วันพุธที่ 12 กันยายน พ.ศ. 2555

พลังงานความร้อน


  •    พลังงานความร้อน



    อออออ หมีขาว มักจะเป็นขวัญใจของเด็กๆ สีขาวสะอาดตา ทำให้มันดูน่ากอดมากกว่าน่ากลัว ถิ่นที่อยู่ของหมีขั้วโลกนั้น ก็คือ บริเวณขั้วโลกเหนือหรืออาร์กติกเท่านั้น แต่ปัจจุบันนั้น หมีขาวเป็นสัตว์สายพันธุ์ที่เสี่ยงต่อการสูญพันธุ์เป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากถิ่นที่อยู่อาศัยของหมีขาวซึ่งก็คือแผ่นน้ำแข็งบริเวณขั้วโลกนั้น ลดปริมาณลงอย่างมาก อย่างที่เรามักจะได้ยินกันนะครับว่าปรากฏการณ์โลกร้อนส่งผลให้น้ำแข็งขั้วโลกละลาย แล้วเราจะสามารถบอกได้หรือไม่ว่า อุณหภูมิเฉลี่ยของโลกที่สูงขึ้น จะทำให้น้ำแข็งขั้วโลกละลายในอัตราเร้วเท่าใด ในองคฺความรู้นี้ เราจะมาศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานความร้อนและการเปลี่ยนสถานะของสสารกันครับ
    อออออ จากการศึกษาเรื่องพลังงานความร้อน พบว่า เมื่อวัตถุได้รับความร้อน อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง แต่ในบางครั้ง เมื่อวัตถุได้รับความร้อนแล้วอุณหภูมิไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่พบว่าสถานะของวัตถุจะเปลี่ยนไป ซึ่งโดยทั่วไปเราจำแนกสถานะของสารออกเป็น 3 ลักษณะ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ซึ่งสารสามารถเปลี่ยนสถานะจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่งได้โดยการรับหรือคายพลังงานความร้อนออกจากสารนั้น
    อออออ ตัวอย่างการทดลองเพื่อศึกษาอุณภูมิของน้ำแข็งขณะน้ำแข็งละลาย (จุดหลอมเหลว)
    รูปแสดง การทดลองเพื่อศึกษาจุดหลอมเลวของน้ำแข็ง
    อออออ การทดลองเพื่อศึกษาอุณหภูมิของน้ำแข็งขณะหลอมเหลวนั้นสามารถทำการทดลองได้อย่างง่ายดาย เพียงแค่ใช้เทอร์มอมิเตอร์วัดอุณหภูมิของน้ำแข็งพร้อมกับจับเวลา จนกระทั่งน้ำแข็งละลายหมด และกลับมามีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น หากเราคิดว่าตลอดเวลาการทดลอง น้ำแข็งได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมในอัตราที่คงที่ เมื่อนำข้อมูลอุณหภูมิของน้ำแข็งและเวลามาเขียนกราฟ จะได้กราฟความสัมพันธ์ดังนี้
    อออออ โดยทั่วไป ในการเปลี่ยนสถานะของสารที่อุณหภูมิเท่ากับจุดหลอมเหลว หากจะเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว ต้องใช้พลังงานเท่ากับความร้อนแฝงของการหลอมเหลว ในขณะที่การเปลี่ยนสถานะของของเหลวเป็นของแข็ง ต้องคายพลังงานในจำนวนที่เท่ากัน
    อออออ ในทางกลับกัน หากนำน้ำใส่ตู้แช่เข็งที่มีอุณหภูมิต่ำมากๆ แล้ววัดอุณหภูมิของน้ำ จะพบว่า ในช่วงแรก น้ำจะมีอุณหภูมิลดลงอย่างรวดเร็ว จนถึงช่วงหนึ่ง ซึ่งน้ำมีอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส อุณหภูมิจะคงที่ ในขณะที่น้ำเริ่มกลายเป็นน้ำแข็งทีละน้อย หลังจากที่น้ำแข็งตัวหมดแล้ว อุณหภูมิของน้ำ (ที่เป็นน้ำแข็ง) ก็จะลดลงอย่างรวดเร็วอีกครั้ง
    เหตุที่อุณหภูมิของน้ำคงที่ในช่วงที่น้ำอยู่ที่จุดหลอมเหลวนั้น เพราะมีการคายพลังงานซึ่งเท่ากับความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำออกมา เพื่อทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งได้ ก่อนที่จะกลายเป็นน้ำแข็งทั้งหมด อุณหภูมิจึงไม่ลดลงในช่วงนั้น หลังจากนั้นก็จะไม่มีการคายพลังงานในส่วนนี้ อุณหภูมิจึงลดลงอีกครั้ง
    อออออ ในลักษณะเดียวกัน หากเราให้ความร้อนแก่น้ำจนกระทั่งน้ำเดือดกลายเป็นไอ เราก็จะพบว่าในขณะที่น้ำกำลังเดือด อุณหภูมิของน้ำก็คงที่เช่นเดียวกัน ทั้งนี้เพราะ น้ำใช้พลังงานความร้อนที่เข้าไปในการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นแก๊ส

