การทดลองเร องอ ณหภ ม ในท ต างก น

136 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 137

ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์

1. การใช้จำานวน (การคำานวณ 1. การแก้ปัญหาสถานการณ์ 1. ความมีเหตุผล และ ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) ที่เกี่ยวกับความร้อน) ความรอบคอบ

2. การส่อสารสารสนเทศและ (การอภิปรายร่วมกัน) ื ู การรู้เท่าทันสื่อ 2. ความอยากร้อยากเห็น (การอภิปรายร่วมกัน) (การมีส่วนร่วมใน การอภิปรายและสรุป)

ผลการเรียนรู้ 2. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายแบบจำาลองของแก๊สอุดมคติ

2. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์

1. การใช้จำานวน (การคำานวณ 1. การแก้ปัญหา (สถานการณ ์ 1. ความมีเหตุผล ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) ที่เกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่ง และความรอบคอบ

ของอุณหพลศาสตร์) (การอภิปรายร่วมกัน) ื 2. การส่อสารสารสนเทศและ 2. ความอยากรู้อยากเห็น การรู้เท่าทันสื่อ (การมีส่วนร่วมใน

(การอภิปรายร่วมกัน) การอภิปรายและสรุป)

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ผลการเรียนรู้ 3. อธิบายแบบจาลองของแก๊สอุดมคต ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส และอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุล ำ ิ ของแก๊ส รวมทั้งคำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลแก๊ส และ

คำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิ และคำานวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

ิ 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูม และ คำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์

1. การใช้จำานวน (การคำานวณ 1. การแก้ปัญหา (สถานการณ ์ 1. ความมีเหตุผล ี ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) ท่เก่ยวกับทฤษฎีจลน์ของ และความรอบคอบ ี แก๊ส) (การอภิปรายร่วมกัน) 2. การส่อสารสารสนเทศและ 2. ความอยากรู้อยากเห็น ื การรู้เท่าทันสื่อ (การมีส่วนร่วมใน (การอภิปรายร่วมกัน) การอภิปรายและสรุป)

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

138 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 139

ผลการเรียนรู้ ำ ำ ี 4. อธิบาย และคานวณงานท่ทาโดยแก๊สในภาชนะปิดโดยความดันคงตัว และอธิบายความสัมพันธ ์ ั ี ี ำ ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ และงาน รวมท้งคานวณปริมาณต่าง ๆ ท่เก่ยวข้องและ นำาความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปอธิบายหลักการทำางานของเครื่องใช้ในชีวิตประจำาวัน จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายและคำานวณพลังงานภายในระบบ 2. อธิบายและคำานวณงานที่ทำาโดยแก๊ส ี 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ กับงานท่ทาโดยแก๊ส และ ำ คำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการนำาความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำาวัน

ทักษะกระบวนการทาง ทักษะแห่งศตวรรษที่ 21 จิตวิทยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์

1. การใช้จำานวน (การคำานวณ 1. การแก้ปัญหา (สถานการณ ์ 1. ความมีเหตุผล ี ึ ปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง) ท่เก่ยวกับกฎข้อท่หน่งของ และความรอบคอบ ี ี อุณหพลศาสตร์) (การอภิปรายร่วมกัน) 2. การส่อสารสารสนเทศและ 2. ความอยากรู้อยากเห็น ื การรู้เท่าทันสื่อ (การมีส่วนร่วมใน (การอภิปรายร่วมกัน) การอภิปรายและสรุป)

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ผังมโนทัศน์ ความร้อนและแก๊ส

ความร อนและแก ส

อุณหภูมิ แกสอุดมคติ

เกี่ยวข องกับ เกี่ยวข องกับ นําไปสู เกี่ยวข องกับ

การเปลี่ยน การเปลี่ยน กฎของบอยล แบบจําลอง อุณหภูมิ สถานะ กฎของชาร ล แกสอุดมคติ กฎของเกย -ลูสแซก

นําไปคํานวณ นําไปคํานวณ นําไปสู ความจุความร อนและ ความร อนแฝง ทฤษฎีจลน ของแกส ความร อนจําเพาะ กฎของ แกสอุดมคติ

เกี่ยวข องกับ การชนและ การถ ายโอนความร อน โมเมนตัม

กฎการอนุรักษ พลังงาน นําไปสู ความสัมพันธ ระหว าง เกี่ยวข องกับ ความดันและอัตราเร็ว สมดุลความร อน โมเลกุลของแกส

นําไปสู

งาน ความสัมพันธ ระหว าง พลังงานจลน เฉลี่ยของ นําไปสู นําไปสู แกสกับอุณหภูมิ

งานที่ทําโดยแกส พลังงานภายในระบบ นําไปสู

นําไปสู ความสัมพันธ ระหว าง อัตราเร็วอาร เอ็มเอส กฎข อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร กับอุณหภูมิ

นําไปสู

คํานวณ อธิบาย ปริมาณต าง ๆ ที่เกี่ยวข อง การประยุกต ของอุณหพลศาสตร

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

140 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 141

สรุปแนวความคิดสำาคัญ ่ ่ ้ ็ ึ ี อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) เปนการศกษากระบวนการเปลยนแปลงระหวางความรอน และพลังงานกล ระดับความร้อนของวัตถุสามารถระบุได้ด้วยอุณหภูม (temperature) อุปกรณ์ท ี ่ ิ ์ ใช้วัดอุณหภูมิ เรียกว่า เทอร์มอมิเตอร (thermometer) หน่วยวัดอุณหภูมิที่ใช้ทั่วไปคือ องศาเซลเซียส

(degree Celsius, C) แต่การศึกษาในวิชาอุณหพลศาสตร์ใช้อุณหภูมิในหน่วย เคลวิน (Kelvin, K) ซึ่งบางครั้งเรียกว่า อุณหภูมิสัมบูรณ์ (absolute temperature) ่ ื ี ี ื ุ ่ ี ู ื ้ ั ้ ่ ึ ่ เมอสสารไดรบหรอคายความรอน สสารอาจมอณหภมิเปลยนไปหรออาจเปลยนจากสถานะหนง ึ ี ี ี ไปอีกสถานะหน่งโดยอุณหภูมิไม่เปล่ยนแปลง กรณีท่สสารมีอุณหภูมิเปล่ยนไป อัตราส่วนระหว่างความร้อน ี ี ท่ให้แก่สสารต่ออุณหภูมิท่เพ่มข้น เรียกว่า ความจุความร้อน (heat capacity, C) ส่วนความจุความร้อนต่อ ิ ึ หนึ่งหน่วยมวลจะขึ้นกับสารแต่ละชนิด เรียกว่า ความร้อนจำาเพาะ (specific heat, c) ความร้อนที่ทำาให้ สสารเปลี่ยนอุณหภูมิคำานวณได้จากสมการ Q = mcΔT กรณีที่สสารเปลี่ยนสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง ึ ่ ่ ี โดยอุณหภูมิไมเปล่ยนแปลง ความร้อนท่ใช้ในการเปลยนสถานะของสารหน่งหน่วยมวล เรียกว่า ี ี ความร้อนแฝง (latent heat, L) ความร้อนที่ทำาให้สสารเปลี่ยนสถานะคำานวณได้จากสมการ Q = mL ความร้อนสามารถถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุท่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปส่อีกวัตถุหน่งท่มีอุณหภูม ิ ึ ู ี ี ต่ำากว่าได้ การถ่ายโอนความร้อนมี 3 แบบ คือ นำาความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน การถ่ายโอนความร้อนดังกล่าวจะเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เมื่อไม่มีการถ่ายโอนความร้อนให้กับ ู ี ้ ี ่ ั ั ั ้ ึ ี ึ ี ่ ั ิ ้ ้ ิ สงแวดลอมภายนอก ปรมาณความรอนทวตถุหนงสญเสยจะเท่ากบปริมาณความรอนท่อกวตถุหน่งไดรบ ่ เขียนแทนได้ด้วยสมการ Q = Q การท่วัตถุมีการถ่ายโอนความร้อนจนไม่มีการถ่ายโอนความร้อน ี ลด เพิ่ม เมื่อมีอุณหภูมิเท่ากัน เรียกว่า วัตถุทั้งสองอยู่ในสมดุลความร้อน (thermal equilibrium) สารในสถานะแก๊สประกอบด้วยโมเลกุลฟ้งกระจายเต็มภาชนะบรรจ เพ่อให้การอธิบายพฤติกรรมของ ื ุ ุ แก๊สได้ง่ายขึ้น จึงมีการสร้างแบบจำาลองแก๊สอุดมคติ (ideal gas) ขึ้นมา โดยกำาหนดให้แก๊สอุดมคติเป็น ๊ ี ุ ี ุ ่ แกสท่โมเลกุลมขนาดเล็กมาก ไมมีแรงยดเหนยวระหว่างกัน มีการเคล่อนท่แบบสม และมีการชนแบบยืดหย่น ่ ี ื ี ึ ่ ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สอุดมคติมีความสัมพันธ์เป็นไปตามกฎของแก๊สอุดมคติ (ideal gas law) เขียนแทนได้ด้วยสมการ PV = nRT = Nk T B ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (kinetic theory of gases) เป็นการอธิบายพฤติกรรมแก๊สในระดับโมเลกุล เพื่อนำาไปสู่การอธิบายธรรมชาติของแก๊สที่เกิดขึ้นจากโมเลกุลของแก๊สทั้งหมดที่อยู่ในระบบ เช่น อุณหภูมิ ของแก๊ส ปริมาตรของแก๊ส และความดันของแก๊ส โดยที่ความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส 1 Nm 2 ี ของโมเลกุลของแก๊สเป็นไปตามสมการ v ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉล่ยของ 3 V rms โมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิเป็นไปตามสมการ ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉล่ย ี ของโมเลกุลของแก๊ส ความดันกับปริมาตรของแก๊สเป็นไปตามสมการ = และความสัมพันธ์ \= สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี \=

3kT ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสกับอุณหภูมิของโมเลกุลของแก๊สเป็นไปตามสมการ v rms m B พลังงานทั้งหมดของโมเลกุลของแก๊สที่บรรจุอยู่ในระบบ เรียกว่า พลังงานภายในระบบ (internal

energy of a system) ซึ่งจะหมายถึง พลังงานภายใน (internal energy) ของแก๊ส แทนด้วยสัญลักษณ์ U 3 3 สาหรับแก๊สอุดมคติสามารถหาพลังงานภายในระบบได้จากสมการ U Nk T nRT พลังงาน ำ 2 B 2 ึ ึ ภายในระบบมีความสัมพันธ์กับความร้อนและงานซ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เรียกว่า กฎข้อทหน่ง ี ่ ของอุณหพลศาสตร์ (first law of thermodynamics) เขียนแทนด้วยสมการ Q = ΔU + W ี ี ตามกฎข้อท่หน่งของอุณหพลศาสตร์ทาให้ทราบว่า ความร้อน (heat, Q) เป็นเพียงพลังงานท่ถ่ายโอน ึ ำ ในรูปงานและพลังงานภายในระบบเท่านั้น ความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบสามารถนำาไปประยุกต์ด้านต่าง ๆ เช่น การทำางานของเครื่องยนต์ความร้อน ตู้เย็น และเครื่องปรับอากาศ

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

142 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 143

เวลาที่ใช้

บทนี้ควรใช้เวลาสอนประมาณ 24 ชั่วโมง

16.1 ความร้อน 4 ชั่วโมง 16.2 แก๊สอุดมคติ 5 ชั่วโมง

16.3 ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 8 ชั่วโมง 16.4 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์และการประยุกต์ 7 ชั่วโมง

ความรู้ก่อนเรียน

แรงดล โมเมนตัม งาน พลังงาน กฎการอนุรักษ์พลังงาน

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำาเข้าสู่บทที่ 16 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำาถามว่า ความร้อนคืออะไร ตัวอย่าง ้ ำ ้ ี ำ ี ้ ความร้อนท่พบในชีวิตประจาวันมีอะไรบาง มนุษย์ใชประโยชน์จากความรอนในการดารงชวิตอยางไรบ้าง ่ และอาจใช้รูปนาบทนาอภิปรายโดยให้นักเรียนร่วมกันตอบคาถามว่า ต้เย็นมีประโยชน์อย่างไร และ ำ ำ ำ ู ี เก่ยวข้องกับความร้อนอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ และไม่คาดหวัง คำาตอบที่ถูกต้อง ครูชี้แจงนักเรียนว่า ในบทที่ 16 นี้ นักเรียนจะได้ศึกษาเกี่ยวกับ อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) ู ี ึ ซ่งเป็นการศึกษาเก่ยวกับกระบวนการเปล่ยนแปลงระหว่างความร้อนและพลังงานกลของระบบท่อย่ใน ี ี สถานะแก๊ส ของแข็ง และของเหลว โดยเน้นการอธิบายความร้อนจากพฤติกรรมของแก๊ส ครูชี้แจงคำาถามสำาคัญที่นักเรียนต้องตอบได้หลังจากการเรียนรู้บทที่ 16 และหัวข้อที่นักเรียนจะได้ เรียนรู้ในบทเรียนนี้

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

16.1 ความร้อน จุดประสงค์การเรียนรู้

1. บอกระดับความร้อนของวัตถุด้วยอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและเคลวิน 2. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการเปล่ยนอุณหภูมิกับความจุความร้อน ความร้อนจาเพาะ และ ำ ี คำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง ำ ี ี 3. อธิบายการเปล่ยนสถานะของสสารท่เก่ยวข้องกับความร้อนแฝง และคานวณปริมาณต่าง ๆ ี ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการถ่ายโอนความร้อน สมดุลความร้อน และคำานวณปริมาตรต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำาเข้าสู่หัวข้อ 16.1 โดยอาจใช้คำาถามดังตัวอย่างต่อไปนี้ - ในการเปรียบเทียบว่าวัตถุใดร้อนมากกว่ากัน จะสามารถบอกได้อย่างไร

- เมื่อให้ความร้อนกับสาร สารจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้าง - ความร้อนมีผลต่อสถานะของสารอย่างไร - ความร้อนถ่ายโอนได้หรือไม่ อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำาตอบที่ถูกต้อง

ี ี ่ ครูช้แจงว่า ในหัวข้อท 16.1 นักเรียนจะได้ศึกษาเก่ยวกับการบอกระดับความร้อน ผลของความร้อน ี ที่มีต่อระดับความร้อนของสารและการเปลี่ยนสถานะของสาร และการถ่ายโอนความร้อน 16.1.1 อุณหภูมิ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

1. หน่วยของอุณหภูมิในระบบ SI คือ องศา- 1. หน่วยของอุณหภูมิในระบบ SI คือ เคลวิน เซลเซียส

ี 2. อุณหภูมิท่เปล่ยนไปในหน่วยเคลวินเท่ากับ 2. อุณหภูมิท่เปล่ยนไปในหน่วยเคลวินเท่ากับ ี ี ี ี ี ี ี อุณหภูมิท่เปล่ยนไปในหน่วยองศาเซลเซียส อุณหภูมิท่เปล่ยนไปในหน่วยองศาเซลเซียส บวกด้วย 273

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

144 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 145

สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ้ ำ ถ้าจะมีการให้นักเรียนสังเกตการรับร้ความร้อนด้วยประสาทสัมผัส ให้เตรียมภาชนะบรรจุนา ู จำานวน 3 ใบ ที่บรรจุน้ำาเย็น น้ำาอุ่น และน้ำาร้อน ตามลำาดับ แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 1 ของหัวข้อ 16.1 ตามหนังสือเรียน ครูนำาเข้าสู่หัวข้อที่ 16.1.1 โดยใช้รูป 16.1 ในหนังสือเรียน หรืออาจจัดกิจกรรมสาธิตโดยให้นักเรียน สังเกตการรับรู้ความร้อนด้วยประสาทสัมผัสจากการใช้มือจุ่มลงในภาชนะบรรจุน้ำาเย็น น้ำาอุ่น และน้ำาร้อน

