m.6 powerpointความร้อนและแก๊ส

1 2
แกส๊ อดุ มคติ
ความรอ้ น
4
3 กฎขอ้ ทห่ี นง่ึ อณุ หภมู พิ ลศาสตร์

ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊

ความรอ้ น 1

ความรอ้ น (Heat) เปน็ พลงั งานรูปหนึ่งทส่ี ามารถทาให้
ประสาทสมั ผสั ของคนปกติ เกดิ ความรู้สึกรอ้ นหรือเย็นได้

ดวงอาทิตย์ พลงั งานไฟฟ้า ปฏกิ ริ ิยาเคมี

ปฏกิ ริ ยิ านวิ เคลียร์ การขดั ถูกันของวตั ถุ ความรอ้ นใต้พภิ พ

แหลง่ กาเนิดพลงั งานความรอ้ น

ความรอ้ น 1

อุณหภมู ิ

อุณหภูมิ (Temperature) คอื ระดับความร้อนของวตั ถุ
อปุ กรณท์ ี่ใชใ้ นการวัดอุณหภูมิ คอื เทอรม์ อมเิ ตอร์ (thermometer)

สเกลอุณหภมู ิของเทอรม์ อมิเตอร์

องศาเซลเซียส (degree Celsius, °C) เคลวิน (Kelvin, K)
ทีน่ า้ ความดนั 1 บรรยากาศ จดุ เยือกแขง็ ทนี่ ้าความดัน 1 บรรยากาศ จดุ เยือกแขง็
น้าเปน็ 273.15 °C และจดุ เดอื ด 373.15 °C
น้าเปน็ 0 °C และจดุ เดือด 100 °C
เรยี กวา่ อณุ หภมู สิ มั บรู ณ์

ความรอ้ น 1

การเปรยี บเทยี บเทยี บสเกลอณุ หภมู ิ

จุดเดือดของนา้ 100 °C 373.15 K 212 ° F
อณุ หภูมทิ อี่ ่านได้ °C K °F

จุดเยือกแข็งของนา้ 0 °C 273.15 K 32 ° F

องศาเซลเซยี ส เคลวิน องศาฟาเรนไฮต์

ความรอ้ น 1

การแปลงสเกลอณุ หภมู ิ

°C → ° F ° F→ °C K → °C

F = 59(C) + 32 C = 59(F - 32) C = K - 273.15
°C → K ° F→ K K→ °F

K = C + 273.15 K = 59(F - 32) +273.15 F = 59(K-273.15) + 32

ความรอ้ น 1

ความจคุ วามรอ้ น

ความจคุ วามรอ้ น (heat capacity,C) คือ อัตราส่วนระหว่างความ
รอ้ นทใ่ี หก้ บั วัตถตุ ่อวัตถุทีเ่ พิม่ ข้นึ มีความสัมพนั ธด์ งั สมการ

C = Q C คอื ความจุความรอ้ น หน่วยจูลตอ่ เคลวนิ (J/K)
∆T Q คือ ความรอ้ น หน่วยจูล (J)
∆T คอื อณุ หภูมทิ ี่เปลีย่ นแปลงไปเม่ือได้รับ
ความรอ้ น หนว่ ย เคลวิน (K)

ความรอ้ น 1

ความรอ้ นจาเพาะ

ความร้อนจาเพาะ (specific heat,c) คือ ความจุความร้อนต่อ
หนงึ่ หนว่ ยมวลจะข้นึ กับสารแตล่ ะชนิด

c = C
m

c คือ ความรอ้ นจาเพาะ หนว่ ยจลู ตอ่ กโิ ลกรัม เคลวนิ (J/Kg K)
m คอื มวลของวัตถุ หนว่ ย กิโลกรมั (Kg)

ความรอ้ น 1

ตาราง ความรอ้ นจาเพาะของสารตา่ ง ๆ

(ทค่ี วามดนั 1 บรรยากาศ และอุณหภูมิ 20°C หรอื ระบเุ ป็นอยา่ งอนื่ )

สาร ความรอ้ นจาเพาะ (J/Kg K)

