สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 136 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 137 ทักษะกระบวนการทาง วิทยาศาสตร์ ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ 1. การใช้จำ นวน (การคำ นวณ ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) 1. การแก้ปัญหาสถานการณ์ ที่เกี่ยวกับความร้อน) 2. การสื่อสารสารสนเทศและ การรู้เท่าทันสื่อ (การอภิปรายร่วมกัน) 1. ความมีเหตุผล และ ความรอบคอบ (การอภิปรายร่วมกัน) 2. คว า ม อ ย า ก รู้ อ ย า กเห็น (การมีส่วนร่วมใน การอภิปรายและสรุป) 2. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายแบบจำ ลองของแก๊สอุดมคติ 2. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง ผลการเรียนรู้ ทักษะกระบวนการทาง วิทยาศาสตร์ ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ 1. การใช้จำ นวน (การคำ นวณ ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) 1. การแก้ปัญหา (สถานการณ์ ที่เกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่ง ของอุณหพลศาสตร์) 2. การสื่อสารสารสนเทศและ การรู้เท่าทันสื่อ (การอภิปรายร่วมกัน) 1. ความมีเหตุผล และความรอบคอบ (การอภิปรายร่วมกัน) 2. ความอยากรู้อยากเห็น (การมีส่วนร่วมใน การอภิปรายและสรุป)
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 136 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 137 3. อธิบายแบบจำ ลองของแก๊สอุดมคติทฤษฎีจลน์ของแก๊ส และอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุล ของแก๊ส รวมทั้งคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลแก๊ส และ คำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิและคำ นวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิและ คำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง ผลการเรียนรู้ ทักษะกระบวนการทาง วิทยาศาสตร์ ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ 1. การใช้จำ นวน (การคำ นวณ ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) 1. การแก้ปัญหา (สถานการณ์ ที่เกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ของ แก๊ส) 2. การสื่อสารสารสนเทศและ การรู้เท่าทันสื่อ (การอภิปรายร่วมกัน) 1. ความมีเหตุผล และความรอบคอบ (การอภิปรายร่วมกัน) 2. ความอยากรู้อยากเห็น (การมีส่วนร่วมใน การอภิปรายและสรุป)
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 138 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 139 4. อธิบาย และคำ นวณงานที่ทำ โดยแก๊สในภาชนะปิดโดยความดันคงตัว และอธิบายความสัมพันธ์ ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ และงาน รวมทั้งคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องและ นำ ความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปอธิบายหลักการทำ งานของเครื่องใช้ในชีวิตประจำ วัน จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายและคำ นวณพลังงานภายในระบบ 2. อธิบายและคำ นวณงานที่ทำ โดยแก๊ส 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ กับงานที่ทำ โดยแก๊ส และ คำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการนำ ความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำ วัน ผลการเรียนรู้ ทักษะกระบวนการทาง วิทยาศาสตร์ ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ 1. การใช้จำ นวน (การคำ นวณ ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) 1. การแก้ปัญหา (สถานการณ์ ที่เกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่งของ อุณหพลศาสตร์) 2. การสื่อสารสารสนเทศและ การรู้เท่าทันสื่อ (การอภิปรายร่วมกัน) 1. ความมีเหตุผล และความรอบคอบ (การอภิปรายร่วมกัน) 2. ความอยากรู้อยากเห็น (การมีส่วนร่วมใน การอภิปรายและสรุป)
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 138 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 139 ผังมโนทัศน์ ความร้อนและแก๊ส ความร้อนและแก๊ส การถ่ายโอนความร้อน กฎการอนุรักษ์พลังงาน กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ พลังงานภายในระบบ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง การประยุกต์ของอุณหพลศาสตร์ สมดุลความร้อน งานที่ทําโดยแก๊ส งาน อุณหภูมิ แก๊สอุดมคติ ความร้อนแฝง การเปลี่ยน อุณหภูมิ แบบจําลอง แก๊สอุดมคติ ทฤษฎีจลน์ ของแก๊ส การชนและ โมเมนตัม กฎของ แก๊สอุดมคติ การเปลี่ยน สถานะ เกี่ยวข้องกับ เกี่ยวข้องกับ เกี่ยวข้องกับ เกี่ยวข้องกับ เกี่ยวข้องกับ กฎของบอยล์ กฎของชาร์ล กฎของเกย์-ลูสแซก ความสัมพันธ์ระหว่าง ความดันและอัตราเร็ว โมเลกุลของแก๊ส ความจุความร้อนและ ความร้อนจําเพาะ นําไปคํานวณ นําไปคํานวณ คํานวณ อธิบาย นําไปสู่ นําไปสู่ นําไปสู่ ความสัมพันธ์ระหว่าง พลังงานจลน์เฉลี่ยของ แก๊สกับอุณหภูมิ นําไปสู่ ความสัมพันธ์ระหว่าง อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส กับอุณหภูมิ นําไปสู่ นําไปสู่ นําไปสู่ นําไปสู่ นําไปสู่
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 140 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 141 สรุปแนวความคิดสำ คัญ อุณหพลศาสตร์(thermodynamics) เป็นการศึกษากระบวนการเปลี่ยนแปลงระหว่างความร้อน และพลังงานกล ระดับความร้อนของวัตถุสามารถระบุได้ด้วยอุณหภูมิ(temperature) อุปกรณ์ที่ ใช้วัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์มอมิเตอร์ (thermometer) หน่วยวัดอุณหภูมิที่ใช้ทั่วไปคือ องศาเซลเซียส (degree Celsius, C fi ) แต่การศึกษาในวิชาอุณหพลศาสตร์ใช้อุณหภูมิในหน่วย เคลวิน (Kelvin, K) ซึ่งบางครั้งเรียกว่า อุณหภูมิสัมบูรณ์(absolute temperature) เมื่อสสารได้รับหรือคายความร้อน สสารอาจมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหรืออาจเปลี่ยนจากสถานะหนึ่ง ไปอีกสถานะหนึ่งโดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง กรณีที่สสารมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป อัตราส่วนระหว่างความร้อน ที่ให้แก่สสารต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เรียกว่า ความจุความร้อน (heat capacity, C) ส่วนความจุความร้อนต่อ หนึ่งหน่วยมวลจะขึ้นกับสารแต่ละชนิด เรียกว่า ความร้อนจำ เพาะ (specific heat, c) ความร้อนที่ทำ ให้ สสารเปลี่ยนอุณหภูมิคำ นวณได้จากสมการ Q = mcΔT กรณีที่สสารเปลี่ยนสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง ความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารหนึ่งหน่วยมวล เรียกว่า ความร้อนแฝง (latent heat, L) ความร้อนที่ทำ ให้สสารเปลี่ยนสถานะคำ นวณได้จากสมการ Q = mL ความร้อนสามารถถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่อีกวัตถุหนึ่งที่มีอุณหภูมิ ต่ำ กว่าได้การถ่ายโอนความร้อนมี3 แบบ คือ นำ ความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน การถ่ายโอนความร้อนดังกล่าวจะเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เมื่อไม่มีการถ่ายโอนความร้อนให้กับ สิ่งแวดล้อมภายนอก ปริมาณความร้อนที่วัตถุหนึ่งสูญเสียจะเท่ากับปริมาณความร้อนที่อีกวัตถุหนึ่งได้รับ เขียนแทนได้ด้วยสมการ Qลด = Qเพิ่ม การที่วัตถุมีการถ่ายโอนความร้อนจนไม่มีการถ่ายโอนความร้อน เมื่อมีอุณหภูมิเท่ากัน เรียกว่า วัตถุทั้งสองอยู่ในสมดุลความร้อน (thermal equilibrium) สารในสถานะแก๊สประกอบด้วยโมเลกุลฟุ้งกระจายเต็มภาชนะบรรจุเพื่อให้การอธิบายพฤติกรรมของ แก๊สได้ง่ายขึ้น จึงมีการสร้างแบบจำ ลองแก๊สอุดมคติ(ideal gas) ขึ้นมา โดยกำ หนดให้แก๊สอุดมคติเป็น แก๊สที่โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน มีการเคลื่อนที่แบบสุ่ม และมีการชนแบบยืดหยุ่น ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สอุดมคติมีความสัมพันธ์เป็นไปตามกฎของแก๊สอุดมคติ (ideal gas law) เขียนแทนได้ด้วยสมการ PV = nRT = NkBT ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (kinetic theory of gases) เป็นการอธิบายพฤติกรรมแก๊สในระดับโมเลกุล เพื่อนำ ไปสู่การอธิบายธรรมชาติของแก๊สที่เกิดขึ้นจากโมเลกุลของแก๊สทั้งหมดที่อยู่ในระบบ เช่น อุณหภูมิ ของแก๊ส ปริมาตรของแก๊ส และความดันของแก๊ส โดยที่ความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ของโมเลกุลของแก๊สเป็นไปตามสมการ 2 rms 1 3 Nm v V ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของ โมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิเป็นไปตามสมการ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ย ของโมเลกุลของแก๊ส ความดันกับปริมาตรของแก๊สเป็นไปตามสมการ = = = และความสัมพันธ์
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 140 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 141 ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสกับอุณหภูมิของโมเลกุลของแก๊สเป็นไปตามสมการ rms v 3 B k T m พลังงานทั้งหมดของโมเลกุลของแก๊สที่บรรจุอยู่ในระบบ เรียกว่า พลังงานภายในระบบ (internal energy of a system) ซึ่งจะหมายถึง พลังงานภายใน (internal energy) ของแก๊ส แทนด้วยสัญลักษณ์U สำ หรับแก๊สอุดมคติสามารถหาพลังงานภายในระบบได้จากสมการ 3 2 U Nk BT 3 2 nRT พลังงาน ภายในระบบมีความสัมพันธ์กับความร้อนและงานซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานเรียกว่า กฎข้อที่หนึ่ง ของอุณหพลศาสตร์ (first law of thermodynamics) เขียนแทนด้วยสมการ Q = ΔU + W ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ทำ ให้ทราบว่า ความร้อน (heat, Q) เป็นเพียงพลังงานที่ถ่ายโอน ในรูปงานและพลังงานภายในระบบเท่านั้นความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบสามารถนำ ไปประยุกต์ด้านต่าง ๆ เช่น การทำ งานของเครื่องยนต์ความร้อน ตู้เย็น และเครื่องปรับอากาศ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 142 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 143 ความรู้ก่อนเรียน แรงดล โมเมนตัม งาน พลังงาน กฎการอนุรักษ์พลังงาน เวลาที่ใช้ 16.1 ความร้อน 4 ชั่วโมง 16.2 แก๊สอุดมคติ 5 ชั่วโมง 16.3 ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 8 ชั่วโมง 16.4 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์และการประยุกต์ 7 ชั่วโมง บทนี้ควรใช้เวลาสอนประมาณ 24 ชั่วโมง แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่บทที่ 16 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ความร้อนคืออะไร ตัวอย่าง ความร้อนที่พบในชีวิตประจำ วันมีอะไรบ้าง มนุษย์ใช้ประโยชน์จากความร้อนในการดำ รงชีวิตอย่างไรบ้าง และอาจใช้รูปนำ บทนำ อภิปรายโดยให้นักเรียนร่วมกันตอบคำ ถามว่า ตู้เย็นมีประโยชน์อย่างไร และ เกี่ยวข้องกับความร้อนอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ และไม่คาดหวัง คำ ตอบที่ถูกต้อง ครูชี้แจงนักเรียนว่า ในบทที่ 16 นี้นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับ อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) ซึ่งเป็นการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการเปลี่ยนแปลงระหว่างความร้อนและพลังงานกลของระบบที่อยู่ใน สถานะแก๊ส ของแข็ง และของเหลว โดยเน้นการอธิบายความร้อนจากพฤติกรรมของแก๊ส ครูชี้แจงคำ ถามสำ คัญที่นักเรียนต้องตอบได้หลังจากการเรียนรู้บทที่ 16 และหัวข้อที่นักเรียนจะได้ เรียนรู้ในบทเรียนนี้