ั ำ ู ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากน้น ครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันโดยตอบคาถามว่า การรับร้ความร้อน ของสิ่งต่าง ๆ จากประสาทสัมผัสมีข้อจำากัดอย่างไร จนสรุปได้ว่า ประสาทสัมผัสของมนุษย์ไม่สามารถบอก ระดับความร้อนของส่งต่าง ๆ ได้อย่างแม่นยา นักวิทยาศาสตร์จึงจาเป็นต้องค้นหาวิธีการวัดระดับความร้อน ิ ำ ำ และหามาตรฐานในการบอกระดับความร้อนขึ้น จึงเป็นที่มาของการบอกระดับความร้อนด้วยอุณหภูมิของ ้ ี ่ ำ ี วัตถุน้น วัตถุท่มีอุณหภูมิสูงแสดงว่ามีระดับความร้อนมาก และวัตถุท่มีอุณหภูมิตาแสดงว่ามีระดับความรอน ั น้อย ี ์ ำ ครูให้นักเรียนศึกษาเก่ยวกับเทอร์มอมิเตอร และการกาหนดสเกลอุณหภูมิของเทอร์มอมิเตอร ์ ในหน่วยองศาเซลเซียส และเคลวิน ในหนังสือเรียน และอภิปรายร่วมกันจนสรุปความสัมพันธ์ระหว่าง อุณหภูมิในหน่วยเคลวินและอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสเป็นดังสมการท (16.1) โดยอุณหภูมิท ี ่ ี ่ ี ่ ี ี ่ ่ ิ ่ ่ ่ ี ั เปลยนแปลงไปในหนวยเคลวนเทากบอณหภมทเปลยนแปลงไปในหนวยองศาเซลเซยส ตามรายละเอยด ิ ี ุ ู ในหนังสือเรียน ครูใช้รูป 16.3 นานักเรียนอภิปรายเก่ยวกับเทอร์มอมิเตอร์ชนิดต่าง ๆ โดยอาจให้นักเรียนสืบค้น ี ำ เพิ่มเติมในเรื่องของวิธีใช้งาน จุดเด่นและข้อจำากัดในการใช้งานของเทอร์มอมิเตอร์แต่ละชนิด ซึ่งควรสรุป ได้ว่า เทอร์มอมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิมีหลายรูปแบบตามลักษณะของการใช้งาน

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ความรู้เพิ่มเติมสำาหรับครู

เทอร์มอมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิมีหลายรูปแบบตามลักษณะของการใช้งาน ดังนี้ - เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำาหรับวัดอุณหภูมิทั่วไป เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสาหรับวัดอุณหภูมิท่วไปนิยมใช ้ ำ ั เทอร์มอมิเตอร์ที่มีของเหลว เช่น ปรอทหรือแอลกอฮอล์ บรรจุใน หลอดแก้วปิด ดังรูป 16.1 เทอร์มอมิเตอร์รูปแบบนี้วัดอุณหภูมิโดย

อาศัยการหดและขยายตัวของของเหลวเมื่อได้รับความร้อน สามารถ ใช้วัดอุณหภูมิของสารที่มีสภาพเป็นกรดหรือด่างได้ดี แต่ข้อจำากัด ของเทอร์มอมิเตอร์นี้คือ ตัวเทอร์มอมิเตอร์ทำาจากแก้วทำาให้แตกหัก

ได้ง่าย ถ้าต้องการวัดอุณหภูมิที่สูงมาก ๆ ควรเลือกใช้เทอร์มอมิเตอร์ ที่มีปรอทเป็นของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว เนื่องจากแอลกอฮอล์เป็น ของเหลวที่มีจุดเดือดค่อนข้างต่ำา เมื่อใช้วัดอุณหภูมิสูงอาจระเหย กลายเป็นไอทำาให้เทอร์มอมิเตอร์เสียหายได้

รูป 16.1 เทอร์มอมิเตอร์แบบ ขีดสเกลสำาหรับวัดอุณหภูมิทั่วไป - เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำาหรับวัดอุณหภูมิสูงสุดและต่ำาสุด เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำาหรับวัดอุณหภูมิสูงสุดและต่ำาสุดมีชื่อเรียกว่า Six's thermo-

meter ประกอบด้วยหลอดแก้วรูปตัวยูซึ่งมีปรอทบรรจุอยู่ภายใน เหนือปรอทแต่ละด้านจะมีแท่ง บันทึกอุณหภูมิที่ทำาจากโลหะ เหนือปรอทด้านอุณหภูมิต่ำาสุดที่อยู่ทางด้านซ้ายจะบรรจุแอลกอฮอล์ จนเต็ม ส่วนเหนือปรอทด้านอุณหภูมิสูงสุดที่อยู่ทางด้านขวาจะบรรจุแอลกอฮอล์บางส่วนทำาให้มี ส่วนที่เป็นสุญญากาศอยู่ด้วย บริเวณด้านหลังหลอดแก้วรูปตัวยูจะมีแถบแม่เหล็ก ดังรูป 16.2

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

146 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 147

แอลกอฮอล ญ ส ศ า ก า ญ

ก ็ ล ห เ ม แ บ ถ แ

ิ ม ภ ห ณ อ ก ึ ท น ั บ ง ท แ

น ใ ปรอทบรรจุ ห ว ั ต ป ร ว ก แ ด อ ล

รูป 16.2 ส่วนประกอบของเทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำาหรับวัดอุณหภูมิสูงสุดและต่ำาสุด เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แอลกอฮอล์ด้านซ้ายจะขยายตัว ทำาให้ปรอทดันแท่งบันทึกอุณหภูมิทาง ด้านขวาสูงขึ้นและอยู่ในตำาแหน่งสูงที่สุดเมื่ออุณหภูมิสูงสุด เมื่ออุณหภูมิลดลง แอลกอฮอล์ด้านซ้าย

จะหดตัว ทำาให้ปรอทไปดันแท่งบันทึกอุณหภูมิทางด้านซ้ายสูงขึ้นและอยู่ในตำาแหน่งสูงที่สุดเมื่ออุณหภูมิ ต่ำาสุด แถบแม่เหล็กที่บริเวณด้านหลังจะดูดแท่งบันทึกอุณหภูมิไว้ให้อยู่ในตำาแหน่งอุณหภูมิต่ำาสุดและ สูงสุดที่บันทึกได้ เมื่อปรอทเคลื่อนต่ำาลงแท่งบันทึกอุณหภูมิจึงไม่ตกลงมา ถ้าต้องการวัดอุณหภูมิ ใหม่อีกครั้ง จะต้องกดปุ่มให้แถบแม่เหล็กเคลื่อนที่ออกห่างจากแท่งบันทึกอุณหภูมิเพื่อให้แท่งบันทึก ู ื ั อุณหภูมิเล่อนกลับลงมาอย่ระดับเดียวกับปรอทอีกคร้ง จะสังเกตได้ว่า การวัดอุณหภูมิของเทอร์มอมิเตอร ์ ชนิดนี้ไม่ได้อาศัยการหดและขยายตัวของปรอท ำ ่ การอ่านอุณหภูมิสูงสุดและตาสุดให ้ ี ี อ่านท่ปลายล่างของแท่งบันทึกอุณหภูมิท่อย ู ่ อุณหภูมิสูงสุด ในแถบสเกล ด้านหนึ่งจะแสดงอุณหภูมิต่ำาสุด และอีกด้านหนึ่งจะแสดงอุณหภูมิสูงสุด เทอร์มอ- มิเตอร์น้เหมาะกับใช้ในการศึกษาสภาพ ี อากาศ (weather) เพื่อบันทึกอุณหภูมิต่ำาสุด อุณหภูมิตํ่าสุด และสูงสุดในแต่ละวัน ปุ มเริ่มต น

รูป 16.3 แท่งบันทึกอุณหภูมิและปุ่มเริ่มต้น

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

- เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลและแบบดิจิทัลสำาหรับวัดไข้

เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลและแบบดิจิทัลสำาหรับวัดไข้ ดังรูป 16.4 นิยมใช้วัดอุณหภูมิ ตามส่วนต่างๆ ของร่างกาย เช่น ช่องปาก รักแร้ และทวารหนัก เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้จะถูกออกแบบ ให้สามารถคงค่าอุณหภูมิที่ต้องการวัดไว้ได้แม้อยู่ภายนอกสิ่งที่ต้องการวัด โดยอาจใส่แท่งบันทึก อุณหภูมิเข้าไปข้างในตัวเทอร์มอมิเตอร์เหนือปรอท เมื่อปรอทได้รับความร้อนและขยายตัวก็จะดัน

แท่งนี้ขึ้นการอ่านอุณหภูมิจึงอ่านค่าจากตำาแหน่งที่แท่งบันทึกอุณหภูมิอยู่ หรือในบางชนิดจะมี ขดแก้วที่กันไม่ให้ปรอทไหลย้อนกลับเมื่อหดตัว ดังรูป 16.5 เมื่อต้องการใช้งานอีกครั้งจึงจำาเป็นต้อง สะบัดเทอร์มอมิเตอร์แรง ๆ เพื่อให้แท่งบันทึกอุณหภูมิหรือปรอทกลับสู่จุดเริ่มต้นอีกครั้ง สำาหรับ เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้แบบดิจิทัลจะมีวงจรไฟฟ้าช่วยบันทึกอุณหภูมิให้สามารถอ่านค่าอุณหภูมิได ้

แม้นำาออกมาจากสิ่งที่วัดอุณหภูมิ

ขดแก ว

ก. เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลสำาหรับวัดไข้

บริเวณที่ปรอทไม ไหล ย อนกลับ ข. เทอร์มอมิเตอร์แบบดิจิทัลสำาหรับวัดไข้

รูป 16.4 เทอร์มอมิเตอร์สำาหรับวัดไข้

รูป 16.5 ขดแก้วสำาหรับกันไม่ให้ปรอทไหล ย้อนกลับเมื่อหดตัว - เทอร์มอมิเตอร์แบบแถบสำาหรับวัดไข้้ เทอร์มอมิเตอร์แบบแถบสำาหรับวัดไข้ ดังรูป 16.6 อาศัยการทำางานของผลึกเหลวที่ไวต่อ ความร้อน (heat-sensitive [thermochromic] liquid crystals) ที่เปลี่ยนสีตามอุณหภูมิ วิธีการ

วัดอุณหภูมิทำาได้โดยทาบแถบเทอร์มอมิเตอร์ลงบนหน้าผากแล้วกดเบา ๆ ประมาณ 15 วินาที แถบสีจะค่อย ๆ ปรากฏตามระดับความร้อนของสิ่งที่ต้องการวัดจนกระทั่งไม่เปลี่ยนแปลง แถบสี สุดท้ายที่ปรากฎจะเป็นค่าอุณหภูมิที่ต้องการวัด ดังรูป 16.7 อย่างไรก็ตาม การวัดอุณหภูมิแบบนี้มี ความคลาดเคลื่อนสูงมาก

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

148 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 149

ปรากฎแถบสี ไม ปรากฎแถบส ี

รูป 16.6 เทอร์มอมิเตอร์แบบแถบ รูป 16.7 การปรากฏแถบสีของ สำาหรับวัดไข้ ผลึกเหลวที่ไวต่อความร้อน

- เทอร์มอมิเตอร์แบบอินฟราเรด ี วัดอุณหภูมิจากการแผ่รังสีของวัตถุท่ม ี ำ ความร้อนเช่นเดียวกับการแผ่รังสีของวัตถุดา (black body radiation) เหมาะสำาหรับการวัดอุณหภูมิ

สิ่งของโดยไม่จำาเป็นต้องสัมผัสกับสิ่งของนั้น ๆ เช่น สิ่งของที่บอบบาง แตกหักง่าย หรือ เป็นอันตรายหาก ต้องเข้าใกล้ ดังรูป 16.8

รูป 16.8 เทอร์มอมิเตอร์แบบอินฟราเรด

่ ้ ิ ์ ำ - เทอรมอมเตอร์แบบขีดสเกลโดยใชขดลวดโลหะประกบสาหรับวดอุณหภูมิทวไป ั ั และสำาหรับวัดอุณหภูมิภายในวัตถุ เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวดโลหะประกบสำาหรับวัดอุณหภูมิทั่วไป ดังรูป 16.9 ภายในบรรจุขดลวดทำาจากโลหะ 2 ชนิดประกบกันที่เรียกว่า bimetallic coil ดังรูป 16.10 วัดอุณหภูมิโดยอาศัยความแตกต่างของการหดและขยายตัวของโลหะ 2 ชนิดเมื่อได้รับความร้อน นิยมใช้ในการวัดอุณหภูมิสิ่งของที่มีพื้นที่จำากัด เช่น ภายในตู้เย็น ภายในเตาอบ เป็นต้น นอกจากนี้

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ยังมีการออกแบบให้มีแท่งโลหะสำาหรับสอดเข้าไปวัดอุณหภูมิภายในวัตถุที่ต้องการวัด ดังรูป 16.11

เช่น การวัดอุณหภูมิของเนื้อย่าง การวัดอุณหภูมิของดิน เป็นต้น แต่เนื่องจากส่วนที่ใช้วัดอุณหภูมิ ของเทอร์มอมิเตอร์แบบนี้เป็นแท่งโลหะ จึงอาจไม่เหมาะกับการวัดอุณหภูมิของสิ่งที่มีสภาพเป็น กรดและด่างสูง

ขดลวด

รูป 16.9 เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวด รูป 16.10 ขดลวดทำาจากโลหะ 2 ชนิดประกบ โลหะประกบสำาหรับวัดอุณหภูมิทั่วไป

รูป 16.11 เทอร์มอมิเตอร์แบบขีดสเกลโดยใช้ขดลวดโลหะประกบสำาหรับวัดอุณหภูมิภายในวัตถุ

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

150 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 151

16.1.2 ความจุความร้อนและความร้อนจำาเพาะ

ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

ี 1. วัตถุต่างชนิดกันท่มีมวลเท่ากันและอุณหภูม ิ 1. วัตถุต่างชนิดกันท่มีมวลเท่ากันและอุณหภูม ิ ี เท่ากัน เมื่อได้รับความร้อนปริมาณเท่ากัน เท่ากัน เม่อได้รับความร้อนปริมาณเท่ากัน ื ึ ึ จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากัน จะมีอุณหภูมิเพ่มข้นแตกต่างกันข้นกับ ิ สมบัติของสารแต่ละชนิด 2. สารชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกัน จะมีความจ ุ 2. สารชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกัน จะมีความจ ุ ำ ความร้อนและความร้อนจำาเพาะต่างกัน ความร้อนต่างกันแต่มีความร้อนจาเพาะ เท่ากัน

สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ถ้าจะมีการให้นักเรียนสังเกตการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างทรายและน้ำา ให้เตรียมภาชนะ 2 ใบ