น้าแข็ง(-5°C) 2100

น้า (15°C) 4186

ไอนา้ (110°C) 2010 ความรอ้ นจาเพาะของ
เอทลิ แอลกอฮอล์ 2400 สารขนึ้ อยกู่ บั อุณหภูมิ

ไม้ และความดนั

1700

อะลูมเิ นยี ม 900

ความรอ้ น 1

ตาราง ความรอ้ นจาเพาะของสารตา่ ง ๆ

(ท่ีความดนั 1 บรรยากาศ และอณุ หภูมิ 20°C หรือ ระบุเป็นอย่างอืน่ )

สาร ความรอ้ นจาเพาะ (J/Kg K)

แกว้ 840

ทราย 800

เหล็ก 450 ความรอ้ นจาเพาะของ
ทองแดง 390 สารขึ้นอยกู่ ับอุณหภูมิ

เงิน และความดนั

230

ปรอท 140

ความรอ้ น 1

ปริมาณความรอ้ น (Q) คอื ความรอ้ นท่ที าใหส้ สารเปลี่ยนอุณหภูมิ

Q = mc ∆T

สารมอี ุณหภูมเิ พมิ่ ข้ึน (∆T ,มีคา่ เปน็ บวก) จะทาให้ Q มีค่าเป็นบวก คอื ความร้อนถ่ายโอนเขา้ สสู่ าร
สารมอี ณุ หภูมิลดลง (∆T ,มคี ่าเป็นลบ) จะทาให้ Q มคี ่าเป็นลบ คือ ความรอ้ นถา่ ยโอนออกจากสาร

ความรอ้ น 1

การเปลยี่ นสถานะของนา้

รบั ความร้อน

หลอมเหลว กลายเป็นไอ ไอนา้

นา้ แข็ง น้า

แขง็ ตวั ควบแนน่

คายความรอ้ น

ความรอ้ น 1

ความรอ้ นแฝง

ความร้อนแฝง (latent heat,L) คือ ความร้อนที่ใช้ในการ
เปล่ียนสถานะของสารมวล 1 หนว่ ย โดยอณุ หภมู ไิ มเ่ ปล่ียน

Q = mL ความร้อนแฝงขึ้นอยู่
กับชนิดของสารกับ
การเปล่ียนสถานะ

L คอื ความรอ้ นแฝง หน่วย จูลตอ่ กโิ ลกรมั (J/Kg)
Q คอื ความร้อนท่ที าใหส้ ารมวล m เปลย่ี นสถานะหมดพอดี หนว่ ย จลู (J)

ความรอ้ น 1

ความรอ้ นแฝง

ความรอ้ นแฝงของการหลอมเหลว (latent heat of fusion,Lf)

ความร้อนต่อหน่ึงหน่วยมวลทใ่ี ชใ้ นการเปล่ยี นสถานะจากของแข็งเปน็ ของเหลว

ความรอ้ นแฝงของการกลายเปน็ ไอ (latent heat of vaporisation,Lv)

ความร้อนต่อหนง่ึ หนว่ ยมวลทใ่ี ช้ในการเปลีย่ นสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส

ความรอ้ น 1

การเปลย่ี นสถานะของน้ามวล 1 กิโลกรมั เม่อื ไดร้ ับความรอ้ น

ความรอ้ น 1

การถา่ ยโอนความรอ้ น

การพาความร้อน

การนาความรอ้ น

การแผ่รงั สคี วามร้อน

ความรอ้ น 1

สมดลุ ความรอ้ น

การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นเมื่อวัตถุสองอันที่สามารถถ่ายโอน
ความร้อนถึงกันและกันได้มีอุณหภูมิแตกต่างกัน วัตถุที่มีอุณหภูมิสูง
กว่าจะถ่ายโอนความร้อนไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ากว่า จนกระทั่งวัตถุ
ทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน เรียกว่า สมดุลความร้อน (thermal
equilibrium)

Qลด = Qเพมิ่

แก๊สอดุ มคติ 2

แบบจาลองแกส๊ อดุ มคติ

แกส๊ อดุ มคติ (ideal gas) เป็นแกส๊ ท่โี มเลกุลมีขนาดเล็ก ไม่มีแรง
ยดึ เหนย่ี วระหว่างกนั มกี ารเคลอ่ื นทีแ่ บบสมุ่ และมกี ารชนแบบยืดหยุ่น

