg ต่อ °C?
$c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J ต่อ kg ต่อ °C.
เนื่องจากน้ำมีความจุความร้อนจำเพาะสูง มันจึงอุ่นและเย็นลงช้า
ความจุความร้อนจำเพาะสูงหมายถึงต้องใช้พลังงานมากต่อหนึ่งองศา ดังนั้นน้ำจึงเปลี่ยนอุณหภูมิต่างๆ ช้า
คุณเข้าใจแล้ว
- การให้ความร้อนทำให้สสาร ขยายตัว — ก๊าซมากที่สุด ของแข็งน้อยที่สุด; ต้องเว้นช่องว่างไว้
- พลังงานภายใน = พลังงานรวมของอนุภาคทั้งหมด
- specific heat capacity $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, ดังนั้น $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- น้ำมีค่า $c$ สูง → อุ่นและเย็นช้า