้ ่ ุ ้ ำ ำ ี ั ุ บรรจุทรายและนาท่มีมวลเท่ากันและมีอุณหภูมิเทากับอณหภูมิหอง และเทอร์มอมิเตอร์สาหรบวัดอณหภูม ิ จำานวน 2 อัน แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 2 ของหัวข้อ 16.1 ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.1.2 โดยยกสถานการณ์วัตถุท่ได้รับความร้อนแล้วมีอุณหภูมิเพ่มข้น เช่น การ ิ ่ ี ี ู ำ ึ ื ั ั ั เผาโลหะต่างชนิดกนท่มมวลเท่ากน หรืออาจจดกิจกรรมสาธตเพ่อสงเกตการเปล่ยนแปลงอณหภมิของ ิ ู ี ี ุ ั ี ำ ำ ี ื ทรายและนาท่มีมวลเท่ากันเม่อนาไปวางกลางแดดในเวลาเท่ากัน จากน้น ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน ้ ั ิ ำ โดยตอบคาถามว่า เม่อวัตถุต่างชนิดกันมีมวลเท่ากันและมีอุณหภูมิเร่มต้นเท่ากันได้รับความร้อนในปริมาณ ื เท่ากัน วัตถุนี้จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากันหรือไม่ เพราะเหตุใด ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็น ื ำ ั อย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า เม่อให ้ ี ิ ความร้อนกับวัตถุจะทาให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงข้น โดยวตถุต่างชนิดกันแม้จะมีมวลเท่ากันและมีอุณหภูมิเร่มต้น ำ ึ ั เท่ากันอาจจะมีอุณหภูมิเปล่ยนแปลงไปไม่เท่ากัน การเปล่ยนแปลงอุณหภูมิของวัตถุเม่อได้รับความร้อนจึง ี ี ื ขึ้นอยู่กับชนิดของสาร ครูให้นักเรียนศึกษาเก่ยวกับความจุความร้อนและความร้อนจาเพาะตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ี ำ ี ึ ี จนสรุปได้ว่า ความจุความร้อน คือ อัตราส่วนระหว่างความร้อนท่ให้กับวัตถุต่ออุณหภูมิท่เพ่มข้นตาม ิ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ี ั ำ ี ึ สมการ (16.2) ในหนังสือเรียน ซ่งคือ ความร้อนท่ทาให้วัตถุน้นๆ มีอุณหภูมิเปล่ยนไปในหน่งหน่วย ึ ำ องศาเซลเซียส ส่วนความร้อนจาเพาะ คือ ความจุความร้อนต่อหน่งหน่วยมวล ตามสมการ (16.3) ใน ึ ำ ี ึ หนังสือเรียน ความร้อนจาเพาะมีค่าข้นกับสารแต่ละชนิด โดยท่วัตถุชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันจะม ี ความร้อนจาเพาะเท่ากันเสมอ แต่อาจมีความจุความร้อนไม่เท่ากัน กล่าวคือ วัตถุท่มีมวลมากจะมีความจ ุ ี ำ ้ ี ุ ั ี ุ ี ี ำ ุ ่ ความรอนมาก สวนวตถท่มมวลนอยจะมความจความรอนน้อย และความรอนท่ทาให้สสารเปลยนอณหภูม ิ ้ ี ้ ้ ่ จะขึ้นอยู่กับชนิดของสาร มวล และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ตามสมการ (16.4) ในหนังสือเรียน จากนั้น ครูให้ นักเรียนศึกษาความร้อนจำาเพาะของสารบางชนิดตามตารางที่ 16.1 ในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.1 และ 16.2 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา 16.1.3 ความร้อนแฝง ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง ี 1. เม่อให้ความร้อนกบสาร จะทาให้สารน้นม ี 1. เม่อให้ความร้อนกับสารในขณะท่สารเปล่ยน ั ำ ื ั ื ี อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเสมอ สถานะ อุณหภูมิของสารนั้นจะคงตัว ำ ี ำ ี 2. สำาหรับสารใด ๆ ความร้อนที่ทำาให้สารเปลี่ยน 2. สาหรับสารใด ๆ ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยน ่ ั สถานะจากของแขงเปนของเหลวมคาเทากบ สถานะจากของแข็งเป็นของเหลวมีค่าเท่ากับ ่ ็ ็ ี ี ี ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยนสถานะจากของ ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยนสถานะจากของ ี ำ ี ำ เหลวเป็นแก๊ส เหลวเป็นแก๊ส ี ำ ี ี 3. สาหรับสารใดๆ ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยน 3. สาหรับสารใดๆ ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยน ำ ี ำ ำ สถานะจากของแข็งเป็นของเหลว มีค่าไม่เท่ากับ สถานะจากของแข็งเป็นของเหลว มีค่าเท่ากับ ี ำ ี ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยนสถานะจากของ ความร้อนท่ทาให้สารเปล่ยนสถานะจากของ ี ำ ี เหลวเป็นของแข็ง เหลวเป็นของแข็ง สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ้ ถ้าจะมีการให้นักเรียนสังเกตอุณหภูมิขณะท่นาแข็งกาลังหลอมเหลวและนากาลังเดือดให้เตรียม ำ ำ ำ ี ้ ำ ำ ำ ึ ภาชนะ 2 ใบ โดยใบหน่งบรรจนาแข็งและอีกใบหน่งบรรจนา ตะเกยงแอลกอฮอลหรือเตาสาหรับให ้ ุ ้ ำ ุ ์ ี ้ ึ ความร้อน จำานวน 1 อัน เทอร์มอมิเตอร์และขาจับเทอร์มอมิเตอร์ จำานวน 2 ชุด สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

152 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 153

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 3 ของหัวข้อ 16.1 ตามหนังสือเรียน

ครูนำาเข้าสู่หัวข้อที่ 16.1.3 โดยใช้รูป 16.4 ในหนังสือเรียน หรืออาจจัดกิจกรรมสาธิตโดยให้นักเรียน สังเกตอุณหภูมิของน้ำาแข็งในขณะที่กำาลังหลอมเหลว และอุณหภูมิของน้ำาในขณะที่กำาลังเดือด จากนั้น ให้ ำ ้ ื ำ ี ำ ำ นักเรียนอภิปรายร่วมกันโดยตอบคาถามว่า เม่อให้ความร้อนกับนาแข็งท่กาลังหลอมเหลว อุณหภูมิของนาแข็ง ้ ่ ี ี ำ ้ ำ ื ้ ี มีการเปล่ยนแปลงหรือไม อย่างไร และเม่อให้ความร้อนกับนาท่กาลังเดือด อุณหภูมิของนามีการเปล่ยนแปลง ำ หรือไม่ อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำาตอบที่ถูกต้อง ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า เม่อให้ความร้อนในขณะท่สารกาลังเปล่ยนสถานะ ื ำ ี ี อุณหภูมิของสารจะมีค่าคงตัว และความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารมวล 1 หน่วย โดยอุณหภูมิ ไม่เปลี่ยน เรียกว่า ความร้อนแฝง ความร้อนดังกล่าวหาได้จากสมการ (16.5) ในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาความร้อนแฝงของสารบางชนิดแสดงในตารางที่ 16.2 ในหนังสือเรียน และนำา ึ ี นักเรียนอภิปรายเก่ยวกับสารบางชนิดท่มีการเปล่ยนสถานะจากของแข็งเป็นแก๊สซ่งเรียกว่าการระเหิด เช่น ี ี น้ำาแข็งแห้ง และการบูร ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.3 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา ความรู้เพิ่มเติมสำาหรับครู จุดเดือดของของเหลวมีค่าขึ้นอยู่กับความดันบรรยากาศ เช่น น้ำาจะมีจุดเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ ซึ่งอยู่ในระดับน้ำาทะเล แต่ถ้าความดันต่ำากว่า 1 บรรยากาศ เช่น บนยอดเขาสูง น้ำาจะเดือดที่อุณหภูมิต่ำากว่า 100 องศาเซลเซียส ถ้า ความดันมากกว่า 1 บรรยากาศเช่น ในหม้ออัดความดัน น้ำาจะเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส จึงนิยมนำาหม้อชนิดนี้มาใช้สำาหรับฆ่าเชื้อ

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

16.1.4 การถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน

ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

ึ ำ 1. การถ่ายโอนความร้อนเกิดข้นได้โดย 1. การถ่ายโอนเกิดข้นได้โดยการนาความร้อน ึ นาความรอน การพาความร้อน และการแผ ่ การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ำ ้ รังสีความร้อน ซ่งไม่สามารถเกิดข้นพร้อม ซึ่งสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้ ึ ึ กันได้ 2. ความร้อนจะถ่ายโอนจากบริเวณท่ม ี 2. ความร้อนจะถ่ายโอนจากบริเวณท่ม ี ี ี ี ่ ความร้อนมากไปยังบริเวณท่มีความร้อนน้อย อุณหภูมิสูงไปยังบริเวณท่มีอุณหภูมิตา ี ำ และหยุดถ่ายโอนเม่อความร้อนของท้งสอง และหยุดถ่ายโอนเมื่ออุณหภูมิของท้งสอง ื ั ั บริเวณเท่ากัน บริเวณเท่ากัน แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 4 ของหัวข้อ 16.1 ตามหนังสือเรียน ู ี ่ ำ ื ำ ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.1.4 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า การถ่ายโอนความร้อน ั สามารถเกิดข้นได้อย่างไรบ้าง พร้อมยกตัวอย่าง จากน้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า ึ การถายโอนความรอนม 3 แบบ คอ การนาความรอน การพาความรอน และการแผรงสความรอน ้ ้ ้ ื ี ั ำ ่ ่ ้ ี ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูใช้รูป 16.7 ในหนังสือเรียน นานักเรียนอภิปรายเก่ยวกับการถ่ายโอนความร้อนจากเปลวไฟท่ต้มนา ี ี ำ ำ ้ สู่มือ จนสรุปได้ว่า การถ่ายโอนความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งจากการนำาความร้อน การพาความร้อน และ การแผ่รังสีความร้อน วิธีใดวิธีหนึ่งหรือหลายวิธีพร้อมกัน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ื ื ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า การถ่ายโอนความร้อนเกิดข้นเม่อใด ำ ึ ี และเก่ยวข้องกับอุณหภูมิอย่างไร โดยเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ำ ำ ี ี ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง แล้วนานักเรียนอภิปรายเก่ยวกับการถ่ายโอนความร้อนและสมดุลความร้อน ื ตามรายละเอียดในหนังสือเรียนจนสรุปได้ว่า การถ่ายโอนความร้อนเกิดข้นเม่อสองบริเวณมีอุณหภูม ิ ึ ั ึ แตกต่างกัน และการถ่ายโอนความร้อนจะเกิดข้นจนกระท่งท้งสองบริเวณมีอุณหภูมิเท่ากัน การถ่ายโอน ั ความร้อนดังกล่าวจะเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน คานวณได้จากสมการ (16.6) ในหนังสือเรียน ำ ั ื ู ิ ี จากน้น ครูให้ความร้เพ่มเติมว่า การท่วัตถุมีการถ่ายโอนความร้อนจนไม่มีการถ่ายโอนความร้อนเม่อม ี อุณหภูมิเท่ากัน เรียกว่า วัตถุทั้งสองอยู่ในสมดุลความร้อน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

154 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 155

ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.4 และ 16.5 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา ครูให้นักเรียนตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.1 และทาแบบฝึกหัด 16.1 โดยครูอาจมีการ ำ ำ เฉลยคำาตอบและอภิปรายคำาตอบร่วมกัน

แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับความร้อน จากการตอบคำาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.1 และการทำาแบบฝึกหัด 16.1 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำานวนจากการคำานวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับความร้อน

3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการอภิปรายร่วมกัน และจาก การทำาแบบฝึกหัด 16.1

แนวคาตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.1 ำ ำ

1. เหตุใดอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยเคลวินจึงมีค่าเท่ากับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยองศาเซลเซียส

ื แนวคำาตอบ เน่องจากช่วงสเกลอุณหภูมิในหน่วยเคลวินมีค่าเท่ากับช่วงสเกลอุณหภูมิในหน่วย องศาเซลเซียส

2. ความจุความร้อนและความร้อนจำาเพาะเหมือนกันหรือไม่ อย่างไร แนวคำาตอบ ไม่เหมือนกัน โดยที่ ความจุความร้อน คือ อัตราส่วนระหว่างความร้อนที่ให้แก่วัตถุ ึ ึ ิ ี ต่ออุณหภูมิท่เพ่มข้น ซ่งมีค่าไม่คงตัว ส่วนความร้อนจาเพาะ คือ ความจุความร้อนต่อหน่งหน่วยมวล ำ ึ และจะมีค่าคงตัวขึ้นกับสารแต่ละชนิด 3. ในขณะที่ประกอบอาหารภายในห้องครัวโดยใช้ความร้อนจากเปลวไฟ เพราะเหตุใด คนที่อยู่ภายใน ครัวจึงรู้สึกว่าได้รับความร้อนจากเปลวไฟนั้น ี ู แนวคำาตอบ คนท่อย่ภายในครัวได้รับความร้อนจากเปลวไฟเน่องจากมีการพาความร้อนโดย ื โมเลกุลอากาศ และการแผ่รังสีความร้อน 4. การถ่ายโอนความร้อนเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานหรือไม่ อย่างไร

แนวคำาตอบ การถ่ายโอนความร้อนเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวคือ ถ้าไม่มีการ ึ ้ ี ี ิ ถ่ายโอนความร้อนให้กับส่งแวดล้อมภายนอก ความร้อนท่วัตถุหน่งให (ความร้อนท่ลดลง) จะเท่ากับ ความร้อนที่อีกวัตถุหนึ่งได้รับ (ความร้อนที่เพิ่มขึ้น)

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

้ ้ ำ ี ี ำ ี 5. ถ้าใส่ตะปูท่เผาจนร้อนลงในแก้วท่มีนาพอสมควร อุณหภูมิของนาและตะปูจะเปล่ยนแปลง อย่างไร เมื่อปล่อยทิ้งไว้เป็นเวลานาน อุณหภูมิของน้ำาและตะปูจะเป็นอย่างไร ึ ื ี ิ ้ ำ ้ ี ำ แนวคำาตอบ เม่อใส่ตะปูท่เผาจนร้อนลงในแก้วท่มีนาพอสมควร อุณหภูมิของนาจะเพ่มข้นและ อุณหภูมิของตะปูจะลดลง เมื่อปล่อยทิ้งไว้เป็นเวลานาน อุณหภูมิของน้ำาและตะปูจะเท่ากัน เฉลยแบบฝึกหัด 16.1 1. จงเปลี่ยนอุณหภูมิต่อไปนี้

ก. 30 C, −10 C, 110 C และ 12.15 C เป็นอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน ข. 30 K, 250 K, 330 K และ 373.15 K เป็นอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส วิธีทำา ก. จากความสัมพันธ์ T = t + 273.15

เมื่อ t = 30 C จะได้ T = (30 + 273.15)K = 303.15 K

เมื่อ t = −10 C จะได้ T = (−10 + 273.15)K = 263.15 K

เมื่อ t = 100 C จะได้้ T = (110 + 273.15)K = 383.15 K

เมื่อ t = 12.15 C จะได้้ T = (12.15 + 273.15)K = 285.30 K ข. จากความสัมพันธ์ t = T − 273.15

เมื่อ T = 30 K จะได้ t = (30 − 273.15) C = −3243.15 C

เมื่อ T = 250 K จะได้ t = (250 − 273.15) C = −23.15 C

เมื่อ T = 330 K จะได้้ t = (330 − 273.15) C = −56.85 C

้้ เมื่อ T = 373.15 K จะได t = (373.15 − 273.15) C = 100.00 C ตอบ ก. 303 K, 263 K, 383 K และ 285.30 K