แรงยึดเหนยี่ วระหว่างโมเลกุล

สญู เสียพลังงานระหว่างชน ไมส่ ูญเสยี พลังงานระหว่างชน

ก.แกส๊ จริง ข.แบบจาลองแกส๊ อดุ มคติ

เปรียบเทียบแบบจาลองของแก๊สอุดมคติกับแกส๊ จริง

แกส๊ อดุ มคติ 2

แกส๊ จานวน 1 โมล คือแกส๊ ทม่ี จี านวนโมเลกุล 6.02 ×1023 โมเลกลุ
ซง่ึ มคี า่ เท่ากบั เลขอาโวกาโดร (Avogadro’s number, NA) โดยหา
จานวนโมลไดจ้ ากสมการ

n = m = N n คือ จานวนโมล
M NA m คือ มวลของแก๊ส
M คือ มวลโมเลกลุ หรือมวลอะตอมของแกส๊
N คอื จานวนโมเลกลุ ทัง้ หมดของแก๊ส

แก๊สอดุ มคติ 2

สมบัตขิ องแกส๊ อดุ มคติ

1. มโี มเลกลุ ขนาดเลก็ จนถือไดว้ ่าปริมาตรแตล่ ะโมเลกลุ นอ้ ยจนเกือบเปน็
ศูนยเ์ มอื่ เทยี บกับภาชนะทบ่ี รรจุ

2. ไม่มแี รงยึดเหน่ยี วระหว่างโมเลกลุ แตจ่ ะมีแรงกระทาต่อโมเลกลุ ของ
แกส๊ เม่อื มีการชนกันเองหรอื ชนกับผนังภาชนะ

3. มีการเคล่อื นที่แบบสุ่ม การเคล่ือนที่ของแกส๊ มีขนาดและทศิ ทางของ
ความเร็วไม่แน่นอน

แกส๊ อดุ มคติ 2

สมบัตขิ องแก๊สอดุ มคติ

4. ความน่าจะเปน็ ท่ีโมเลกุลของแก๊สจะมคี วามเรว็ คา่ ใดคา่ หนึง่ และทิศทาง
ใดทศิ ทางหนงึ่ มีค่าเท่ากัน

5. มีการชนแบบยดื หยนุ่ โมเลกุลของแกส๊ จะไม่มีการสูญเสยี พลงั งานจลน์
ระหวา่ งการชน ไมว่ ่าจะเปน็ การชนกันระหว่างโมเลกลุ ของแก๊สหรอื ชนกบั
ผนังภาชนะ

แก๊สอดุ มคติ 2

กฎของแกส๊ อดุ มคติ

❖ กฎของบอยล์ (Boyle’s law)

กลา่ วว่า “สาหรบั แกส๊ ในภาชนะเปดิ ถา้ อุณหภูมขิ องแกส๊ คงตวั
ความดัน (P) ของแกส๊ จะแปรผกผนั กับปรมิ าตร (V) ของแกส๊ ”

เขียนความสมั พนั ธไ์ ดด้ งั นี้

P ∝ 1 หรอื PV = K1 เมื่อ อุณหภมู ิคงตัว
P K1 คือค่าคงตัว

แกส๊ อดุ มคติ 2

กฎของแกส๊ อดุ มคติ

❖ กฎของชารล์ (Charles’s law)

กลา่ ววา่ “สาหรับแกส๊ ในภาชนะเปิดถา้ ความดoั (P) ของแกส๊ คง
ตัว ปรมิ าตร (V) ของแกส๊ จะแปรผันตรงกบั อุณหภูมิสัมบูรณ์ (T)
ของแก๊ส” เขยี นความสมั พันธไ์ ด้ดงั นี้

V ∝ Tหรอื V = K2 เม่อื ความดันคงตวั
T K2 คือค่าคงตวั

แก๊สอดุ มคติ 2

กฎของแกส๊ อดุ มคติ

❖ กฎของเกย์ - ลสู แซก (Gay-Lussac’s law)

