บทเรียนฟิสิกส์พื้นฐาน

บทความเกี่ยวกับเทอร์โมมิเตอร์และมาตรวัดอุณหภูมิ

1. เครื่องวัดอุณหภูมิ

เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิคือเทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายประเภท แต่หลักการทำงานเหมือนกัน โดยทั่วไปเราใช้วัตถุที่วัดอุณหภูมิได้ ซึ่งเป็นสสารที่เปลี่ยนแปลงรูปร่างตามอุณหภูมิ หากอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนแปลง รูปร่างและขนาดของวัตถุก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย เทอร์โมมิเตอร์ส่วนใหญ่ใช้วัตถุที่สามารถขยายหรือหดตัวได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วยหลอดแก้วที่มีแอลกอฮอล์หรือปรอทอยู่ตรงกลาง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น แอลกอฮอล์หรือปรอทในภาชนะจะขยายตัว ทำให้ความยาวของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิลดลง ความยาวของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทจะลดลง ด้านนอกของหลอดแก้วจะมีตัวเลขซึ่งเป็นมาตราส่วนของเทอร์โมมิเตอร์ ตัวเลขที่แสดงที่ปลายด้านบนของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทจะบอกค่าอุณหภูมิของวัตถุที่กำลังวัด

อ่านเพิ่มเติม

บทความเกี่ยวกับกฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์

จนถึงปัจจุบัน เราได้สังเกตเฉพาะสมดุลทางความร้อนที่เกิดขึ้นกับวัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกันเท่านั้น

เพื่อให้เข้าใจแนวคิดเรื่องสมดุลความร้อนอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น ลองพิจารณาวัตถุสามชิ้น (สมมติว่าเป็นวัตถุ A, วัตถุ B และวัตถุ C) ตัวอย่างเช่น วัตถุ B และวัตถุ C ไม่สัมผัสกัน แต่ วัตถุ A สัมผัสกับวัตถุ B และวัตถุ A สัมผัสกับวัตถุ C สังเกตภาพด้านล่าง เนื่องจากวัตถุที่สัมผัสกัน ยกเว้นวัตถุ A และวัตถุ B อยู่ในสมดุลความร้อน ดังนั้น วัตถุ A และวัตถุ C ก็อยู่ในสมดุลความร้อนเช่นกัน แล้ววัตถุ B และวัตถุ C ที่ไม่สัมผัสกันล่ะ อยู่ในสมดุลความร้อนด้วยหรือไม่? ถ้าเราใช้ตรรกะอย่างเดียว เราอาจกล่าวได้ว่า วัตถุ B และวัตถุ C ก็อยู่ในสมดุลความร้อนเช่นกัน แม้ว่าพวกมันจะไม่สัมผัสกันก็ตาม วัตถุ A และวัตถุ B อยู่ในสมดุลความร้อน หมายความว่า อุณหภูมิของวัตถุ A เท่ากับอุณหภูมิของวัตถุ B

อ่านเพิ่มเติม

บทความเกี่ยวกับนิยามของอุณหภูมิและสมดุลความร้อน

นิยามของอุณหภูมิ

คุณเคยสัมผัสน้ำแข็งไหม? คุณรู้สึกอย่างไรเมื่อมือของคุณสัมผัสกับน้ำแข็ง? แล้วถ้าสิ่งที่คุณสัมผัสคือไฟล่ะ? เมื่อสัมผัสน้ำแข็ง มือของคุณจะรู้สึกเย็น เมื่อสัมผัสไฟ มือของคุณจะรู้สึกร้อน ร้อน อุ่น เย็น หนาว หมายถึงอะไร?

แนวคิดเรื่องอุณหภูมิเริ่มต้นจากความร้อนและความเย็นที่เราสัมผัสได้ โดยอาศัยความรู้สึกที่สัมผัสได้ เราจึงบอกได้ว่าวัตถุหนึ่งร้อนกว่าอีกวัตถุหนึ่ง หรือเย็นกว่าอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุร้อนจะมีอุณหภูมิสูงกว่า ในขณะที่วัตถุเย็นจะมีอุณหภูมิต่ำกว่า ยิ่งวัตถุเย็น อุณหภูมิก็จะยิ่งต่ำ ในทางกลับกัน ยิ่งวัตถุร้อน อุณหภูมิก็จะยิ่งสูง การวัดความร้อนหรือความเย็นของวัตถุเรียกว่าอุณหภูมิ ในวิชาทฤษฎีจลน์ของแก๊ส คุณจะได้เข้าใจความหมายของอุณหภูมิอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น ว่าเกิดอะไรขึ้นกับโมเลกุลของวัตถุ ทำให้เรารู้สึกร้อน อุ่น เย็น หรือหนาวได้