ข. –243 C, –23 C, –57 C และ 100.00 C 2. โลหะชนิดหน่งมวล 2.0 กิโลกรัม ได้รับความร้อน 2500 จูล ทาให้อุณหภูมิเปล่ยนจาก 25 ี ำ ึ องศาเซลเซียส เป็น 45 องศาเซลเซียส จงหาความจุความร้อนและความร้อนจำาเพาะของวัตถุนี้ วิธีทำา จาก C = Q T แทนค่า C = 2500 J (4525) C

\= 125 J/ C

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

156 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 157

ดังนั้น C = 125 J/K จาก c = C m

แทนค่า c = 125 J/K 2.0 kg ดังนั้น C = 62.5 J/kg K

ำ ตอบ วัตถุน้มีความจุความร้อนเท่ากับ 125 จูลต่อเคลวิน และมีความร้อนจาเพาะเท่ากับ 62.5 ี จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ำ ้ ำ ี 3. จงหาความร้อนท่ทาให้นาแข็งมวล 2 กิโลกรัม อุณหภูม 0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวเป็นนา ำ ้ ิ ิ ้ ำ ี อุณหภูม 0 องศาเซลเซียส ท่ความดัน 1 บรรยากาศ กาหนดให ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว 5 ของน้ำาแข็ง (L) เท่ากับ 3.33 × 10 จูลต่อกิโลกรัม f วิธีทำา น้ำาแข็งเปลี่ยนสถานะ (หลอมเหลว) เป็นน้ำาโดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยน ความร้อนที่ใช้ในการ เปลี่ยนสถานะ (หลอมเหลว) เป็นความร้อนแฝง จาก Q = mL f 5 แทนค่า Q = (2 kg)(3.33 × 10 J/kg) \= 666 000 J ดังนั้น Q = 666 kJ ตอบ ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการหลอมเหลวน้ำาแข็งมวล 2 กิโลกรัม เท่ากับ 666 กิโลจูล ำ 4. การทาให้นามวล 0.5 กิโลกรัม 0 องศาเซลเซียส เป็นไอนา 100 องศาเซลเซียส ต้องใช ้ ำ ้ ำ ้ ความร้อนเท่าใด ที่ความดัน 1 บรรยากาศ กำาหนดให้ความร้อนจำาเพาะของน้ำา (c water ) เท่ากับ ำ ้ 4186 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน และความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของนา (L ) เท่ากับ v 5 22.56 × 10 จูลต่อกิโลกรัม

วิธีทำา หาความร้อนที่ทำาให้น้ำา 0 C เป็นน้ำา 100 C จาก Q = mc ΔT 1 water แทนค่า Q = (0.5 kg)(4186 J/kg K)(100 K) 1 \= 209 300 J \= 209.3 kJ

หาความร้อนในการเปลี่ยนสถานะจากน้ำา100 C เป็นไอน้ำาอุณหภูมิ 100 C ทั้งหมด จาก Q = mL 2 v 5 แทนค่า Q = (0.5 kg)(22.56 × 10 J/kg)

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

\= 1 128 000 J \= 1128 kJ ดังนั้น ความร้อนที่ใช้ทั้งหมด = Q + Q 1 2 \= 209.3 kJ + 1128 kJ \= 1337.3 kJ

ตอบ ต้องใช้ความร้อนเท่ากับ 1337.3 กิโลจูล

5. นำาก้อนโลหะมวล 300 กรัม ที่มีอุณหภูมิ 400 องศาเซลเซียส ใส่ลงในน้ำาแข็งที่มีมวล 300 กรัม ู ิ ึ ี ้ ำ ุ ี อุณหภูม 0 องศาเซลเซียส ซ่งอย่ในภาชนะท่ถูกห้มรอบด้วยฉนวนความร้อน ในท่สุดนาแข็ง หลอมเหลวหมดกลายเป็นน้ำาที่มีอุณหภูมิ 5.0 องศาเซลเซียส จงหา ก. ความร้อนที่ออกจากก้อนโลหะ ข. ความร้อนจำาเพาะของโลหะที่ได้จากการทดลองนี้ ้ ่ ี ุ วิธีทำา ท่สมดลความร้อน พบวา ความรอนทถายโอนจากกอนโลหะเทากบความรอนทนาแขงไดรบ ่ ้ ่ ่ ี ั ำ ้ ่ ั ้ ็ ี ้ ้ ้ ี ำ ก. เม่อพิจารณา ความร้อนท่นาแข็งได้รับ เท่ากับ Q ซ่งทาให้นาแข็งเปล่ยนสถานะและ ึ ี ำ ำ ื 1 มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น จาก Q = mL + mcΔT -3 3 3 ในที่นี้ m = 300 × 10 kg, L = 333 × 10 J/kg, c = 4.186 × 10 J/kg K

และ ΔT = 5 C − 0 C = 5 C หรือ 5 K -3 3 ่ แทนคา Q = (300 × 10 kg)(333 × 10 J/kg) 1 -3 3 + (300 × 10 kg)(4.186 × 10 J/kg K)(5 K) \= 99 900 J + 6279 J ดงนน Q = 106 179 J ั ้ ั 1 ข. พิจารณา ความร้อนที่ถ่ายโอนจากก้อนโลหะ เท่ากับ Q 2 จาก Q = mcΔT

ในที่นี้ m = 300 × 10 kg, ΔT = 400 C − 5 C = 395 C หรือ 395 K -3 -3 แทนคา Q = (300 × 10 kg) c (395 K) ่ 2 เนื่องจาก Q = Q จะได้ 2 1 -3 106 179 J = (300 × 10 kg) c (395 K) c = 896 J/kg K ตอบ ก. ความร้อนออกจากก้อนโลหะเท่ากับ 106 กิโลจูล ข. ความร้อนจำาเพาะของโลหะเท่ากับ 896 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

158 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 159

16.2 แก๊สอุดมคติ จุดประสงค์การเรียนรู้

1. อธิบายแบบจำาลองของแก๊สอุดมคติ 2. อธิบายกฎของแก๊สอุดมคติและคำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ี ถ้าจะให้นักเรียนสังเกตรูปร่างของแก๊สท่เปล่ยนตามรูปทรงของภาชนะท่บรรจุให้เตรียมลูกโป่ง ี ี ทรงกลม 1 ลูก ถุงมือยาง 1 อัน และท่อกลวง จำานวน 1 อัน แนวการจัดการเรียนรู้

ำ ู ำ ครูนาเข้าส่หัวข้อ 16.2 โดยใช้รูป 16.8 ในหนังสือเรียน หรือจัดกิจกรรมสาธิตโดยนาถุงมือยางมาต่อ ี ั กับท่อกลวงท่ปลายข้างหน่ง จากน้นเป่าลมเข้าไปในลูกโป่งทรงกลมแล้วนามาต่อเข้ากับท่อกลวงท่ปลาย ำ ี ึ ึ ำ ื ื อีกข้างหน่ง ดังรูป 16.12 ก. แล้วให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า ถ้าใช้มือบีบลูกโป่งทรงกลมเพ่อ ื ี ี ั ู ให้แก๊สท้งหมดท่อย่ในลูกโป่งทรงกลมเคล่อนท่เข้าไปในถุงมือยาง แก๊สดังกล่าวจะมีปริมาตรและรูปทรง ำ ่ ี ี เปล่ยนไปหรือไม อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง ี ื ั จากน้น ครูนานักเรียนอภิปรายจนสรุปได้ว่า เม่อปล่อยให้แก๊สท่อย่ในลูกโป่งทรงกลมเคล่อนท่เข้าไปยัง ื ำ ี ู ถุงมือยาง ดังรูป 16.12 ข. แก๊สจะมีปริมาตรและรูปทรงเปล่ยนแปลงไปจากทรงกลมเหมือนลูกโป่งเป็น ี รูปมือเหมือนถุงมือยาง นั่นคือ แก๊สมีรูปทรงและปริมาตรเปลี่ยนแปลงได้ตามภาชนะที่บรรจุ

ก.ปริมาตรและรูปทรงของแก๊สเมื่ออยู่ในลูกโป่งทรงกลม ข. ปริมาตรและรูปทรงของแก๊สเมื่ออยู่ในถุงมือยาง รูป 16.12 ปริมาตรและรูปทรงของแก๊สเมื่อภาชนะที่บรรจุเปลี่ยนแปลงไป ์ ั ั ู ั ่ ครถามนกเรยนวา ปรมาตร ความดน อณหภมของแกสมความสมพนธกนหรอไม อยางไร ครเปด ่ ู ื ิ ั ิ ุ ั ิ ่ ี ู ี ๊ โอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครูช้แจงว่า ในหัวข้อท ี ่ ั ี ี ำ ี 16.2 นักเรียนจะได้ศึกษาเก่ยวกับแบบจาลองแก๊สอุคมคต และความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร ความดัน ิ ำ อุณหภูมิของแก๊ส สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

16.2.1 แบบจำาลองแก๊สอุดมคติ

ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 5 ของหัวข้อ 16.2 ตามหนังสือเรียน ครูนำาเข้าสู่หัวข้อที่ 16.2.1 โดยใช้รูป 16.9 ให้นักเรียนร่วมกันอภิปรายเกี่ยวกับพฤติกรรมของแก๊ส ในธรรมชาติว่ามีความเหมือนหรือแตกต่างจากพฤติกรรมของแก๊สในอุดมคติอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียน

ั ี ่ ้ ิ แสดงความคิดเห็นอย่างอสระ ไม่คาดหวังคาตอบทถูกตอง จากน้น ครูให้นักเรียนศึกษาสมบัติของแก๊ส ำ ำ ในอุดมคติในหนังสือเรียน และให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า แบบจาลองของแก๊สอุดมคต ิ ื ถูกสร้างข้นเพ่อให้การอธิบายพฤติกรรมของแก๊สได้ง่ายข้น โดยแก๊สอุดมคติเป็นแก๊สท่โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก ี ึ ึ ี ุ ุ ื ี ไม่มีแรงยึดเหน่ยวระหว่างกัน มีการเคล่อนท่แบบส่ม และมีการชนแบบยืดหย่น ตามรายละเอียดใน หนังสือเรียน 16.2.2 กฎของแก๊สอุดมคติ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง 1. ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊ส 1. ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สม ี ไม่มีความสัมพันธ์กัน ในทุกสถานการณ์ ความสัมพันธ์กันตามกฎของแก๊สอุดมคต ิ เมื่ออยู่ในระบบปิด

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 6 ของหัวข้อ 16.2 ตามหนังสือเรียน ู ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.2.2 โดยทบทวนความร้เก่ยวกับกฎของบอลย กฎของชาร์ล และกฎของเกย์- ี ู ำ ่ ์ ี ลูสแซก ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จากน้น ครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันโดยตอบคาถามว่า ถ้านา ำ ำ ั ั ื กฎของแก๊สท้งสามมารวมกันเพ่อหาความสัมพันธ์จะได้สมการเป็นอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ั ำ ำ ี ความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครูนานักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า ำ ้ ิ กฎของแก๊สสามารถนามารวมกันได ตามรายละเอียดในหนังสือเรียนจนได้กฎของแก๊สอุดมคต ดังสมการ (16.7) และ (16.8) ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.6 16.7 และ 16.8 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา ครูให้นักเรียนตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.2 และทาแบบฝึกหัด 16.2 โดยครูอาจมีการเฉลย ำ ำ คำาตอบและอภิปรายคำาตอบร่วมกัน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

160 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 161

แนวการวัดและประเมินผล ี ำ ิ ำ ู 1. ความร้เก่ยวกับแก๊สอุดมคต จากการตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.2 และการทาแบบฝึกหัด 16.2 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำานวนจากการคำานวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแก๊สอุดมคติ 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการอภิปรายร่วมกัน และจาก การทำาแบบฝึกหัด 16.2

แนวคาตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.2 ำ ำ

1. แก๊สสามารถถูกบีบอัดให้มีปริมาตรลดลงจากเดิมได้มาก เพราะเหตุใด

แนวคำาตอบ เพราะโมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันทำาให้มีที่ว่างระหว่างโมเลกุลมาก

2. แก๊สอุดมคติมีสมบัติอย่างไร ี แนวคำาตอบ แก๊สอุดมคติเป็นแก๊สท่โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก ไม่มีแรงยึดเหน่ยวระหว่างโมเลกุล ี มีการเคลื่อนที่แบบสุ่มและมีการชนแบบยืดหยุ่น 3. ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สอุดมคติในภาชนะปิดมีความสัมพันธ์กันหรือไม ่ อย่างไร

แนวคำาตอบ ความดัน P ปริมาตร V และ อุณหภูมิ T ของแก๊สอุดมคติ มีความสัมพันธ์เป็นไป ตามกฎของแก๊สอุดมคติ คือ PV = nRT หรือ PV = Nk T B 4. พิจารณากระบอกสูบ 2 กระบอก กระบอกสูบแรกมีปริมาตรเป็นสองเท่าของกระบอกสูบที่สอง ั กระบอกสูบท้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน และบรรจุด้วยแก๊สชนิดเดียวกัน จะหาความดันของแก๊ส ภายในกระบอกสูบทั้งสองได้หรือไม่ เพราะเหตุใด

แนวคำาตอบ ไม่สามารถหาความดันของแก๊สภายในกระบอกสูบได้ เพราะไม่ทราบจำานวนโมล ๊ ื หรือจานวนโมเลกุลของแกสภายในกระบอกสูบ เน่องจากกฎของแก๊สอุดมคต (PV = nRT หรอ ื ำ ิ PV = Nk T) แม้ทราบค่าปริมาตร (V) และอุณหภูมิ (T) จากโจทย์ แต่ยังไม่เพียงพอสำาหรับ B ั ื ำ ่ ๊ ั การหาความดนของแกสภายในกระบอกสูบ (P ) เนองจากยงไม่ทราบคาจานวนโมล (n) หรอ ่ ื

จำานวนโมเลกุล (N) ของแก๊สภายในกระบอกสูบ

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เฉลยแบบฝึกหัด 16.2

์ 1. ยางรถยนต์มีความดันอากาศภายในยางรถยนต 200 กิโลพาสคัล และมีอุณหภูมิ 283 เคลวิน ี ื ิ ึ ้ หลังจากรถเคล่อนท่ไปได 100 กิโลเมตร อุณหภูมิของอากาศในยางรถยนต์เพ่มข้นเป็น 313 เคลวิน จงหาความดันของอากาศในยางรถยนต์ตอนหลังนี้ กำาหนดให้ปริมาตรยางคงตัว PV PV วิธีทำา จาก 1 1 = 2 2 T 1 T 2 11 จะได้ P 2 = PV T 2 2 TV 1 5 แทนค่า P 2 = (2.0010Pa)(V) (313 K) (V) (283K) ดังนั้น P = 2.21 × 10 Pa 5 2 ตอบ ความดันอากาศภายในยางรถยนต์ตอนหลังเท่ากับ 221 กิโลพาสคัล 5 2. พิจารณาภาชนะท่มีปริมาตรคงตัว บรรจุแก๊สอาร์กอนมีความดัน 3.00 × 10 พาสคัล ท่อุณหภูม ิ ี ี 300 เคลวิน เม่อเพ่มอุณหภูมิของภาชนะเป็น 400 เคลวิน หลังจากน้นแก๊สร่วไหลออกจาก ั ั ิ ื ภาชนะคิดเป็นร้อยละ 20 ของปริมาณแก๊สเริ่มต้น จงหา ก. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะก่อนแก๊สรั่ว ขณะที่มีอุณหภูมิ 400 เคลวิน ข. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะหลังแก๊สรั่ว ขณะที่มีอุณหภูมิ 400 เคลวิน วิธีทำา ก. จากกฎของแก๊สอุดมคติ PV = nRT PV PV จะได้ 11 = 22 nT nT 11 22 P P ก่อนรั่ว V และ n คงตัว จะได้ 1 = 2 T 1 T 2 5 3.00 10 Pa P แทนค่า = 2 300 K 400 K 5 ดังนั้น P = 4.00 × 10 Pa 2 P P ข. หลังรั่ว V และ T คงตัว จะได้ 2 = 3 n 2 n 3 5 4.00 10 Pa P แทนค่า = 3 n 2 (0.80)n 2 ดังนั้น P = 3.20 × 10 Pa 5 3