กล่าววา่ “สาหรบั แกส๊ ในภาชนะเปิดถา้ ปริมาตร (V) ของแกส๊
คงตวั ความดัน (P) ของแกส๊ จะแปรผนั ตรงกับอุณหภมู ิสัมบูรณ์
(T)ของแกส๊ ” เขยี นความสัมพันธ์ไดด้ งั น้ี

P ∝ Tหรอื PV = K3 เมอ่ื ปรมิ าตรคงตวั
T K3 คือคา่ คงตัว

แก๊สอดุ มคติ 2

กฎของแกส๊ อดุ มคติ

เม่อื รวมกฎของบอยล์และชาร์ล
ที่สมดุลของแก๊สทีส่ ภาวะท่ี 1 และสภาวะท่ี 2

P1V1 = P2V2
T1 T2

แก๊สอดุ มคติ 2

กฎของแก๊สอดุ มคติ

ความสมั พนั ธ์ระหวา่ งความดนั (P) ปรมิ าตร (V) และอุณหภมู ิ (T) ของแกส๊
เป็นไปตามกฎของแกส๊ อดุ มคติ เขียนแทนด้วยสมการ

PV = nRT = NkBT

โดย R คือ ค่าคงตัวของแกส๊ (gas constant) มีค่าเท่ากบั 8.31 J/mol K
kB คือ ค่าคงตวั โบลตซ์ มนั น์ (Boltmann constant) มคี ่าเท่ากบั 1.38 ×10−23 J/K

3ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊

ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊ (kinetic theory of gases)

เปน็ การอธิบายพฤตกิ รรมแก๊สในระดับโมเลกุล เพ่ือนาไปสกู่ ารอธิบาย
ธรรมชาตขิ องแก๊สทเี่ กดิ ข้นึ จากโมเลกลุ ของแกส๊ ทงั้ หมดท่ีอยู่ในระบบ

เช่น อณุ หภูมิของแก๊ส ปรมิ าตรของแกส๊ และความดันของแก๊ส
y



m x

zL
L

การเคล่ือนที่ของโมเลกลุ ของแกส๊ ในภาชนะทรงลกู บาศก์

3ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊

ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความดนั และอตั ราเรว็ อารเ์ อม็ เอสของโมเลกลุ ของแกส๊

P = 1 Nm vr2ms
3 V

vrms คือ อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (root-
mean-square speed) หาได้จาก

การเคล่อื นท่ขี องโมเลกุลของแก๊ส vrms = vഥ2 = v12+v22+…+v2N
ในภาชนะทรงลกู บาศก์ N

3ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊

ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลังงานจลนเ์ ฉลยี่ ของแกส๊ กบั อณุ หภูมิ

โมเลกุลของแก๊สมกี ารเคลือ่ นท่ีตลอดเวลา แสดงวา่ แก๊สมพี ลงั งานจลน์
ซึ่งพลังงานจลน์ดังกลา่ วมีความสมั พันธ์กับอุณหภูมขิ องแกส๊ ดงั สมการ

Eҧk = 3 kBT
2

จากสมการพลงั งานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของแกส๊
แปรผนั ตรงกบั อณุ หภูมิสมั บูรณ์ของแก๊ส

3ทฤษฎจี ลนข์ องแกส๊

ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งอตั ราเรว็ อารเ์ อม็ เอสของโมเลกลุ ของแกส๊ กบั อณุ หภมู ิ

vrms = 3kBT
m

4กฎขอ้ ทห่ี นงึ่ ของ

อณุ หภมู พิ ลศาสตร์

พลงั งานภายในระบบ

พลงั งานภายในระบบ (internal energy of a system, U )
คอื พลงั งานโมเลกุลของแก๊สในระบบ

U = 3 N kBT = 32nRT
2

พลังงานภายในของแกส๊ ภายในระบบแปรผันตรงกับจานวนโมเลกุล
และอณุ หภูมิสัมบูรณ์ของแกส๊