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 142 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 143 16.1 ความร้อน จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. บอกระดับความร้อนของวัตถุด้วยอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและเคลวิน 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนอุณหภูมิกับความจุความร้อน ความร้อนจำ เพาะ และ คำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 3. อธิบายการเปลี่ยนสถานะของสสารที่เกี่ยวข้องกับความร้อนแฝง และคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการถ่ายโอนความร้อน สมดุลความร้อน และคำ นวณปริมาตรต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 16.1 โดยอาจใช้คำ ถามดังตัวอย่างต่อไปนี้ - ในการเปรียบเทียบว่าวัตถุใดร้อนมากกว่ากัน จะสามารถบอกได้อย่างไร - เมื่อให้ความร้อนกับสาร สารจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้าง - ความร้อนมีผลต่อสถานะของสารอย่างไร - ความร้อนถ่ายโอนได้หรือไม่ อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูชี้แจงว่า ในหัวข้อที่ 16.1 นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับการบอกระดับความร้อน ผลของความร้อน ที่มีต่อระดับความร้อนของสารและการเปลี่ยนสถานะของสาร และการถ่ายโอนความร้อน ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. หน่วยของอุณหภูมิในระบบ SI คือ องศาเซลเซียส 1. หน่วยของอุณหภูมิในระบบ SI คือ เคลวิน 2. อุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยเคลวินเท่ากับ อุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยองศาเซลเซียส บวกด้วย 273 2. อุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยเคลวินเท่ากับ อุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยองศาเซลเซียส 16.1.1 อุณหภูมิ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 144 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 145 สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ถ้าจะมีการให้นักเรียนสังเกตการรับรู้ความร้อนด้วยประสาทสัมผัส ให้เตรียมภาชนะบรรจุน้ำ จำ นวน 3 ใบ ที่บรรจุน้ำ เย็น น้ำ อุ่น และน้ำ ร้อน ตามลำ ดับ แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 1 ของหัวข้อ 16.1 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.1.1 โดยใช้รูป 16.1 ในหนังสือเรียน หรืออาจจัดกิจกรรมสาธิตโดยให้นักเรียน สังเกตการรับรู้ความร้อนด้วยประสาทสัมผัสจากการใช้มือจุ่มลงในภาชนะบรรจุน้ำ เย็น น้ำ อุ่น และน้ำ ร้อน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากนั้น ครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันโดยตอบคำ ถามว่า การรับรู้ความร้อน ของสิ่งต่าง ๆ จากประสาทสัมผัสมีข้อจำ กัดอย่างไร จนสรุปได้ว่า ประสาทสัมผัสของมนุษย์ไม่สามารถบอก ระดับความร้อนของสิ่งต่าง ๆ ได้อย่างแม่นยำ นักวิทยาศาสตร์จึงจำ เป็นต้องค้นหาวิธีการวัดระดับความร้อน และหามาตรฐานในการบอกระดับความร้อนขึ้น จึงเป็นที่มาของการบอกระดับความร้อนด้วยอุณหภูมิของ วัตถุนั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแสดงว่ามีระดับความร้อนมาก และวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ แสดงว่ามีระดับความร้อน น้อย ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับเทอร์มอมิเตอร์ และการกำ หนดสเกลอุณหภูมิของเทอร์มอมิเตอร์ ในหน่วยองศาเซลเซียส และเคลวิน ในหนังสือเรียน และอภิปรายร่วมกันจนสรุปความสัมพันธ์ระหว่าง อุณหภูมิในหน่วยเคลวินและอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสเป็นดังสมการที่ (16.1) โดยอุณหภูมิที่ เปลี่ยนแปลงไปในหน่วยเคลวินเท่ากับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปในหน่วยองศาเซลเซียส ตามรายละเอียด ในหนังสือเรียน ครูใช้รูป 16.3 นำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับเทอร์มอมิเตอร์ชนิดต่าง ๆ โดยอาจให้นักเรียนสืบค้น เพิ่มเติมในเรื่องของวิธีใช้งาน จุดเด่นและข้อจำ กัดในการใช้งานของเทอร์มอมิเตอร์แต่ละชนิด ซึ่งควรสรุป ได้ว่า เทอร์มอมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิมีหลายรูปแบบตามลักษณะของการใช้งาน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 144 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 145 ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู เทอร์มอมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิมีหลายรูปแบบตามลักษณะของการใช้งาน ดังนี้ - เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำ หรับวัดอุณหภูมิสูงสุดและต่ำ สุด เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำ หรับวัดอุณหภูมิสูงสุดและต่ำ สุดมีชื่อเรียกว่า Six's thermometer ประกอบด้วยหลอดแก้วรูปตัวยูซึ่งมีปรอทบรรจุอยู่ภายใน เหนือปรอทแต่ละด้านจะมีแท่ง บันทึกอุณหภูมิที่ทำ จากโลหะเหนือปรอทด้านอุณหภูมิต่ำ สุดที่อยู่ทางด้านซ้ายจะบรรจุแอลกอฮอล์ จนเต็ม ส่วนเหนือปรอทด้านอุณหภูมิสูงสุดที่อยู่ทางด้านขวาจะบรรจุแอลกอฮอล์บางส่วนทำ ให้มี ส่วนที่เป็นสุญญากาศอยู่ด้วย บริเวณด้านหลังหลอดแก้วรูปตัวยูจะมีแถบแม่เหล็ก ดังรูป 16.2 - เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำ หรับวัดอุณหภูมิทั่วไป เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำ หรับวัดอุณหภูมิทั่วไปนิยมใช้ เทอร์มอมิเตอร์ที่มีของเหลว เช่น ปรอทหรือแอลกอฮอล์ บรรจุใน หลอดแก้วปิด ดังรูป 16.1 เทอร์มอมิเตอร์รูปแบบนี้วัดอุณหภูมิโดย อาศัยการหดและขยายตัวของของเหลวเมื่อได้รับความร้อนสามารถ ใช้วัดอุณหภูมิของสารที่มีสภาพเป็นกรดหรือด่างได้ดี แต่ข้อจำ กัด ของเทอร์มอมิเตอร์นี้คือ ตัวเทอร์มอมิเตอร์ทำ จากแก้วทำ ให้แตกหัก ได้ง่าย ถ้าต้องการวัดอุณหภูมิที่สูงมาก ๆ ควรเลือกใช้เทอร์มอมิเตอร์ ที่มีปรอทเป็นของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว เนื่องจากแอลกอฮอล์เป็น ของเหลวที่มีจุดเดือดค่อนข้างต่ำ เมื่อใช้วัดอุณหภูมิสูงอาจระเหย กลายเป็นไอทำ ให้เทอร์มอมิเตอร์เสียหายได้ รูป 16.1 เทอร์มอมิเตอร์แบบ ขีดสเกลสำ หรับวัดอุณหภูมิทั่วไป
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 146 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 147 แถบแมเ หลก็ แทงบนัทกึอณหภมิ ปรอทบรรจุในหลอดแกวรปตวั สญ ญากาศแอลกอฮอล เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แอลกอฮอล์ด้านซ้ายจะขยายตัว ทำ ให้ปรอทดันแท่งบันทึกอุณหภูมิทาง ด้านขวาสูงขึ้นและอยู่ในตำ แหน่งสูงที่สุดเมื่ออุณหภูมิสูงสุด เมื่ออุณหภูมิลดลง แอลกอฮอล์ด้านซ้าย จะหดตัว ทำ ให้ปรอทไปดันแท่งบันทึกอุณหภูมิทางด้านซ้ายสูงขึ้นและอยู่ในตำ แหน่งสูงที่สุดเมื่ออุณหภูมิ ต่ำ สุด แถบแม่เหล็กที่บริเวณด้านหลังจะดูดแท่งบันทึกอุณหภูมิไว้ให้อยู่ในตำ แหน่งอุณหภูมิต่ำ สุดและ สูงสุดที่บันทึกได้เมื่อปรอทเคลื่อนต่ำ ลงแท่งบันทึกอุณหภูมิจึงไม่ตกลงมา ถ้าต้องการวัดอุณหภูมิ ใหม่อีกครั้ง จะต้องกดปุ่มให้แถบแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกห่างจากแท่งบันทึกอุณหภูมิเพื่อให้แท่งบันทึก อุณหภูมิเลื่อนกลับลงมาอยู่ระดับเดียวกับปรอทอีกครั้ง จะสังเกตได้ว่าการวัดอุณหภูมิของเทอร์มอมิเตอร์ ชนิดนี้ไม่ได้อาศัยการหดและขยายตัวของปรอท รูป 16.2 ส่วนประกอบของเทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำ หรับวัดอุณหภูมิสูงสุดและต่ำ สุด อุณหภูมิตํ่าสุด ปุมเริ่มตน อุณหภูมิสูงสุด การอ่านอุณหภูมิสูงสุดและต่ำ สุดให้ อ่านที่ปลายล่างของแท่งบันทึกอุณหภูมิที่อยู่ ในแถบสเกล ด้านหนึ่งจะแสดงอุณหภูมิต่ำ สุด และอีกด้านหนึ่งจะแสดงอุณหภูมิสูงสุด เทอร์มอมิเตอร์นี้เหมาะกับ ใช้ ในการศึกษาสภาพ อากาศ (weather) เพื่อบันทึกอุณหภูมิต่ำ สุด และสูงสุดในแต่ละวัน รูป 16.3 แท่งบันทึกอุณหภูมิและปุ่มเริ่มต้น
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 146 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 147 - เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลและแบบดิจิทัลสำ หรับวัดไข้ เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลและแบบดิจิทัลสำ หรับวัดไข้ ดังรูป 16.4 นิยมใช้วัดอุณหภูมิ ตามส่วนต่างๆ ของร่างกาย เช่น ช่องปาก รักแร้และทวารหนัก เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้จะถูกออกแบบ ให้สามารถคงค่าอุณหภูมิที่ต้องการวัดไว้ได้แม้อยู่ภายนอกสิ่งที่ต้องการวัด โดยอาจใส่แท่งบันทึก อุณหภูมิเข้าไปข้างในตัวเทอร์มอมิเตอร์เหนือปรอท เมื่อปรอทได้รับความร้อนและขยายตัวก็จะดัน แท่งนี้ขึ้นการอ่านอุณหภูมิจึงอ่านค่าจากตำ แหน่งที่แท่งบันทึกอุณหภูมิอยู่ หรือในบางชนิดจะมี ขดแก้วที่กันไม่ให้ปรอทไหลย้อนกลับเมื่อหดตัวดังรูป16.5 เมื่อต้องการใช้งานอีกครั้งจึงจำ เป็นต้อง สะบัดเทอร์มอมิเตอร์แรง ๆ เพื่อให้แท่งบันทึกอุณหภูมิหรือปรอทกลับสู่จุดเริ่มต้นอีกครั้ง สำ หรับ เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้แบบดิจิทัลจะมีวงจรไฟฟ้าช่วยบันทึกอุณหภูมิให้สามารถอ่านค่าอุณหภูมิได้ แม้นำ ออกมาจากสิ่งที่วัดอุณหภูมิ - เทอร์มอมิเตอร์แบบแถบสำ หรับวัดไข้ เทอร์มอมิเตอร์แบบแถบสำ หรับวัดไข้ ดังรูป 16.6 อาศัยการทำ งานของผลึกเหลวที่ไวต่อ ความร้อน (heat-sensitive [thermochromic] liquid crystals) ที่เปลี่ยนสีตามอุณหภูมิวิธีการ วัดอุณหภูมิทำ ได้โดยทาบแถบเทอร์มอมิเตอร์ลงบนหน้าผากแล้วกดเบา ๆ ประมาณ 15 วินาที แถบสีจะค่อย ๆ ปรากฏตามระดับความร้อนของสิ่งที่ต้องการวัดจนกระทั่งไม่เปลี่ยนแปลง แถบสี สุดท้ายที่ปรากฎจะเป็นค่าอุณหภูมิที่ต้องการวัด ดังรูป 16.7 อย่างไรก็ตาม การวัดอุณหภูมิแบบนี้มี ความคลาดเคลื่อนสูงมาก รูป 16.4 เทอร์มอมิเตอร์สำ หรับวัดไข้ ก. เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำ หรับวัดไข้ ข. เทอร์มอมิเตอร์แบบดิจิทัลสำ หรับวัดไข้ รูป 16.5 ขดแก้วสำ หรับกันไม่ให้ปรอทไหล ย้อนกลับเมื่อหดตัว บริเวณที่ปรอทไมไหล ยอนกลับ ขดแกว
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 148 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 149 ปรากฎแถบสี ไมปรากฎแถบสี - เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวดโลหะประกบสำ หรับวัดอุณหภูมิทั่วไป และสำ หรับวัดอุณหภูมิภายในวัตถุ เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวดโลหะประกบสำ หรับวัดอุณหภูมิทั่วไปดังรูป16.9 ภายในบรรจุขดลวดทำ จากโลหะ 2 ชนิดประกบกันที่เรียกว่า bimetallic coil ดังรูป 16.10 วัดอุณหภูมิโดยอาศัยความแตกต่างของการหดและขยายตัวของโลหะ 2 ชนิดเมื่อได้รับความร้อน นิยมใช้ในการวัดอุณหภูมิสิ่งของที่มีพื้นที่จำ กัด เช่น ภายในตู้เย็น ภายในเตาอบ เป็นต้น นอกจากนี้ รูป 16.6 เทอร์มอมิเตอร์แบบแถบ สำ หรับวัดไข้ รูป 16.7 การปรากฏแถบสีของ ผลึกเหลวที่ไวต่อความร้อน - เทอร์มอมิเตอร์แบบอินฟราเรด วั ด อุณ ห ภู มิจ า ก ก า รแ ผ่ รั ง สี ข อ ง วั ต ถุ ที่ มี ความร้อนเช่นเดี ยวกับการแผ่รั ง สีขอ งวัตถุดำ (black body radiation) เหมาะสำ หรับการวัดอุณหภูมิ สิ่งของโดยไม่จำ เป็นต้องสัมผัสกับสิ่งของนั้น ๆ เช่น สิ่งของที่บอบบาง แตกหักง่าย หรือ เป็นอันตรายหาก ต้องเข้าใกล้ดังรูป 16.8 รูป 16.8 เทอร์มอมิเตอร์แบบอินฟราเรด
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 148 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 149 ยังมีการออกแบบให้มีแท่งโลหะสำ หรับสอดเข้าไปวัดอุณหภูมิภายในวัตถุที่ต้องการวัด ดังรูป 16.11 เช่นการวัดอุณหภูมิของเนื้อย่างการวัดอุณหภูมิของดิน เป็นต้นแต่เนื่องจากส่วนที่ใช้วัดอุณหภูมิ ของเทอร์มอมิเตอร์แบบนี้เป็นแท่งโลหะ จึงอาจไม่เหมาะกับการวัดอุณหภูมิของสิ่งที่มีสภาพเป็น กรดและด่างสูง ขดลวด รูป 16.9 เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวด โลหะประกบสำ หรับวัดอุณหภูมิทั่วไป รูป 16.10 ขดลวดทำ จากโลหะ 2 ชนิดประกบ รูป 16.11 เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวดโลหะประกบสำ หรับวัดอุณหภูมิภายในวัตถุ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 150 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 151 ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. วัตถุต่างชนิดกันที่มีมวลเท่ากันและอุณหภูมิ เท่ากัน เมื่อได้รับความร้อนปริมาณเท่ากัน จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากัน 1. วัตถุต่างชนิดกันที่มีมวลเท่ากันและอุณหภูมิ เท่ากัน เมื่อได้รับความร้อนปริมาณเท่ากัน จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นแตกต่างกันขึ้นกับ สมบัติของสารแต่ละชนิด 2. สารชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันจะมีความจุ ความร้อนและความร้อนจำ เพาะต่างกัน 2. สารชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันจะมีความจุ ความร้อนต่างกันแต่มีความร้อนจำ เพาะ เท่ากัน 16.1.2 ความจุความร้อนและความร้อนจำ เพาะ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ถ้าจะมีการให้นักเรียนสังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างทรายและน้ำ ให้เตรียมภาชนะ 2 ใบ บรรจุทรายและน้ำ ที่มีมวลเท่ากันและมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้อง และเทอร์มอมิเตอร์สำ หรับวัดอุณหภูมิ จำ นวน 2 อัน แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 2 ของหัวข้อ 16.1 ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.1.2 โดยยกสถานการณ์วัตถุที่ได้รับความร้อนแล้วมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น เช่น การ เผาโลหะต่างชนิดกันที่มีมวลเท่ากัน หรืออาจจัดกิจกรรมสาธิตเพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของ ทรายและน้ำ ที่มีมวลเท่ากันเมื่อนำ ไปวางกลางแดดในเวลาเท่ากัน จากนั้น ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยตอบคำ ถามว่า เมื่อวัตถุต่างชนิดกันมีมวลเท่ากันและมีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากันได้รับความร้อนในปริมาณ เท่ากัน วัตถุนี้จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากันหรือไม่ เพราะเหตุใด ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็น อย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า เมื่อให้ ความร้อนกับวัตถุจะทำ ให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้น โดยวัตถุต่างชนิดกันแม้จะมีมวลเท่ากันและมีอุณหภูมิเริ่มต้น เท่ากันอาจจะมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปไม่เท่ากัน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนจึง ขึ้นอยู่กับชนิดของสาร ครูให้นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับความจุความร้อนและความร้อนจำ เพาะตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนสรุปได้ว่า ความจุความร้อน คือ อัตราส่วนระหว่างความร้อนที่ให้กับวัตถุต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตาม