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

162 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 163

5 ตอบ ก. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะก่อนแก๊สรั่ว เท่ากับ 4.00 × 10 พาสคัล 5 ข. ความดันของแก๊สอาร์กอนภายในภาชนะหลังแก๊สรั่ว เท่ากับ 3.20 × 10 พาสคัล

16.3 ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส จุดประสงค์การเรียนรู้ ำ 1. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลแก๊ส และคานวณ ปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง

์ ิ 2. อธบายความสัมพนธระหวางพลงงานจลนเฉล่ยของแก๊สกับอณหภม และคานวณปรมาณตาง ๆ ิ ุ ั ิ ู ำ ่ ี ์ ั ่ ที่เกี่ยวข้อง ิ 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูม และ คำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง สิ่งที่ครูต้องเตรียมล่วงหน้า ื ี จะมีการให้นักเรียนสังเกตการเปล่ยนแปลงความดันของแก๊สเม่อได้รับความร้อน ให้เตรียมภาชนะ บรรจุน้ำาสบู่หรือน้ำายาล้างจาน 1 ใบ ภาชนะบรรจุน้ำาร้อน 1 ใบ ขวดแก้ว 1 ใบ แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนาเข้าส่หัวข้อ 16.3 โดยใช้รูป 16.10 ในหนังสือเรียน หรือจัดกิจกรรมสาธิตโดยให้นักเรียน ำ ู ู ุ ้ ำ ้ ำ สังเกตการเปล่ยนแปลงความดันของแก๊สเม่อได้รับความร้อน โดยจ่มขวดแก้วลงในนาสบ่หรือนายาล้างจาน ี ื ุ ื ให้เกิดฟิล์มบางท่ปากขวดแก้ว จากน้นนาขวดแก้วไปจ่มนาร้อน แล้วให้นักเรียนสังเกตว่า เหตุใดเม่อแก๊ส ี ้ ั ำ ำ ได้รับความร้อนจึงมีความดันเพิ่มสูงขึ้นจนทำาให้ฟิล์มบางนูนขึ้นจากปากขวด จะสามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นนี ้ ได้ด้วยพฤติกรรมของแก๊สในระดับโมเลกุลอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำาตอบที่ถูกต้อง ี ี ครูช้แจงว่า ในหัวข้อท 16.3 นักเรียนจะได้ศึกษาเก่ยวกับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ซ่งเป็นการศึกษา ึ ี ่ พฤติกรรมของแก๊สในระดับโมเลกุล เพื่ออธิบายสมบัติบางประการของแก๊ส ได้แก่ ความดัน ปริมาตร และ อุณหภูมิ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

16.3.1 ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊ส

ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

ี ิ ุ ๊ 1. เมอแกสในภาชนะปิดมอณหภูมสงข้น จะ 1. เมื่อแก๊สในภาชนะปิดมีอุณหภูมิสูงขึ้น จะ ื ่ ึ ู ื ำ ำ ทาให้แก๊สเคล่อนท่ด้วยอัตราเร็วเพ่มข้น ทาให้แก๊สเคล่อนท่ด้วยอัตราเร็วเพ่มข้น ี ี ิ ื ึ ิ ึ ื ำ ู ี โมเลกุลของแก๊สจะอย่ห่างกัน ความดันของ จานวนโมเลกุลของแก๊สท่ชนต่อพ้นท ่ ี แก๊สจึงลดลง จะเพิ่มขึ้น ความดันของแก๊สจึงเพิ่มขึ้น แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 7 ของหัวข้อ 16.3 ตามหนังสือเรียน ู ี ่ ำ ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.3.1 โดยยกสถานการณ์การเป่าลมเข้าลูกโป่ง แล้วให้นักเรียนอภิปรายร่วมกัน ุ ำ ู ่ ู ิ ำ โดยตอบคาถามวา ทาไมลกโปงจงพองออก การเพ่มจานวนโมเลกลของอากาศในลกโปงทาใหลกโปง ่ ึ ำ ่ ่ ู ำ ้ พองออกได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง ี ำ ื ั ิ จากน้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนสรุปได้ว่า เม่อเป่าลมเข้าลูกโป่งเป็นการเพ่มจำานวนโมเลกุลของ อากาศ ทาให้จานวนโมเลกุลของอากาศชนกับผนังของลูกโป่งท่เวลาขณะหน่งมากข้น ความดันภายในลูกโป่ง ึ ี ำ ึ ำ จึงสูงกว่าความดันภายนอกลูกโป่ง ประกอบกับลูกโป่งมีความยืดหยุ่นสูง ลูกโป่งจึงพองตัว จากนั้น ครูชี้ให้ ำ ้ ่ ่ เห็นวา การพจารณาพฤติกรรมของแกสในระดับโมเลกลดังตัวอย่างข้างต้นชวยทาให้เขาใจสมบัตของแกส ๊ ิ ุ ิ ๊ มากยิ่งขึ้น ครูชี้แจงว่า ในหัวข้อนี้ นักเรียนจะได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วโมเลกุลของ แก๊ส โดยเริ่มต้นจากแก๊สอุดมคติเพียงโมเลกุลเดียวที่บรรจุในภาชนะทรงลูกบาศก์ จากนั้น ครูใช้รูป 16.10 16.11 16.12 และ 16.13 นำานักเรียนอภิปรายเกี่ยวกับความดันของแก๊สโดยพิจารณาโมเลกุลของแก๊สท ี่ ี ุ ี เคลื่อนท่ชนผนังแบบยืดหย่น จนได้ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วกาลังสองเฉล่ยของโมเลกุล ำ ของแก๊สตามสมการ (16.10) และ (16.11) และความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ของโมเลกุลของแก๊ส ตามสมการ (16.12) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูใช้รูป 16.15 นานักเรียนอภิปรายเก่ยวกับการอธิบายพฤติกรรมของแก๊สตามกฎของบอยล์โดย ี ำ ใช้มุมมองทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

164 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 165

ความรู้เพิ่มเติมสำาหรับครู

อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (v ) เป็นอัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สอีกแบบหนึ่งที่มาจากการ rms พิจารณาการเคลื่อนที่ของแก๊สในแนว x y และ z ทำาให้ต่างจากค่าเฉลี่ยทั่วไป โดยอัตราเร็ว อาร์เอ็มเอส (v ) อาจจะไม่เท่ากับอัตราเร็วเฉลี่ย (v) ก็ได้ ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่แก๊สมีโมเลกุล 5 rms ตัว เคลื่อนที่ในทิศทางต่าง ๆ กัน มีอัตราเร็ว 300 350 400 450 และ 500 เมตรต่อวินาที เมื่อหา

อัตราเร็วเฉลี่ยและอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสจะได้ v = 1 (300 m/s+350m/s 400 m/s 450 m/s500 m/s) 5 \= 400 m/s

2 300 m/s+ 350m/s 2 400 m/s 2 450 m/s 2 500 m/s 2 v rms = 5 \= 406.2 m/s

ดังนั้น ในกรณีนี้ อัตราเร็วเฉลี่ย (v) ไม่เท่ากับ อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (v ) rms

16.3.2 ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สกับอุณหภูมิ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

ี ิ ู ิ ่ ่ ี ิ ื ึ ้ ั ึ ่ ๊ 1. เมอแกสมีอณหภมเพมขน พลงงานจลน์เฉลย 1. เม่อแก๊สมีอุณหภูมิเพ่มข้น พลังงานจลน์เฉล่ย ื ุ ึ ของแก๊สยังคงเดิมเสมอ ของแก๊สจะเพ่มข้น โดยมีความสัมพันธตาม ิ ์ ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส ึ ี ้ ู ่ ั ์ ั ี ่ ู 2. พลงงานจลนเฉลยของแกสขนอยกบมวล 2. พลังงานจลน์เฉล่ยของแก๊สข้นอย่กับอุณหภูม ิ ึ ๊ ั รวมทั้งหมดของแก๊ส ของแก๊สแต่ไม่ข้นกับมวลรวมท้งหมดของ ึ แก๊ส 3. ท่อุณหภูมิหน่ง แก๊สอะตอมเด่ยวท่มีมวล 3. ท่อุณหภูมิหน่ง แก๊สอะตอมเด่ยวทุกชนิด ึ ี ี ี ี ึ ี ์ ี ึ ั ่ ่ ๊ มาก จะมพลงงานจลนเฉลยมากกวาแกส จะมีพลังงานจลน์เฉล่ยเท่ากัน ไม่ข้นกับ ี ี อะตอมเดี่ยวที่มีมวลน้อย มวลของแก๊ส สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 8 ของหัวข้อ 16.3 ตามหนังสือเรียน

ี ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.3.2 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า ถ้าอุณหภูมิของ ่ ำ ู ื ำ แก๊สเพิ่มขึ้น พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะเป็นอย่างไร และความสัมพันธ์ตามสมการ (16.12) จะสามารถ หาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉล่ยของแก๊สกับอุณหภูมิได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ี ั ความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันจนได ้ ำ ี ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานจลน์เฉล่ยของแก๊สกับอุณหภูมิตามสมการ (16.14) ตามรายละเอียด ี ในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.9 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา 16.3.3 ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

ื ึ ึ ิ ิ ื 1. เม่อแก๊สมีอุณหภูมิเพ่มข้น อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส 1. เม่อแก๊สมีอุณหภูมิเพ่มข้น อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ึ ิ ของโมเลกุลของแก๊สยังคงเดิมเสมอ ของโมเลกุลของแก๊สจะเพ่มข้น โดยม ี ความสัมพันธ์กันตามทฤษฎีจลน์ของแก๊ส แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 9 ของหัวข้อ 16.3 ตามหนังสือเรียน ำ ื ู ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.3.3 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า จากความสัมพันธ ์ ำ ี ่ ระหว่างพลังงานจลน์กับอุณหภูมิตามสมการ (16.14) จะสามารถหาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส ิ ็ ู ิ ั ี ของโมเลกลของแกสกบอณหภมไดอยางไร ครเปดโอกาสใหนกเรยนแสดงความคดเหนอยางอสระ ้ ู ิ ้ ุ ๊ ั ุ ่ ่ ิ ำ ั ี ่ ั ู ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครและนกเรียนอภิปรายรวมกันจนได้ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราเร็ว อาร์เอ็มเอสของโมเลกุลของแก๊สกับอุณหภูมิตามสมการ (16.15) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.10 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา ำ ครูใช้รูป 16.16 นานักเรียนอภิปรายเก่ยวกับการใช้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สเพ่ออธิบายการหดตัวของ ี ื ลูกโป่งเมื่อแช่ในน้ำาเย็น และการขยายตัวของลูกโป่งเมื่อแช่ในน้ำาร้อน ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

166 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 167

แนวการวัดและประเมินผล 1. ความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส จากการตอบคำาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.3 และการทำา แบบฝึกหัด 16.3

2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จำานวนจากการคำานวณปริมาณต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีจลน์ ของแก๊ส 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการการอภิปรายร่วมกัน และ จากการทำาแบบฝึกหัด 16.3

แนวคาตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.3 ำ ำ

1. การเพิ่มและลดอุณหภูมิของแก๊สในภาชนะปิดปริมาตรคงตัว มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงความดัน

ของแก๊สหรือไม่ เพราะเหตุใด ิ ี แนวคำาตอบ มีผลการเปล่ยนแปลงความดันของแก๊ส เพราะการเพ่มอุณหภูมิของแก๊สทาให ้ ำ ้ ี ิ ั ุ ึ ี ื ์ ื ั โมเลกลของแก๊สมพลงงานจลนเพ่มข้นและเคล่อนท่ดวยอัตราเร็วมากข้น เม่อชนกบผนังภาชนะ ึ จึงเกิดแรงกระทำาต่อผนังมากขึ้น ทำาให้มีความดันสูงขึ้น ในขณะที่การลดอุณหภูมิของแก๊สทำาให้ โมเลกุลของแก๊สมีพลังงานจลน์ลดลงและเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วลดลง เมื่อชนกับผนังภาชนะจึง มีความถี่ในการชนผนังภาชนะลดลงและเกิดแรงกระทำาต่อผนังลดลง ทำาให้มีความดันลดลง ื 2. เม่ออุณหภูมิของแก๊สเฉ่อยมีค่าเป็น 0 เคลวิน โมเลกุลแก๊สเฉ่อยมีการเคล่อนท่หรือไม เพราะเหตุใด ่ ื ื ื ี แนวคำาตอบ โมเลกุลไม่มีการเคลื่อนที่ เพราะเมื่ออุณหภูมิของแก๊สเฉื่อย T มีค่าเป็น 0 เคลวิน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลซึ่งเป็นไปตามสมการ มีค่าเป็นศูนย์ ่ ี ี ำ ื 3. เม่อนากล่อง 2 ใบ ท่มีปริมาตร และความดันภายในกล่องเท่ากัน กล่องใบท 1 บรรจุแก๊ส ไนโตรเจนจำานวน 1.0 โมล กล่องใบที่ 2 บรรจุแก๊สออกซิเจนจำานวน 1.0 โมล เท่ากัน ก. อุณหภูมิของแก๊สในกล่องแต่ละใบมีค่าเท่ากันหรือไม่ ข. อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (v ) ของโมเลกุลของแก๊สในกล่องแต่ละใบแตกต่างกันหรือไม่ rms แนวคำาตอบ ก. อุณหภูมิของแก๊สในกล่องแต่ละใบมีค่าเท่ากัน เน่องจากแก๊สในกล่องแต่ละใบมีความดัน P ื ปริมาตร V และจานวนโมล n ของแก๊สเท่ากัน เม่อพิจารณาตามกฎของแก๊สอุดมคต ิ ื ำ (PV = nRT) อุณหภูมิของแก๊สในกล่องทั้งสองจึงเท่ากับ T เหมือนกัน

ข. อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส(v ) ของแก๊สออกซิเจนในกล่องที่ 1 น้อยกว่าแก๊สไนโตรเจนในกล่องที่ 2 rms ั ี เน่องจาก พลังงานจลน์เฉล่ยของแก๊สท้งสองมีค่าตามสมการ โดยอุณภูม ิ ื สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ั ของแก๊สท้งสองเท่ากันพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจึงเท่ากันด้วย แต่แก๊สออกซิเจนมีมวล ั มากกว่าแก๊สไนโตรเจน ดังน้นอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของแก๊สออกซิเจนจึงน้อยกว่าแก๊สไนโตรเจน

เฉลยแบบฝึกหัด 16.3

1. แก๊สฮีเลียมจำานวน 1.00 โมล บรรจุในลูกโป่ง ซึ่งมีอุณหภูมิ 400 เคลวิน จงหา ก. พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สฮีเลียม ข. พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งหมดของแก๊สฮีเลียม

วิธีทำา ก. พลังงานจลน์เฉลี่ย ( ) ของแก๊สฮีเลียม ซึ่งเป็นแก๊สอะตอมเดี่ยว มีค่าตามสมการ

