ความร้อนและกฎเทอร์โมไดนามิกส์พื้นฐาน

วิชา ความร้อน และกฎเทอร์โมไดนามิกส์พื้นฐาน เอกสารประกอบการสอนรายวิชาเพิ่มเติม กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี รหัสวิชาว33201 ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา2566 หลักสูตรวิทยาศาสตร์ - คณิตศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6/2 - 6/4 โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น ฝ่ายมัธยมศึกษา (มอดินแดง) คณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น อาจารย์ เฉลิมวงศ์ ดอกประทุม

เอกสารประกอบการสอน รหัสวิชา ว33201 วิชาความร้อนและกฎเทอร์โมไดนามิกส์พื้นฐาน ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6/2 – 6/4 ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2566 อาจารย์เฉลิมวงศ์ ดอกประทุม วท.บ. (ฟิสิกส์ประยุกต์ อิเล็กทรอนิกส์) วท.ม. (ฟิสิกส์) ประกาศนียบัตรบัณฑิตวิชาชีพครู โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น ฝ่ายมัธยมศึกษา (มอดินแดง) คณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

ก คำนำ เอกสารประกอบการสอน วิชาความร้อนและกฎเทอร์โมไดนามิกส์พื้นฐาน ว33201 นี้ ประกอบด้วย 2 บท คือ สมบัติของแก๊สและทฤษฎีจลน์ และสมบัติของของเหลวและของแข็ง ซึ่งผู้รวบรวมได้จัดเรียงเนื้อหาตามลำดับ ขั้นการเรียนรู้จากง่ายไปยาก มีกิจกรรมการทดลองพร้อมทั้งโจทย์ปัญหาที่หลากหลาย เพื่อต้องการให้ผู้เรียนได้ฝึก ทักษะด้านต่าง ๆ และเป็นการเตรียมความพร้อมของนักเรียนที่จะเตรียมตัวสอบย่อย สอบกลางภาคเรียน สอบ ปลายภาคเรียน หรือสอบเข้ามหาวิทยาลัย ผู้รวบรวมหวังเป็นอย่างยิ่งว่าผู้ที่นำไปใช้และฝึกฝน หมั่นทำแบบฝึกหัดตลอดเวลาจะทำให้ผู้เรียนได้ ประโยชน์อย่างสูงสุดและมีผลสัมฤทธิ์ทางการเรียนสูงขึ้น เฉลิมวงศ์ ดอกประทุม

ข สารบัญ เรื่อง หน้า โครงสร้างรายวิชา จ บทที่ 15 สมบัติของแก๊ส และทฤษฎีจลน์ 1 15.1. ความร้อน (heat) 1 กิจกรรมที่ 15.1 ระดับความร้อน 2 15.1.1 อุณหภูมิ (temperature) 3 15.1.2 การเปลี่ยนรูปพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อน 5 กิจกรรมที่ 15.2 ความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำ 6 15.1.3 พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร 10 กิจกรรมที่ 15.3 ความร้อนกับการเปลี่ยนสถานะของสาร 12 15.1.4 พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนสถานะของสาร 14 15.1.5 การถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน 17 กิจกรรมที่ 15.4 สมดุลความร้อน 20 15.2 แก๊สอุดมคติ (Ideal gas) 23 15.2.1 แบบจำลองแก๊สอุดมคติ 23 กิจกรรมที่ 15.5 กฎของบอยล์ และกฎของชาร์ล 23 15.2.2 กฎของแก๊สอุดมคติ 25 15.3 ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (kinetic theory of gases) 30 15.4 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ (The first law of thermodynamics) 36 15.4.1 พลังงานภายในระบบ (internal energy of a system) 36 15.4.2 งาน (Work) 38 15.4.3 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ 40 15.5 การประยุกต์ของอุณหพลศาสตร์ 44 15.5.1 เครื่องยนต์ความร้อน (Heat engine) 44 15.5.2 ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ 46 แผนผังมโนทัศน์ (Mind mapping) 49 แบบฝึกหัด บทที่ 15 50 ข้อสอบสอบเข้ามหาวิทยาลัย 63 B-MAT 63 วิชาสามัญ (เดิม) หรือ A-LEVEL 63 TPAT2 & TPAT3 66 NETSAT 72

ค O-NET 72 บทที่ 16 สมบัติของของเหลวและของแข็ง 73 16.1 ของแข็งและสภาพยืดหยุ่นของของแข็ง 73 16.1.1 สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง 73 16.1.2 ความเค้น (stress) 74 16.1.3 ความเครียด (strain) 75 กิจกรรมที่ 16.1 มอดุลัสของยัง 76 16.1.4 มอดุลัสของยัง (Young’ s modulus) 78 กิจกรรมที่ 16.2 แรงตึงผิวของของเหลว 83 16.2 ความตึงผิวของของเหลว 84 16.2.1 การโค้งของผิวของเหลว (meniscus effect) 85 16.2.2 การซึมตามรูเล็ก (capillary action) 85 กิจกรรมที่ 16.3 ความหนืดของของเหลว 87 16.3 ความหนืดของของเหลว 89 16.4 ของไหลสถิต 91 16.4.1 ความดันในของแข็ง 91 กิจกรรมที่ 16.4 ความดันในของเหลว 92 16.4.2 ความดันในของเหลว 94 16.4.3 แรงที่ของเหลวกระทำต่อผนังภาชนะ 96 16.4.4 แรงดันของน้ำเหนือประตูหรือเขื่อน 97 16.4.5 อุปกรณ์ที่ใช้วัดความดัน 99 16.4.6 กฎของพาสคัล (Pascal’s law) 103 กิจกรรมที่ 16.5 แรงพยุง 105 16.4.7 แรงพยุงจากของไหล 106 16.5 พลศาสตร์ของของไหล 110 16.5.1 ของไหลอุดมคติ 110 16.5.2 สมการความต่อเนื่อง 110 16.5.3 สมการแบร์นูลลี (Bernoulli’s equation) 111 แผนผังมโนทัศน์ (Mind mapping) 116 แบบฝึกหัด บทที่ 16 117 ข้อสอบสอบเข้ามหาวิทยาลัย 131 B-MAT 131 วิชาสามัญ (เดิม) หรือ A-LEVEL 132 TPAT2 & TPAT3 135