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 150 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 151 สมการ (16.2) ในหนังสือเรียน ซึ่งคือ ความร้อนที่ทำ ให้วัตถุนั้นๆ มีอุณหภูมิเปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วย องศาเซลเซียส ส่วนความร้อนจำ เพาะ คือ ความจุความร้อนต่อหนึ่งหน่วยมวล ตามสมการ (16.3) ใน หนังสือเรียน ความร้อนจำ เพาะมีค่าขึ้นกับสารแต่ละชนิด โดยที่วัตถุชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันจะมี ความร้อนจำ เพาะเท่ากันเสมอ แต่อาจมีความจุความร้อนไม่เท่ากัน กล่าวคือ วัตถุที่มีมวลมากจะมีความจุ ความร้อนมาก ส่วนวัตถุที่มีมวลน้อยจะมีความจุความร้อนน้อย และความร้อนที่ทำ ให้สสารเปลี่ยนอุณหภูมิ จะขึ้นอยู่กับชนิดของสาร มวล และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ตามสมการ (16.4) ในหนังสือเรียน จากนั้น ครูให้ นักเรียนศึกษาความร้อนจำ เพาะของสารบางชนิดตามตารางที่ 16.1 ในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.1 และ 16.2 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เมื่อให้ความร้อนกับสาร จะทำ ให้สารนั้นมี อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเสมอ 1. เมื่อให้ความร้อนกับสารในขณะที่สารเปลี่ยน สถานะ อุณหภูมิของสารนั้นจะคงตัว 2. สำ หรับสารใด ๆ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยน สถานะจากของแข็งเป็นของเหลวมีค่าเท่ากับ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยนสถานะจากของ เหลวเป็นแก๊ส 2. สำ หรับสารใดๆ ความร้อนที่ทำให้สารเปลี่ยน สถานะจากของแข็งเป็นของเหลวมีค่าเท่ากับ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยนสถานะจากของ เหลวเป็นแก๊ส 3. สำ หรับสารใดๆ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยน สถานะจากของแข็งเป็นของเหลวมีค่าไม่เท่ากับ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยนสถานะจากของ เหลวเป็นของแข็ง 3. สำ หรับสารใดๆ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยน สถานะจากของแข็งเป็นของเหลวมีค่าเท่ากับ ความร้อนที่ทำ ให้สารเปลี่ยนสถานะจากของ เหลวเป็นของแข็ง 16.1.3 ความร้อนแฝง ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ถ้าจะมีการให้นักเรียนสังเกตอุณหภูมิขณะที่น้ำ แข็งกำ ลังหลอมเหลวและน้ำ กำ ลังเดือดให้เตรียม ภาชนะ 2 ใบ โดยใบหนึ่งบรรจุน้ำ แข็งและอีกใบหนึ่งบรรจุน้ำ ตะเกียงแอลกอฮอล์หรือเตาสำ หรับให้ ความร้อน จำ นวน 1 อัน เทอร์มอมิเตอร์และขาจับเทอร์มอมิเตอร์จำ นวน 2 ชุด
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 152 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 153 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 3 ของหัวข้อ 16.1 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.1.3 โดยใช้รูป 16.4 ในหนังสือเรียน หรืออาจจัดกิจกรรมสาธิตโดยให้นักเรียน สังเกตอุณหภูมิของน้ำ แข็งในขณะที่กำ ลังหลอมเหลว และอุณหภูมิของน้ำ ในขณะที่กำ ลังเดือด จากนั้น ให้ นักเรียนอภิปรายร่วมกันโดยตอบคำ ถามว่า เมื่อให้ความร้อนกับน้ำ แข็งที่กำ ลังหลอมเหลว อุณหภูมิของน้ำ แข็ง มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่อย่างไร และเมื่อให้ความร้อนกับน้ำ ที่กำ ลังเดือด อุณหภูมิของน้ำ มีการเปลี่ยนแปลง หรือไม่ อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า เมื่อให้ความร้อนในขณะที่สารกำ ลังเปลี่ยนสถานะ อุณหภูมิของสารจะมีค่าคงตัว และความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารมวล 1 หน่วย โดยอุณหภูมิ ไม่เปลี่ยน เรียกว่า ความร้อนแฝง ความร้อนดังกล่าวหาได้จากสมการ (16.5) ในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาความร้อนแฝงของสารบางชนิดแสดงในตารางที่ 16.2 ในหนังสือเรียน และนำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับสารบางชนิดที่มีการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นแก๊สซึ่งเรียกว่าการระเหิด เช่น น้ำ แข็งแห้ง และการบูร ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.3 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู จุดเดือดของของเหลวมีค่าขึ้นอยู่กับความดันบรรยากาศ เช่น น้ำ จะมีจุดเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ ซึ่งอยู่ในระดับน้ำ ทะเล แต่ถ้าความดันต่ำ กว่า 1 บรรยากาศ เช่น บนยอดเขาสูง น้ำ จะเดือดที่อุณหภูมิต่ำ กว่า 100 องศาเซลเซียส ถ้า ความดันมากกว่า 1 บรรยากาศเช่น ในหม้ออัดความดัน น้ำ จะเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส จึงนิยมนำ หม้อชนิดนี้มาใช้สำ หรับฆ่าเชื้อ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 152 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 153 ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. การถ่าย โอนความร้อนเกิดขึ้นได้ โดย นำ ความร้อน การพาความร้อน และการแผ่ รังสีความร้อน ซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นพร้อม กันได้ 1. การถ่ายโอนเกิดขึ้นได้โดยการนำ ความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้ 2. ความร้อนจะถ่าย โอนจากบริเวณที่มี ความร้อนมากไปยังบริเวณที่มีความร้อนน้อย และหยุดถ่ายโอนเมื่อความร้อนของทั้งสอง บริเวณเท่ากัน 2. ความร้อนจะถ่าย โอนจากบริเวณที่มี อุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ และหยุดถ่ายโอนเมื่ออุณหภูมิของทั้งสอง บริเวณเท่ากัน 16.1.4 การถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 4 ของหัวข้อ 16.1 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.1.4 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า การถ่ายโอนความร้อน สามารถเกิดขึ้นได้อย่างไรบ้าง พร้อมยกตัวอย่าง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า การถ่ายโอนความร้อนมี3 แบบ คือ การนำ ความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูใช้รูป 16.7 ในหนังสือเรียน นำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับการถ่ายโอนความร้อนจากเปลวไฟที่ต้มน้ำ สู่มือ จนสรุปได้ว่า การถ่ายโอนความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งจากการนำ ความร้อน การพาความร้อน และ การแผ่รังสีความร้อน วิธีใดวิธีหนึ่งหรือหลายวิธีพร้อมกัน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นเมื่อใด และเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิอย่าง ไร โดยเปิด โอกาส ให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง แล้วนำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับการถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียนจนสรุปได้ว่า การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นเมื่อสองบริเวณมีอุณหภูมิ แตกต่างกัน และการถ่ายโอนความร้อนจะเกิดขึ้นจนกระทั่งทั้งสองบริเวณมีอุณหภูมิเท่ากัน การถ่ายโอน ความร้อนดังกล่าวจะเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน คำ นวณได้จากสมการ (16.6) ในหนังสือเรียน จากนั้น ครูให้ความรู้เพิ่มเติมว่า การที่วัตถุมีการถ่ายโอนความร้อนจนไม่มีการถ่ายโอนความร้อนเมื่อมี อุณหภูมิเท่ากัน เรียกว่า วัตถุทั้งสองอยู่ในสมดุลความร้อน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 154 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 155 ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.4 และ 16.5 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ครูให้นักเรียนตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.1 และทำ แบบฝึกหัด 16.1 โดยครูอาจมีการ เฉลยคำ ตอบและอภิปรายคำ ตอบร่วมกัน แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับความร้อน จากการตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.1 และการทำ แบบฝึกหัด 16.1 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ นวนจากการคำ นวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับความร้อน 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการอภิปรายร่วมกัน และจาก การทำ แบบฝึกหัด 16.1 1. เหตุใดอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยเคลวินจึงมีค่าเท่ากับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยองศาเซลเซียส แนวคำ ตอบ เนื่องจากช่วงสเกลอุณหภูมิในหน่วยเคลวินมีค่าเท่ากับช่วงสเกลอุณหภูมิในหน่วย องศาเซลเซียส 2. ความจุความร้อนและความร้อนจำ เพาะเหมือนกันหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ ไม่เหมือนกัน โดยที่ ความจุความร้อน คือ อัตราส่วนระหว่างความร้อนที่ให้แก่วัตถุ ต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นซึ่งมีค่าไม่คงตัว ส่วนความร้อนจำ เพาะคือความจุความร้อนต่อหนึ่งหน่วยมวล และจะมีค่าคงตัวขึ้นกับสารแต่ละชนิด 3. ในขณะที่ประกอบอาหารภายในห้องครัวโดยใช้ความร้อนจากเปลวไฟ เพราะเหตุใด คนที่อยู่ภายใน ครัวจึงรู้สึกว่าได้รับความร้อนจากเปลวไฟนั้น แนวคำ ตอบ คนที่อยู่ภายในครัวได้รับความร้อนจากเปลวไฟเนื่องจากมีการพาความร้อนโดย โมเลกุลอากาศ และการแผ่รังสีความร้อน 4. การถ่ายโอนความร้อนเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ การถ่ายโอนความร้อนเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวคือ ถ้าไม่มีการ ถ่ายโอนความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อมภายนอก ความร้อนที่วัตถุหนึ่งให้(ความร้อนที่ลดลง) จะเท่ากับ ความร้อนที่อีกวัตถุหนึ่งได้รับ (ความร้อนที่เพิ่มขึ้น) แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.1
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 154 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 155 5. ถ้าใส่ตะปูที่เผาจนร้อนลงในแก้วที่มีน้ำ พอสมควร อุณหภูมิของน้ำ และตะปูจะเปลี่ยนแปลง อย่างไร เมื่อปล่อยทิ้งไว้เป็นเวลานาน อุณหภูมิของน้ำ และตะปูจะเป็นอย่างไร แนวคำ ตอบ เมื่อใส่ตะปูที่เผาจนร้อนลงในแก้วที่มีน้ำ พอสมควร อุณหภูมิของน้ำ จะเพิ่มขึ้นและ อุณหภูมิของตะปูจะลดลง เมื่อปล่อยทิ้งไว้เป็นเวลานาน อุณหภูมิของน้ำ และตะปูจะเท่ากัน 1. จงเปลี่ยนอุณหภูมิต่อไปนี้ ก. 30 C fi , −10 C fi , 110 C fi และ 12.15 C fi เป็นอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน ข. 30 K, 250 K, 330 K และ 373.15 K เป็นอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส วิธีทำ ก. จากความสัมพันธ์T = t + 273.15 เมื่อ t = 30 C fi จะได้ T = (30 + 273.15)K = 303.15 K เมื่อ t = −10 C fi จะได้ T = (−10 + 273.15)K = 263.15 K เมื่อ t = 100 C fi จะได้ T = (110 + 273.15)K = 383.15 K เมื่อ t = 12.15 C fi จะได้ T = (12.15 + 273.15)K = 285.30 K ข. จากความสัมพันธ์t = T − 273.15 เมื่อ T = 30 K จะได้ t = (30 − 273.15) C fi = −3243.15 C fi เมื่อ T = 250 K จะได้ t = (250 − 273.15) C fi = −23.15 C fi เมื่อ T = 330 K จะได้ t = (330 − 273.15) C fi = −56.85 C fi เมื่อ T = 373.15 K จะได้ t = (373.15 − 273.15) C fi = 100.00 C fi ตอบ ก. 303 K, 263 K, 383 K และ 285.30 K ข. –243 C fi , –23 C fi , –57 C fiและ 100.00 C fi 2. โลหะชนิดหนึ่งมวล 2.0 กิโลกรัม ได้รับความร้อน 2500 จูล ทำ ให้อุณหภูมิเปลี่ยนจาก 25 องศาเซลเซียส เป็น 45 องศาเซลเซียส จงหาความจุความร้อนและความร้อนจำ เพาะของวัตถุนี้ วิธีทำ จาก C Q T C 2500 J (45 25) C = แทนค่า = = 125 J/ C fi เฉลยแบบฝึกหัด 16.1