อ่านเพิ่มเติม

บทความเกี่ยวกับสถานะของสสาร (โดยพิจารณาจากคุณสมบัติระดับจุลภาค)

ในชีวิตประจำวัน เรามักพบเจอกับสสารสามสถานะที่แตกต่างกัน ได้แก่ สสารของแข็ง (เช่น หิน เหล็ก เป็นต้น) ของเหลว (น้ำ น้ำมันเบนซิน เป็นต้น) และสสารก๊าซ (อากาศ เป็นต้น) เราสามารถจำแนกสถานะของสสารทั้งสามนี้ได้จากความสามารถในการคงรูปทรงและขนาดของตนเอง

โดยทั่วไปของแข็งจะรักษารูปทรงและปริมาตรคงที่ ส่วนของเหลวจะไม่รักษารูปทรง แต่จะปรับตัวให้เข้ากับภาชนะที่บรรจุอยู่ ตัวอย่างเช่น ถ้าเราใส่น้ำลงในแก้ว รูปทรงของแก้วก็จะเปลี่ยนไป ถ้าใส่น้ำลงในอ่างอาบน้ำ รูปทรงก็จะเปลี่ยนไปตามอ่างอาบน้ำ ปริมาตรของของเหลวมักจะคงที่เสมอ ถ้าวางแก้วน้ำลงในอ่างอาบน้ำ ปริมาณน้ำก็จะยังคงอยู่ในแก้ว รูปทรงของน้ำอาจเปลี่ยนแปลงได้ แต่ขนาดจะไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม จำนวนของของแข็งและของเหลวอาจเปลี่ยนแปลงได้หากได้รับแรงกระทำมากพอ

อ่านเพิ่มเติม

บทความเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมและทฤษฎีจลน์

ทฤษฎีอะตอม

เป็นเวลาหลายพันปีแล้วที่ชาวกรีกโบราณเชื่อว่าสารบริสุทธิ์ทุกชนิด (เช่น ทองคำ เหล็ก เป็นต้น) ประกอบด้วยอะตอม ตามความเชื่อของพวกเขา หากสารบริสุทธิ์ถูกตัดเป็นชิ้นเล็กๆ แล้วตัดชิ้นเล็กๆ เหล่านั้นอีกครั้ง แล้วตัดกลับไปอีกเรื่อยๆ จนกระทั่งเหลือชิ้นที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถตัดได้อีก ชิ้นที่เล็กที่สุดที่ไม่สามารถตัดได้อีกนี้เรียกว่าอะตอม อะตอมหมายถึง "ไม่สามารถแบ่งแยกได้" (ภาษากรีก)

ในเวลานั้น เชื่อกันว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งย่อยได้อีกต่อไป แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มได้ค้นพบอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอม (โปรตอนและนิวตรอน) ทำให้สมมติฐานที่ว่าอะตอมไม่สามารถแบ่งย่อยได้นั้นผิด ดังนั้น อะตอมจึงประกอบด้วยอิเล็กตรอน (มีประจุลบ) และนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส ภายในนิวเคลียสมีโปรตอน (มีประจุบวก) และนิวตรอน (เป็นกลางหรือไม่มีประจุ)

อ่านเพิ่มเติม

บทความเกี่ยวกับ การเปลี่ยนแปลงสถานะ อุณหภูมิวิกฤต จุดสามสถานะ

ในการอธิบายกฎของแก๊สอุดมคติ ได้มีการอธิบายไปแล้วว่า กฎของแก๊สอุดมคติจะอธิบายพฤติกรรมของแก๊สจริงได้อย่างแม่นยำก็ต่อเมื่อความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงไม่มากเกินไป หากความดันและความหนาแน่นของแก๊สจริงมากเกินไป กฎของแก๊สอุดมคติจะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง เช่นเดียวกับเมื่ออุณหภูมิของแก๊สจริงเข้าใกล้จุดเดือด สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของแก๊สจริง ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตรของแก๊ส เมื่อความดันของแก๊สมากพอ ปริมาตรของแก๊สจะลดลง เนื่องจากปริมาตรของแก๊สน้อย ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สจึงใกล้กันมากขึ้น เมื่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลใกล้กันมากขึ้น โมเลกุลก็จะดึงดูดซึ่งกันและกัน เปรียบเสมือนการวางชิ้นเหล็กไว้บนแม่เหล็ก หากระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กมากพอ แม่เหล็กจะไม่สามารถดึงเหล็กได้ แต่หากระยะห่างระหว่างแม่เหล็กกับเหล็กใกล้กัน เหล็กก็จะถูกดึงดูดเข้าหาแม่เหล็ก