ง NETSAT 140 O-NET 140 เอกสารอ้างอิง 141

จ โครงสร้างรายวิชา คำอธิบายรายวิชา ศึกษา วิเคราะห์และใช้คณิตศาสตร์และการคิดเชิงคำนวณในการคำนวณสภาพยืดหยุ่นของวัตถุ ขีดจำกัดการแปรผันตรง ขีดจำกัดสภาพยืดหยุ่น จุดแตกหัก ความเค้นและสภาพความเครียดตามยาว มอดูลัสของยัง สมบัติของของไหล ความหนาแน่น ความดันในของเหลว เครื่องมือวัดความดัน กฎของพาสคัล และเครื่องอัดไฮดรอลิก แรงลอยตัวและหลักอาร์คิมีดีส ความตึงผิว ความหนืด ของไหลอุดมคติ การไหลของของไหลตามอุดมคติ สมการความต่อเนื่อง สมการของแบร์นูลลี การ ประยุกต์สมการของ แบร์นูลลี อุณหภูมิ การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความร้อน สถานะและการเปลี่ยนแปลง สถานะของสาร การถ่ายโอนและแผ่รังสี ความร้อน กฎของบอยล์ กฎของชาร์ล กฎของแก๊ส แบบจำลองของแก๊ส ความดันและพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส อัตราเร็วโมเลกุล ของแก๊ส พลังงานในของระบบ การถ่ายโอนพลังงาน รวมทั้งทำปฏิบัติการต่าง ๆ แล้วนำไปวิเคราะห์และแปลความหมายข้อมูลได้ เพื่อให้เกิดความรู้ ความเข้าใจ มีทักษะกระบวนการ เจตคติและเห็นคุณค่าของวิทยาศาสตร์สามารถใช้กระบวนการทาง วิทยาศาสตร์และเจตวิทยาศาสตร์ในการสืบเสาะหาความรู้ และการแก้ปัญหา มีความสามารถ ในการสื่อสาร เพื่อให้เกิดความรู้ ความคิด ความเข้าใจ สามารถสื่อสารสิ่งที่เรียนรู้ มีความสามารถในการตัดสินใจ นำความรู้ไปใช้ใน ชีวิตประจำวัน มีจิตวิทยาศาสตร์ จริยธรรม คุณธรรม และค่านิยมที่เหมาะสม ผลการเรียนรู้ 1. อธิบายและคำนวณความร้อนที่ทำให้สสารเปลี่ยนอุณหภูมิ ความร้อนที่ทำให้สสารเปลี่ยนสถานะ และความร้อนที่เกิด จากการถ่ายโอนตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน 2. อธิบายสภาพยืดหยุ่นและลักษณะการยืดและหดตัวของวัสดุที่เป็นแท่งเมื่อถูกกระทำด้วยแรงค่าต่าง ๆ รวมทั้ง ทดลอง อธิบายและคำนวณความเค้นตามยาว ความเครียดตามยาวและมอดุลัสของยัง และนำความรู้เรื่องสภาพยืดหยุ่นไป ใช้ใน ชีวิตประจำวัน 3. อธิบายและคำนวณความดันเกจ ความดันสมบูรณ์ และความดันบรรยากาศ รวมทั้งอธิบายหลักการทำงานของแมนอ มิเตอร์ บารอมิเตอร์ และเครื่องอัดไฮดรอลิก 4. ทดลอง อธิบายและคำนวณขนาดแรงพรุงจากของไหล 5. ทดลอง อธิบายและคำนวณความตึงผิวของของเหลว รวมทั้งสังเกตและอธิบายแรงหนืดของของเหลว 6. อธิบายสมบัติของของไหลอุดมคติ สมการความต่อเนื่อง และสมการแบร์นูลลี รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่ เกี่ยวข้องและนำความรู้เกี่ยวกับสมการความต่อเนื่องและสมการแบร์นูลลีไปอธิบายหลักการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ 7. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 8. อธิบายแบบจำลองของแก๊สอุดมคติ ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส และอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊ส รวมทั้งคำนวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 9. อธิบายและคำนวณงานที่ทำโดยแก๊สในภาชนะปิดโดยความดันคงตัว และอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ และงาน รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง และนำความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปอธิบาย หลักการทำงานของเครื่องใช้ในชีวิตประจำวัน รวมทั้งหมด 9 ผลการเรียนรู้

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ 1 1 - 3 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ คณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น การวิเครารหัสและชื่อรายวิชา ว 32201 ความร้อนและกฎเทอร์โมไดนามิกส์พื้นฐาน โรงเรียน โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่น ฝ่ายมัธยมศึกษา (มอดินแดง) สาระการเรียนรู้ กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ระดับชั้น มัธยมศึกษาปีที่ 6 : ห้อง ม.6/2-6/4 สถานที่ ห้องเรียน/ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ โรงเรียนสาธิตมหาวิทยาลัยขอนแก่นผู้สอน อาจารย์เฉลิมวงศ์ ดอกประทุม

ฉ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก 1. ความร้อน 2. อุณหภูมิ 3. การเปลี่ยนรูปพลังงานกลเป็น พลังงานความร้อน 4. พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยน อุณหภูมิ 5. พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยน สถานะ 6. การถ่ายโอนความร้อนและสมดุล ความร้อน - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย 12 15 าะห์และออกแบบหน่วยการเรียนรู้ ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2566 เวลาเรียน 4 คาบ/สัปดาห์ จำนวน 2 หน่วยกิต ประเภทวิชา วิชาเพิ่มเติม น ฝ่ายมัธยมศึกษา (มอดินแดง)

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ ม.6/1. อธิบายและคำนวณความร้อนที่ทำให้สสารเปลี่ยนอุณหภูมิความร้อนที่ทำให้สสารเปลี่ยนสถานะ และความร้อนที่เกิดจากการ ถ่ายโอนตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน 2 4 - 5 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ม.6/7. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

ช สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. แบบจำลองแก๊สอุดมคติ 2. กฎของแก๊สอุดมคติ - รูปแบบการจัด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ สืบเสาะหาความรู้ (Inquiry Method: 5E) - รูปแบบการจัด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ สืบเสาะหาความรู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - รูปแบบการจัด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ 8 10

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ 3 6 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ม.6/8 อธิบายแบบจำลองของแก๊สอุดมคติ ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส และอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊ส รวมทั้งคำนวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง

ซ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - รูปแบบการจัด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. ทฤษกีจลน์ของแก๊ส - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ 4 7

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ 4 7 - 9 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน ผลการเรียนรู้ ม.6/9 (1) อธิบายและคำนวณงานที่ทำโดยแก๊สในภาชนะปิดโดยความดันคงตัว และอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ และงาน รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง และนำความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปอธิบายหลักการทำงานของเครื่องใช้ในชีวิตประจำวัน

ฌ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. พลังงานภายในระบบ 2. งาน 3. กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน 12 15

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ 5 10 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน ผลการเรียนรู้ ม.6/9 (2) อธิบายและคำนวณงานที่ทำโดยแก๊สในภาชนะปิดโดยความดันคงตัว และอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ และงาน รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง และนำความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปอธิบายหลักการทำงานของเครื่องใช้ในชีวิตประจำวัน

ญ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. การประยุกต์ของอุณหพลศาสตร์ 2. เครื่องยนต์ความร้อน 3. ตู้เย็นและ เครื่องปรับอากาศ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 4 3

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ 6 11 - 12 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ม.6/2. อธิบายสภาพยืดหยุ่นและลักษณะการยืดและหดตัวของวัสดุที่เป็นแท่งเมื่อถูกกระทำด้วยแรงค่าต่าง ๆ รวมทั้ง ทดลอง อธิบายและคำนวณความเค้นตามยาว ความเครียดตามยาวและมอดุลัสของยัง และนำความรู้เรื่องสภาพยืดหยุ่นไปใช้ในชีวิตประจำวัน 7 13 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดัน

ฎ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก 1. สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง 2. ความเค้น 3. ความเครียด 4. มอดุลัสของยัง - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 8 10 1. ความตึงผิวของของเหลว 2. การโค้งของผิวของเหลว 3. การซึมตามรูเล็ก - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ 4 5

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ ในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ม.6/5. (1) ทดลอง อธิบายและคำนวณความตึงผิวของของเหลวรวมทั้งสังเกตและอธิบายแรงหนืดของของเหลว 8 14 สาระฟิสิกส์ สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรง