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 156 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 157 ดังนั้น C = 125 J/K จาก c C m 125 J/K 2.0 kg c = แทนค่า = ดังนั้น C = 62.5 J/kg K ตอบ วัตถุนี้มีความจุความร้อนเท่ากับ 125 จูลต่อเคลวิน และมีความร้อนจำ เพาะเท่ากับ 62.5 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน 3. จงหาความร้อนที่ทำ ให้น้ำ แข็งมวล 2 กิโลกรัม อุณหภูมิ0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวเป็นน้ำ อุณหภูมิ0 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ กำ หนดให้ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว ของน้ำ แข็ง (Lf ) เท่ากับ 3.33 × 105 จูลต่อกิโลกรัม วิธีทำ น้ำ แข็งเปลี่ยนสถานะ (หลอมเหลว) เป็นน้ำ โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยน ความร้อนที่ใช้ในการ เปลี่ยนสถานะ (หลอมเหลว) เป็นความร้อนแฝง จาก Q = mLf แทนค่า Q = (2 kg)(3.33 × 105 J/kg) = 666 000 J ดังนั้น Q = 666 kJ ตอบ ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการหลอมเหลวน้ำ แข็งมวล 2 กิโลกรัม เท่ากับ 666 กิโลจูล 4. การทำ ให้น้ำ มวล 0.5 กิโลกรัม 0 องศาเซลเซียส เป็นไอน้ำ 100 องศาเซลเซียส ต้องใช้ ความร้อนเท่าใด ที่ความดัน 1 บรรยากาศ กำ หนดให้ความร้อนจำ เพาะของน้ำ (cwater ) เท่ากับ 4186 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน และความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของน้ำ (Lv ) เท่ากับ 22.56 × 105 จูลต่อกิโลกรัม วิธีทำ หาความร้อนที่ทำ ให้น้ำ 0 C fi เป็นน้ำ 100 C fi จาก Q1 = mcwater ΔT แทนค่า Q1 = (0.5 kg)(4186 J/kg K)(100 K) = 209 300 J = 209.3 kJ หาความร้อนในการเปลี่ยนสถานะจากน้ำ 100 C fi เป็นไอน้ำ อุณหภูมิ100 C fi ทั้งหมด จาก Q2 = mLv แทนค่า Q = (0.5 kg)(22.56 × 105 J/kg)
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 156 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 157 = 1 128 000 J = 1128 kJ ดังนั้น ความร้อนที่ใช้ทั้งหมด = Q1 + Q2 = 209.3 kJ + 1128 kJ = 1337.3 kJ ตอบ ต้องใช้ความร้อนเท่ากับ 1337.3 กิโลจูล 5. นำ ก้อนโลหะมวล 300 กรัม ที่มีอุณหภูมิ400 องศาเซลเซียส ใส่ลงในน้ำ แข็งที่มีมวล 300 กรัม อุณหภูมิ0 องศาเซลเซียส ซึ่งอยู่ในภาชนะที่ถูกหุ้มรอบด้วยฉนวนความร้อน ในที่สุดน้ำ แข็ง หลอมเหลวหมดกลายเป็นน้ำ ที่มีอุณหภูมิ5.0 องศาเซลเซียส จงหา ก. ความร้อนที่ออกจากก้อนโลหะ ข. ความร้อนจำ เพาะของโลหะที่ได้จากการทดลองนี้ วิธีทำ ที่สมดุลความร้อน พบว่า ความร้อนที่ถ่ายโอนจากก้อนโลหะเท่ากับความร้อนที่น้ำ แข็งได้รับ ก. เมื่อพิจารณา ความร้อนที่น้ำ แข็งได้รับ เท่ากับ Q1 ซึ่งทำ ให้น้ำ แข็งเปลี่ยนสถานะและ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น จาก Q = mL + mcΔT ในที่นี้ m = 300 × 10-3 kg, L = 333 × 103 J/kg, c = 4.186 × 103 J/kg K และ ΔT = 5 C fi − 0 C fi = 5 C fi หรือ 5 K แทนค่า Q1 = (300 × 10-3 kg)(333 × 103 J/kg) + (300 × 10-3 kg)(4.186 × 103 J/kg K)(5 K) = 99 900 J + 6279 J ดังนั้น Q1 = 106 179 J ข. พิจารณา ความร้อนที่ถ่ายโอนจากก้อนโลหะ เท่ากับ Q2 จาก Q = mcΔT ในที่นี้ m = 300 × 10-3 kg, ΔT = 400 C fi − 5 C fi = 395 C fi หรือ 395 K แทนค่า Q2 = (300 × 10-3 kg) c (395 K) เนื่องจาก Q2 = Q1 จะได้ 106 179 J = (300 × 10-3 kg) c (395 K) c = 896 J/kg K ตอบ ก. ความร้อนออกจากก้อนโลหะเท่ากับ 106 กิโลจูล ข. ความร้อนจำ เพาะของโลหะเท่ากับ 896 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 158 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 159 16.2 แก๊สอุดมคติ จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายแบบจำ ลองของแก๊สอุดมคติ 2. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ถ้าจะให้นักเรียนสังเกตรูปร่างของแก๊สที่เปลี่ยนตามรูปทรงของภาชนะที่บรรจุให้เตรียมลูกโป่ง ทรงกลม 1 ลูก ถุงมือยาง 1 อัน และท่อกลวง จำ นวน 1 อัน แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 16.2 โดยใช้รูป 16.8 ในหนังสือเรียน หรือจัดกิจกรรมสาธิตโดยนำ ถุงมือยางมาต่อ กับท่อกลวงที่ปลายข้างหนึ่ง จากนั้นเป่าลมเข้าไปในลูกโป่งทรงกลมแล้วนำ มาต่อเข้ากับท่อกลวงที่ปลาย อีกข้างหนึ่ง ดังรูป 16.12 ก. แล้วให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ถ้าใช้มือบีบลูกโป่งทรงกลมเพื่อ ให้แก๊สทั้งหมดที่อยู่ในลูกโป่งทรงกลมเคลื่อนที่เข้าไปในถุงมือยาง แก๊สดังกล่าวจะมีปริมาตรและรูปทรง เปลี่ยนไปหรือไม่ อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูนำ นักเรียนอภิปรายจนสรุปได้ว่า เมื่อปล่อยให้แก๊สที่อยู่ในลูกโป่งทรงกลมเคลื่อนที่เข้าไปยัง ถุงมือยาง ดังรูป 16.12 ข. แก๊สจะมีปริมาตรและรูปทรงเปลี่ยนแปลงไปจากทรงกลมเหมือนลูกโป่งเป็น รูปมือเหมือนถุงมือยาง นั่นคือ แก๊สมีรูปทรงและปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้ตามภาชนะที่บรรจุ ครูถามนักเรียนว่า ปริมาตร ความดัน อุณหภูมิของแก๊สมีความสัมพันธ์กันหรือไม่ อย่างไร ครูเปิด โอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูชี้แจงว่า ในหัวข้อที่ 16.2 นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับแบบจำ ลองแก๊สอุคมคติและความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน อุณหภูมิของแก๊ส ก.ปริมาตรและรูปทรงของแก๊สเมื่ออยู่ในลูกโป่งทรงกลม ข. ปริมาตรและรูปทรงของแก๊สเมื่ออยู่ในถุงมือยาง รูป 16.12 ปริมาตรและรูปทรงของแก๊สเมื่อภาชนะที่บรรจุเปลี่ยนแปลงไป
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 158 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 159 ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊ส ไม่มีความสัมพันธ์กัน ในทุกสถานการณ์ 1. ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สมี ความสัมพันธ์กันตามกฎของแก๊สอุดมคติ เมื่ออยู่ในระบบปิด 16.2.1 แบบจำ ลองแก๊สอุดมคติ 16.2.2 กฎของแก๊สอุดมคติ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น - แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 5 ของหัวข้อ 16.2 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.2.1 โดยใช้รูป 16.9 ให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับพฤติกรรมของแก๊ส ในธรรมชาติว่ามีความเหมือนหรือแตกต่างจากพฤติกรรมของแก๊สในอุดมคติอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูให้นักเรียนศึกษาสมบัติของแก๊ส ในอุดมคติในหนังสือเรียน และให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า แบบจำ ลองของแก๊สอุดมคติ ถูกสร้างขึ้นเพื่อให้การอธิบายพฤติกรรมของแก๊สได้ง่ายขึ้น โดยแก๊สอุดมคติเป็นแก๊สที่โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน มีการเคลื่อนที่แบบสุ่ม และมีการชนแบบยืดหยุ่น ตามรายละเอียดใน หนังสือเรียน แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 6 ของหัวข้อ 16.2 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.2.2 โดยทบทวนความรู้เกี่ยวกับกฎของบอลย์กฎของชาร์ล และกฎของเกย์- ลูสแซก ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากนั้น ครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันโดยตอบคำ ถามว่า ถ้านำ กฎของแก๊สทั้งสามมารวมกันเพื่อหาความสัมพันธ์จะได้สมการเป็นอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูนำ นักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า กฎของแก๊สสามารถนำ มารวมกันได้ตามรายละเอียดในหนังสือเรียนจนได้กฎของแก๊สอุดมคติดังสมการ (16.7) และ (16.8) ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.6 16.7 และ 16.8 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ครูให้นักเรียนตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.2 และทำ แบบฝึกหัด 16.2 โดยครูอาจมีการเฉลย คำ ตอบและอภิปรายคำ ตอบร่วมกัน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 160 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 161 แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับแก๊สอุดมคติจากการตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.2 และการทำ แบบฝึกหัด 16.2 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ นวนจากการคำ นวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแก๊สอุดมคติ 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการอภิปรายร่วมกัน และจาก การทำ แบบฝึกหัด 16.2 1. แก๊สสามารถถูกบีบอัดให้มีปริมาตรลดลงจากเดิมได้มาก เพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ เพราะโมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันทำ ให้มีที่ว่างระหว่างโมเลกุลมาก 2. แก๊สอุดมคติมีสมบัติอย่างไร แนวคำ ตอบ แก๊สอุดมคติเป็นแก๊สที่โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล มีการเคลื่อนที่แบบสุ่มและมีการชนแบบยืดหยุ่น 3. ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สอุดมคติในภาชนะปิดมีความสัมพันธ์กันหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ ความดัน P ปริมาตร V และ อุณหภูมิT ของแก๊สอุดมคติมีความสัมพันธ์เป็นไป ตามกฎของแก๊สอุดมคติคือ PV = nRT หรือ PV = NkBT 4. พิจารณากระบอกสูบ 2 กระบอก กระบอกสูบแรกมีปริมาตรเป็นสองเท่าของกระบอกสูบที่สอง กระบอกสูบทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน และบรรจุด้วยแก๊สชนิดเดียวกัน จะหาความดันของแก๊ส ภายในกระบอกสูบทั้งสองได้หรือไม่ เพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ ไม่สามารถหาความดันของแก๊สภายในกระบอกสูบได้เพราะไม่ทราบจำ นวนโมล หรือจำ นวนโมเลกุลของแก๊สภายในกระบอกสูบ เนื่องจากกฎของแก๊สอุดมคติ(PV = nRT หรือ PV = NkB T) แม้ทราบค่าปริมาตร (V) และอุณหภูมิ(T) จากโจทย์แต่ยังไม่เพียงพอสำ หรับ การหาความดันของแก๊สภายในกระบอกสูบ (P ) เนื่องจากยังไม่ทราบค่าจำ นวนโมล (n) หรือ จำ นวนโมเลกุล (N) ของแก๊สภายในกระบอกสูบ แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.2
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 160 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 161 1. ยางรถยนต์มีความดันอากาศภายในยางรถยนต์200 กิโลพาสคัล และมีอุณหภูมิ283 เคลวิน หลังจากรถเคลื่อนที่ไปได้100 กิโลเมตร อุณหภูมิของอากาศในยางรถยนต์เพิ่มขึ้นเป็น 313 เคลวิน จงหาความดันของอากาศในยางรถยนต์ตอนหลังนี้กำ หนดให้ปริมาตรยางคงตัว วิธีทำ จาก = = = 1 1 1 PV T 2 2 2 PV T P2 1 1 2 1 2 PV T T V P2 5 (2.00 10 Pa)(V) (283K) (313 K) (V) จะได้ แทนค่า ดังนั้น P2 = 2.21 × 105 Pa ตอบ ความดันอากาศภายในยางรถยนต์ตอนหลังเท่ากับ 221 กิโลพาสคัล 2. พิจารณาภาชนะที่มีปริมาตรคงตัว บรรจุแก๊สอาร์กอนมีความดัน 3.00 × 105 พาสคัล ที่อุณหภูมิ 300 เคลวิน เมื่อเพิ่มอุณหภูมิของภาชนะเป็น 400 เคลวิน หลังจากนั้นแก๊สรั่วไหลออกจาก ภาชนะคิดเป็นร้อยละ 20 ของปริมาณแก๊สเริ่มต้น จงหา ก. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะก่อนแก๊สรั่ว ขณะที่มีอุณหภูมิ400 เคลวิน ข. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะหลังแก๊สรั่ว ขณะที่มีอุณหภูมิ400 เคลวิน วิธีทำ ก. จากกฎของแก๊สอุดมคติ PV = nRT จะได้ = = = 1 1 1 1 PV n T 2 2 2 2 PV n T 1 1 P T 2 2 P T 5 3.00 10 Pa 300 K 2 400 K P ก่อนรั่ว V และ n คงตัว จะได้ แทนค่า ดังนั้น P2 = 4.00 × 105 Pa ข. หลังรั่ว V และ T คงตัว จะได้ แทนค่า = = 2 2 P n 3 3 P n 5 2 4.00 10 Pa n 3 2 (0.80) P n ดังนั้น P3 = 3.20 × 105 Pa เฉลยแบบฝึกหัด 16.2
