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

  ความร้อนแฝงจำเพาะเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็น J/kg หรือ cal/g

  
  

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

  ออออออออออออออออออ

  ดังนั้น
  ออออออออออvvvvvvvvvvvvvvvออออออออΔQ = mL
  
  

  ตารางแสดงตัอย่างค่าความร้อนแฝงจำเพาะของสาร