    อออออ ในการหาพลังงานความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสาร ต้องอาศัยปริมาณบางปริมาณมาเกี่ยวข้องด้วย คือ
    1. ความร้อนแฝง (Latent Heat) คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะ โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง
    2. ความร้อนแฝงจำเพาะ (Specific Latent Heat, "L") คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้วัตถุมวล 1 หน่วย เปลี่ยนสถานะ โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง 

    อออออ กำหนดให้วัตถุมวล m เมื่อได้รับความร้อน ΔQ พบว่า สถานะของวัตถุเปลี่ยนหมดพอดี โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง
    ถ้ามวล m เปลี่ยนสถานะหมดพอดีใช้ความร้อน ΔQ
    ถ้ามวล 1 หน่วย เปลี่ยนสถานะหมดพอดีใช้ความร้อน ΔQ/m
    ดังนั้น
    ออออออออออออออออออ«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»L«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mrow»«mo»§#9651;«/mo»«mi»Q«/mi»«/mrow»«mi»m«/mi»«/mfrac»«/math»
    ความร้อนแฝงจำเพาะเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็น J/kg หรือ cal/g

    การหาปริมาณความร้อนที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะ
    อออออ กำหนดให้วัตถุมวล m มีความร้อนแฝงจำเพาะ L เมื่อได้รับความร้อน ΔQ ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะหมดพอดี จากนิยามของ L ที่ว่า

    ออออออออออออออออออ«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»L«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mrow»«mo»§#9651;«/mo»«mi»Q«/mi»«/mrow»«mi»m«/mi»«/mfrac»«/math»
    ดังนั้น
    ออออออออออvvvvvvvvvvvvvvvออออออออΔQ = mL

    ตารางแสดงตัอย่างค่าความร้อนแฝงจำเพาะของสาร

วันพุธที่ 15 สิงหาคม พ.ศ. 2555

พลังงานความร้อน

วันจันทร์นี้ ครูไม่อยู่ให้นักเรียนชั้น ม.5/1 ทำรายงานใน blogger นะครับ หัวข้อ 

ความร้อน
-พลังงานความร้อน
-พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนสถานะของสาร
-สมดุลความร้อน
-การถ่ายเทความร้อน
-สมบัติของแก๊สในอดมคติ
-กฎของบอยด์(Robert Boyle)
-กฎของชาร์ล(Charles’s law)
-กฎของเกย์-ลูกแซก(Gay-Lussac’s law)
-แบบจำลองของแก๊ส
-ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
-การหาอุณหภูมิผสมและความดันผสมจากทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
-พลังงานภายในระบบ
-การประยุกต์
-ตัวอย่างการคำนวณ