ฏ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. ความหนืดของของเหลว - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) 4 5

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ หนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ม.6/5. (2) ทดลอง อธิบายและคำนวณความตึงผิวของของเหลวรวมทั้งสังเกตและอธิบายแรงหนืดของของเหลว 9 15 - 17 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและ

ฐ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. ของไหลสถิต 2. ความดันในของแข็ง 3. ความดันในของเหลว 4. อุปกรณ์วัดความดัน 5. กฎของพาสคัล 6. แรงพยุงจากของไหล - ร ู ป แ บ บ ก า ร จัด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ 12 15

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ อนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ ผลการเรียนรู้ ม.6/3. อธิบายและคำนวณความดันเกจ ความดันสมบูรณ์ และความดันบรรยากาศ รวมทั้งอธิบายหลักการทำงานของแมนอมิเตอร์บารอมิเตอร์ และเครื่องอัดไฮดรอลิก ม.6/4. ทดลอง อธิบายและคำนวณขนาดแรงพยุงจากของไหล 10 18 -20 สาระฟิสิกส์ 4. เข้าใจความสัมพันธ์ของความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารสภาพยืดหยุ่นของวัสดุและมอดุลัสของยัง ความดันในของไหล แรงพรุง และหลักของอาร์คิมีดิส ความตึงผิวและแรงหนืดของของเหลว ของไหลอุดมคติ และสมการแบร์นูลลี กฎของ แก๊ส ทฤษฎีจลน์ของแก๊สอุดมคติและพลังงานในระบบ ทฤษฎีอะตอมของโบร์ ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค กัมมันตภาพรังสี แรงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค รวมทั้งนำความรู้ไปใช้ประโยชน์

ฑ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน - รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 1. พลศาสตร์ของไหล 2. ของไหลอุดมคติ 3. สมการความต่อเนื่อง 4. สมการแบร์นูลลี - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 5E) - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้แบบ ส ื บ เ ส า ะ ห า ค ว า ม รู้ (Inquiry Method: 7E) - แผนผังมโนทัศน์ 12 15

หน่วยที่ สัปดาห์ สาระ/มาตรฐานการเรียนรู้/ผลการเรียนรู้ ผลการเรียนรู้ ม. 6/6. อธิบายสมบัติของของไหลอุดมคติ สมการความต่อเนื่อง และสมการแบร์นูลลี รวมทั้งคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องและนำความรู้เกี่ยวกับสมการความต่อเนื่องและสมการแบร์นูลลีไปอธิบาย หลักการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ รวม

ฒ สาระสำคัญ แนวทางการจัด การเรียนรู้ เวลา (ชั่วโมง) น้ำหนัก ะ - ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย เน้นกระบวนการสร้าง ความรู้ ความเข้าใจและ สร้างนวัตกรที่มีความคิด สร้างสรรค์- ร ู ป แ บ บ ก า ร จั ด กิจกรรมการเรียนรู้โดย ใช้เกมเป็นฐาน- รูปแบบเทคนิควิธีโดย ใช้การทดลอง 80 100

ณ การประเมินผลกำหนดหลักเกณฑ์ ดังนี้ อัตราส่วนระหว่างและปลายภาคเท่ากับ 70 : 30 คะแนนระหว่างภาค : สอบปลายภาค (70 : 30) การวัดและประเมินผลระหว่างเรียน คะแนน ระหว่างเรียน คะแนน สอบกลางภาค คะแนน สอบปลายภาค พุทธิพิสัย (45 คะแนน) 20 10 15 ทักษะพิสัย (45 คะแนน) 20 10 15 จิตพิสัย (10 คะแนน) 10 - - รวม 100 คะแนน 70 30 ลำดับ การวัดและประเมินผล ร้อยละ 1 ทดสอบท้ายหน่วยบทสมบัติของแก๊ส และทฤษฎีจลน์ 5 2 ทดสอบท้ายหน่วยบทสมบัติของของเหลวและของแข็ง 5 3 งานเชิงสร้างสรรค์หรือ นวัตกรรมการเรียนรู้ 15 4 กิจกรรมการเรียนรู้ 10 5 แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน 5 4 จิตพิสัย (การเข้าเรียน) 10 5 การสอบกลางภาค 20 6 การสอบปลายภาค 30 เกณฑ์การประเมิน ประเมินจากคะแนนรวมตลอดทั้งภาคเรียน โดยเทียบจากเกณฑ์ ดังนี้ คะแนน 80-100 หมายถึง ดีเยี่ยม ได้ระดับคะแนน 4 คะแนน 75-79 หมายถึง ดีมาก ได้ระดับคะแนน 3.5 คะแนน 70-74 หมายถึง ดี ได้ระดับคะแนน 3 คะแนน 65-69 หมายถึง ค่อนข้างดี ได้ระดับคะแนน 2.5 คะแนน 60-64 หมายถึง ปานกลาง ได้ระดับคะแนน 2 คะแนน 55-59 หมายถึง อ่อน ได้ระดับคะแนน 1.5 คะแนน 50-54 หมายถึง อ่อนมาก ได้ระดับคะแนน 1 คะแนน 0-49 หมายถึง ต่ำกว่าเกณฑ์ ได้ระดับคะแนน 0

1 บทที่ 15 สมบัติของแก๊ส และทฤษฎีจลน์ ในบทนี้เป็นการศึกษาเกี่ยวกับความร้อน แก๊สอุดมคติทฤษฎีจลน์ของแก๊ส และกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพล ศาสตร์ซึ่งมีจุดประสงค์การเรียนรู้ ตามดังนี้ 1. บอกระดับความร้อนของวัตถุด้วยอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและเคลวิน 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนอุณหภูมิกับความจุความร้อน ความร้อนจำเพาะ และคำนวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 3. อธิบายการเปลี่ยนสถานะของสสารที่เกี่ยวข้องกับความร้อนแฝง และคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการถ่ายโอนความร้อน สมดุลความร้อน และคำนวณปริมารต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 5. อธิบายแบบจำลองของแก๊สอุดมคติ 6. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 7. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลแก๊สและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 8. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิและคำนวณปริมาณต่าง ๆ ที่ เกี่ยวข้อง 9. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิและคำนวณปริมาณ ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 10. อธิบายและคำนวณพลังงานภายในระบบ 11. อธิบายและคำนวณงานที่ทำโดยแก๊ส 12. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบกับงานที่ทำโดยแก๊ส และคำนวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 13. อธิบายการนำความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน 15.1. ความร้อน (heat) ธรรมชาติของความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สะสมอยู่ในรูปพลังงานจลน์ของโมเลกุลของวัตถุ ตัวอย่าง แหล่งกำเนิดของความร้อน เช่น พลังงานกลในการขัดสีที่ก่อให้เกิดความร้อน ปฏิกิริยาทางเคมีที่ก่อให้เกิดความ ร้อน พลังงานไฟฟ้าก่อให้เกิดความร้อน เป็นต้น โดยในการศึกษาในบทนี้หน่วยของพลังงานความร้อนที่ใช้มี 2 แบบ กล่าวคือ หน่วยเป็น จูล (J) หรือ แคลรอลี่ (cal) โดยที่ 1 cal = 4.185 J ≈ 4.2 J (15.1) และ 1 J = 0.24 cal (15.2) ในการศึกษาความร้อนต่อสสาร จำเป็นต้องเริ่มพิจารณาเกี่ยวกับการบอกถึงระดับความร้อนด้วยอุณหภูมิ ดังนั้น เพื่อให้เข้าใจมากยิ่งขึ้น ให้นักเรียนทำกิจกรรมที่ 15.1

