เกรด 8 · ปรากฏการณ์ทางความร้อน
ปริมาณความร้อนและสมดุลพลังงานความร้อน
ความร้อนจำเพาะ แคลอริมิเตอร์ เชื้อเพลิง และการอนุรักษ์พลังงาน
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
หัวเผาเหมือนกันสองหัวให้ความร้อนแก่น้ำในถ้วยและในหม้อ น้ำในถ้วยร้อนขึ้นเร็วกว่า เราจะเชื่อมโยงพลังงานที่ได้รับ มวลน้ำ และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปล่วงหน้า แล้วตรวจสอบว่าพลังงานไปไหนได้อย่างไร?
อะไรถ่ายโอนขณะให้ความร้อน?
ใส่ช้อนเย็นลงในน้ำร้อน น้ำสูญเสียพลังงานและช้อนรับพลังงานขณะที่อุณหภูมิของทั้งสองเข้าใกล้กัน พลังงานที่ถ่ายโอนด้วยกระบวนการทางความร้อนเรียกว่าปริมาณความร้อน Q มีหน่วยจูล Q บอกลักษณะกระบวนการ หลังจากนั้นพลังงานภายในช้อนเปลี่ยนไป แต่ไม่ได้มีสารแยกต่างหากชื่อว่า ‘ความร้อน’ เก็บอยู่ภายใน ในการคำนวณ เรากำหนดให้ Q เป็นบวกเมื่อรับพลังงาน และเป็นลบเมื่อถ่ายโอนพลังงานออก
มวลและสมบัติของสาร
น้ำหนึ่งกิโลกรัมต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งเพื่อเพิ่มอุณหภูมิตามกำหนด น้ำสองกิโลกรัมต้องใช้พลังงานสองเท่า เพราะต้องทำให้ทั้งสองส่วนร้อนขึ้น แต่สารอีกชนิดมวลหนึ่งกิโลกรัมต้องใช้พลังงานต่างกัน ความร้อนจำเพาะ c อธิบายความต่างนี้ คือพลังงานที่ทำให้สาร 1 kg มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 K โดยไม่เปลี่ยนสถานะ หน่วยของ c คือ J/(kg·K) และมวล m มีหน่วย kg เมื่อ c มากขึ้น พลังงานที่รับเท่ากันจะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นน้อยลง
อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่าไร?
เราสนใจว่าค่าเทอร์มอมิเตอร์เปลี่ยนไปเท่าไร ไม่ใช่เพียงค่าอ่าน ดังนั้น ΔT = Tкон − Tнач เมื่อร้อนขึ้น ค่าสุดท้ายมากกว่าค่าเริ่มต้นและ ΔT เป็นบวก เมื่อเย็นลง ΔT เป็นลบ ใช้ค่าใน °C หาผลต่างได้เช่นกัน โดยค่าตัวเลขเท่ากับผลต่างใน K หากอุณหภูมิเริ่มต้นและสุดท้ายเท่ากัน ΔT = 0 แต่จะสรุปว่าปริมาณความร้อนเป็นศูนย์ได้ก็ต่อเมื่อสารไม่เปลี่ยนสถานะ
สมการสำหรับการเพิ่มอุณหภูมิ
รวมข้อสังเกตเข้าด้วยกัน พลังงานเพิ่มตามมวล m อุณหภูมิที่ต้องเพิ่ม ΔT และความร้อนจำเพาะ c จึงได้ Q = cmΔT เมื่อ c เกือบคงตัวและไม่มีการเปลี่ยนสถานะ การเพิ่ม m หรือ ΔT เป็นสองเท่าทำให้ Q เป็นสองเท่า และการเพิ่มอุณหภูมิเพียงครึ่งหนึ่งต้องใช้พลังงานครึ่งหนึ่ง เมื่อ ΔT = 0 แบบจำลองให้ Q = 0 หน่วยก็สอดคล้องกัน: Дж/(кг·К) · кг · К = Дж ขณะเย็นลง Q ติดลบหมายถึงการถ่ายโอนพลังงานออก
ทำไมต้องใช้แคลอริมิเตอร์?
ผสมน้ำร้อนกับน้ำเย็น เราไม่ต้องติดตามทุกโมเลกุลเพื่อหาอุณหภูมิสุดท้าย เพียงคิดพลังงานของน้ำทั้งสองส่วนก็พอ แคลอริมิเตอร์ลดการแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อม ทำให้การทดลองใกล้เคียงระบบโดดเดี่ยว เมื่อไม่มีการถ่ายโอนความร้อนหรือการทำงานกับภายนอก พลังงานทั้งหมดที่น้ำร้อนให้จะไปสู่น้ำเย็น นี่คือการใช้กฎอนุรักษ์พลังงานกับการแลกเปลี่ยนความร้อน ไม่ใช่แหล่งพลังงานอิสระชนิดใหม่
เลือกข้อตกลงเรื่องเครื่องหมายแบบเดียว
ให้ T เป็นอุณหภูมิสุดท้ายร่วมกัน สำหรับวัตถุเย็น T − T₁ เป็นบวก ส่วนวัตถุร้อน T − T₂ เป็นลบ ผลรวมการถ่ายโอนเป็นศูนย์: Q₁ + Q₂ = 0 หรือ c₁m₁(T − T₁) + c₂m₂(T − T₂) = 0 ใช้ข้อตกลงเครื่องหมายเดิมตลอดการแก้โจทย์ หากเพิ่มมวลวัตถุหนึ่ง อุณหภูมิของมันเปลี่ยนน้อยลง และ T สุดท้ายเข้าใกล้อุณหภูมิเริ่มต้นของมัน หากอุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน จะไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน
ต้องคิดส่วนใดบ้าง?