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 162 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 163 ตอบ ก. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะก่อนแก๊สรั่ว เท่ากับ 4.00 × 105 พาสคัล ข. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะหลังแก๊สรั่ว เท่ากับ 3.20 × 105 พาสคัล 16.3 ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลแก๊ส และคำ นวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิและคำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิและ คำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า จะมีการให้นักเรียนสังเกตการเปลี่ยนแปลงความดันของแก๊สเมื่อได้รับความร้อน ให้เตรียมภาชนะ บรรจุน้ำ สบู่หรือน้ำ ยาล้างจาน 1 ใบ ภาชนะบรรจุน้ำ ร้อน 1 ใบ ขวดแก้ว 1 ใบ แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 16.3 โดยใช้รูป 16.10 ในหนังสือเรียน หรือจัดกิจกรรมสาธิตโดยให้นักเรียน สังเกตการเปลี่ยนแปลงความดันของแก๊สเมื่อได้รับความร้อน โดยจุ่มขวดแก้วลงในน้ำ สบู่หรือน้ำ ยาล้างจาน ให้เกิดฟิล์มบางที่ปากขวดแก้ว จากนั้นนำ ขวดแก้วไปจุ่มน้ำ ร้อน แล้วให้นักเรียนสังเกตว่า เหตุใดเมื่อแก๊ส ได้รับความร้อนจึงมีความดันเพิ่มสูงขึ้นจนทำ ให้ฟิล์มบางนูนขึ้นจากปากขวด จะสามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นนี้ ได้ด้วยพฤติกรรมของแก๊สในระดับโมเลกุลอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูชี้แจงว่า ในหัวข้อที่ 16.3 นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ซึ่งเป็นการศึกษา พฤติกรรมของแก๊สในระดับโมเลกุล เพื่ออธิบายสมบัติบางประการของแก๊ส ได้แก่ ความดัน ปริมาตร และ อุณหภูมิ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 162 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 163 ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เมื่อแก๊สในภาชนะปิดมีอุณหภูมิสูงขึ้น จะ ทำ ให้แก๊สเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเพิ่มขึ้น โมเลกุลของแก๊สจะอยู่ห่างกัน ความดันของ แก๊สจึงลดลง 1. เมื่อแก๊สในภาชนะปิดมีอุณหภูมิสูงขึ้น จะ ทำ ให้แก๊สเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเพิ่มขึ้น จำ นวนโมเลกุลของแก๊สที่ชนต่อพื้นที่ จะเพิ่มขึ้น ความดันของแก๊สจึงเพิ่มขึ้น 16.3.1 ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊ส ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 7 ของหัวข้อ 16.3 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.3.1 โดยยกสถานการณ์การเป่าลมเข้าลูกโป่ง แล้วให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน โดยตอบคำ ถามว่า ทำ ไมลูกโป่งจึงพองออก การเพิ่มจำ นวนโมเลกุลของอากาศในลูกโป่งทำ ให้ลูกโป่ง พองออกได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า เมื่อเป่าลมเข้าลูกโป่งเป็นการเพิ่มจำ นวนโมเลกุลของ อากาศ ทำ ให้จำ นวนโมเลกุลของอากาศชนกับผนังของลูกโป่งที่เวลาขณะหนึ่งมากขึ้น ความดันภายในลูกโป่ง จึงสูงกว่าความดันภายนอกลูกโป่ง ประกอบกับลูกโป่งมีความยืดหยุ่นสูง ลูกโป่งจึงพองตัว จากนั้น ครูชี้ให้ เห็นว่า การพิจารณาพฤติกรรมของแก๊สในระดับโมเลกุลดังตัวอย่างข้างต้นช่วยทำ ให้เข้าใจสมบัติของแก๊ส มากยิ่งขึ้น ครูชี้แจงว่า ในหัวข้อนี้นักเรียนจะได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วโมเลกุลของ แก๊ส โดยเริ่มต้นจากแก๊สอุดมคติเพียงโมเลกุลเดียวที่บรรจุในภาชนะทรงลูกบาศก์จากนั้น ครูใช้รูป 16.10 16.11 16.12 และ 16.13 นำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับความดันของแก๊สโดยพิจารณาโมเลกุลของแก๊สที่ เคลื่อนที่ชนผนังแบบยืดหยุ่น จนได้ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วกำ ลังสองเฉลี่ยของโมเลกุล ของแก๊สตามสมการ (16.10) และ (16.11) และความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ของโมเลกุลของแก๊ส ตามสมการ (16.12) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูใช้รูป 16.15 นำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับการอธิบายพฤติกรรมของแก๊สตามกฎของบอยล์โดย ใช้มุมมองทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 164 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 165 ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส(vrms )เป็นอัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สอีกแบบหนึ่งที่มาจากการ พิจารณาการเคลื่อนที่ของแก๊สในแนว x y และ z ทำ ให้ต่างจากค่าเฉลี่ยทั่วไป โดยอัตราเร็ว อาร์เอ็มเอส (vrms ) อาจจะไม่เท่ากับอัตราเร็วเฉลี่ย (v) ก็ได้ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่แก๊สมีโมเลกุล 5 ตัว เคลื่อนที่ในทิศทางต่าง ๆ กัน มีอัตราเร็ว 300 350 400 450 และ 500 เมตรต่อวินาทีเมื่อหา อัตราเร็วเฉลี่ยและอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสจะได้ v = 1 (300 m/s+350 m/s 400 m/s 450 m/s 500 m/s) 5 = 400 m/s vrms = 2 222 2 300 m/s + 350 m/s 400 m/s 450 m/s 500 m/s 5 = 406.2 m/s ดังนั้น ในกรณีนี้อัตราเร็วเฉลี่ย (v) ไม่เท่ากับ อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (vrms ) ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เมื่อแก๊สมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลน์เฉลี่ย ของแก๊สยังคงเดิมเสมอ 1. เมื่อแก๊สมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลน์เฉลี่ย ของแก๊สจะเพิ่มขึ้น โดยมีความสัมพันธ์ตาม ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 2. พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สขึ้นอยู่กับมวล รวมทั้งหมดของแก๊ส 2. พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ของแก๊สแต่ไม่ขึ้นกับมวลรวมทั้งหมดของ แก๊ส 3. ที่อุณหภูมิหนึ่ง แก๊สอะตอมเดี่ยวที่มีมวล มาก จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยมากกว่าแก๊ส อะตอมเดี่ยวที่มีมวลน้อย 3. ที่อุณหภูมิหนึ่ง แก๊สอะตอมเดี่ยวทุกชนิด จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน ไม่ขึ้นกับ มวลของแก๊ส 16.3.2 ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 164 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 165 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 8 ของหัวข้อ 16.3 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.3.2 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ถ้าอุณหภูมิของ แก๊สเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะเป็นอย่างไร และความสัมพันธ์ตามสมการ (16.12) จะสามารถ หาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนได้ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิตามสมการ (16.14) ตามรายละเอียด ในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.9 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เมื่อแก๊สมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ของโมเลกุลของแก๊สยังคงเดิมเสมอ 1. เมื่อแก๊สมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ของโมเลกุลของแก๊สจะเพิ่มขึ้น โดยมี ความสัมพันธ์กันตามทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 16.3.3 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 9 ของหัวข้อ 16.3 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.3.3 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า จากความสัมพันธ์ ระหว่างพลังงานจลน์กับอุณหภูมิตามสมการ (16.14) จะสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนได้ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็ว อาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิตามสมการ (16.15) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.10 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ครูใช้รูป 16.16 นำ นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับการใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สเพื่ออธิบายการหดตัวของ ลูกโป่งเมื่อแช่ในน้ำ เย็น และการขยายตัวของลูกโป่งเมื่อแช่ในน้ำ ร้อน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 166 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 167 แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส จากการตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.3 และการทำ แบบฝึกหัด 16.3 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ นวนจากการคำ นวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีจลน์ ของแก๊ส 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการการอภิปรายร่วมกัน และ จากการทำ แบบฝึกหัด 16.3 1. การเพิ่มและลดอุณหภูมิของแก๊สในภาชนะปิดปริมาตรคงตัว มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงความดัน ของแก๊สหรือไม่ เพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ มีผลการเปลี่ยนแปลงความดันของแก๊ส เพราะการเพิ่มอุณหภูมิของแก๊สทำ ให้ โมเลกุลของแก๊สมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้นและเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วมากขึ้น เมื่อชนกับผนังภาชนะ จึงเกิดแรงกระทำ ต่อผนังมากขึ้น ทำ ให้มีความดันสูงขึ้น ในขณะที่การลดอุณหภูมิของแก๊สทำ ให้ โมเลกุลของแก๊สมีพลังงานจลน์ลดลงและเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วลดลง เมื่อชนกับผนังภาชนะจึง มีความถี่ในการชนผนังภาชนะลดลงและเกิดแรงกระทำ ต่อผนังลดลง ทำ ให้มีความดันลดลง 2. เมื่ออุณหภูมิของแก๊สเฉื่อยมีค่าเป็น 0 เคลวิน โมเลกุลแก๊สเฉื่อยมีการเคลื่อนที่หรือไม่เพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ โมเลกุลไม่มีการเคลื่อนที่ เพราะเมื่ออุณหภูมิของแก๊สเฉื่อย T มีค่าเป็น 0 เคลวิน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลซึ่งเป็นไปตามสมการ มีค่าเป็นศูนย์ 3. เมื่อนำ กล่อง 2 ใบ ที่มีปริมาตร และความดันภายในกล่องเท่ากัน กล่องใบที่ 1 บรรจุแก๊ส ไนโตรเจนจำ นวน 1.0 โมล กล่องใบที่ 2 บรรจุแก๊สออกซิเจนจำ นวน 1.0 โมล เท่ากัน ก. อุณหภูมิของแก๊สในกล่องแต่ละใบมีค่าเท่ากันหรือไม่ ข. อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (vrms ) ของโมเลกุลของแก๊สในกล่องแต่ละใบแตกต่างกันหรือไม่ แนวคำ ตอบ ก. อุณหภูมิของแก๊สในกล่องแต่ละใบมีค่าเท่ากัน เนื่องจากแก๊สในกล่องแต่ละใบมีความดัน P ปริมาตร V และจำ นวนโมล n ของแก๊สเท่ากัน เมื่อพิจารณาตามกฎของแก๊สอุดมคติ (PV = nRT) อุณหภูมิของแก๊สในกล่องทั้งสองจึงเท่ากับ T เหมือนกัน ข. อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส(vrms ) ของแก๊สออกซิเจนในกล่องที่ 1 น้อยกว่าแก๊สไนโตรเจนในกล่องที่ 2 เนื่องจาก พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สทั้งสองมีค่าตามสมการ โดยอุณภูมิ แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 166 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 167 ของแก๊สทั้งสองเท่ากันพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจึงเท่ากันด้วย แต่แก๊สออกซิเจนมีมวล มากกว่าแก๊สไนโตรเจน ดังนั้นอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของแก๊สออกซิเจนจึงน้อยกว่าแก๊สไนโตรเจน 1. แก๊สฮีเลียมจำ นวน 1.00 โมล บรรจุในลูกโป่ง ซึ่งมีอุณหภูมิ400 เคลวิน จงหา ก. พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สฮีเลียม ข. พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งหมดของแก๊สฮีเลียม วิธีทำ ก. พลังงานจลน์เฉลี่ย ( ) ของแก๊สฮีเลียม ซึ่งเป็นแก๊สอะตอมเดี่ยว มีค่าตามสมการ แทนค่า (1.38 × 10-23 J/K)(400 K) ดังนั้น = 8.28 × 10-21 J ข. พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งหมด (Ek) สามารถหาได้จาก Ek = N แต่ N = nNA เมื่อ n คือ จำ นวนโมล และ NA คือ ค่าคงตัวอโวกาโดร นั่นคือ Ek = nNA แทนค่า = (1.00 mol)(6.02 × 1023 mol-1)(8.28 × 10-21 J) = 4984 J ดังนั้น Ek = 4.98 kJ ตอบ ก. พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สฮีเลียม เท่ากับ 8.28 × 10-21 จูล ข. พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งหมดของแก๊สฮีเลียม เท่ากับ 4.98 กิโลจูล 2. ภาชนะใบหนึ่ง มีอุณหภูมิคงตัว บรรจุแก๊สผสมระหว่างนีออนกับอาร์กอน ซึ่งมวลอะตอมของ อาร์กอนมีค่าเป็นสองเท่าของนีออน ถ้าอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (vrms ) ของแก๊สนีออนมีค่า 300 เมตร ต่อวินาทีจงหาอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของอาร์กอน วิธีทำ อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส vrms กับอุณหภูมิT ของแก๊ส มีความสัมพันธ์ตามสมการ vrms = 3 B k T m เฉลยแบบฝึกหัด 16.3