-23 แทนค่า (1.38 × 10 J/K)(400 K) -21 ดังนั้น = 8.28 × 10 J ข. พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งหมด (E ) สามารถหาได้จาก k E = N k ่ แต N = nN เมื่อ n คือ จำานวนโมล และ N คือ ค่าคงตัวอโวกาโดร A A นั่นคือ E = nN k A 23 -1 -21 ่ แทนคา = (1.00 mol)(6.02 × 10 mol )(8.28 × 10 J) \= 4984 J ดังนั้น E = 4.98 kJ k -21 ตอบ ก. พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สฮีเลียม เท่ากับ 8.28 × 10 จูล ข. พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลทั้งหมดของแก๊สฮีเลียม เท่ากับ 4.98 กิโลจูล 2. ภาชนะใบหน่ง มีอุณหภูมิคงตัว บรรจุแก๊สผสมระหว่างนีออนกับอาร์กอน ซ่งมวลอะตอมของ ึ ึ อาร์กอนมีค่าเป็นสองเท่าของนีออน ถ้าอัตราเร็วอาร์เอ็มเอส (v ) ของแก๊สนีออนมีค่า 300 เมตร rms ต่อวินาที จงหาอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของอาร์กอน วิธีทำา อัตราเร็วอาร์เอ็มเอส v กับอุณหภูมิ T ของแก๊ส มีความสัมพันธ์ตามสมการ rms 3kT v = B rms m

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

168 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 169

ให ้ v rms Ne และ v rms Ar เป็นอัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของแก๊สนีออนและอาร์กอนตามลำาดับ m และ m เป็นมวลอะตอมของแก๊สนีออนและอาร์กอน ตามลำาดับ โดย m = m Ne Ne Ar Ar โจทย์กำาหนดให้อุณหภูมิของแก๊สทั้งสองมีค่าเท่ากัน นั่นคือ T = T = T จะได้ Ar Ne 3kT (1) v rms Ne = m B Ne 3kT v rms Ne = 3kT m B และ v rms Ar = m B Ne (2) B v rms = Ar 3kT (2) v rms Ar Ar Ne m Ar นำา จะได้ = v (1) v rms Ne rms Ar = m Ar Ne v rms v m m แทนค่า Ar rms = Ne Ne Ar v 300 m/s Ar = 2m Ne m Ne rms \= 1502 m/s ดังนั้น v 300 m/s 2m Ne rms Ar v ตอบ อัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของอาร์กอนเท่ากับ = 1502 m/s เมตรต่อวินาที หรือ 212 เมตรต่อวินาที rms Ar 16.4 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ จุดประสงค์การเรียนรู้ 1. อธิบายและคำานวณพลังงานภายในระบบ 2. อธิบายและคำานวณงานที่ทำาโดยแก๊ส ำ ี 3. อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงานภายในระบบ กับงานท่ทาโดยแก๊ส และ คำานวณปริมาณต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้อง 4. อธิบายการนำาความรู้เรื่องพลังงานภายในระบบไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำาวัน

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูนำาเข้าสู่หัวข้อ 16.4 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพื่อตอบคำาถามว่า ปัจจัยใดบ้างที่ทำาให้แก๊ส ำ เกิดการเปล่ยนแปลงปริมาตร และการเปล่ยนแปลงปริมาตรของแก๊สสามารถนามาประยุกต์ใช้ในชีวิต ี ี ประจาได้อย่างไร ครูอาจยกตัวอย่างการใช้กระบอกสูบเติมลมลูกโป่งหรือลูกบอลแล้วให้นักเรียนอภิปราย ำ ำ ร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า แก๊สมีการทางานหรือไม และอุณหภูมิของแก๊สในกระบอกสูบมีการเปล่ยนแปลง ่ ำ ี ื อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำาตอบที่ถูกต้อง ี ่ ี ครูช้แจงว่า ในหัวข้อท 16.4 นักเรียนจะได้ศึกษาเก่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานภายในระบบ ี งาน และความร้อน ซึ่งมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของแก๊ส สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

16.4.1 พลังงานภายในระบบ

ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น

ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง

1. พลังงานภายในของแก๊สหรือพลังงานภายใน 1. พลังงานภายในของแก๊สหรือพลังงานภายใน ระบบข้นอย่กับอุณหภูมิของแก๊ส แต่ไม่ข้น ระบบข้นอย่กับอุณหภูมิของแก๊สและ ึ ึ ู ู ึ ู ำ อย่กับจานวนโมเลกุลของแก๊สท่มีในระบบ จำานวนโมเลกุลของแก๊สที่มีในระบบ ี แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 10 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ำ ื ำ ี ู ่ ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.4.1 โดยอาจยกสถานการณ์ให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า ถ้ามีภาชนะ 2 ใบ บรรจุแก๊สชนิดเดียวกันและมีอุณหภูมิเท่ากัน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สเท่ากัน หรือไม่ และพลังงานทั้งหมดของโมเลกุลที่บรรจุในภาชนะแต่ละใบเท่ากันหรือไม่ อย่างไร ซึ่งควรสรุปได้ว่า ั ี ื พลังงานจลน์เฉล่ยของโมเลกุลแก๊สในภาชนะท้งสองใบเท่ากัน เน่องจากอุณหภูมิเท่ากัน แต่พลังงานจลน ์ ึ ู ำ ื ั ท้งหมดในภาชนะอาจไม่เท่ากันข้นอย่กับจานวนโมเลกุล จากน้นครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบ ั ี ำ ู คาถามว่า พลังงานท้งหมดของโมเลกุลแก๊สท่บรรจุอย่ในระบบสามารถหาได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียน ั แสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกัน ั ี ำ ี เก่ยวกับพลังงานภายในระบบ ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนได้สมการ (16.16) (16.17) และ (16.18) 16.4.2 งานที่ทำาโดยแก๊ส ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง ี ื ี 1. งานท่ทาโดยแก๊สภายในลูกสูบเป็นบวก 1. เม่อลูกสูบเคล่อนท่ออก งานท่ทาโดย ำ ื ี ำ ื เสมอ ไม่ว่าจะในกรณีที่ลูกสูบเคลื่อนที่เข้า แก๊สภายในลูกสูบเป็นบวก แต่เม่อลูกสูบ หรือเคลื่อนที่ออก เคล่อนท่เข้า งานท่ทาโดยแก๊สภายใน ี ื ำ ี ลูกสูบเป็นลบ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

170 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 171

แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 11 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน

่ ำ ี ำ ู ื ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.4.2 โดยใช้รูป 16.17 ในหนังสือเรียน นาให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อ ี ื ี ำ ตอบคาถามว่า ถ้าให้ความร้อนแก่แก๊สท่บรรจุในกระบอกสูบท่ลูกสูบสามารถเคล่อนท่ได้คล่อง จะเกิดการ ี ิ ี ึ เปล่ยนแปลงอย่างไร ซ่งควรสรุปได้ว่า แก๊สะขยายตัวมีปริมาตรเพ่มข้นและดันลูกสูบให้เคล่อนท่ข้น จากน้น ึ ี ื ั ึ ครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า เม่อแก๊สขยายตัวจนมีปริมาตรเพ่มข้น แก๊สมีการทางาน ึ ำ ำ ื ิ ื ี ำ ำ ู หรือไม ร้ได้อย่างไร และถ้าแก๊สมีการทางาน จะสามารถหางานท่ทาโดยแก๊สได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให ้ ่ ี ั นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคาตอบท่ถูกต้อง จากน้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกัน ำ เกี่ยวกับงานที่ทำาโดยแก๊สจนได้สมการ (16.19) ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเก่ยวกับความแตกต่างระหว่างงานท่ทาโดยแก๊สและงานท่ทาต่อ ี ี ี ำ ำ ื ั ู ้ ึ ั ่ ู ๊ ี ิ ื แกสตามรายละเอียดในหนงสอเรยน โดยใชรป 16.18 ในหนงสอเรียนประกอบการอภปราย ซงครอาจ ทบทวนเรื่องงานที่เป็นบวกและงานที่เป็นลบ โดยให้นักเรียนสังเกตทิศทางของแรงและการกระจัด ซึ่งควร สรุปได้ว่า งานเป็นบวกเมื่อแรงและการกระจัดมีทิศทางเดียวกัน ส่วนงานเป็นลบเมื่อแรงและการกระจัดมี ทิศทางตรงข้ามกัน ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.11 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา 16.4.3 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น - แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 12 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ี ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.4.3 โดยอาจยกสถานการณ์ให้นักเรียนอภิปรายเก่ยวกับความสัมพันธ ์ ู ำ ่ ี ำ ี ระหว่างพลังงานภายในระบบและงานท่ทาโดยแก๊ส เช่น ถ้ามีภาชนะ 2 ใบ ท่บรรจุแก๊สชนิดเดียวกัน ี ิ ึ ี ึ ำ มีจานวนโมลเท่ากัน และมีอุณหภูมิเร่มต้นเท่ากัน โดยภาชนะใบหน่งลูกสูบสามารถเคลื่อนท่ข้นและลงได ้ ั ึ อย่างอิสระ ส่วนภาชนะอีกใบหน่งลูกสูบไม่สามารถเคล่อนท่ได ถ้าให้ความร้อนกับภาชนะท้งสองเท่ากัน ื ี ้ ่ ึ ี ดังรูป 16.13 จะเกิดการเปล่ยนแปลงเหมือนหรือแตกต่างกันหรือไม อย่างไร และอุณหภูมิท่เพ่มข้นในภาชนะ ี ิ ่ ื ำ แต่ละใบเท่ากันหรือไม อย่างไร จากน้นครูให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า ความร้อนม ี ั ี ความสัมพันธ์กับพลังงานภายในระบบและงานท่ทาโดยแก๊สอย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดง ำ ความคิดเห็นอย่างอิสระ ไม่คาดหวังคำาตอบที่ถูกต้อง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ก. ให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบ ข. ให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบไม่ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ รูป 16.13 การให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะที่แตกต่างกัน ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเก่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานภายในระบบ ความร้อน ี ี ำ ี ึ และงานท่ทาโดยแก๊ส ตามรายละเอียดในหนังสือเรียน จนได้สมการ (16.20) ซ่งเรียกความสัมพันธ์น้ว่า ี ึ ี ์ ู ำ กฎข้อท่หน่งของอุณหพลศาสตร จากน้น ครูอาจให้นักเรียนนาความร้เก่ยวกับกฎข้อท่หน่งของ ั ี ึ อุณหพลศาสตร์ไปอธิบายสถานการณ์ในการให้ความร้อนกับแก๊สในภาชนะท่แตกต่างกันดังรูป 16.13 ี จนสรุปได้ว่า ถ้าให้ความร้อนกับภาชนะทั้งสองเท่ากัน จะมีการเปลี่ยนแปลงแตกต่างกัน คือ ภาชนะใบแรก ี ึ ี ี ท่ลูกสูบสามารถเคล่อนท่ข้นและลงได้อย่างอิสระ ความร้อนท่ให้กับแก๊สส่วนหน่งจะเปล่ยนเป็นงานท่ทา ำ ื ี ึ ี ำ ี ื ำ โดยแก๊สทาให้ลูกสูบเคล่อนท่ข้น และความร้อนส่วนท่เหลือจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานภายในระบบทาให ้ ี ึ แก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนภาชนะใบที่สองที่ลูกสูบไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ความร้อนทั้งหมดที่ให้กับแก๊สจะ ถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานภายในระบบทำาให้แก๊สมีอุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้น อุณหภูมิของแก๊สในภาชนะที่สอง จะสูงกว่าอุณหภูมิของแก๊สในภาชนะที่หนึ่ง ดังรูป 16.4 ก. การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบ ข. การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในภาชนะที่ลูกสูบ สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ ไม่สามารถเคลื่อนที่ขึ้นและลงได้อย่างอิสระ รูป 16.14 การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในภาชนะที่แตกต่างกัน หลังจากได้รับความร้อนในปริมาณที่เท่ากัน

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

172 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 173

ี ู ็ ่ ี ั ้ ่ ำ ้ ู ้ ่ ครใหความรเสริมวา จากสมการ (16.20) ทาใหทราบวา ความร้อนเปนเพยงพลงงานทถายโอนใน ่ รูปงานและพลังงานภายในระบบเท่านั้น จากนั้น ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเกี่ยวกับเครื่องหมายของ ความร้อน พลังงานภายในระบบ และงานที่ทำาโดยแก๊ส ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ โดยใช้ตาราง 16.3 ในหนังสือเรียนประกอบการอภิปราย ครูให้นักเรียนศึกษาตัวอย่าง 16.12 และ 16.13 โดยครูเป็นผู้ให้คำาแนะนำา 16.4.4 การประยุกต์ของอุณหพลศาสตร์ ความเข้าใจคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น ความเข้าใจคลาดเคลื่อน แนวคิดที่ถูกต้อง ื 1. เคร่องยนต์เบนซินและเคร่องยนต์ดีเซลแม ้ 1. เคร่องยนต์เบนซินและเคร่องยนต์ดีเซลม ี ื ื ื ื ื จะใช้เช้อเพลิงแตกต่างกัน แต่มีกลไกการ การใช้เช้อเพลิงแตกต่างกัน และมีกลไก ี ื จุดระเบิดที่เหมือนกัน การจุดระเบิดท่แตกต่างกัน โดยเคร่องยนต ์ เบนซินใช้หัวเทียนในการจุดระเบิด ส่วน ื ื เคร่องยนต์ดีเซลใช้ระบบฉีดเช้อเพลิงใน การจุดระเบิด ้ ู ื ำ 2. สารทาความเยนในตเยนและเครองปรบ 2. สารทาความเย็นในต้เย็นและเคร่องปรับ ็ ู ็ ื ำ ่ ั ู ี ำ ี ำ อากาศทาหน้าท่ให้ความเย็นภายในต้เย็น อากาศทาหน้าท่ถ่ายโอนความร้อนจากภายใน และภายในห้อง ตู้เย็นหรือภายในห้องให้ออกสู่ภายนอก แนวการจัดการเรียนรู้ ครูชี้แจงจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อที่ 13 ของหัวข้อ 16.4 ตามหนังสือเรียน ู ื ำ ี ี ่ ำ ครูนาเข้าส่หัวข้อท 16.4.4 โดยให้นักเรียนอภิปรายร่วมกันเพ่อตอบคาถามว่า ความร้เก่ยวกับ ู ึ ื กฎข้อทหน่งของอุณหพลศาสตร์สามารถนามาประยุกต์ใชงานการออกแบบและสรางเคร่องยนต์ความร้อน ้ ี ่ ้ ำ ต้เย็น และเคร่องปรับอากาศได้อย่างไร ครูเปิดโอกาสให้นักเรียนแสดงความคิดเห็นอย่างอิสระ ู ื ไม่คาดหวังคำาตอบที่ถูกต้อง ื ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเก่ยวกับเคร่องยนต์ความร้อนซ่งแบ่งออกเป็นเคร่องยนต ์ ึ ี ื สันดาปภายนอกและเคร่องยนต์สันดาปภายในตามรายละเอียดในหนังสือเรียน โดยใช้รูป 16.20 ใน ื ื ี ำ หนังสือเรียนประกอบการอภิปรายเก่ยวกับการทางานของเคร่องยนต์สันดาปภายนอก และใช้รูป 16.21 ในหนังสือเรียน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ประกอบการอภิปรายเกี่ยวกับการทำางานของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ู ื ครูและนักเรียนอภิปรายร่วมกันเก่ยวกับต้เย็นและเคร่องปรับอากาศตามรายละเอียดในหนังสือเรียน ี ี โดยใช้รูป 16.23 ในหนังสือเรียน ประกอบการอภิปรายเก่ยวกับการทางานของตู้เย็น และใช้รูป 16.24 ำ ในหนังสือเรียน ประกอบการอภิปรายเกี่ยวกับการทำางานของเครื่องปรับอากาศ ความรู้เพิ่มเติมสำาหรับครู