หากภาชนะเย็นมีมวลมากจะต่างอย่างไร? ภาชนะร้อนขึ้นด้วย พลังงานบางส่วนจากน้ำร้อนจึงไปสู่ผนังแทนที่จะไปสู่น้ำอีกส่วน ต้องใส่ภาชนะและเทอร์มอมิเตอร์เป็นพจน์แยกในสมดุลพลังงาน หรือระบุชัดว่าละเลยความจุความร้อนของทั้งสอง เมื่อไม่มีการเปลี่ยนสถานะหรือแหล่งพลังงานภายนอก อุณหภูมิสุดท้ายอยู่ระหว่างอุณหภูมิเริ่มต้นของวัตถุทั้งหมดที่เข้าร่วม หากได้ผลสูงกว่าส่วนที่ร้อนที่สุด แสดงว่ามีข้อผิดพลาดหรือมีแหล่งพลังงานที่ยังไม่ได้นับ
พลังงานเชื้อเพลิง
พลังงานของหัวเผามาจากไหน? การเผาไหม้เปลี่ยนพันธะเคมีของเชื้อเพลิงกับออกซิเจน ผลิตภัณฑ์มีพลังงานเคมีต่างไป ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง q บอกพลังงานที่ปล่อยเมื่อเผาเชื้อเพลิง 1 kg อย่างสมบูรณ์ มีหน่วย J/kg นี่เป็นสมบัติของเชื้อเพลิงภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ไม่ใช่สมบัติของน้ำเหนือเปลวไฟ q ที่มากหมายถึงใช้มวลเชื้อเพลิงน้อยกว่าเพื่อปล่อยพลังงานเท่ากัน
พลังงานที่ปล่อยไม่ได้ถึงส่วนที่ต้องการทั้งหมด
ถ้าเชื้อเพลิงหนึ่งกิโลกรัมปล่อยพลังงาน q จูล มวล m ที่เผาไหม้สมบูรณ์จะปล่อย Q = qm มวลสองเท่าให้พลังงานสองเท่า และเมื่อ m = 0 ก็ไม่มีพลังงานจากเชื้อเพลิง แต่พลังงานไม่ได้ถึงน้ำทั้งหมด ภาชนะและอากาศร้อนขึ้น และผลิตภัณฑ์การเผาไหม้พาพลังงานออกไป หากสัดส่วนพลังงานที่ใช้ประโยชน์ได้หรือประสิทธิภาพเท่ากับ η น้ำจะได้รับ ηqm ต้องใช้ η เป็นสัดส่วนของหนึ่ง ไม่ใช่ตัวเลขเปอร์เซ็นต์ หากเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ qm จะให้พลังงานที่ปล่อยมากเกินจริง
ผสมน้ำ
ผสมน้ำ 1 kg ที่ 60 °C กับน้ำ 1 kg ที่ 20 °C ละเลยการสูญเสียและความจุความร้อนของภาชนะ จงหาอุณหภูมิร่วมกัน
ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1
หาอุณหภูมิที่พลังงานซึ่งน้ำร้อนให้เท่ากับพลังงานที่น้ำเย็นรับ มวลและความร้อนจำเพาะเท่ากัน และโจทย์กำหนดให้ไม่มีการแลกเปลี่ยนกับภายนอกหรือการอุ่นภาชนะ
ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2
เขียนสมดุลโดยใช้ข้อตกลงเครื่องหมายแบบเดียว: c·1·(T − 60) + c·1·(T − 20) = 0 พจน์แรกจะเป็นลบและพจน์ที่สองเป็นบวก
ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 3
ตัด c แล้วได้ 2T − 80 = 0 และ T = 40 °C น้ำร้อนเย็นลง 20 องศา ส่วนน้ำเย็นร้อนขึ้น 20 องศา เมื่อมวลเท่ากัน พลังงานที่ถ่ายโอนจึงเท่ากัน
ตรวจสอบผลลัพธ์
อุณหภูมิร่วมกันคือ 40 °C ซึ่งอยู่กึ่งกลางระหว่าง 20 กับ 60 °C เพราะความจุความร้อนของน้ำทั้งสองส่วนเท่ากัน
ใจความสำคัญ · 1
Q บอกการถ่ายโอนพลังงาน ส่วน c, m และ ΔT กำหนดขนาดพลังงานขณะเพิ่มอุณหภูมิโดยไม่เปลี่ยนสถานะ
ใจความสำคัญ · 2
สมดุลพลังงานต้องรวมทุกส่วนที่เข้าร่วมและใช้ข้อตกลงเครื่องหมายแบบเดียวตลอด
ใจความสำคัญ · 3
การเผาไหม้สมบูรณ์ปล่อยพลังงาน qm แต่พลังงานอาจถึงวัตถุที่ต้องการให้ร้อนเพียงบางส่วน
บทเรียนถัดไป
ระหว่างหลอมเหลว พลังงานเข้าสู่สารแต่อุณหภูมิอาจคงที่ บทถัดไปจะอธิบายว่าพลังงานนั้นไปไหน
แนวคิดพื้นฐาน