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 168 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 169 ให ้ Ne rms v และ Ar rms v เป็นอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของแก๊สนีออนและอาร์กอนตามลำ ดับ mNe และ mAr เป็นมวลอะตอมของแก๊สนีออนและอาร์กอน ตามลำ ดับ โดย mAr = mNe โจทย์กำ หนดให้อุณหภูมิของแก๊สทั้งสองมีค่าเท่ากัน นั่นคือTNe = TAr = T จะได้ = = = = = Ne rms v B Ne 3k T m Ar rms v B Ar 3k T m Ar Ne rms rms v v Ne mAr Ar rms 300 m/s v Ne Ne 2 m m Ar rms v 150 2 m/s (1) และ (2) นำ (2) (1) จะได้ แทนค่า ดังนั้น ตอบ อัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของอาร์กอนเท่ากับ = = = = = Ne rms v B Ne 3k T m Ar rms v B Ar 3k T m Ar Ne rms rms v v Ne mAr Ar rms 300 m/s v Ne Ne 2 m m Ar rms v 150 2 m/ เมตรต่อวินาที s หรือ 212 เมตรต่อวินาที 16.4 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายและคำ นวณพลังงานภายในระบบ 2. อธิบายและคำ นวณงานที่ทำ โดยแก๊ส 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ กับงานที่ทำ โดยแก๊ส และ คำ นวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการนำ ความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำ วัน แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำ เข้าสู่หัวข้อ 16.4 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ปัจจัยใดบ้างที่ทำ ให้แก๊ส เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตร และการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊สสามารถนำ มาประยุกต์ใช้ในชีวิต ประจำ ได้อย่างไร ครูอาจยกตัวอย่างการใช้กระบอกสูบเติมลมลูกโป่งหรือลูกบอลแล้วให้นักเรียนอภิปราย ร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า แก๊สมีการทำ งานหรือไม่ และอุณหภูมิของแก๊สในกระบอกสูบมีการเปลี่ยนแปลง อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูชี้แจงว่า ในหัวข้อที่ 16.4 นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานภายในระบบ งาน และความร้อน ซึ่งมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊ส
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 168 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 169 ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. พลังงานภายในของแก๊สหรือพลังงานภายใน ระบบขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแก๊ส แต่ไม่ขึ้น อยู่กับจำ นวนโมเลกุลของแก๊สที่มีในระบบ 1. พลังงานภายในของแก๊สหรือพลังงานภายใน ระบบขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแก๊สและ จำ นวนโมเลกุลของแก๊สที่มีในระบบ ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. งานที่ทำ โดยแก๊สภายในลูกสูบเป็นบวก เสมอ ไม่ว่าจะในกรณีที่ลูกสูบเคลื่อนที่เข้า หรือเคลื่อนที่ออก 1. เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ออก งานที่ทำ โดย แก๊สภายในลูกสูบเป็นบวก แต่เมื่อลูกสูบ เคลื่อนที่เข้า งานที่ทำ โดยแก๊สภายใน ลูกสูบเป็นลบ 16.4.1 พลังงานภายในระบบ 16.4.2 งานที่ทำ โดยแก๊ส ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 10 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.4.1 โดยอาจยกสถานการณ์ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ถ้ามีภาชนะ 2 ใบ บรรจุแก๊สชนิดเดียวกันและมีอุณหภูมิเท่ากัน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สเท่ากัน หรือไม่ และพลังงานทั้งหมดของโมเลกุลที่บรรจุในภาชนะแต่ละใบเท่ากันหรือไม่ อย่างไร ซึ่งควรสรุปได้ว่า พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สในภาชนะทั้งสองใบเท่ากัน เนื่องจากอุณหภูมิเท่ากัน แต่พลังงานจลน์ ทั้งหมดในภาชนะอาจไม่เท่ากันขึ้นอยู่กับจำ นวนโมเลกุล จากนั้นครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบ คำ ถามว่า พลังงานทั้งหมดของโมเลกุลแก๊สที่บรรจุอยู่ในระบบสามารถหาได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียน แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกัน เกี่ยวกับพลังงานภายในระบบ ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนได้สมการ (16.16) (16.17) และ (16.18)
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 170 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 171 แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 11 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.4.2 โดยใช้รูป 16.17 ในหนังสือเรียน นำ ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อ ตอบคำ ถามว่า ถ้าให้ความร้อนแก่แก๊สที่บรรจุในกระบอกสูบที่ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ได้คล่อง จะเกิดการ เปลี่ยนแปลงอย่างไร ซึ่งควรสรุปได้ว่า แก๊สะขยายตัวมีปริมาตรเพิ่มขึ้นและดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ขึ้น จากนั้น ครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า เมื่อแก๊สขยายตัวจนมีปริมาตรเพิ่มขึ้น แก๊สมีการทำ งาน หรือไม่ รู้ได้อย่างไร และถ้าแก๊สมีการทำ งาน จะสามารถหางานที่ทำ โดยแก๊สได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้ นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกัน เกี่ยวกับงานที่ทำ โดยแก๊สจนได้สมการ (16.19) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างงานที่ทำ โดยแก๊สและงานที่ทำ ต่อ แก๊สตามรายละเอียดในหนังสือเรียน โดยใช้รูป 16.18 ในหนังสือเรียนประกอบการอภิปราย ซึ่งครูอาจ ทบทวนเรื่องงานที่เป็นบวกและงานที่เป็นลบ โดยให้นักเรียนสังเกตทิศทางของแรงและการกระจัด ซึ่งควร สรุปได้ว่า งานเป็นบวกเมื่อแรงและการกระจัดมีทิศทางเดียวกัน ส่วนงานเป็นลบเมื่อแรงและการกระจัดมี ทิศทางตรงข้ามกัน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.11 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ 16.4.3 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น - แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 12 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.4.3 โดยอาจยกสถานการณ์ให้นักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับความสัมพันธ์ ระหว่างพลังงานภายในระบบและงานที่ทำ โดยแก๊ส เช่น ถ้ามีภาชนะ 2 ใบ ที่บรรจุแก๊สชนิดเดียวกัน มีจำ นวนโมลเท่ากัน และมีอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน โดยภาชนะใบหนึ่งลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้ อย่างอิสระ ส่วนภาชนะอีกใบหนึ่งลูกสูบไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ถ้าให้ความร้อนกับภาชนะทั้งสองเท่ากัน ดังรูป 16.13 จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเหมือนหรือแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในภาชนะ แต่ละใบเท่ากันหรือไม่ อย่างไร จากนั้นครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ความร้อนมี ความสัมพันธ์กับพลังงานภายในระบบและงานที่ทำ โดยแก๊สอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 170 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 171 ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานภายในระบบ ความร้อน และงานที่ทำ โดยแก๊ส ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนได้สมการ (16.20) ซึ่งเรียกความสัมพันธ์นี้ว่า กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ จากนั้น ครูอาจให้นักเรียนนำ ความรู้เกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่งของ อุณหพลศาสตร์ไปอธิบายสถานการณ์ในการให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่แตกต่างกันดังรูป 16.13 จนสรุปได้ว่า ถ้าให้ความร้อนกับภาชนะทั้งสองเท่ากัน จะมีการเปลี่ยนแปลงแตกต่างกัน คือ ภาชนะใบแรก ที่ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ ความร้อนที่ให้กับแก๊สส่วนหนึ่งจะเปลี่ยนเป็นงานที่ทำ โดยแก๊สทำ ให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น และความร้อนส่วนที่เหลือจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานภายในระบบทำ ให้ แก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนภาชนะใบที่สองที่ลูกสูบไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ความร้อนทั้งหมดที่ให้กับแก๊สจะ ถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานภายในระบบทำ ให้แก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้น อุณหภูมิของแก๊สในภาชนะที่สอง จะสูงกว่าอุณหภูมิของแก๊สในภาชนะที่หนึ่ง ดังรูป 16.4 ก. ให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ ก. การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ ข. ให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบไม่ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ ข. การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบ ไม่สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ รูป 16.13 การให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่แตกต่างกัน รูป 16.14 การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในภาชนะที่แตกต่างกัน หลังจากได้รับความร้อนในปริมาณที่เท่ากัน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 172 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 173 ครูให้ความรู้เสริมว่า จากสมการ (16.20) ทำ ให้ทราบว่า ความร้อนเป็นเพียงพลังงานที่ถ่ายโอนใน รูปงานและพลังงานภายในระบบเท่านั้น จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับเครื่องหมายของ ความร้อน พลังงานภายในระบบ และงานที่ทำ โดยแก๊ส ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์โดยใช้ตาราง 16.3 ในหนังสือเรียนประกอบการอภิปราย ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.12 และ 16.13 โดยครูเป็นผู้ให้คำ แนะนำ ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซลแม้ จะใช้เชื้อเพลิงแตกต่างกัน แต่มีกลไกการ จุดระเบิดที่เหมือนกัน 1. เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซลมี การใช้เชื้อเพลิงแตกต่างกัน และมีกลไก การจุดระเบิดที่แตกต่างกัน โดยเครื่องยนต์ เบนซินใช้หัวเทียนในการจุดระเบิด ส่วน เครื่องยนต์ดีเซลใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงใน การจุดระเบิด 2. สารทำ ความเย็นในตู้เย็นและเครื่องปรับ อากาศทำ หน้าที่ให้ความเย็นภายในตู้เย็น และภายในห้อง 2. สารทำ ความเย็นในตู้เย็นและเครื่องปรับ อากาศทำหน้าที่ถ่ายโอนความร้อนจากภายใน ตู้เย็นหรือภายในห้องให้ออกสู่ภายนอก 16.4.4 การประยุกต์ของอุณหพลศาสตร์ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 13 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ครูนำ เข้าสู่หัวข้อที่ 16.4.4 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำ ถามว่า ความรู้เกี่ยวกับ กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สามารถนำ มาประยุกต์ใช้งานการออกแบบและสร้างเครื่องยนต์ความร้อน ตู้เย็น และเครื่องปรับอากาศได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำ ตอบที่ถูกต้อง ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับเครื่องยนต์ความร้อนซึ่งแบ่งออกเป็นเครื่องยนต์ สันดาปภายนอกและเครื่องยนต์สันดาปภายในตามรายละเอียดในหนังสือเรียน โดยใช้รูป 16.20 ใน หนังสือเรียนประกอบการอภิปรายเกี่ยวกับการทำ งานของเครื่องยนต์สันดาปภายนอก และใช้รูป 16.21 ในหนังสือเรียน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 172 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 173 ประกอบการอภิปรายเกี่ยวกับการทำ งานของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศตามรายละเอียดในหนังสือเรียน โดยใช้รูป 16.23 ในหนังสือเรียน ประกอบการอภิปรายเกี่ยวกับการทำ งานของตู้เย็น และใช้รูป 16.24 ในหนังสือเรียน ประกอบการอภิปรายเกี่ยวกับการทำ งานของเครื่องปรับอากาศ ความรู้เพิ่มเติมสำ หรับครู หน่วยของความร้อนนอกจากความร้อนมีหน่วยจูลแล้วยังมีหน่วยอื่นอีกเช่นแคลอรี(calrorie, cal) และหน่วยความร้อนบริติช หรือ บีทียู(British thermal unit: Btu) ซึ่งมีความหมายดังนี้ 1 แคลอรีคือ ความร้อนที่ทำ ให้น้ำ มวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ โดยที่ 1 cal = 4.186 J 1 บีทียูคือ ความร้อนที่ทำ ให้น้ำ มวล 1 ปอนด์มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ ที่ความดัน 1 บรรยากาศ โดยที่ 1 Btu = 252 cal = 1055 J การบอกขนาดเครื่องปรับอากาศนิยมบอกเป็น บีทียู(BTU) ต่อชั่วโมง หรือ ตัน เพื่อแสดงว่า อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถถ่ายโอนความร้อนออกไปได้เท่าใดในเวลา 1 ชั่วโมงเช่น เครื่องปรับอากาศ ขนาด 12 000 บีทียู(ขนาด 1 ตัน) หมายถึงในเวลา 1 ชั่วโมงเครื่องปรับอากาศเครื่องนี้สามารถถ่าย โอนความร้อนออกสู่ภายนอกได้12 000 บีทียูหรือ 12 000 Btu × 1055 J/Btu = 12.66 × 106 J การใช้ตู้เย็นให้ประหยัดไฟฟ้า มีดังนี้ 