4กฎขอ้ ทหี่ นงึ่ ของ

อุณหภมู พิ ลศาสตร์

งานทท่ี าโดยแกส๊

F =PA

∆s

การทางานของแกส๊ เมื่อขยายตวั จนมีปรมิ าตรเพิ่มขึ้น ∆V
จะมแี รงทแ่ี ก๊สดันลูกสูบออกและแรงภายนอกดนั ลูกสบู เข้า งานท่เี กิดจากแรงท่ี
แก๊สดันลูกสบู เรียกวา่ งานท่ีทาโดยแกส๊ (work done by gas) และงานทเ่ี กิด
จากแรงภายนอกกระทาตอ่ ลูกสบู เรียกวา่ งานท่ที าตอ่ แกส๊ (work done on gas)

4กฎขอ้ ทหี่ นงึ่ ของ

อุณหภมู พิ ลศาสตร์

งานทที่ าโดยแกส๊

F =PA
∆s

ดังน้นั งาน W ท่ีกระทาตอ่ ลกู สบู เป็นดงั สมการ

W = P∆V

งานท่ีทาโดยแกส๊ แรงภายนอกที่ดันลกู สูบ
และงานทท่ี าตอ่ แกส๊ แรงทีแ่ กส๊ ดนั ลูกสบู

∆s =0 ก. ลูกสบู อยูน่ งิ่ (∆s เปน็ ศูนย)์
∆s งานทีท่ าโดยแก๊สเปน็ ศนู ย์
∆s งานทีท่ าต่อแก๊สเป็นศนู ย์

ข. ลูกสบู เคลอ่ื นที่ออก (∆s เปน็ บวก)
งานทท่ี าโดยแกส๊ เปน็ บวก
งานที่ทาต่อแกส๊ เปน็ ลบ

ค. ลกู สบู เคลื่อนทอ่ี อก (∆s เปน็ ลบ)
งานทีท่ าโดยแก๊สเป็นลบ
งานทท่ี าต่อแก๊สเป็นบวก

4กฎขอ้ ทห่ี นงึ่ ของ

อุณหภมู พิ ลศาสตร์

กระบวนการทางานของแกส๊

➢ กระบวนการแอเดยี แบตกิ (adiabatic process) คอื กระบวนการทางาน
ของแก๊สท่ไี ม่มีความรอ้ นไหลเข้าหรือไหลออกจากระบบ

➢ กระบวนการคงปรมิ าตร (isochoric process) คือ กระบวนการทางานของ
แก๊สในกรณที ่ปี รมิ าตรไม่เปล่ยี น ดังนั้น งานทไ่ี ด้จะมคี า่ เปน็ ศนู ย์

➢ กระบวนการคงความดนั (isobaric process) คอื กระบวนการทางานของ
แก๊สหรอื ให้งานแกแ่ ก๊ส

4กฎขอ้ ทหี่ นงึ่ ของ

อุณหภมู พิ ลศาสตร์

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหภูมิพลศาสตร์ (first law of thermodynamics)
คือ พลังงานภายในระบบมีความสัมพันธ์กับความร้อนและงานเป็นไปตามกฎการ
อนุรักษพ์ ลงั งาน เป็นไปตามความสัมพนั ธด์ ังสมการ

∆U = Q - W

เมอ่ื ∆U คือ การเปลย่ี นแปลงพลงั งานภายในระบบของแกส๊
W คอื งานที่ทาโดยระบบหรืองานท่ใี หแ้ กร่ ะบบ
Q คอื ปริมาณความร้อนทีใ่ ห้หรอื ไดจ้ ากระบบ

4กฎขอ้ ทห่ี นง่ึ ของ

อุณหภมู พิ ลศาสตร์

เครื่องหมายของ Q ∆U และ W

ปรมิ าณ เคร่อื งหมาย

Q ความร้อนเข้าสู่ระบบ +

ความรอ้ นออกจากระบบ -

∆U พลังงานภายในระบบที่เพม่ิ ขน้ึ +

พลงั งานภายในระบบท่ลี ดลง -

W งานทที่ าโดยแก๊สส่งผลใหร้ ะบบมปี รมิ าตรเพิ่มขนึ้ +

งานท่ที าโดยแก๊สสง่ ผลให้ระบบมปี ริมาตรลดลง -