ปริมาณความร้อน
พลังงานที่ถ่ายโอนเข้าสู่วัตถุหรือออกจากวัตถุในกระบวนการถ่ายโอนความร้อน
ขณะเพิ่มอุณหภูมิโดยไม่เปลี่ยนสถานะ ปริมาณความร้อนขึ้นกับมวล ความร้อนจำเพาะของสาร และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป
แคลอริมิเตอร์และสมดุลพลังงานความร้อน
แคลอริมิเตอร์ลดการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม ในระบบที่หุ้มฉนวนและไม่มีการทำงานกับภายนอก ความร้อนที่วัตถุบางชิ้นให้เท่ากับความร้อนที่วัตถุอื่นรับ
ในการหาความร้อนจำเพาะ ให้วัดมวลและอุณหภูมิ แล้วเขียนสมการสมดุลพลังงานโดยใช้ข้อตกลงเรื่องเครื่องหมายแบบเดียวตลอด
พลังงานเชื้อเพลิง
การเผาไหม้สมบูรณ์ปล่อยพลังงานแปรผันตรงกับมวลเชื้อเพลิงและค่าความร้อนของเชื้อเพลิงต่อหน่วยมวล
อุปกรณ์จริงถ่ายโอนพลังงานเพียงบางส่วนไปยังวัตถุที่ต้องการ แต่พลังงานรวมยังคงเป็นไปตามกฎอนุรักษ์พลังงาน
ปริมาณทางฟิสิกส์
ปริมาณความร้อน
Qพลังงานที่วัตถุรับหรือให้ผ่านการถ่ายโอนความร้อน
หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}
มวลวัตถุ
mมวลของสารที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนความร้อน
หน่วย: กิโลกรัม · \mathrm{кг}
ความร้อนจำเพาะ
cพลังงานที่ทำให้สารหนึ่งกิโลกรัมร้อนขึ้นหนึ่งเคลวิน
หน่วย: จูลต่อกิโลกรัมเคลวิน · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}\cdot\mathrm{К}}
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
\Delta Tอุณหภูมิสุดท้ายของวัตถุลบอุณหภูมิเริ่มต้น
หน่วย: เคลวิน · \mathrm{К}
ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง
qพลังงานที่ปล่อยต่อหนึ่งหน่วยมวลของเชื้อเพลิงในการเผาไหม้สมบูรณ์
หน่วย: จูลต่อกิโลกรัม · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}
สูตรบทเรียน
การเพิ่มอุณหภูมิและการเย็นลง
Q = cm\Delta Tปริมาณความร้อนเท่ากับความร้อนจำเพาะคูณมวลและอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป
เงื่อนไข: ไม่มีการเปลี่ยนสถานะ และกำหนดให้ความร้อนจำเพาะคงตัว
สมดุลพลังงานความร้อน
Q_1 + Q_2 = 0ในระบบที่หุ้มฉนวนความร้อน ผลรวมเชิงพีชคณิตของความร้อนที่รับและให้เป็นศูนย์
ความร้อนจากการเผาไหม้
Q = qmในการเผาไหม้สมบูรณ์ ปริมาณความร้อนที่ปล่อยเท่ากับค่าความร้อนของเชื้อเพลิงต่อหน่วยมวลคูณมวลเชื้อเพลิง
ทดลองความสัมพันธ์
คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น
มวลและพลังงานในการเพิ่มอุณหภูมิ
Q = cmΔT; c = 4200 Дж/(кг·К)
น้ำมีอุณหภูมิ 20 ถึง 80 °C ความร้อนจำเพาะคงตัว ไม่มีการสูญเสียหรือเปลี่ยนสถานะ ผลต่างอุณหภูมิใน K และ °C มีค่าเป็นตัวเลขเท่ากัน
ถ้าเปลี่ยนจากน้ำ 1 kg เป็น 2 kg และเพิ่มอุณหภูมิเท่าเดิม 10 °C พลังงานที่ต้องใช้จะเปลี่ยนอย่างไร?
ค่าเริ่มต้น
ผลการคำนวณ
- Q
- 42 кДж
- T
- 30 °C
อธิบายผล
มวลสองเท่าต้องใช้ Q สองเท่า แต่ผลต่างอุณหภูมิที่กำหนดยังเท่าเดิม กราฟนี้แสดงพลังงานกับ ΔT ไม่ใช่อุณหภูมิกับเวลา
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