2 กิจกรรมที่ 15.1 ระดับความร้อน จุดประสงค์ 1. สังเกตการวัดอุณหภูมิของสสารโดยใช้ประสาทสัมผัส 2. ใช้เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิของสสารพร้อมระบุหน่วยได้อย่างถูกต้อง วัสดุและอุปกรณ์ 1. กาละมัง 3 ใบ 2. น้ำร้อน 3. น้ำเย็น 4. น้ำอุณหภูมิห้อง 5. เทอร์โมมิเตอร์ 8 อัน 5. แก้ว 8 ใบ วิธีการดำเนินกิจกรรม ตอนที่ 1 1. ใส่น้ำร้อนที่พอจะสัมผัสได้ในกาลมั้งใบที่ 1 ใส่น้ำเย็นในกาละมังใบที่ 2 จากนั้นจุ่มมือแต่ละข้างลงในกา ละมังแต่ละใบ สังเกตระดับความร้อนที่มือสัมผัส บันทึกผล 2. เมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่ง ให้นำมือทั้งสองข้างจุ่มลงในกาละมังใบที่ 3 ที่บรรจุน้ำอุณหภูมิห้อง สังเกต ระดับความร้อนที่มือแต่ละข้างสัมผัส บันทึกผล 3. ร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับการวัดอุณหภูมิโดยใช้ประสาทสัมผัส บันทึกผล ตอนที่ 2 1. รินน้ำร้อนลงในแก้วที่เตรียมไว้ แล้วให้นักเรียนคาดการณ์อุณหภูมิของน้ำร้อน บันทึกผล 2. นักเรียนตรวจสอบการคาดการณ์ทันทีโดยใช้เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิของน้ำในแก้ว 3. เปรียบเทียบอุณหภูมิที่ได้จากการคาดการณ์และจากการวัด ตารางบันทึกผล ตอนที่ 1 แสดงความรู้สึกร้อนหรือเย็นของน้ำโดยใช้ประสาทสัมผัส การกระทำ ความรู้สึกร้อนหรือเย็นของน้ำที่มือสัมผัสได้ จุ่มมือลงในภาชนะใบที่ 1 ที่ใส่น้ำร้อน จุ่มมือลงในภาชนะใบที่ 2 ที่ใส่น้ำเย็น จุ่มมือลงในภาชนะใบที่ 3 ที่ใส่น้ำอุณหภูมิห้อง ตอนที่ 2 แสดงอุณหภูมิของน้ำจากการคาดการณ์และจากการวัดโดยใช้เทอร์โมมิเตอร์ กิจกรรม อุณหภูมิ องศาเซลเซียส เคลวิน การคาดการณ์ ใช้เทอร์โมมิเตอร์

3 สรุปผลการทดลอง .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... คำถามท้ายกิจกรรม 1. การวัดอุณหภูมิของน้ำโดยใช้ประสาทสัมผัสเชื่อถือได้หรือไม่ เพราะเหตุใด .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ................................................ 15.1.1 อุณหภูมิ (temperature) อุณหภูมิ คือ ระดับของความร้อน โดยความร้อนจะถ่ายเทจากอุณหภูมิสูง ไปยังที่มีอุณหภูมิต่ำ กว่าจนกระทั่งอุณหภูมิเท่ากันแล้วจึงหยุดการถ่ายเท โดยการวัดระดับความร้อนจะใช้เครื่องมือที่ชื่อว่า ขณะที่ เครื่องมือสำหรับการวัดอุณหภูมิมีชื่อว่า เทอร์โมมิเตอร์ (thermometer) ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวอาศัยคุณสมบัติของ การขยายตัวของของเหลวหรือแก๊สเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง โดยหลักการสำหรับการสร้าง เทอร์โมมิเตอร์นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดเกณฑ์ที่ใช้เป็นมาตรฐานในการแบ่งช่องสเกล คือ 1. จุดเดือด (boiling point) เป็นจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ที่ความดัน 1 บรรยากาศ หรืออาจ เรียกจุดดังกล่าวว่า จุดควบแน่น (condensation point) 2. จุดเยือกแข็ง (freezing point) เป็นจุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ที่ความดัน 1 บรรยากาศ หรืออาจเรียกจุดดังกล่าวว่า จุดหลอมเหลว (melting point) ภาพที่ 15.1 สเกลอุณหภูมิเคลวิน เซลเซียส และฟาเรนไฮด์[1]

4 ในปัจจุบันชนิดสเกลที่นิยมใช้มี 3 แบบ คือ 1. แบบเคลวิน (Kelvin: K) แบ่งสเกลไว้ 100 ช่อง มีจุดเยือกแข็ง 273.15 K และจุด เดือด 373.15 K 2. แบบเซลเซียส (Celsius: ๐C) แบ่งสเกลไว้ 100 ช่อง มีจุดเยือกแข็ง 0 ๐C และจุด เดือด 100 ๐C 3. แบบฟาเรนไฮด์ (Fahrenheit: ๐ F) แบ่งสเกลไว้ 180 ช่อง มีจุดเยือกแข็ง 32 ๐ F และจุดเดือด 212 ๐ F ตาราง 15.1 ตัวอย่างอุณหภูมิ[1] อุณหภูมิ K ๐C ๐ F จุดเดือดของน้ำ (1 atm) 373.15 100 212 อุณหภูมิเฉลี่ยของร่างกายมนุษย์ 310.15 37 98.6 จุดเหยือกแข็งของน้ำ 273.15 0 32 Absolute zero 0 -273.15 -459.67 จากภาพที่ 15.1 ความสัมพันธ์ที่อุณหภูมิใด ๆ หาได้จากสมการ อุณหภูมิที่อ่านได้−จุดเยือกแข็ง จุดเดือด−จุดเยือกแข็ง = x−F.P B.P−F.P (15.3) เมื่อ x เป็นอุณหภูมิที่อ่านได้ หรืออุณหภูมิใด ๆ ที่ต้องการหา . เป็นจุดเยือกแข็ง . เป็นจุดเดือด ดังนั้น จากสมการที่ 15.3 จะได้ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิในหน่วย K ๐C และ ๐ F ดังนี้ −273 373−273 = −0 100−0 = −32 212−32 หรือ −273 100 = 100 = −32 180 (15.4) ตัวอย่างที่ 1 ณ อุณหภูมิที่ขั้วโลกใต้ ปรากฏว่า เทอร์โมมิเตอร์ทั้งแบบเซลเซียส และแบบฟาเรนไฮด์ วัดอุณหภูมิ ของอากาศได้เท่ากัน จงหาอุณหภูมิของอากาศขณะนั้น