1. เลือกใช้ตู้เย็นขนาดเหมาะสมและได้รับฉลากประหยัดไฟฟ้าเบอร์5 2. ปิดประตูตู้เย็นให้สนิทและหลีกเลี่ยงการเปิดประตูตู้เย็นบ่อยๆหรือเปิดค้างทิ้งไว้เป็น เวลานาน 3. ไม่นำ ของร้อนเข้าไปในตู้เย็นทันทีควรปล่อยทิ้งไว้ให้เย็นก่อนนำ เข้าไปไว้ในตู้เย็น 4. ไม่ปล่อยให้มีน้ำ แข็งเกาะหนาบริเวณช่องแช่แข็ง และไม่ใส่ของในตู้เย็นแน่นจนเกินไป ควรเหลือที่ว่างพอให้อากาศในตู้เย็นเคลื่อนจากด้านบนลงสูงด้านล่างได้ 5. ควรตั้งตู้เย็นในบริเวณที่อากาศถ่ายเทได้สะดวกโดยด้านหลังและข้างตู้เย็น ควรห่างผนังหรือสิ่งของต่างๆไม่น้อยกว่า15เซนติเมตรและควรตั้งตู้เย็นให้ห่างจาก แหล่งกำ เนิดความร้อนอื่น ๆ 6. ตรวจเช็คให้ยางขอบประตูให้สามารถปิดได้สนิทเสมอ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 174 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 175 การใช้เครื่องปรับอากาศให้ประหยัดไฟฟ้า มีดังนี้ 1. ติดตั้งขนาดเครื่องปรับอากาศให้เพียงพอกับการทำ ความเย็นในห้อง โดยขนาดไม่เล็ก หรือใหญ่เกินไป และควรเลือกเครื่องปรับอากาศที่ได้รับฉลากประหยัดไฟฟ้าเบอร์5 2. ติดตั้งตำ แหน่งเครื่องปรับอากาศให้เหมาะสม ไม่มีสิ่งกีดขวางทางลม และให้ลมจาก เครื่องปรับอากาศพัดมายังพื้นที่ใช้สอย 3. ห้องควรปิดมิดชิด ไม่มีอากาศจากภายนอกรั่วไหลเข้ามาในห้อง หากมีการใช้งาน พัดลมดูดอากาศควรใช้งานเท่าที่จำ เป็นในช่วงสั้น ๆ 4. ปรับอุณหภูมิไม่ต่ำ กว่า 25 องศาเซลเซียส เมื่ออากาศในห้องเย็นแล้ว ปรับเพิ่มอุณหภูมิ และเปิดพัดลมร่วมด้วย 5. ป้องกันแสงแดดและความร้อนเข้ามาในห้อง ผนังและหน้าต่างที่เป็นกระจกควรมีม่าน ทึบแสง 6. กรณีนอนหลับในเวลากลางคืนเมื่อภายในห้องมีอุณหภูมิที่ต้องการแล้วควรตั้งอุณหภูมิ ประมาณ 27 หรือ 28 องศาเซลเซียส แล้วเปิดพัดลมร่วมด้วย 7. หลีกเลี่ยงใช้อุปกรณ์ให้ความร้อนในห้อง เช่น เตาหุงต้ม เตารีด 8. ควรถอดแผ่นกรองฝุ่นที่คอยล์เย็นมาทำ ความสะอาดเดือนละครั้ง 9. ควรให้ช่างเครื่องปรับอากาศมาตรวจเช็คและทำ ความสะอาดเครื่องปรับอากาศอย่าง น้อยปีละ 2 ครั้ง แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์และการประยุกต์จากการตอบคำ ถามตรวจสอบ ความเข้าใจ 16.4 และการทำ แบบฝึกหัด 16.4 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำ นวนจากการคำ นวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่หนึ่ง ของอุณหพลศาสตร์และการประยุกต์ 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการอภิปรายร่วมกัน และ จากการทำ แบบฝึกหัด 16.4
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 174 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 175 1. ในระหว่างแช่เย็นขวดแก้วที่บรรจุแก๊สฮีเลียมซึ่งปิดสนิท จงบอกการเปลี่ยนแปลงของความร้อน พลังงานภายในระบบ และงาน (ให้ประมาณว่าปริมาตรของขวดแก้วคงตัว) แนวคำ ตอบ ความร้อนลดลง พลังงานภายในระบบลดลง และงานเป็นศูนย์ 2. การบีบอัดแก๊สและการขยายตัวของแก๊สอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการถ่ายโอนความร้อน มีผลต่อ พลังงานภายในระบบและอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ การบีบอัดแก๊สทำ ให้พลังงานภายในระบบและอุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้น ส่วนการ ขยายตัวของแก๊สทำ ให้พลังงานภายในระบบและอุณหภูมิของระบบลดลง 3. การถ่ายโอนความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ กว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าสามารถทำ ได้หรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ สามารถทำ ได้โดยการใช้สารทำ ความเย็นรับความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ไปถ่ายโอนความร้อนไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ผ่านการทำ งานของเครื่องยนต์ความร้อน เช่น ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ แนวคำ ตอบคำ ถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.4 1. แก๊สจำ นวนหนึ่งในกระบอกสูบมีปริมาตร V1 ทำ ให้มีปริมาตร V2 โดยความดันคงที่ P จงหางาน ที่ทำ โดยแก๊สและงานที่ทำ ต่อแก๊ส วิธีทำ หางานที่ทำ โดยแก๊ส จาก W = PΔV แทนค่า จะได้ W = P(V2 − V1 ) งานที่ทำ ต่อแก๊สมีเครื่องหมายตรงข้ามกับงานที่ทำ ต่อแก๊ส เท่ากับ −P(V2 − V1 ) หรือ P(V1 − V2 ) ตอบ งานที่ทำ โดยแก๊สเท่ากับ P(V2 − V1 ) และ งานที่ทำ ต่อแก๊ส เท่ากับ P(V1 − V2 ) 2. จงหางานในการอัดแก๊สอาร์กอน 1 กิโลโมล จากปริมาตร 2.24 × 104 ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่ 0 องศาเซลเซียส ความดัน 1.01 × 105 นิวตันต่อตารางเมตร ให้มีปริมาตรเป็น 1.40 × 104 ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่ความดันเดียวกัน เฉลยแบบฝึกหัด 16.4
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 176 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 177 วิธีทำ หางานในการอัดแก๊สที่ความดันคงตัว ได้จาก งานที่ทำ โดยแก๊ส ΔW = PΔV แทนค่า ΔW = (1.01× 105 N/m2 )(1.40× 104 × 10-3 m3 − 2.24× 104 × 10-3 m3 ) = (1.01 × 105 N/m2 )(−0.84 × 101 m3 ) = −8.484 × 105 J เนื่องจากงานที่อัดแก๊สจะมีเครื่องหมายตรงข้ามกับงานที่ทำ โดยแก๊ส ดังนั้น งานในการอัดแก๊ส เท่ากับ +8.484 × 105 J ตอบ งานในการอัดแก๊สที่ความดันคงตัวเท่ากับ 8.48 × 105 จูล 3. จากข้อ 2 พลังงานภายในของแก๊สของแก๊สอาร์กอนที่เปลี่ยนไป และความร้อนที่แก๊สนี้คาย ออกมาเป็นเท่าใด วิธีทำ หาอุณหภูมิของแก๊สภายหลังจากการอัดแก๊ส จาก PV = nRT หรือ = = T PV nR T 5 2 4 3 3 3 (1.01 10 N/m )(1.40 10 10 m ) (1 10 mol)(8.31 J/mol K) แทนค่า = 170 K หาพลังงานภายในของแก๊สที่เปลี่ยนไป จาก ΔU = nRΔT แทนค่า ΔU = (1 × 103 mol)(8.31 J/mol K)(170 K − 273 K) ดังนั้น ΔU = −1.284 × 106 J หาความร้อนที่แก๊สนี้คายออกมา จาก Q = ΔU + ΔW แทนค่า Q = −1.284 × 106 J + (−8.484 × 105 J) = −2.1324 × 106 J ตอบ พลังงานภายในของแก๊สอาร์กอนที่ลดลงเท่ากับ 1.28 × 106 จูล และความร้อนที่แก๊สนี้ คายออกมาเท่ากับ 2.13 × 106 จูล
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 176 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 177 เฉลยแบบฝึกหัดท้ายบทที่ 16 คำ ถาม 1. จงอธิบายความเหมือนและความแตกต่างระหว่างสเกลเซลเซียสและสเกลเคลวิน แนวคำ ตอบ สเกลเซลเซียสและสเกลเคลวินมีความเหมือนกันคือใช้จุดเยือกแข็งและจุดเดือด ของน้ำ เป็นจุดอ้างอิงเหมือนกัน และแบ่งช่วงอุณหภูมิระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำ ที่ความดัน 1 บรรยากาศ เป็น 100 ส่วนเท่า ๆ กันเหมือนกัน ความแตกต่างคือ อุณหภูมิที่ใช้ ในการกำ หนดจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำ แตกต่างกัน โดยสำ หรับสเกลเซลเซียสจุดเยือกแข็ง ของน้ำ เป็น 0 องศาเซลเซียส และจุดเดือดของน้ำ เป็น 100 องศาเซลเซียส แต่สำ หรับเคลวิน จุดเยือกแข็งของน้ำ เป็น 273.15 เคลวิน และจุดเดือดของน้ำ เป็น 373.15 เคลวิน 2. สารชนิดหนึ่งมีความร้อนจำ เพาะ 1000 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน มีความหมายอย่างไร แนวคำ ตอบ ในการทำ ให้สารนั้นที่มีมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 เคลวิน หรือ 1 องศาเซลเซียส ต้องให้ความร้อน 1000 จูล 3. แท่งเหล็กมวล 1 กิโลกรัม และ 2 กิโลกรัม มีความจุความร้อนและความร้อนจำ เพาะเท่ากัน หรือต่างกัน อย่างไร แนวคำ ตอบ แท่งเหล็กมวล 2 กิโลกรัม มีความจุความร้อนมากกว่าแท่งเหล็กมวล 1 กิโลกรัม เพราะการให้ความร้อนกับแท่งเหล็กทั้งสองมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียสเท่ากัน แท่งเหล็ก ที่มีมวลมากต้องใช้ความร้อนมากกว่า แต่ความร้อนจำ เพาะของแท่งเหล็กทั้งสองมีค่าเท่ากัน เพราะความร้อนจำ เพาะเป็นความจุความร้อนต่อมวลหนึ่งหน่วย โดยสารหนึ่งจะมี ค่าความร้อนจำ เพาะคงตัว โดยเหล็กมีความร้อนจำ เพาะเท่ากับ 450 จูล/กิโลกรัม เคลวิน 4. บริเวณชายหาดทั้งบริเวณที่เป็นพื้นทรายและน้ำ ทะเลได้รับปริมาณแสงอาทิตย์เท่ากัน แต่ทราย กลับมีอุณหภูมิสูงกว่าน้ำ ทะเล เป็นเพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ เนื่องจากทรายมีความร้อนจำ เพาะ 800 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ซึ่งหมายความว่า การทำ ให้ทรายมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่ม 1 เคลวิน ต้องใช้ความร้อน 800 จูล แต่น้ำ มี ความร้อนจำ เพาะ 4180 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ซึ่งหมายความว่า การทำ ให้น้ำ มวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 เคลวิน ต้องใช้ความร้อน 4180 จูล ดังนั้น เมื่อสารทั้งสองได้รับความร้อน เท่า ๆ กัน ทรายจะมีอุณหภูมิสูงกว่า
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 178 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 179 5. น้ำ กับเอทิลแอลกอฮอล์มีความร้อนจำ เพาะเท่ากับ 4186 และ 2400 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ตามลำ ดับ ถ้าต้องการให้ความร้อนกับสารทั้งสองที่มีมวลเท่ากันให้มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากัน สารใดต้องการความร้อนมากกว่ากัน เพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ เนื่องจากน้ำ มีความร้อนจำ เพาะมากกว่าเอทิลแอลกอฮอล์ ดังนั้น ถ้าต้องการให้ สารทั้งสองซึ่งมีมวลเท่ากัน มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากัน ต้องให้ความร้อนแก่น้ำ มากกว่า เอทิลแอลกอฮอล์นั่นคือ น้ำ ต้องการความร้อนมากกว่าเอทิลแอลกอฮอล์ 6. น้ำ มีความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอเท่ากับ 2.256 × 106 จูลต่อกิโลกรัม หมายความว่าอย่างไร แนวคำ ตอบ ในการทำ ให้น้ำ มวล 1 กิโลกรัม ที่อุณหภูมิ100 องศาเซลเซียส กลายเป็นไอน้ำ ทั้งหมดที่อุณหภูมิ100 องศาเซลเซียส ต้องใช้ความร้อนทั้งสิ้น 2.256 × 106 จูล 7. ถ้าต้องการทำ ให้น้ำ แข็งมวล 1 กิโลกรัม ที่อุณหภูมิ0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวเป็นน้ำ หมดที่ อุณหภูมิเดิม ต้องใช้ความร้อนเท่าใด แนวคำ ตอบ น้ำ แข็งมวล 1 กิโลกรัม ที่อุณหภูมิ0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวเป็นน้ำ หมดที่อุณหภูมิ เดิม เป็นการเปลี่ยนสถานะจากน้ำ แข็งเป็นน้ำ ต้องใช้ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวซึ่ง เท่ากับ 333 กิโลจูลต่อกิโลกรัม ดังนั้น สำ หรับน้ำ แข็งมวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้ความร้อนเท่ากับ 333 กิโลจูล 8. ในการทำ ให้น้ำ 100 องศาเซลเซียส มวล 1 กิโลกรัม กลายเป็นไอหมดที่อุณหภูมิเดิม ต้องใช้ ความร้อนเท่าใด แนวคำ ตอบ น้ำ เดือดมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิ100 องศาเซลเซียส เป็นไอหมดที่อุณหภูมิเดิม เป็นการเปลี่ยนสถานะจากน้ำ เป็นไอ ต้องใช้ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอเท่ากับ 2256 กิโลจูลต่อกิโลกรัม ดังนั้น สำ หรับน้ำ เดือดมวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้พลังงานความร้อนเท่ากับ 2256 กิโลจูล 9. น้ำ ที่ความดัน1บรรยากาศมีจุดควบแน่นอยู่ที่อุณหภูมิเท่าใดและมีความร้อนแฝงของการควบแน่น เป็นเท่าใด แนวคำ ตอบ เนื่องจากการควบแน่นอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกับการกลายเป็นไอ และความร้อนแฝง ของการควบแน่นมีค่าเท่ากับความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ดังนั้น น้ำ ที่ความดัน 1 บรรยากาศ มีจุดควบแน่นที่อุณหภูมิ100 องศาเซลเซียส และมีความร้อนแฝงของ การควบแน่นเท่ากับ 2256 กิโลจูลต่อกิโลกรัม