หน่วยของความร้อน นอกจากความร้อนมีหน่วยจูลแล้วยังมีหน่วยอื่นอีก เช่น แคลอรี (calrorie,

cal) และหน่วยความร้อนบริติช หรือ บีทียู (British thermal unit: Btu) ซึ่งมีความหมายดังนี้ 1 แคลอรี คือ ความร้อนที่ทำาให้น้ำามวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส ที่ความดัน 1 บรรยากาศ โดยที่ 1 cal = 4.186 J 1 บีทียู คือ ความร้อนที่ทำาให้น้ำามวล 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ ที่ความดัน 1 บรรยากาศ โดยที่ 1 Btu = 252 cal = 1055 J

การบอกขนาดเครื่องปรับอากาศนิยมบอกเป็น บีทียู (BTU) ต่อชั่วโมง หรือ ตัน เพื่อแสดงว่า อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถถ่ายโอนความร้อนออกไปได้เท่าใดในเวลา 1 ชั่วโมง เช่น เครื่องปรับอากาศ ขนาด 12 000 บีทียู (ขนาด 1 ตัน) หมายถึง ในเวลา 1 ชั่วโมง เครื่องปรับอากาศเครื่องนี้สามารถถ่าย โอนความร้อนออกสู่ภายนอกได้ 12 000 บีทียู หรือ 12 000 Btu × 1055 J/Btu = 12.66 × 10 J 6 การใช้ตู้เย็นให้ประหยัดไฟฟ้า มีดังนี้ 1. เลือกใช้ตู้เย็นขนาดเหมาะสมและได้รับฉลากประหยัดไฟฟ้าเบอร์ 5 ิ ู ี ู 2. ปิดประตูต้เย็นให้สนิท และ หลีกเล่ยงการเปิดประตูต้เย็นบ่อยๆ หรือเปิดค้างท้งไว้เป็น เวลานาน 3. ไม่นำาของร้อนเข้าไปในตู้เย็นทันที ควรปล่อยทิ้งไว้ให้เย็นก่อนนำาเข้าไปไว้ในตู้เย็น 4. ไม่ปล่อยให้มีน้ำาแข็งเกาะหนาบริเวณช่องแช่แข็ง และไม่ใส่ของในตู้เย็นแน่นจนเกินไป ควรเหลือที่ว่างพอให้อากาศในตู้เย็นเคลื่อนจากด้านบนลงสูงด้านล่างได้

5. ควรต้งต้เย็นในบริเวณท่อากาศถ่ายเทได้สะดวกโดยด้านหลังและข้างต้เย็น ู ี ั ู ควรห่างผนัง หรือสิ่งของต่างๆ ไม่น้อยกว่า 15 เซนติเมตร และควรตั้งตู้เย็นให้ห่างจาก แหล่งกำาเนิดความร้อนอื่น ๆ 6. ตรวจเช็คให้ยางขอบประตูให้สามารถปิดได้สนิทเสมอ

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

174 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 175

การใช้เครื่องปรับอากาศให้ประหยัดไฟฟ้า มีดังนี้

1. ติดตั้งขนาดเครื่องปรับอากาศให้เพียงพอกับการทำาความเย็นในห้อง โดยขนาดไม่เล็ก หรือใหญ่เกินไป และควรเลือกเครื่องปรับอากาศที่ได้รับฉลากประหยัดไฟฟ้าเบอร์ 5

2. ติดตั้งตำาแหน่งเครื่องปรับอากาศให้เหมาะสม ไม่มีสิ่งกีดขวางทางลม และให้ลมจาก เครื่องปรับอากาศพัดมายังพื้นที่ใช้สอย

3. ห้องควรปิดมิดชิด ไม่มีอากาศจากภายนอกรั่วไหลเข้ามาในห้อง หากมีการใช้งาน พัดลมดูดอากาศควรใช้งานเท่าที่จำาเป็นในช่วงสั้น ๆ 4. ปรับอุณหภูมิไม่ต่ำากว่า 25 องศาเซลเซียส เมื่ออากาศในห้องเย็นแล้ว ปรับเพิ่มอุณหภูมิ และเปิดพัดลมร่วมด้วย

5. ป้องกันแสงแดดและความร้อนเข้ามาในห้อง ผนังและหน้าต่างที่เป็นกระจกควรมีม่าน ทึบแสง 6. กรณีนอนหลับในเวลากลางคืน เมื่อภายในห้องมีอุณหภูมิที่ต้องการแล้ว ควรตั้งอุณหภูมิ ประมาณ 27 หรือ 28 องศาเซลเซียส แล้วเปิดพัดลมร่วมด้วย

7. หลีกเลี่ยงใช้อุปกรณ์ให้ความร้อนในห้อง เช่น เตาหุงต้ม เตารีด 8. ควรถอดแผ่นกรองฝุ่นที่คอยล์เย็นมาทำาความสะอาดเดือนละครั้ง 9. ควรให้ช่างเคร่องปรับอากาศมาตรวจเช็คและทาความสะอาดเคร่องปรับอากาศอย่าง ื ื ำ น้อยปีละ 2 ครั้ง

แนวการวัดและประเมินผล ์ ำ ์ ี ึ ี 1. ความร้เก่ยวกับกฎข้อท่หน่งของอุณหพลศาสตรและการประยุกต จากการตอบคาถามตรวจสอบ ู ความเข้าใจ 16.4 และการทำาแบบฝึกหัด 16.4 ี ี ี ึ ำ 2. ทักษะการแก้ปัญหาและการใช้จานวนจากการคานวณปริมาณต่างๆ ท่เก่ยวข้องกับกฎข้อท่หน่ง ำ ของอุณหพลศาสตร์และการประยุกต์ 3. จิตวิทยาศาสตร์/เจตคติด้านความมีเหตุผล และความรอบคอบ จากการอภิปรายร่วมกัน และ จากการทำาแบบฝึกหัด 16.4

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

แนวคาตอบคาถามตรวจสอบความเข้าใจ 16.4 ำ ำ

ี 1. ในระหว่างแช่เย็นขวดแก้วท่บรรจุแก๊สฮีเลียมซ่งปิดสนิท จงบอกการเปล่ยนแปลงของความร้อน ี ึ พลังงานภายในระบบ และงาน (ให้ประมาณว่าปริมาตรของขวดแก้วคงตัว) แนวคำาตอบ ความร้อนลดลง พลังงานภายในระบบลดลง และงานเป็นศูนย์ 2. การบีบอัดแก๊สและการขยายตัวของแก๊สอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการถ่ายโอนความร้อน มีผลต่อ

พลังงานภายในระบบและอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สหรือไม่ อย่างไร ำ ิ แนวคำาตอบ การบีบอัดแก๊สทาให้พลังงานภายในระบบและอุณหภูมิของระบบเพ่มข้น ส่วนการ ึ ขยายตัวของแก๊สทำาให้พลังงานภายในระบบและอุณหภูมิของระบบลดลง ี 3. การถ่ายโอนความร้อนจากบริเวณท่มีอุณหภูมิตากว่าไปยังบริเวณท่มีอุณหภูมิสูงกว่าสามารถทา ่ ี ำ ำ ได้หรือไม่ อย่างไร ่ ำ ำ ี ้ ำ แนวคำาตอบ สามารถทาได โดยการใช้สารทาความเย็นรับความร้อนจากบริเวณท่มีอุณหภูมิตา ไปถ่ายโอนความร้อนไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ผ่านการทำางานของเครื่องยนต์ความร้อน เช่น ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ เฉลยแบบฝึกหัด 16.4

1. แก๊สจำานวนหนึ่งในกระบอกสูบมีปริมาตร V ทำาให้มีปริมาตร V โดยความดันคงที่ P จงหางาน 1 2 ที่ทำาโดยแก๊สและงานที่ทำาต่อแก๊ส วิธีทำา หางานที่ทำาโดยแก๊ส จาก W = PΔV

แทนค่า จะได้ W = P(V − V ) 2 1 ี ี งานท่ทาต่อแก๊สมีเคร่องหมายตรงข้ามกับงานท่ทาต่อแก๊ส เท่ากับ −P(V − V ) หรือ ื ำ ำ 2 1 P(V − V ) 1 2 ตอบ งานที่ทำาโดยแก๊สเท่ากับ P(V − V ) และ งานที่ทำาต่อแก๊ส เท่ากับ P(V − V ) 2 1 1 2 4 2. จงหางานในการอัดแก๊สอาร์กอน 1 กิโลโมล จากปริมาตร 2.24 × 10 ลูกบาศก์เดซิเมตร ท ี ่ 5 4 0 องศาเซลเซียส ความดัน 1.01 × 10 นิวตันต่อตารางเมตร ให้มีปริมาตรเป็น 1.40 × 10 ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่ความดันเดียวกัน

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

176 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 177

วิธีทำา หางานในการอัดแก๊สที่ความดันคงตัว ได้จาก งานที่ทำาโดยแก๊ส ΔW = PΔV 5 2 4 -3 3 4 -3 3 แทนค่า ΔW = (1.01 × 10 N/m )(1.40 × 10 × 10 m − 2.24 × 10 × 10 m ) 5 2 1 3 \= (1.01 × 10 N/m )(−0.84 × 10 m ) 5 \= −8.484 × 10 J เนื่องจากงานที่อัดแก๊สจะมีเครื่องหมายตรงข้ามกับงานที่ทำาโดยแก๊ส 5 ดังนั้น งานในการอัดแก๊ส เท่ากับ +8.484 × 10 J 5 ตอบ งานในการอัดแก๊สที่ความดันคงตัวเท่ากับ 8.48 × 10 จูล ี ่ ี ้ ี ้ ี 3. จากขอ 2 พลังงานภายในของแก๊สของแก๊สอาร์กอนท่เปล่ยนไป และความร้อนทแก๊สนคาย ออกมาเป็นเท่าใด วิธีทำา หาอุณหภูมิของแก๊สภายหลังจากการอัดแก๊ส จาก PV = nRT หรอ = PV T ื nR 2 3 3 5 แทนค่า T = (1.0110N/m )(1.40 10 4 10 m) 3 (1 10 mol)(8.31 J/mol K) \= 170 K หาพลังงานภายในของแก๊สที่เปลี่ยนไป จาก ΔU = nRΔT 3 แทนค่า ΔU = (1 × 10 mol)(8.31 J/mol K)(170 K − 273 K) ดังนั้น ΔU = −1.284 × 10 J 6 หาความร้อนที่แก๊สนี้คายออกมา จาก Q = ΔU + ΔW 6 5 แทนค่า Q = −1.284 × 10 J + (−8.484 × 10 J) \= −2.1324 × 10 J 6 6 ตอบ พลังงานภายในของแก๊สอาร์กอนที่ลดลงเท่ากับ 1.28 × 10 จูล และความร้อนที่แก๊สนี้ 6 คายออกมาเท่ากับ 2.13 × 10 จูล

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เฉลยแบบฝึกหัดท้ายบทที่ 16

คำาถาม

1. จงอธิบายความเหมือนและความแตกต่างระหว่างสเกลเซลเซียสและสเกลเคลวิน ำ แนวคาตอบ สเกลเซลเซียสและสเกลเคลวินมีความเหมือนกันคือใช้จุดเยือกแข็งและจุดเดือด ็ ำ ้ ของนาเปนจุดอ้างอิงเหมือนกน และแบ่งช่วงอุณหภูมิระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของนา ำ ้ ั ที่ความดัน 1 บรรยากาศ เป็น 100 ส่วนเท่า ๆ กันเหมือนกัน ความแตกต่างคือ อุณหภูมิที่ใช้ ในการกำาหนดจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำาแตกต่างกัน โดยสำาหรับสเกลเซลเซียสจุดเยือกแข็ง ำ ำ ้ ้ ำ ของนาเป็น 0 องศาเซลเซียส และจุดเดือดของนาเป็น 100 องศาเซลเซียส แต่สาหรับเคลวิน จุดเยือกแข็งของน้ำาเป็น 273.15 เคลวิน และจุดเดือดของน้ำาเป็น 373.15 เคลวิน 2. สารชนิดหนึ่งมีความร้อนจำาเพาะ 1000 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน มีความหมายอย่างไร แนวคำาตอบ ในการทำาให้สารนั้นที่มีมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 เคลวิน หรือ 1 องศา- เซลเซียส ต้องให้ความร้อน 1000 จูล 3. แท่งเหล็กมวล 1 กิโลกรัม และ 2 กิโลกรัม มีความจุความร้อนและความร้อนจาเพาะเท่ากัน ำ หรือต่างกัน อย่างไร ็ ุ แนวคาตอบ แท่งเหลกมวล 2 กโลกรัม มีความจความร้อนมากกว่าแทงเหลกมวล 1 กิโลกรัม ิ ็ ่ ำ ึ ิ เพราะการให้ความร้อนกับแท่งเหล็กท้งสองมีอุณหภูมิเพ่มข้น 1 องศาเซลเซียสเท่ากัน แท่งเหล็ก ั ี ท่มีมวลมากต้องใช้ความร้อนมากกว่า แต่ความร้อนจาเพาะของแท่งเหล็กท้งสองมีค่าเท่ากัน ั ำ ึ ำ เพราะความร้อนจาเพาะเป็นความจุความร้อนต่อมวลหน่งหน่วย โดยสารหน่งจะม ี ึ ค่าความร้อนจำาเพาะคงตัว โดยเหล็กมีความร้อนจำาเพาะเท่ากับ 450 จูล/กิโลกรัม เคลวิน ื ี ั ้ ำ 4. บริเวณชายหาดท้งบริเวณท่เป็นพ้นทรายและนาทะเลได้รับปริมาณแสงอาทิตย์เท่ากัน แต่ทราย กลับมีอุณหภูมิสูงกว่าน้ำาทะเล เป็นเพราะเหตุใด แนวคำาตอบ เนื่องจากทรายมีความร้อนจำาเพาะ 800 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ซึ่งหมายความว่า ้ ำ การทาให้ทรายมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพ่ม 1 เคลวิน ต้องใช้ความร้อน 800 จูล แต่นาม ี ำ ิ ความร้อนจำาเพาะ 4180 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ซึ่งหมายความว่า การทำาให้น้ำามวล 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