พลังงานความร้อน
การถ่ายโอนพลังงานความร้อน
การถ่ายโอนพลังงานความร้อน เป็นการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างที่สองแห่งที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน วิธีการถ่ายโอน พลังงานความร้อนแบ่งได้เป็น 3 วิธี ดังนี้
1. การถ่ายโอนความร้อนโดยการนำความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามเนื้อของวัตถุจากตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่ตำแหน่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่วัตถุที่เป็นตัวกลางในการถ่ายโอนความร้อนไม่ได้เคลื่อนที่ เช่น การนำแผ่นอะลูมิเนียมมาเผาไฟ โมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียมที่อยู่ใกล้เปลวไฟจะร้อนก่อนโมเลกุลที่อยู่ไกลออกไป เมื่อได้รับความร้อนจะสั่นมากขึ้นจึงชนกับโมเลกุลที่อยู่ติดกัน และทำให้โมเลกุลที่อยู่ติดกันสั่นต่อเนื่องกันไป ความร้อนจึงถูกถ่ายโอนไปโดยการสั่นของโมเลกุลของแผ่นอะลูมิเนียม
โลหะต่างๆ เช่น เงิน ทอง อะลูมิเนียม เหล็ก เป็นวัตถุที่นำความร้อนได้ดี จึงถูกนำมาทำภาชนะในการหุงต้มอาหาร วัตถุที่นำความร้อนไม่ดีจะถูกนำมาทำฉนวนกันความร้อน เช่น ไม้ พลาสติก แก้ว กระเบื้อง เป็นต้น
2. การถ่ายโอนความร้อนโดยการพาความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยวัตถุที่เป็นตัวกลางในการพาความร้อนจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับความร้อนที่พาไป ตัวกลางในการพาความร้อนจึงเป็นสารที่โมเลกุลเคลื่อนที่ได้ง่าย ได้แก่ ของเหลวและแก๊ส ลมบกลมทะเลเป็นการเคลื่อนที่ของอากาศที่พาความร้อนจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่ง การต้ม การนึ่ง และการทอดอาหารเป็นการทำให้อาหารสุกโดยการพาความร้อน
3. การถ่ายโอนความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เช่น การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก การแผ่รังสีความร้อนจากเตาไฟไปยังอาหารที่ปิ้งย่างบนเตาไฟ เป็นต้น
สมดุลความร้อน
สมดุลความร้อน หมายถึง ภาวะที่สารที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน และถ่ายโอนความร้อนจนกระทั่งสารทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน (และหยุดการถ่ายโอนความร้อน) เช่น การผสมน้ำร้อนกับน้ำเย็นเข้าด้วยกัน น้ำร้อนจะถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กับน้ำเย็น และเมื่อน้ำที่ผสมมีอุณหภูมิเท่ากัน การถ่ายโอนความร้อนจึงหยุด
การดูดกลืนความร้อนของวัตถุ
วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนพลังงานรังสี การดูดกลืนพลังงานรังสีของวัตถุเรียกว่า "การดูดกลืนความร้อน" จากการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์พบว่า วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบหรือสีเข้ม จะดูดกลืนความร้อนได้ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวหรือสีอ่อนจะดูดกลืน ความร้อนได้ไม่ดี
ในทำนองตรงกันข้าม วัตถุที่มีความร้อนทุกชนิดสามารถคายความร้อนได้เช่นกัน โดยวัตถุที่มีผิวนอกสีดำจะคายความร้อนได้ดี และวัตถุที่มีผิวนอกขาวจะคายความร้อนได้ไม่ดี
ในชีวิตประจำวันใช้ประโยชน์จากสมบัติของการดูดกลืนความร้อนและการคายความร้อนของวัตถุในการเลือกสีทาอุปกรณ์เครื่องใช้ต่างๆ เช่น ชุดนักดับเพลิงมีสีสว่างและแวววาวเพื่อไม่ให้รับพลังงานความร้อนมากเกินไป บ้านเรือนที่อยู่อาศัยในเขตร้อนนิยมทาด้วยสีขาว เป็นต้น
การขยายตัวของวัตถุ
วัตถุบางชนิดจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและจะหดตัวเมื่อคายความร้อน การขยายตัวของวัตถุเป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัตถุ อัตราส่วนระหว่างขนาดของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงไปกับขนาดเดิมของวัตถุต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง เรียกว่า "สัมประสิทธิ์ของการขยายตัว" วัตถุใดที่มีสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวมากจะขยายตัวได้มากกว่าวัตถุที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวน้อย เช่น ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส และความดันบรรยากาศเดียวกัน สังกะสี ตะกั่ว อะลูมิเนียม จะขยายตัวได้มากไปน้อย ตามลำดับ
ความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง เช่น การเว้นรอยต่อของรางรถไฟ การเว้นช่องว่างของหัวสะพาน การประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ และการติดตั้งเทอร์มอสแตตไฟฟ้า เพื่อใช้ควบคุมระดับอุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น

การเลี้ยวเบนของคลื่น

การบ้าน 5/1 ให้ส่งเว็บบล็๋อก หัวข้อต่อไปนี้นะครับ
------------------------
คลื่นกล
-การจำแนกคลื่นกล
-คลื่นกับการส่งผ่านพลังงาน
-คลื่นบนเส้นเชือกและผิวน้ำ
-ส่วนประกอบของคลื่น
-อัตราเร็วของคลื่น
-การบอกตำแหน่งของการเคลื่อนที่แบบคลื่น
-ถาดคลื่น
-หน้าคลื่น
-คลื่นดลและคลื่นต่อเนื่อง
-การซ้อนทับของคลื่น
-สมบัติของคลื่น
-สมบัติของคลื่น
-การสะท้อนของคลื่น
-การหักเหของคลื่น
-การแทรกสอดของคลื่น
-คลื่นนิ่ง
-การสั่นพ้อง
-การเลี้ยวเบนของคลื่น