5 ตัวอย่างที่ 2 เทอร์โมมิเตอร์เครื่องหนึ่งวัดจุดเยือกแข็งของน้ำได้ -1 องศาเซลเซียส และวัดจุดเดือดของน้ำได้ 105 องศาเซลเซียส จงหาว่าในขณะนั้นที่มีอุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส เทอร์โมมิเตอร์นี้จะอ่านค่าได้กี่องศา ตัวอย่างที่ 3 ถ้าจุดเดือดของไนโตรเจน -195.75 องศาเซลเซียส จงหาอุณหภูมิเคลวิน และฟาเรนไฮด์มีค่าเท่าไร 15.1.2 การเปลี่ยนรูปพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อน กฎอนุรักษ์พลังงาน กล่าวว่า พลังงานไม่มีการสูญเสียเพียงแต่เปลี่ยนรูปเป็นพลังงานรูปอื่น ๆ ได้ ซึ่งในพลังงานกล (พลังงานจลน์ Ek และพลังงานศักย์ EP ) สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนได้เช่นกัน เรียกว่า พลังงานความร้อนเติม (thermal energy: ∆) เช่น 1. พลังงานจลน์เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน เช่น การยิงลูกปืนเข้าชนถุงทราย รถยนต์เบรก แล้วเกิดการหยุด เป็นต้น ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการได้ว่า = ∆ (15.5) 2. พลังงานศักย์โน้มถ่วงเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน เช่น วัตถุตกจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำ ซึ่ง สามารถเขียนเป็นสมการได้ว่า = ∆ (15.6) ตัวอย่างที่ 4 รถยนต์มวล 2,000 kg วิ่งด้วยความเร็ว 50 เมตร/วินาที ถ้าเหยียบเบรกจนรถยนต์หยุด จงหาพลังงาน ความร้อนที่เกิดจากการเบรค

6 ตัวอย่างที่ 5 ยิงลูกปืนทำให้ลูกปืนมวล 100 กรัม เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 340 เมตรต่อวินาที เข้าชนผนัง ปรากฏว่า ลูกปืนฝังลึก 3 เซนติเมตร ถ้าไม่มีการเสีญเสียพลังงานเลย จงหาพลังงานความร้อนของลูกปืนที่เกิดขึ้น ตัวอย่างที่ 6 น้ำมวล 2,000 kg ตกจากหน้าผาสูง 200 m ถ้าพลังงานทั้งหมดเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน จงหา พลังงานความร้อนที่เกิดเมื่อน้ำตกถึงพื้นล่าง จากตัวอย่างและผลของพลังงานที่มีต่อสาร พบว่า เมื่อสารได้รับหรือคายพลังงานความร้อนจะทำให้สมบัติ ด้านต่าง ๆ ของสารนั้นเปลี่ยนไป เช่น อุณหภูมิ สถานะ รูปร่าง ปริมาตร ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น ความ ต้านทาน เป็นต้น แต่ในบทนี้จะได้ศึกษา 2 ด้านคือ 1. อุณหภูมิของสารเปลี่ยนไป กล่าวคือ เมื่อสารได้รับความร้อน อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นและเมื่อสาร คายความร้อนอุณหภูมิจะลดลง 2. สถานะของสารเปลี่ยนไป กล่าวคือ เมื่อสารได้รับความร้อนหรือคายความร้อนในบางครั้ง อุณหภูมิของสารไม่เปลี่ยนแปลงจะมีค่าคงตัว แต่สถานะของสารมีการเปลี่ยนแปลง กิจกรรมที่ 15.2 ความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำ จุดประสงค์ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำ 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างมวลกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำ วัสดุและอุปกรณ์ 1. บีกเกอร์ขนาด 250 ml 4 ใบ 2. ที่กั้นลม 2 ชุด 3. เทอร์โมมิเตอร์ 2 อัน 4. ขาตั้งพร้อมที่จับ 2 ชุด 5. แท่งแก้วคน 2 อัน 6. เทียนไข 3 เล่ม 7. นาฬิกาจับเวลา 1 เรือน 8. น้ำ 9. ตะเกียงแอลกอฮอล์ 2 ชุด

7 วิธีการดำเนินกิจกรรม ตอนที่ 1 1. นักเรียนแต่ละกลุ่มจัดอุปกรณ์ 2 ชุดดังภาพที่ 1 โดยใส่น้ำปริมาตร 100 ลูกบาศก์เซนติเมตร ลงในบีก เกอร์ วัดอุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำทั้ง 2 ชุด บันทึกผล 2. ให้ความร้อนแก่บีกเกอร์ในอุปกรณ์ชุดที่ 1 ด้วยเทียนไข 1 เล่ม อีกชุดหนึ่งให้ความร้อนด้วยเทียนไข 2 เล่ม โดยระหว่างให้ความร้อนแก่น้ำ ใช้แท่งแก้วคนน้ำให้ทั่วบีกเกอร์ตลอดเวลา วัดอุรหภูมิของน้ำทั้ง 2 ชุด ทุก ๆ 30 วินาที โดยใช้เวลาทั้งหมด 3 นาที บันทึกผล 3. นำข้อมูลมาเขียนกราฟโดยให้อุณหภูมิของน้ำเป็นแกนตั้ง เวลาเป็นแกนนอน ภาพที่ 1 การจัดอุปกรณ์ในกิจกรรม [6] ตอนที่ 2 1. นักเรียนแต่ละกลุ่มจัดอุปกรณ์ 2 ชุด ชุดหนึ่งใส่น้ำปริมาตร 75 ลูกบาศก์เซนติเมตร ลงในบีกเกอร์ อีก ชุดหนึ่งใส่น้ำปริมาตร 150 ลูกบาศก์เซนติเมตรลงในบีกเกรอ์ ดังภาพที่ 2 2. วัดอุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำทั้ง 2 ชุด บันทึกผล 3. จุดตะเกียงแอลกอฮอล์เพื่อให้ความร้อนแก่น้ำ โดยระหว่างให้ความร้อนแก่น้ำ ใช้แท่งแก้วคนน้ำให้ทั่ว บีกเกอร์ตลอดเวลา วัดอุณหภูมิน้ำทั้ง 2 ชุด ทุก ๆ 1 นาที โดยใช้เวลาทั้งหมด 5 นาที บันทึกผล 4. นำข้อมูลมาเขียนกราฟโดยให้อุณหภูมิของน้ำเป็นแกนตั้ง เวลาเป็นแกนนอน ภาพที่ 2 การจัดอุปกรณ์ในกิจกรรม [6]

8 บันทึกผลการทดลอง ตอนที่ 1 ตารางแสดงอุณหภูมิของน้ำและเวลาเมื่อน้ำได้รับความร้อนจากเทียนไข เวลา (วินาที) อุณหภูมิของน้ำ (องศาเซลเซียส เทียนไข 1 เล่ม เทียนไข 2 เล่ม 0 30 60 90 120 150 180 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของน้ำกับเวลา สรุปผลการทดลอง .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................

9 ตอนที่ 2 ตารางแสดงอุณหภูมิของน้ำและเวลาที่เมื่อให้ความร้อนแก่น้ำที่มีมวลต่างกัน เวลา (นาที) อุณหภูมิของน้ำ (องศาเซลเซียส) น้ำ 75 ลูกบาศก์เซนติเมตร น้ำ 150 ลูกบาศก์เซนติเมตร 0 1 2 3 4 5 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของน้ำกับเวลา สรุปผลการทดลอง .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................................