อ่านเพิ่มเติม

แวน เดอร์ วาลส์ คือชื่อของนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ เจ.ดี. แวน เดอร์ วาลส์ (ค.ศ. 1837-1923) สมการสถานะของแวน เดอร์ วาลส์ เป็นสมการสถานะของก๊าซ คล้ายกับสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ ความแตกต่างคือ สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติไม่สามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำได้หากความดันและความหนาแน่นของก๊าซจริงมีค่ามากพอ ในขณะที่สมการสถานะของแวน เดอร์ วาลส์ สามารถให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่าได้

สมการนี้มีที่มาจากแวน เดอร์ วาลส์ ผู้ตระหนักถึงข้อจำกัดของสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ วาลส์จึงปรับปรุงสมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ โดยเพิ่มปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลต่อสภาวะของก๊าซจริง เมื่อความดันและความหนาแน่นของก๊าซจริงมีค่ามาก

อ่านเพิ่มเติม

กระบวนการระเหยสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีจลน์ เช่นเดียวกับโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลของน้ำก็เคลื่อนที่เช่นกัน ความแตกต่างคือโมเลกุลของน้ำไม่สามารถกระจัดกระจายได้เพราะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลยังคงยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ด้วยกัน ในทางกลับกัน แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของแก๊สนั้นเปราะบางมาก ทำให้โมเลกุลของแก๊สไม่สามารถรวมตัวกันได้ เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลของน้ำจะมีเวโลซิตี้ มีโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วสูง และมีโมเลกุลของน้ำที่มีความเร็วต่ำ การกระจายตัวของเวโลซิตี้ของโมเลกุลของน้ำนั้นคล้ายกับการกระจายตัวของแม็กซ์เวลล์

การระเหยเกิดขึ้นเมื่อความเร็วของโมเลกุลน้ำมีมากพอจนแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำไม่สามารถยึดเหนี่ยวกันไว้ได้ คล้ายกับจรวดที่พุ่งทะยานขึ้นสู่อวกาศ ความเร็วของจรวดมีมากพอที่แรงโน้มถ่วงของโลกไม่สามารถยึดเหนี่ยวให้มันอยู่บนพื้นโลกได้ โปรดสังเกตว่าเฉพาะโมเลกุลที่มีความเร็วสูงมากเท่านั้นที่จะหลุดพ้นจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลได้ โมเลกุลที่มีความเร็วต่ำจะยังคงอยู่ด้วยกันเหมือนน้ำ

อ่านเพิ่มเติม

การเดือดเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส การเดือดเกิดขึ้นเมื่อความดันไออิ่มตัวเท่ากับความดันอากาศ (ความดันอากาศ = ความดันบรรยากาศ) เราจะกล่าวถึงเฉพาะน้ำเดือดเท่านั้น ความดันไออิ่มตัวของน้ำแปรผันตรงกับอุณหภูมิของน้ำ ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น ความดันไออิ่มตัวก็จะยิ่งสูงขึ้น เมื่อเราให้ความร้อนแก่น้ำ มักจะมีฟองอากาศเล็กๆ ปรากฏขึ้นที่ก้นภาชนะ การมีฟองอากาศแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส หากความดันไออิ่มตัวในฟองอากาศน้อยกว่าความดันอากาศภายนอก ฟองอากาศจะหดตัวและสลายไปก่อนที่จะถึงผิวน้ำ ฟองอากาศถูกทำลายเนื่องจากแรงผลักดันของอากาศภายนอกสูงกว่าแรงผลักดันของไอน้ำภายในฟองอากาศ ความดันอากาศภายนอกสูงกว่าความดันไอในฟองอากาศ ดังนั้นอากาศภายนอกจึงมีแรงมากกว่า (P = F / A)

อ่านเพิ่มเติม

ความชื้นหมายถึงปริมาณไอน้ำในอากาศ เมื่อฝนตก บรรยากาศจะมีความชื้นสูงมากเนื่องจากมีไอน้ำในอากาศมาก ในทางกลับกัน หากไอน้ำในอากาศมีน้อยมาก อากาศก็จะแห้งแล้ง ปริมาณไอน้ำในอากาศแสดงได้ด้วยความชื้นสัมพัทธ์

ความชื้นสัมพัทธ์คืออัตราส่วนของความดันย่อยของไอน้ำต่อความดันของไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิหนึ่งๆ (ไอน้ำคือน้ำ) ความชื้นสัมพัทธ์แสดงในหน่วยเปอร์เซ็นต์ โดยมีสูตรทางคณิตศาสตร์ดังนี้:

อ่านเพิ่มเติม