การเลี้ยวเบนของคลื่น



การเลี้ยวเบนของคลื่น (Diffraction of Wave)
        การเลี้ยวเบนของคลื่นเกิดขึ้นได้ เมื่อคลื่นจากแหล่งกำเนิดอาพันเดินทางไปพบสิ่งกีดขวางที่มีลักษณะเป็นขอบหรือช่องที่มีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น ทำให้คลื่นเคลื่อนที่เลี้ยวผ่านสิ่งกีดขวางไปได้ ซึ่งอธิบายได้โดยใช้หลักของฮอยเกนส์  ซึ่งกล่าวไว้ว่า "ทุก ๆ จุกบนหน้าคลื่นอาจถือได้ว่าเป็นจุดกำเนิดคลื่นใหม่ที่ให้คลื่นความยาวคลื่นเดิมและเฟสเดียวกัน"  ดังแสดงในสถานการณ์จำลอง ดังนี้

                                                        รูปแสดง หลักของฮอยเกนส์

 รูป แสดงการเลี้ยวเบนผ่านช่องเดี่ยวที่มีขนาดของช่องต่างกัน (คลิกเมาส์ที่รูป ดูการเลี้ยวเบนผ่านช่อง)
รูปข้างล่าง แสดงการเลี้ยวเบนของคลื่นผ่านช่องขนาดต่าง ๆ  กัน
รูป
แสดงการเลี้ยวเบนเมื่อช่องขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น
 ( d>>λ )
รูป
 แสดงการเลี้ยวเบนเมื่อช่องขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่น
 ( d>λ )
รูป
 แสดงการเลี้ยวเบนเมื่อช่องขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น
  ( d~λ )
รูป
 แสดงการเลี้ยวเบนเมื่อช่องขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น
 ( d<λ )
      
รูป แสดงการเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวาง(คลิกเมาส์ที่รูป ดูการเลี้ยวเบนผ่านสิ่งกีดขวาง)



รูป แสดงการเลี้ยวเบนผ่านขอบ ( คลิกเมาส์ที่รูป ดูการเลี้ยวเบนผ่านขอบ )
 




สมบัติของแสงเชิงกายภาพ (แสงเชิงฟิสิกส์)การเลี้ยวเบนของแสงผ่านสลิตเดี่ยว (single slit)
       การเลี้ยวเบนของแสงเกิดขึ้นได้ เมื่อแสงจากแหล่งกำเนิดแสงอาพันธ์เดินทางผ่านช่องแคบที่มีขนาดเล็กใกล้เคียงกับความยาวคลื่นแสง
ทุกๆ จุดบนช่องเดี่ยวจะทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสงใหม่ ตามหลักของฮอยเกน แสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่จะเกิดการซ้อนทับกันบนฉาก ทำให้เราเห็นเป็นแถบมืดและแถบสว่าง ดังรูป


จากการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์จะได้ว่า
 เงื่อนไขสำหรับการหาแถบมืดใดๆ คือ
                      ใช้เมื่อมีมุมเข้ามาเกี่ยวข้อง
                      ใช้เมื่อรู้ค่า D  หรือค่า x
a = ความกว้างของช่องสลิต (เมตร)
= มุมที่เบนไปจากแนวกลาง
n = จำนวนเต็มบวก ( 1, 2, 3, .... )
l =  ความยาวคลื่นแสง (เมตร)
x =  
ระยะจากกึ่งกลางของแถบสว่างกลางถึง กึ่งกลางของแถบมืดที่ ใด ๆ
D = 
ระยะจากช่องเดี่ยวถึงฉาก (เมตร)
ถ้าเราแบ่งช่องเดี่ยวออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน คือครึ่งบนและครึ่งล่าง แสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ครึ่งบนจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างด้านบนของแถบสว่างกลาง และแสงจากแหล่งกำเนิดแสงใหม่ครึ่งล่างจะทำให้เกิดแถบมืดแถบสว่างด้านล่างของแถบสว่างกลาง

จากรูป แสดงการเลี้ยวเบนผ่านช่องเดี่ยวที่มีความกว้างต่างกัน