10 คำถามท้ายกิจกรรม ตอนที่ 1 1. สำหรับอุปกรณ์ทั้ง 2 ชุด อุณหภูมิของน้ำเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเทียบกับเวลา .................................................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ............................. 2. ในเวลาที่เท่ากับ อุณหภูมิของน้ำในบีกเกอร์ทั้ง 2 ชุด ที่เปลี่ยนไปเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร ทำไมจึงเป็น เช่นนั้น .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... ตอนที่ 2 1. น้ำในบีกเกอร์จากอุปกรณ์ทั้ง 2 ชุดมีมวลเท่ากันหรือไม่ อย่างไร .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... 2. ปริมาณความร้อนที่น้ำในบีกเกอร์ทั้ง 2 ชุด ได้รับเวลาหนึ่ง ๆ เท่ากันหรือไม่ เพราะเหตุใด .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... 3. ในเวลาที่เท่ากัน การเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำในบีกเกอร์จากอุปกรณ์ทั้ง 2 ชุด เหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร ............................................................................................................................................................................. ....... .................................................................................................................................................................................... 15.1.3 พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร ปริมาณที่เกี่ยวข้องมีดังนี้ 1. ความจุความร้อน (heat capacity: ) เป็นปริมาณความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลัง พิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย เช่น กำหนดให้วัตถุมวล เมื่อได้พลังงานความร้อนเข้าไป ∆ พบว่า อุณหภูมิเปลี่ยนไป ∆T ดังนั้น ถ้าให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หน่วยต้องใช้ความร้อน ∆/∆T จะได้ว่า = ∆ ∆ (15.7) จากสมการที่ (15.7) ความจุความร้อนเป็นปริมาณสเกลาร์มีหน่วยเป็น J/K หรือ cal/๐C 2. ความร้อนจำเพาะ (specific heat: ) เป็นปริมาณความร้อนที่ทำให้สารมวล 1 หน่วยมี อุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 หน่วย เช่น กำหนดให้วัตถุมวล m เมื่อได้พลังงานความร้อนเข้าไป ∆ พบว่า อุณหภูมิ เปลี่ยนไป ∆T ดังนั้น ถ้าวัตถุมวล 1 หน่วยมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 หน่วยต้องใช้ความร้อน ∆/∆T จะได้ว่า = ∆ ∆ (15.8)

11 จากสมการที่ (15.8) ความร้อนจำเพาะเป็นปริมาณสเกลาร์มีหน่วยเป็น J/kg K หรือ cal/g ๐C โดยความร้อน จำเพาะเป็นสมบัติเฉพาะของสาร ตัวอย่างที่ควรรู้ของค่าความร้อนจำเพาะแสดงดังตาราง 15.2 นอกจากนี้ สมการ (15.7) และ (15.8) สามารถหาพลังงานความร้อนได้ตามสมการ ∆Q = C∆T (15.9) และ ∆Q = mc∆T (15.10) โดยที่ ∆ เป็นพลังงานความร้อน หน่วยเป็นจูล (J) เป็นมวลของสสาร หน่วยเป็นกิโลกรัม (kg) เป็นความร้อนจำเพาะ หน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัมเคลวิน (J/kg.K) ∆ เป็นอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป หน่วยเป็นเคลวิน (K) ข้อควรรู้ 1. ความจุความร้อน ไม่เป็นสมบัติเฉพาะของสาร เพราะว่าเป็นสารเดียวกัน ถ้ามวลต่างกันจะมีค่า C ต่างกัน คือ มวลมากค่าความจุความร้อนจะมาก มวลน้อยค่าความจุความร้อนจะน้อย 2. ความร้อนจำเพาะ เป็นสมบัติเฉพาะของสาร เพราะว่าสารเดียวกันมวลต่างกันจะมีค่า c เท่ากัน เพราะ คิดต่อมวล 1 หน่วยเท่ากัน 3. ∆T ในหน่วย ๐C กับ K จะมีขนาดเท่ากันเสมอ เช่น อุณหภูมิเปลี่ยนไป 5 ๐C ก็จะเปลี่ยนไป 5 K ด้วย ดังนั้น ∆T จึงเป็นบวกเสมอ 4. C และ c สัมพันธ์กันโดย = ตาราง 15.2 ความร้อนจำเพาะของสารต่าง ๆ (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ และอุณหภูมิห้อง 20 ๐C หรือระบุเป็น อย่างอื่น) [2] สาร ความร้อนจำเพาะ (J/kg K) น้ำแข็ง (-5 ๐C) 2100 น้ำ (15 ๐C) 4186 ไอน้ำ (110 ๐C) 2010 เอทิลแอลกอฮอล์ 2400 ไม้ 1700 อะลูมิเนียม 900 แก้ว 840 ทราย 800 เหล็ก 450 เงิน 230 ปรอท 140

12 ตัวอย่างที่ 7 จงหาพลังงานความร้อนที่ทำให้เหล็กมวล 100 กรัม ที่อุณหภูมิ 5 องศาเซลเซียส มีอุณหภูมิเป็น 25 องศา ตัวอย่างที่ 8 น้ำตกตกจากหน้าผาสูง 200 m พลังงานเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนทั้งหมด ถ้าน้ำตกถึงพื้น ด้านล่าง จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่าไร กิจกรรมที่ 15.3 ความร้อนกับการเปลี่ยนสถานะของสาร จุดประสงค์ 1. อธิบายการเปลี่ยนสถานะของน้ำเนื่องจากความร้อน วัสดุและอุปกรณ์ 1. บีกเกอร์ขนาด 250 ml 1 อัน 2. ที่กั้นลม 1 ชุด 3. เทอร์โมมิเตอร์ 1 อัน 4. ขาตั้งพร้อมที่จับ 1 ชุด 5. แท่งแก้วคน 1 อัน 5. นาฬิกาจับเวลา 1 เรือน 6. น้ำแข็ง วิธีการดำเนินกิจกรรม 1. จัดอุปกรณ์เหมือนภาพที่ 2 จากกิจกรรมที่ 15.2 แต่เปลี่ยนจากน้ำเป็นน้ำแข็งก้อนเล็ก ๆ ลงในบีกเก อร์ประมาณ 2 ใน 3 ของบีกเกอร์ วัดอุณหภูมิเริ่มต้น บันทึกค่า 2. ให้ความร้อนแก่น้ำแข็งโดยใช้ตะเกียงแอลกอฮอล์ เริ่มจับเวลาและบันทึกค่าอุณหภูมิทุก ๆ 1 นาที เป็นวเลา 30 นาที และสังเกตสถานะของสานในบีกเกอร์ บันทึกผล โดยระห่างนั้นให้คนสารอย่างสม่ำเสมอ 3. เขียนกราฟระหว่างอุณหภูมิของน้ำและเวลา โดยแกนตั้งเป็นอุณหภูมิและแกนนอนเป็นเวลา

13 บันทึกผลการทดลอง ตาราง อุณหภูมิและสถานะของสารที่ได้รับความร้อนเมื่อเวลาผ่านไป เวลา (นาที) อุณหภูมิของน้ำ (องศาเซลเซียส) สถานะของสาร 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

14 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและเวลา สรุปผลการทดลอง .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... คำถามท้ายกิจกรรม 1. ขณะที่เกิดการเปลี่ยนสถานะ อุณหภูมิของน้ำมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... 2. ขณะที่เกิดการเปลี่ยนสถานะ น้ำได้รับความร้อนหรือไม่ อย่างไร .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... 15.1.4 พลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนสถานะของสาร เมื่อวัตถุได้รับความร้อน อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง แต่ในบางครั้งเมื่อวัตถุได้รับความร้อนแล้ว อุณหภูมิไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่พบว่าสถานะของวัตถุเปลี่ยนไป โดยทั่วไปสถานะของสารจำแนกได้ 3 ลักษณะ คือ แก๊ส ของเหลวและของแข็ง ในการหาพลังงานความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสาร ต้องอาศัยปริมาณที่ เกี่ยวข้องดังนี้

