บทความ นิยามของความร้อน สมดุลเชิงกลของความร้อน สมการของความร้อน
1. นิยามของความร้อน
หากวัตถุที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันสัมผัสกัน จะมีการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ การถ่ายเทความร้อนจะหยุดลงเมื่อวัตถุที่สัมผัสกันมีอุณหภูมิเท่ากัน ตัวอย่างเช่น หากเราผสมน้ำร้อนกับน้ำเย็น ความร้อนมักจะเคลื่อนจากน้ำร้อนไปยังน้ำเย็น เมื่อเรานำเตารีดร้อนไปแช่ในน้ำเย็น ความร้อนจะเคลื่อนจากเตารีดไปยังน้ำ ความร้อนจะหยุดไหลเมื่อเตารีดและน้ำมีอุณหภูมิเท่ากัน เมื่อพยาบาลติดเทอร์โมมิเตอร์กับร่างกายของคุณ ความร้อนจะเคลื่อนจาก...
ร่างกายของคุณจะเคลื่อนเข้าใกล้เทอร์โมมิเตอร์ การถ่ายเทความร้อนจะหยุดลงเมื่อร่างกายของคุณและเทอร์โมมิเตอร์มีอุณหภูมิเท่ากัน หากใช้เทอร์โมมิเตอร์ปรอท เมื่อร่างกายของคุณและเทอร์โมมิเตอร์มีอุณหภูมิเท่ากันแล้ว ผิวของปรอทจะหยุดเคลื่อนที่ ตัวเลขที่ปรากฏบนผิวปรอทคืออุณหภูมิร่างกายของคุณในขณะนั้น
โดยธรรมชาติแล้ว ความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงโดยอัตโนมัติ
วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ การถ่ายเทความร้อนมีแนวโน้มที่จะปรับอุณหภูมิของวัตถุที่สัมผัสกันให้เท่ากัน ในศตวรรษที่ 18 นักฟิสิกส์สงสัยว่าการไหลของความร้อนคือการเคลื่อนที่ของของเหลวชนิดหนึ่ง ซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า (ของเหลวคือสารที่สามารถไหลได้ ของเหลวรวมถึงของเหลวและก๊าซ น้ำ (ของเหลว) จัดเป็นของเหลวเพราะสามารถไหลได้ อากาศก็จัดเป็นของเหลวเพราะสามารถไหลได้เช่นกัน) ของเหลวนั้นเรียกว่าแคลอรี ทฤษฎีแคลอรีไม่ได้ถูกนำมาใช้อีกต่อไปแล้ว เนื่องจากจากผลการทดลอง ไม่สามารถพิสูจน์การมีอยู่ของแคลอรีได้ ในศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ เจมส์ เพรสคอตต์ จูล (1818-1889) ได้เรียนรู้วิธีการทำให้น้ำร้อนในภาชนะโดยใช้ล้อกวน
จากผลการทดลอง จูลได้เปรียบเทียบกับการให้ความร้อนแก่น้ำโดยใช้ไฟ เมื่อเปลวไฟและภาชนะบรรจุน้ำสัมผัสกัน ความร้อนจะถ่ายเทจากไฟ (อุณหภูมิสูง) ไปยังน้ำ (อุณหภูมิต่ำ) หลังจากเปรียบเทียบอุณหภูมิน้ำที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการสัมผัสกับไฟและอุณหภูมิน้ำที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการทำงานของคน จูลสรุปว่า ความร้อนคือพลังงานที่เคลื่อนที่จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ ความร้อนไม่ใช่พลังงาน (ความร้อนไม่ใช่พลังงานประเภทใดประเภทหนึ่ง เช่น พลังงานจลน์ พลังงานศักยภาพ พลังงานเคมี ฯลฯ) ความร้อนคือพลังงานที่เคลื่อนที่เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ดังนั้น เมื่อความร้อนไหลจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานจึงเคลื่อนที่จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ การถ่ายโอนพลังงานจะหยุดลงเมื่อวัตถุที่สัมผัสกันมีอุณหภูมิเท่ากัน
2. หน่วยของความร้อนและค่าเทียบเท่าความร้อนเชิงกล
หน่วยความร้อนคือแคลอรี (ย่อว่า cal) แคลอรีคือปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัมขึ้น 1 องศาเซลเซียสo (กล่าวคือ ตั้งแต่ 14.5 เป็นต้นไป) oC ถึง 15.5 oค) ปริมาณความร้อนที่ต้องการจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิของน้ำ สำหรับปริมาณความร้อนที่เท่ากัน การเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 องศาเซลเซียส จะทำให้อุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียสo เกิดขึ้นเฉพาะระหว่างอุณหภูมิ 14.5 เท่านั้น oC ถึง 15.5 oค. หน่วยความร้อนมักใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการระบุค่าพลังงานของอาหารเป็นกิโลแคลอรี (kcal) 1 kcal = 1000 แคลอรี ชื่ออื่น ๆ ของ 1 kcal คือ 1 แคลอรี (ตัวอักษร K ตัวใหญ่) หน่วยความร้อนสำหรับระบบของอังกฤษคือ บีทียู (British thermal unit) 1 บีทียู = ปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 ปอนด์ (0.45 กิโลกรัม) ขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ (จาก 63 องศาฟาเรนไฮต์) oF ถึง 64 oF)
ความร้อนมีความสัมพันธ์กับพลังงาน ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องทราบความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยความร้อนและหน่วยพลังงาน จากการทดลองของจูลและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ พบว่า งาน 4.186 จูล เทียบเท่ากับความร้อน 1 แคลอรี
1 แคลอรี = 4.186 จูล
1 กิโลแคลอรี = 1000 แคลอรี = 4186 จูล
1 บีทียู = 778 ฟุต (0.24 กิโลเมตร) ปอนด์ = 252 แคลอรี = 1055 จูล
(1 แคลอรี = 4.186 จูล และ 1 กิโลแคลอรี = 4186 เรียกว่าค่าเทียบเท่าความร้อนเชิงกล)
3. สมการความร้อน
หากวัตถุที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันสัมผัสกัน ความร้อนจะเคลื่อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำตามธรรมชาติ การถ่ายเทความร้อนจะหยุดลงเมื่อวัตถุทั้งสองอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน การถ่ายเทความร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัตถุที่สัมผัสกัน จากคำอธิบายสั้นๆ นี้ คุณสามารถสรุปได้ว่าความร้อน (Q) มีความสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (ΔT) ของวัตถุ มวล (m) ของวัตถุ และชนิดของวัตถุ
ความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน (Q) และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (ΔT)
ยิ่งความร้อนมากเท่าไร การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น จึงสรุปได้ว่าปริมาณความร้อน (Q) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัตถุ
Q α ΔT —– การเปรียบเทียบ 1
ความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน (Q) และมวลของวัตถุ (m)
ปริมาณความร้อน (Q) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัตถุ ยิ่งมีน้ำมากเท่าไร ก็ยิ่งต้องการความร้อนมากขึ้นเท่านั้นเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ
Q α m —– การเปรียบเทียบ 2
ความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน (Q) และชนิดของวัตถุ (c)
ปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของวัตถุนั้นแปรผันตรงกับชนิดของวัตถุ
Q α c —– การเปรียบเทียบ 3
การเปรียบเทียบทั้งสามข้างต้นนำมารวมกันเป็นสมการ:
Q α mc ΔT
Q = mc ΔT
นี่คือสมการของความร้อน
คำอธิบาย: Q = ความร้อน (จูล), m = มวลของวัตถุ (กิโลกรัม), c = ความร้อนจำเพาะ (จูล/กิโลกรัม °C หรือเคลวิน)