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 178 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 179 10. ในปริมาณของน้ำ ที่เท่ากัน ระหว่างน้ำ ที่แข็งตัวเป็นน้ำ แข็งกับไอน้ำ ที่ควบแน่นเป็นหยดน้ำ กระบวนการใดมีการคายความร้อนมากกว่ากัน แนวคำ ตอบ เนื่องจากความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอเท่ากับความร้อนแฝงของ การควบแน่น (เท่ากับ 2256 กิโลจูลต่อกิโลกรัม) และความร้อนแฝงของการแข็งตัวเท่ากับ ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของน้ำ (เท่ากับ 333 กิโลจูลต่อกิโลกรัม) ดังนั้น ไอน้ำ ที่ ควบแน่นเป็นหยดน้ำ จะมีการคายความร้อนมากกว่าน้ำ ที่แข็งตัวเป็นน้ำ แข็ง 11. ก่อนฝนตก เหตุใดเราจึงรู้สึกว่าอากาศรอบตัวเราร้อนกว่าปกติ แนวคำ ตอบ ก่อนฝนตก ไอน้ำ จะควบแน่นโดยคายความร้อนออกมาเพื่อเปลี่ยนสถานะจาก ไอน้ำ เป็นหยดน้ำ จึงทำ ให้เรารู้สึกว่าอากาศรอบตัวเราร้อนกว่าปกติ 12. ถ้านำ น้ำ แข็งใส่แก้วตั้งไว้ในห้อง น้ำ แข็งจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร และถ้าตั้งทิ้งไว้เป็นเวลาพอ สมควรอุณหภูมิของน้ำ แข็งในตอนแรกและหลังจากหลอมเหลวหมดแล้วจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร แนวคำ ตอบ เมื่อนำ น้ำ แข็งใส่แก้ววางตั้งไว้ในห้อง น้ำ แข็งจะรับความร้อนจากสิ่งแวดล้อม เช่น อากาศและแก้ว ทำ ให้น้ำ แข็งหลอมเหลว และขณะที่หลอมเหลวนั้น อุณหภูมิของน้ำ แข็งและ น้ำ จะคงตัวเท่ากับอุณหภูมิที่จุดหลอมเหลว จนกระทั่งน้ำ แข็งหลอมเหลวหมดทั้งก้อน หลังจาก นั้นเมื่อตั้งทิ้งไว้ต่อไปอีก น้ำ ที่อยู่ในแก้วจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนเท่ากับอุณหภูมิห้อง แนวคำ ตอบ ก. สารชนิดนี้มีการเปลี่ยนสถานะในช่วง BC และ DE เพราะทั้งสองช่วงมีอุณหภูมิคงตัว โดยที่ - กราฟช่วง AB สารอยู่ในสถานะของแข็ง - กราฟช่วง BC สารอยู่ในสถานะของแข็งและของเหลว - กราฟช่วง CD สารอยู่ในสถานะของเหลว - กราฟช่วง DE สารอยู่ในสถานะของเหลวและแก๊ส - กราฟช่วง EF สารอยู่ในสถานะแก๊ส 13. กราฟแสดงการเปลี่ยนสถานะของสารชนิดหนึ่ง เป็นดังรูป ก. กราฟช่วง AB BC CD DE และ EF สารอยู่ในสถานะใด ข. จงอธิบายการเปลี่ยนแปลงในกราฟช่วง CD ค. จุดเดือดของสารมีค่าเท่าใด ง. จุดหลอมเหลวของสารมีค่าเท่าใด -20 20 40 60 80 0 0 4 8 12 16 20 24 B C D E F (°C) เวลา (นาที) อุณหภูมิ A รูป ประกอบคำ ถามข้อ 13
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 180 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 181 ข. กราฟช่วง CD สารได้รับความร้อนมีอัตราการเปลี่ยนอุณหภูมิสูงกว่าช่วงอื่น ค. จุดเดือดของสารเท่ากับ 50 องศาเซลเซียส ง. จุดหลอมเหลวของสารเท่ากับ -10 องศาเซลเซียส แนวคำ ตอบ ก. กราฟช่วง AB BC และ CD สารมีสถานะของเหลว ของเหลวปนของแข็ง และของแข็ง ตามลำ ดับ ข. จุดหลอมเหลวของสารเท่ากับ 55 องศาเซลเซียส ค. ความร้อนแฝงที่ใช้ในกราฟช่วง BC เรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว 15. สาร x มีสมบัติดังตาราง ก. ที่อุณหภูมิห้อง (25 ˚C) สาร x มีสถานะใด ข. ที่จุดเดือดของน้ำ สาร x จะมีสถานะใด ค. ถ้าสาร x มีมวล 1 กิโลกรัม ความร้อนที่ทำ ให้สาร x ที่อุณหภูมิ79 องศาเซลเซียส เปลี่ยนสถานะหมด โดยที่อุณหภูมิไม่เปลี่ยนมีค่าเท่าใด แนวคำ ตอบ ก. เนื่องจากสาร x มีจุดหลอมเหลวที่ -114 ˚C และจุดเดือดที่ 79˚C ดังนั้นที่อุณหภูมิห้อง (ซึ่งมีอุณหภูมิอุณหภูมิสูงกว่า -114 ˚Cและมีอุณหภูมิต่ำ กว่า 79 ˚C) สาร x มีสถานะของเหลว ข. เนื่องจากสาร x มีจุดเดือดที่ 79˚C ซึ่งน้อยกว่าที่จุดเดือดของน้ำ (100 ˚C) ดังนั้น สาร x มีสถานะแก๊ส 14. กราฟการเย็นตัวของสารชนิดหนึ่งที่กำ ลังเปลี่ยน สถานะจากของเหลวเป็นของแข็งเป็นดังรูป ก. กราฟช่วง AB BC และ CD สารมีสถานะใด ข. จุดหลอมเหลวของสารมีค่าเท่าใด ค. ความร้อนแฝงที่ใช้ในกราฟช่วง BC มีชื่อเรียกว่าอะไร รูป ประกอบคำ ถามข้อ 14 จุดหลอมเหลว -114 79 ( ° C) ความรอนแฝงของ การหลอมเหลว (J/kg) ความรอนแฝงของ การกลายเปนไอ (J/kg) จุดเดือด ( ° C) 1.04 x 105 8.54 x 105 A B C D 45 50 55 60 65 0 2 4 6 8 10 (°C) เวลา (นาที) อุณหภูมิ
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 180 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 181 ค. ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของสาร x จากตาราง คือ 8.54 × 105 จูลต่อกิโลกรัม ดังนั้น สาร x มวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้ความร้อนเท่ากับ 8.54 × 105 จูล 16. เหตุใดผ้าห่มหรือเสื้อผ้าที่ทำ ด้วยเส้นใยหนา ๆ ช่วยทำ ให้ร่างกายอบอุ่นในฤดูหนาว แนวคำ ตอบ ระหว่างเส้นใยของผ้าห่มหรือเสื้อผ้ามีอากาศซึ่งนำ ความร้อนได้ไม่ดีแทรกอยู่มาก และเนื่องจากเส้นใยลดความสามารถในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของอากาศทำ ให้ความสามารถ ในการพาความร้อนของอากาศลดลงจึงมีการถ่ายโอนความร้อนจากร่างกายสู่ภายนอกผ้าห่ม หรือเสื้อผ้าได้น้อย ทำ ให้อุณหภูมิภายในผ้าห่มหรือเสื้อผ้าคงตัว (37 องศาเซลเซียส) หรือ แตกต่างจากอุณหภูมิของร่างกายน้อยมาก ผ้าห่มหรือเสื้อผ้าที่ทำ ด้วยเส้นใยหนา ๆ จึงช่วยให้ ร่างกายอบอุ่นในฤดูหนาว 17. เมื่ออัดแก๊สให้มีปริมาตรลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นเพราะเหตุใด แนวคำ ตอบ เพราะเมื่อลดปริมาตรลง ทำ ให้โมเลกุลของแก๊สมีความถี่ในการชนผนังภาชนะ เพิ่มขึ้น จึงทำ ให้มีความดันเพิ่มขึ้น 18. เมื่อแก๊สชนิดหนึ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้น อัตราเร็วของโมเลกุลของแก๊สจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร แนวคำ ตอบ เมื่อแก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น อัตราเร็วของโมเลกุลของแก๊สจะสูงขึ้นตามสมการ หรือ rms v 3 B k T m 19. แก๊สต่างชนิดกัน ถ้ามีอุณหภูมิเท่ากัน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลเท่ากันหรือไม่ แนวคำ ตอบ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะเท่ากัน เพราะว่า พลังานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล แก๊สจะขึ้นกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สเพียงอย่างเดียว ตามสมการ 20. ถ้าความดันและปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนไปโดยจำ นวนโมเลกุลและอุณหภูมิคงตัว พลังงาน ภายในของระบบจะเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ จากสมการ สามารถสรุปได้ว่า พลังงานภายในของแก๊ส (U) แปรผันตรงกับจำ นวนโมเลกุลและอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊ส ถ้าจำ นวนโมเลกุลของแก๊สและ อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สคงตัว พลังงานภายในของระบบก็จะมีค่าคงตัว ดังนั้น พลังงานภายใน ของระบบจึงไม่เปลี่ยนแปลง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 182 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 183 21. เมื่ออัดแก๊สในภาชนะให้มีปริมาตรลดลง ถ้าไม่มีการถ่ายโอนความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ พลังงานภายในระบบจะเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร แนวคำ ตอบ การอัดแก๊สในภาชนะให้มีปริมาตรน้อยลงงานที่ทำ โดยแก๊สมีค่าเป็นลบ (W เป็นลบ) และเนื่องจากไม่มีการถ่ายโอนความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ (Q เท่ากับศูนย์) จาก กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์Q = ΔU + W จะได้0 = ΔU − W นั่นคือ ΔU = W ดังนั้น พลังงานภายในของระบบจะเพิ่มขึ้น (ΔU เป็นบวก) 22. จงใช้สมการ Q = ΔU + W อธิบายการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบในกรณีต่อไปนี้ ก. แก๊สในกระป๋องสเปรย์ขณะถูกเผาไฟ ข. ไอน้ำ ในห้องอบไอน้ำ ความดันสูง ขณะที่ได้รับหรือคายความร้อน ค. ไอน้ำ ในหม้อต้มน้ำ ของเครื่องจักรไอน้ำ ขณะเครื่องจักรกำ ลังทำ งาน แนวคำ ตอบ ก. ข. ค. ขณะกระป๋องสเปรย์ถูกเผาไฟจะมีการถ่ายโอนความร้อนไปยังแก๊สในกระป๋อง นั่นคือ Q เป็นบวก โดยที่กระป๋องไม่ขยายตัว นั่นคือ W = 0 ดังนั้น จะได้ว่า Q = ΔU กล่าวคือ แก๊สในกระป๋องมีพลังงานภายในเพิ่มขึ้น ซึ่งก็คือมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น โดยอุณหภูมิเพิ่มขึ้นนี้ จะมีผลให้ความดันของแก๊สภายในกระป๋องเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นไปตามความสัมพันธ์ P α T ในที่สุดจะมีผลทำ ให้กระป๋องระเบิดได้ ขณะที่ห้องอบไอน้ำ ได้รับหรือคายความร้อน แสดงว่า มีการเปลี่ยนแปลง Q โดยที่ไอน้ำ ถูกกักในห้องอบซึ่งมีปริมาตรคงตัว นั่นคือ W = 0 ดังนั้น Q = ΔU จะได้ว่า พลังงานของ ไอน้ำ ΔU จะเปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของ Q หรือกล่าวได้ว่า พลังงานของไอน้ำ ภายในห้องอบไอน้ำ เพิ่มขึ้นเมื่อได้รับความร้อน และพลังงานของไอน้ำ ลดลงเมื่อมีการถ่ายโอน ความร้อนออกจากห้องอบไอน้ำ ในห้องต้มน้ำ ของเครื่องจักรไอน้ำ มีการส่งไอน้ำ ไปดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ นั่นคือ มีงานที่ทำ โดยแก๊สเกิดขึ้น ในกรณีนี้เมื่อให้ความร้อนไปยังห้องต้มน้ำ พลังงานภายในของไอน้ำ จะ เพิ่มขึ้นตามสมการ Q = ΔU และเมื่อนำ พลังงานภายในของไอน้ำ ไปทำ ให้เกิดงานใน การดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ ช่วงนี้ΔQ = 0 ดังนั้น W = −ΔU นั่นคือ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่จะ ทำ ให้พลังงานภายในของไอน้ำ ลดลง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 182 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 183 ปัญหา 1. จงเปลี่ยนอุณหภูมิต่อไปนี้ ก. 27 ˚C, –155 ˚C, 115 ˚C และ –78.50 ˚C เป็นอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน ข. 450 K, 89 K, 172 K และ 4.20 K เป็นอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส วิธีทำ ก. จากความสัมพันธ์ T = t + 273.15 เมื่อ t = 27 ˚C จะได้T = (27+273.15) K = 300.15 K เมื่อ t = −115 ˚C จะได้T = (−155+273.15) K = 118.15 K เมื่อ t = 115 ˚C จะได้T = (115+273.15) K = 388.15 K เมื่อ t = −78.50 ˚C จะได้T = (−78.50+273.15) K = 194.65 K ข. จากความสัมพันธ์ t = T − 273.15 เมื่อ T = 450 K จะได้ t = (450 – 273.15) ˚C = 176.85 ˚C เมื่อ T = 89 K จะได้ t = (89 – 273.15) ˚C = –184.15 ˚C เมื่อ T = 172 K จะได้ t = (172 – 273.15) ˚C = –101.15 ˚C เมื่อ T = 4.20 K จะได้ t = (4.20 – 273.15) ˚C = –268.95 ˚C ตอบ ก. 300 K, 118 K, 388 K และ 194.65 K ข. 177 ˚C, –184 ˚C, –101 ˚C และ –268.95 ˚C 2. เมื่อให้ความร้อนกับตะกั่ว 1500 จูล พบว่า อุณหภูมิของตะกั่วสูงขึ้น 12 องศาเซลเซียส ความจุ ความร้อนของตะกั่วก้อนนี้เป็นเท่าใด วิธีทำ จากโจทย์ Q = 1500 J และ ΔT = 12˚C หรือ 12 K จากสมการ Q = CΔT แทนค่า 1500 J = C (12 K) ดังนั้น C = 125 J/K ตอบ ความจุความร้อนของตะกั่วเท่ากับ 125 จูลต่อเคลวิน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 184 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 185 3. สระน้ำ แห่งหนึ่งมีน้ำ 1.00 × 106 กิโลกรัม ในตอนกลางวันได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ทำ ให้ อุณหภูมิเฉลี่ยของน้ำ ในสระสูงขึ้น 2 องศาเซลเซียส น้ำ ในสระได้รับความร้อนเท่าใด วิธีทำ จากโจทย์ m = 1.00 × 106 kg, c = 4186 J/kg K และ ΔT = 2 ˚C หรือ 2 K จากสมการ Q = mcΔT สำ หรับน้ำ จะได้ Q = (1.00 × 106 kg)(4186 J/kg K)(2 K) = 8.37 × 109 J ตอบ น้ำ ในสระได้รับความร้อนเท่ากับ 8.37 × 109 จูล 4. จงหาความร้อนที่ทำ ให้น้ำ ทรายและทองแดง ซึ่งมีมวลอย่างละ 4.00 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น เท่ากัน คือ 10 องศาเซลเซียส วิธีทำ จากโจทย์ mน้ำ = mทราย = mทองแดง = 4.00 kg ΔTน้ำ = ΔTทราย = ΔTทองแดง = 10 ˚C หรือ 10 K cน้ำ = 4186 J/kg K, cทราย = 800 J/kg K และ cทองแดง = 390 J/kg K จากสมการ Q = mcΔT สำ หรับน้ำ จะได้ Qน้ำ = (4.00 kg)(4186 J/kg K)(10 K) = 1.67 × 105 J สำ หรับทรายจะได้ Qทราย = (4.00 kg)(800 J/kg K)(10 K) = 0.32 × 105 J สำ หรับทองแดงจะได้ Qทองแดง = (4.00 kg)(390 J/kg K)(10 K) = 0.156 × 105 J ตอบ ต้องให้ความร้อนกับน้ำ ทราย และทองแดงเท่ากับ 1.67 × 105 จูล, 0.32 × 105 จูล และ 0.156 × 105 จูล ตามลำ ดับ 5. เมื่อให้ความร้อนจำ นวน 104 จูล กับโลหะชนิดหนึ่งที่มีมวล 2 กิโลกรัม พบว่าอุณหภูมิของโลหะ เพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส จงหาความร้อนจำ เพาะของโลหะนี้ วิธีทำ จากโจทย์ Q = 104 J, m = 2 kg และ ΔT = 10 ˚C หรือ 10 K จากสมการ Q = mcΔT แทนค่า 104 J = (2 kg)(c)(10 K) จะได้ c = 500 J/kg K ตอบ ความร้อนจำ เพาะของโลหะเท่ากับ 500 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี 184 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 185 6. ความร้อนปริมาณหนึ่งทำ ให้อะลูมิเนียมมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 60 องศาเซลเซียส ความร้อน ปริมาณนี้จะทำ ให้ทองแดงมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่าใด วิธีทำ เนื่องจากความร้อนที่ให้กับอะลูมิเนียมและทองแดงมีปริมาณเท่ากัน ดังนั้น จะได้ แทนค่า = 138.5 K หรือ 138.5 ˚C ตอบ ทองแดงมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 138.5 องศาเซลเซียส 7. ในการทำ ให้น้ำ แข็งมวล 2.0 กิโลกรัม อุณหภูมิ–5 องศาเซลเซียส เป็นไอน้ำ เดือดหมดที่ 100 องศาเซลเซียส ต้องใช้ความร้อนทั้งหมดเท่าใด วิธีทำ การเปลี่ยนสถานะของน้ำ แข็ง 2.0 kg อุณหภูมิ–5 ˚C เป็นไอน้ำ เดือดหมดที่ 100 ˚C มีขั้นตอนดังนี้ น้ำแข็ง น้ำ น้ำแข็ง น้ำ ไอน้ำเดือด Q1 = mc1 T1 Q3 = mc3 T3 Q2 = mL2 Q4 = mL4 ใช�ความร�อน ใช�ความร�อน ใช�ความร�อนแฝง ใช�ความร�อนแฝง