15 1. ความร้อนแฝง (Latent heat: ) เป็นปริมาณความร้อนที่ทำให้วัตถุมวล 1 หน่วยเปลี่ยน สถานะโดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยน มีความสัมพันธ์ตามสมการ = ∆ (15.11) หรือ ∆ = ± (15.12) โดยที่ เป็นความร้อนแฝงหน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัม (J/kg) หรือ cal/g ภาพที่ 15.2 ความร้อนของการเปลี่ยนสถานะ [1] จากสมการ 15.12 สัญลักษณ์บวกเป็นพลังงานเข้าสู่ระบบ (ดูดความร้อน) เมื่อวัตถุหรือสารได้รับ ความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลวจะเกิดการหลอมละลายจากของแข็งกลายเป็นของเหลว โดยที่ความร้อนต่อหนึ่ง หน่วยมวลที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวดังกล่าวเรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว (latent heat of fusion: ) และเมื่อระบบยังเกิดการดูดความร้อนอย่างต่อเนื่องจนความร้อนถึงจุดเดือด สถานะจะเกิดการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอ ซึ่งความร้อนต่อหนึ่งหน่วยมวลที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะดังกล่าว เรียกว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (latent heat of vaporization: ) ดังแสดงในภาพที่ 15.2 ในทางกลับกันสัญลักษณ์ลบเป็นพลังงานออกจากระบบ (คายความร้อน) กรณีที่ไอกลายเป็นของเหลว ความร้อน ต่อหนึ่งหน่วยมวลที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะดังกล่าวเรียกว่า ความร้อนแฝงของการควบแน่น (laten heat of condensation) และเมื่อระบบยังคายความร้อนออกอย่างต่อเนื่องสถานะจะเกิดการเปลี่ยนจากของเหลวเป็น ของแข็งเรียกความร้อนต่อหนึ่งหน่วยมวลที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะดังกล่าวว่า ความร้อนแฝงของการแข็งตัว (latent heat of solidification) แสดงดังภาพที่ 15.2 โดยธรรมชาติความร้อนแฝงมีค่าขึ้นอยู่กับชนิดของสารและการเปลี่ยนแปลงสถานะ โดยความ ร้อนแฝงของสารบางชนิดแสดงดังตาราง 15.3

16 ตาราง 15.3 ความร้อนแฝงของสารบางชนิดที่ความดัน 1 บรรยากาศ [2] สาร จุด หลอมเหลว ( ๐C) ความร้อนแฝง ของการหลอมเหลว (J/kg) จุดเดือด ( ๐C) ความร้อนแฝง ของการกลายเป็นไอ (J/kg) น้ำ 0.0 3.33 x 105 100 22.56 x 105 เอทิลแอลกอฮอล์ -114 1.04 x 105 78 8.50 x 105 เหล็ก 1808 2.89 x 105 3023 63.40 x 105 เงิน 961 0.88 x 105 2193 23.00 x 105 ตะกั่ว 327 0.25 x 105 1750 8.70 x 105 ไนโตรเจน -210.0 0.26 x 105 -195.8 2.00 x 105 ออกซิเจน -218.8 0.14 x 105 -183 2.13 x 105 ตัวอย่างที่ 9 น้ำแข็งมวล 50 กรัม อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ละลายกลายเป็นน้ำหมดที่ 0 องศาเซลเซียส จะต้อง ใช้ความร้อนเท่าไร ตัวอย่างที่ 10 จงหาความร้อนที่ทำให้น้ำแข็งมวล 1 กิโลกรัม อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส เปลี่ยนเป็นไอน้ำที่ อุณหภูมิ 110 องศาเซลเซียส

17 จากตัวอย่างที่ 10 สามารถเขียนกราฟแสดงการเปลี่ยนสถานะของน้ำแข็งมวล 1 กิโลกรัมจากอุณหภูมิ - 20 องศาเซลเซียสให้เป็นไอน้ำที่อุณหภูมิ 110 องศาเซลเซียส ดังภาพที่ 15.3 ภาพที่ 15.3 การเปลี่ยนสถานะของน้ำมวล 1 กิโลกรัม เมื่อได้รับความร้อน จากภาพที่ 15.3 AB เป็นช่วงที่น้ำแข็งมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นจนเกิดการหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 0 องศา เซลเซียส อุณหภูมินี้เรียกว่า จุดหลอมเหลว (melting point) ของน้ำแข็ง ถ้าให้ความร้อนแก่ระบบต่อไป น้ำแข็ง จะหลอมเหลวเป็นน้ำมากขึ้น จนกระทั่งน้ำแข็งหลอมเหลวหมดที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ดังกราฟช่วง BC จากนั้น น้ำจะเริ่มมีอุณหภูมิสูงขึ้นดังกราฟช่วง CD จนเกิดการเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส อุณหภูมินี้ เรียกว่า จุดเดือด (boiling point) ของน้ำ แล้วจะเริ่มกลายเป็นไอน้ำจนกระทั่งน้ำเดือดหมดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ดังกราฟช่วง DE ถ้ากักเก็บไอน้ำและให้ความร้อนต่อไปอีก ไอน้ำจะมีอุณหภูมิสูงกว่า 100 องศา เซลเซียส ดังกราฟ EF 15.1.5 การถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน ความร้อนสามารถถ่ายโอนหรือส่งผ่านวัตถุที่อุณหภูมิสูงกว่าไปสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้ซึ่ง อธิบายกระบวนการถ่ายโอนความร้อนได้ดังนี้ 1. การนำความร้อน (heat conduction) เป็นการถ่ายโอนความร้อนผ่านตัวนำความร้อน โดย ที่โมเลกุลแต่ละโมเลกุลของตัวนำไม่ได้เคลื่อนที่ตามไปด้วย เช่น มือจับช้อนโลหะ โดยให้ปลายข้างหนึ่งของช้อนอยู่ ในเปลวไฟ สักครู่จะรู้สึกว่าช้อนโลหะบริเวณที่จับร้อน ลักษณะดังกล่าวเกิดจากความร้อนถูกส่งผ่านจากเปลวไฟ ผ่านช้อนโลหะสู่มือเรา 2. การพาความร้อน (heat convection) เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยอาศัยการเคลื่อนที่ ของโมเลกุลของสสารพาความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกทีหนึ่ง เช่น การต้มน้ำที่บรรจุในภาชนะ เมื่อน้ำได้รับความ

18 ร้อนที่ส่วนล่างของภาชนะ น้ำส่วนล่างจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อยลงและเคลื่อนที่ขึ้นไปอยู่ส่วนบน ส่วน น้ำที่อยู่ส่วนบนของภาชนะก็จะเคลื่อนที่ลงมาแทนที่ การหมุนวนของน้ำจึงทำให้เกิดการพาความร้อนขึ้น 3. การแผ่รังสีความร้อน (heat radiation) เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยไม่ต้องอาศัย ตัวกลาง เช่น โลกได้รับความร้อนที่ถ่ายโอนจากดวงอาทิตย์ผ่านสุญญากาศในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นต้น การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นเมื่อวัตถุสองอันสามารถถ่ายโอนความร้อนถึงกันและกันได้เมื่อวัตถุ ทั้งสองมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน โดยวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงจะถ่ายโอนความร้อนไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า จนกระทั่ง วัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน ปรากฎการณ์ดังกล่าวเป็นไปตามกฎอนุรักษ์พลังงาน (เงื่อนไข ไม่มีการถ่ายโอนความ ร้อนให้กับสิ่งแวดล้อมภายนอก) กล่าวคือ ความร้อนที่วัตถุหนึ่งให้ (ความร้อนจะลดลง) จะเท่ากับความร้อนที่ที่อีก วัตถุหนึ่งได้รับ (ความร้อนที่เพิ่มขึ้น) เป็นไปตามสมการ ∆คาย = ∆รับ (15.13) หรือ ∆ลด = ∆เพิ่ม (15.14) สมการ (15.13) และ (15.14) เมื่อวัตถุมีการถ่ายโอนความร้อนจนไม่มีการถ่ายโอนความร้อน หรือเมื่ออุณหภูมิของ วัตถุทั้งสองเท่ากัน เรียกว่า สมดุลความร้อน (thermal equilibrium) ขั้นตอนแก้ปัญหาโจทย์สมดุลความร้อนมีขั้นตอนดังนี้ 1. แยกวัตถุออกเป็น 2 พวก คือ พวกอุณหภูมิสูงและพวกอุณหภูมิต่ำ แล้วเขียนแผนภาพ 2. หาปริมาณความร้อนที่วัตถุอุณหภูมิสูงลดลงหรือคายออกมาทั้งหมด หรืออาจเปลี่ยนสถานะจาก ∆ = ∆ หรือ ∆ = 3. หาปริมาณความร้อนที่วัตถุอุณหภูมิต่ำเพิ่มขึ้นหรือรับเข้ามาทั้งหมดหรืออาจเปลี่ยนสถานะจาก ∆ = ∆ หรือ ∆ = 4. ตั้งสมการ ∆ลด = ∆เพิ่ม แล้วแทน ∆ ที่ได้จากข้อ 2 และข้อ 3 ลงในแต่ละข้างของสมการ ตัวอย่างที่ 11 ในการทดลองเมื่อจุ่มแท่งอะลูมิเนียมมวล 50 กรัม ที่มีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ลงไปในน้ำมวล 100 กรัม ที่มีอุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส เมื่อเกิดการถ่ายโอนความร้อนจนเกิดสมดุลความร้อน พบว่า น้ำมี อุณหภูมิ32 องศาเซลเซียส ความร้อนจำเพาะของอะลูมิเนียมมีค่าเท่าใด

19 ตัวอย่างที่ 12 น้ำแข็ง -10 °C มวล 5 กรัม ผสมกับน้ำ 20 กรัม 80 °C จงหาอุณหภูมิผสม กำหนดให้น้ำมีความ ร้อนจำเพาะเท่ากับ 4.2 kJ/kg K น้ำแข็งมีความร้อนจำเพาะเท่ากับ 2.0 kJ/kg K และน้ำแข็งมีความร้อนแฝงของ การหลอมเหลวเท่ากับ 333 kJ/kg ตัวอย่างที่ 13 น้ำแข็ง 5 กรัม ผสมกับน้ำ 20 กรัม 80 °C จงหาอุณหภูมิผสม กำหนด น้ำมีความร้อนจำเพาะเท่ากับ 1 cal/g °C น้ำแข็งมีความร้อนจำเพาะเท่ากับ 0.5 cal/g °C น้ำแข็งมีความร้อนแฝงของการหลอมเหลวเท่ากับ 80 cal/g จากตัวอย่างที่ 13 สามารถแปลงหน่วยได้ดังนี้ 1. ถ้าเปลี่ยน cal/g °C เป็น J/kg K ให้คูณด้วย 4.2 x 103 2. ถ้าเปลี่ยน J/kg K เป็น cal/g °C ให้หารด้วย 4.2 x 103

20 กิจกรรมที่ 15.4 สมดุลความร้อน จุดประสงค์ 1. อธิบายการถ่ายโอนความร้อนระหว่างสสารที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน 2. คำนวณปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนระหว่างสสารจนเกิดสมดุลความร้อน วัสดุและอุปกรณ์ 1. ถ้วยกระเบื้องหรือพลาสติก 1 ถ้วย 2. กระป๋องน้ำอัดลม 1 กระป๋อง 3. เทอร์โมมิเตอร์ 2 อัน 4. ขาตั้งพร้อมที่จับ 2 ชุด 5. กระบอกตวง 1 อัน 6. นาฬิกาจับเวลา 1 เรือน 7 น้ำร้อน 8. น้ำเย็น วิธีการดำเนินกิจกรรม 1. รินน้ำร้อนจำนวน 100 ลูกบาศก์เซนติเมตร ลงในถ้วย วัดอุณหภูมิ บันทึกผล 2. รินน้ำเย็นจำนวน 100 ลูกบาศก์เซนติเมตร ลงในกระป๋องน้ำอัดลม วัดอุณหภูมิ บันทึกผล 3. นำกระป๋องน้ำอัดลมวางตรงกลางถ้วย จัดเทอร์โมมิเตอร์ให้วัดอุณหภูมิของน้ำร้อนและน้ำเย็น ดังภาพที่ 1 วัดอุณหภูมิทุก ๆ 30 วินาที จนครบ 15 นาที บันทึกผล 4. เขียนกราฟแสงดความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับเวลาของน้ำทั้งน้ำร้อนและน้ำเย็น โดยให้แกนตั้งเป็น อุณหภูมิแกนนอนเป็นเวลา 5. วิเคราะห์กราฟอุณหภูมิและเวลาเพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในช่วงเวลาต่าง ๆ บันทึกผล 6. คำนวณและเปรียบเทียบปริมาณความร้อนที่น้ำร้อนสูญเสียและปริมาณความร้อนที่น้ำเย็นได้รับ บันทึก ผล 7. ร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับการถ่ายโอนความร้อนและปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอน ภาพที่ 1 การจัดอุปกรณ์ในกิจกรรม

21 บันทึกผลการทดลอง ตาราง ผลการวัดอุณหภูมิของน้ำขณะที่มีการถ่ายโอนความร้อน เวลา (นาที) อุณหภูมิ (องศาเซลเซียส) น้ำร้อน น้ำเย็น 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0

22 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับเวลาของน้ำร้อนและน้ำเย็นเมื่อมีการถ่ายโอนความร้อน ผลการวิเคราะห์กราฟ .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... ผลการคำนวณปริมาณความร้อน .................................................................................................................................................. .................................. .................................................................................................................................................................................... สรุปผลการทดลอง .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................... คำถามท้ายกิจกรรม 1. ความร้อนมีการถ่ายโอนจากบริเวณใดไปบริเวณใด ทราบได้อย่างไร และความร้อนหยุดการถ่ายโอนเมื่อใด .................................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... .............. 2. ปริมาณความร้อนที่น้ำร้อนสูญเสียเมื่อเปรียบเทียบกับปริมาณความร้อนที่น้ำเย็นรับได้ ผลเป็นอย่างไร ............................................................................................................................................... ..................................... ....................................................................................................................................................................................