ำ ้ ำ 5. นากับเอทิลแอลกอฮอล์มีความร้อนจาเพาะเท่ากับ 4186 และ 2400 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน ี ึ ั ำ ิ ตามลาดับ ถ้าต้องการให้ความร้อนกับสารท้งสองท่มีมวลเท่ากันให้มีอุณหภูมิเพ่มข้นเท่ากัน สารใดต้องการความร้อนมากกว่ากัน เพราะเหตุใด ์ ำ ำ ำ แนวคาตอบ เน่องจากนามีความร้อนจาเพาะมากกว่าเอทิลแอลกอฮอล ดังน้น ถ้าต้องการให ้ ้ ื ั ึ ึ ิ สารท้งสองซ่งมีมวลเท่ากัน มีอุณหภูมิเพ่มข้นเท่ากัน ต้องให้ความร้อนแก่นามากกว่า ั ้ ำ เอทิลแอลกอฮอล์ นั่นคือ น้ำาต้องการความร้อนมากกว่าเอทิลแอลกอฮอล์ 6 ้ ำ 6. นามีความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอเท่ากับ 2.256 × 10 จูลต่อกิโลกรัม หมายความว่าอย่างไร ้ ำ ำ ้ ำ ิ ำ ี แนวคาตอบ ในการทาให้นามวล 1 กิโลกรัม ท่อุณหภูม 100 องศาเซลเซียส กลายเป็นไอนา 6 ทั้งหมดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ต้องใช้ความร้อนทั้งสิ้น 2.256 × 10 จูล 7. ถ้าต้องการทำาให้น้ำาแข็งมวล 1 กิโลกรัม ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวเป็นน้ำาหมดที่ อุณหภูมิเดิม ต้องใช้ความร้อนเท่าใด ำ ี ้ แนวคาตอบ นาแข็งมวล 1 กิโลกรัม ท่อุณหภูม 0 องศาเซลเซียส หลอมเหลวเป็นนาหมดท่อุณหภูม ิ ิ ำ ี ำ ้ ำ ้ ำ ึ เดิม เป็นการเปล่ยนสถานะจากนาแข็งเป็นนา ต้องใช้ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวซ่ง ้ ี เท่ากับ 333 กิโลจูลต่อกิโลกรัม ดังนั้น สำาหรับน้ำาแข็งมวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้ความร้อนเท่ากับ 333 กิโลจูล ี ำ ้ 8. ในการทาให้นา 100 องศาเซลเซียส มวล 1 กิโลกรัม กลายเป็นไอหมดท่อุณหภูมิเดิม ต้องใช ้ ำ ความร้อนเท่าใด แนวคำาตอบ น้ำาเดือดมวล 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส เป็นไอหมดที่อุณหภูมิเดิม ี เป็นการเปล่ยนสถานะจากนาเป็นไอ ต้องใช้ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอเท่ากับ ้ ำ ั ำ 2256 กิโลจูลต่อกิโลกรัม ดังน้น สาหรับนาเดือดมวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้พลังงานความร้อนเท่ากับ ้ ำ 2256 กิโลจูล 9. นาท่ความดัน 1 บรรยากาศมีจุดควบแน่นอย่ท่อุณหภูมิเท่าใด และมีความร้อนแฝงของการควบแน่น ี ี ู ำ ้ เป็นเท่าใด ื ู แนวคาตอบ เน่องจากการควบแน่นอย่ท่อุณหภูมิเดียวกับการกลายเป็นไอ และความร้อนแฝง ำ ี ั ของการควบแน่นมีค่าเท่ากับความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ดังน้น นาท่ความดัน ี ้ ำ 1 บรรยากาศ มีจุดควบแน่นที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส และมีความร้อนแฝงของ การควบแน่นเท่ากับ 2256 กิโลจูลต่อกิโลกรัม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

้ ี ำ ำ ำ ี ้ ำ ี 10. ในปริมาณของนาท่เท่ากัน ระหว่างนาท่แข็งตัวเป็นนาแข็งกับไอนาท่ควบแน่นเป็นหยดนา ้ ้ ้ ำ กระบวนการใดมีการคายความร้อนมากกว่ากัน ำ ื แนวคาตอบ เน่องจากความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอเท่ากับความร้อนแฝงของ การควบแน่น (เท่ากับ 2256 กิโลจูลต่อกิโลกรัม) และความร้อนแฝงของการแข็งตัวเท่ากับ ้ ั ำ ำ ้ ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวของนา (เท่ากับ 333 กิโลจูลต่อกิโลกรัม) ดังน้น ไอนาท ี ่ ควบแน่นเป็นหยดน้ำาจะมีการคายความร้อนมากกว่าน้ำาที่แข็งตัวเป็นน้ำาแข็ง 11. ก่อนฝนตก เหตุใดเราจึงรู้สึกว่าอากาศรอบตัวเราร้อนกว่าปกติ ำ ้ ื แนวคาตอบ ก่อนฝนตก ไอนาจะควบแน่นโดยคายความร้อนออกมาเพ่อเปล่ยนสถานะจาก ำ ี ไอน้ำาเป็นหยดน้ำาจึงทำาให้เรารู้สึกว่าอากาศรอบตัวเราร้อนกว่าปกติ ี ั ำ ้ ั ิ ้ ำ 12. ถ้านานาแข็งใส่แก้วต้งไว้ในห้อง นาแข็งจะเปล่ยนแปลงอย่างไร และถ้าต้งท้งไว้เป็นเวลาพอ ำ ้ ็ สมควร อุณหภมิของนาแขงในตอนแรกและหลงจากหลอมเหลวหมดแลว จะเปล่ยนแปลงอย่างไร ั ำ ี ู ้ แนวคาตอบ เม่อนานาแข็งใส่แก้ววางต้งไว้ในห้อง นาแข็งจะรับความร้อนจากส่งแวดล้อม เช่น ั ำ ้ ิ ้ ำ ำ ื ำ อากาศและแก้ว ทำาให้น้ำาแข็งหลอมเหลว และขณะที่หลอมเหลวนั้น อุณหภูมิของน้ำาแข็งและ ั ้ ั ำ ี นาจะคงตัวเท่ากับอุณหภูมิท่จุดหลอมเหลว จนกระท่งนาแข็งหลอมเหลวหมดท้งก้อน หลังจาก ้ ำ นั้นเมื่อตั้งทิ้งไว้ต่อไปอีก น้ำาที่อยู่ในแก้วจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนเท่ากับอุณหภูมิห้อง ี ึ 13. กราฟแสดงการเปล่ยนสถานะของสารชนิดหน่ง อุณหภูมิ (°C) 80 เป็นดังรูป F ก. กราฟช่วง AB BC CD DE และ EF 60 D E สารอยู่ในสถานะใด 40 ข. จงอธิบายการเปลี่ยนแปลงในกราฟช่วง CD 20 ค. จุดเดือดของสารมีค่าเท่าใด 0 B C A ง. จุดหลอมเหลวของสารมีค่าเท่าใด -20 เวลา (นาที) 0 4 8 12 16 20 24 แนวคำาตอบ รูป ประกอบคำาถามข้อ 13 ี ี ก. สารชนิดน้มีการเปล่ยนสถานะในช่วง BC และ DE เพราะท้งสองช่วงมีอุณหภูมิคงตัว โดยท ี ่ ั - กราฟช่วง AB สารอยู่ในสถานะของแข็ง - กราฟช่วง BC สารอยู่ในสถานะของแข็งและของเหลว - กราฟช่วง CD สารอยู่ในสถานะของเหลว - กราฟช่วง DE สารอยู่ในสถานะของเหลวและแก๊ส - กราฟช่วง EF สารอยู่ในสถานะแก๊ส 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 อุณหภูมิ (°C) ึ ี ี 14. กราฟการเย็นตัวของสารชนิดหน่งท่กาลังเปล่ยน ำ 65 A สถานะจากของเหลวเป็นของแข็งเป็นดังรูป ก. กราฟช่วง AB BC และ CD สารมีสถานะใด 60 ข. จุดหลอมเหลวของสารมีค่าเท่าใด 55 ค. ความร้อนแฝงที่ใช้ในกราฟช่วง BC B C มีชื่อเรียกว่าอะไร 50 D

45 เวลา (นาที) 0 2 4 6 8 10 แนวคำาตอบ รูป ประกอบคำาถามข้อ 14 ก. กราฟช่วง AB BC และ CD สารมีสถานะของเหลว ของเหลวปนของแข็ง และของแข็ง ตามลำาดับ

ข. จุดหลอมเหลวของสารเท่ากับ 55 องศาเซลเซียส ค. ความร้อนแฝงที่ใช้ในกราฟช่วง BC เรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว

15. สาร x มีสมบัติดังตาราง

จุดหลอมเหลว จุดเดือด ความร อนแฝงของ ความร อนแฝงของ ( C) ( C) การหลอมเหลว (J/kg) การกลายเป นไอ (J/kg) ° ° -114 79 1.04 x 10 5 8.54 x 10 5

ก. ที่อุณหภูมิห้อง (25 ˚C) สาร x มีสถานะใด ข. ที่จุดเดือดของน้ำา สาร x จะมีสถานะใด ค. ถ้าสาร x มีมวล 1 กิโลกรัม ความร้อนที่ทำาให้สาร x ที่อุณหภูมิ 79 องศาเซลเซียส

เปลี่ยนสถานะหมด โดยที่อุณหภูมิไม่เปลี่ยนมีค่าเท่าใด แนวคำาตอบ ก. เนื่องจากสาร x มีจุดหลอมเหลวที่ -114 ˚C และจุดเดือดที่ 79˚C ดังนั้นที่อุณหภูมิห้อง ำ ่ ึ (ซ่งมีอุณหภูมิอุณหภูมิสูงกว่า -114 ˚C และมีอุณหภูมิตากว่า 79 ˚C) สาร x มีสถานะของเหลว ข. เนื่องจากสาร x มีจุดเดือดที่ 79˚C ซึ่งน้อยกว่าที่จุดเดือดของน้ำา (100 ˚C) ดังนั้น สาร x มีสถานะแก๊ส

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

5 ค. ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของสาร x จากตาราง คือ 8.54 × 10 จูลต่อกิโลกรัม 5 ดังนั้น สาร x มวล 1 กิโลกรัม ต้องใช้ความร้อนเท่ากับ 8.54 × 10 จูล 16. เหตุใดผ้าห่มหรือเสื้อผ้าที่ทำาด้วยเส้นใยหนา ๆ ช่วยทำาให้ร่างกายอบอุ่นในฤดูหนาว ำ ำ ึ ื ู แนวคาตอบ ระหว่างเส้นใยของผ้าห่มหรือเส้อผ้ามีอากาศซ่งนาความร้อนได้ไม่ดีแทรกอย่มาก ำ ื ี ื ้ และเน่องจากเส้นใยลดความสามารถในการเคล่อนท่ของโมเลกุลของอากาศ ทาใหความสามารถ ในการพาความร้อนของอากาศลดลงจึงมีการถ่ายโอนความร้อนจากร่างกายส่ภายนอกผ้าห่ม ู ื ื หรือเส้อผ้าได้น้อย ทาให้อุณหภูมิภายในผ้าห่มหรือเส้อผ้าคงตัว (37 องศาเซลเซียส) หรือ ำ แตกต่างจากอุณหภูมิของร่างกายน้อยมาก ผ้าห่มหรือเสื้อผ้าที่ทำาด้วยเส้นใยหนา ๆ จึงช่วยให้ ร่างกายอบอุ่นในฤดูหนาว 17. เมื่ออัดแก๊สให้มีปริมาตรลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นเพราะเหตุใด ื แนวคาตอบ เพราะเม่อลดปริมาตรลง ทาให้โมเลกุลของแก๊สมีความถ่ในการชนผนังภาชนะ ี ำ ำ เพิ่มขึ้น จึงทำาให้มีความดันเพิ่มขึ้น 18. เมื่อแก๊สชนิดหนึ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้น อัตราเร็วของโมเลกุลของแก๊สจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร ู ั ้ ึ ้ ๊ ู ็ ึ ุ ิ ๊ ี ่ ำ ื ุ ู แนวคาตอบ เมอแกสมอณหภมสงขน อตราเรวของโมเลกลของแกสจะสงขนตามสมการ 3kT หรือ v rms m B 19. แก๊สต่างชนิดกัน ถ้ามีอุณหภูมิเท่ากัน พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลเท่ากันหรือไม่ แนวคำาตอบ พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลจะเท่ากัน เพราะว่า พลังานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล แก๊สจะขึ้นกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สเพียงอย่างเดียว ตามสมการ ้ ู ุ ๊ 20. ถาความดันและปรมาตรของแกสเปล่ยนไปโดยจานวนโมเลกลและอณหภมิคงตว พลังงาน ิ ำ ั ุ ี ภายในของระบบจะเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร ๊ แนวคาตอบ จากสมการ สามารถสรปไดวา พลงงานภายในของแกส (U) ่ ำ ุ ้ ั ุ ิ ำ ำ แปรผันตรงกับจานวนโมเลกลและอุณหภูมสัมบูรณ์ของแก๊ส ถ้าจานวนโมเลกลของแก๊สและ ุ อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแก๊สคงตัว พลังงานภายในของระบบก็จะมีค่าคงตัว ดังน้น พลังงานภายใน ั ของระบบจึงไม่เปลี่ยนแปลง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

182 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส ฟิสิกส์ เล่ม 5 ฟิสิกส์ เล่ม 5 บทที่ 16 | ความร้อนและแก๊ส 183

ั ้ ่ ื 21. เมออดแก๊สในภาชนะใหมีปริมาตรลดลง ถ้าไมมีการถ่ายโอนความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ ่ พลังงานภายในระบบจะเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร แนวคาตอบ การอัดแก๊สในภาชนะให้มีปริมาตรน้อยลง งานท่ทาโดยแก๊สมีค่าเป็นลบ (W เป็นลบ) ี ำ ำ ื และเน่องจากไม่มีการถ่ายโอนความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ (Q เท่ากับศูนย์) จาก กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ Q = ΔU + W จะได้ 0 = ΔU − W นั่นคือ ΔU = W ดังนั้น พลังงานภายในของระบบจะเพิ่มขึ้น (ΔU เป็นบวก) 22. จงใช้สมการ Q = ΔU + W อธิบายการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบในกรณีต่อไปนี้ ก. แก๊สในกระป๋องสเปรย์ ขณะถูกเผาไฟ ข. ไอน้ำาในห้องอบไอน้ำาความดันสูง ขณะที่ได้รับหรือคายความร้อน ค. ไอน้ำาในหม้อต้มน้ำาของเครื่องจักรไอน้ำา ขณะเครื่องจักรกำาลังทำางาน แนวคำาตอบ ๋ ก. ขณะกระปองสเปรย์ถกเผาไฟจะมการถายโอนความรอนไปยงแกสในกระป๋อง นนคอ ๊ ้ ่ ู ั ี ่ ั ื Q เป็นบวก โดยที่กระป๋องไม่ขยายตัว นั่นคือ W = 0 ดังนั้น จะได้ว่า Q = ΔU กล่าวคือ ิ ิ ึ ึ ึ ึ แก๊สในกระป๋องมีพลังงานภายในเพ่มข้น ซ่งก็คือมีอุณหภูมิเพ่มข้น โดยอุณหภูมิเพ่มข้นน ้ ี ิ ึ จะมีผลให้ความดันของแก๊สภายในกระป๋องเพ่มข้น ซ่งเป็นไปตามความสัมพันธ P α T ึ ์ ิ ในที่สุดจะมีผลทำาให้กระป๋องระเบิดได้ ำ ้ ้ ่ ข. ขณะทหองอบไอนาได้รบหรอคายความรอน แสดงวา มการเปลยนแปลง Q โดยทีไอนา ื ี ้ ่ ี ่ ่ ี ้ ำ ั ถูกกักในห้องอบซึ่งมีปริมาตรคงตัว นั่นคือ W = 0 ดังนั้น Q = ΔU จะได้ว่า พลังงานของ ไอน้ำา ΔU จะเปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของ Q หรือกล่าวได้ว่า พลังงานของไอน้ำา ื ำ ้ ำ ื ้ ึ ิ ภายในห้องอบไอนาเพ่มข้นเม่อได้รับความร้อน และพลังงานของไอนาลดลงเม่อมีการถ่ายโอน ความร้อนออกจากห้องอบไอน้ำา ื ำ ี ค. ในห้องต้มนาของเครื่องจักรไอนามีการส่งไอนาไปดันลูกสูบให้เคล่อนท น่นคือ มีงานท่ทา ำ ั ้ ่ ี ้ ำ ำ ้ ้ ำ ้ ี ้ ้ โดยแกสเกดขน ในกรณน เมอใหความรอนไปยังห้องตมนา พลงงานภายในของไอนาจะ ี ำ ึ ้ ้ ้ ั ิ ๊ ่ ื ื ำ ำ ึ ำ ้ เพ่มข้นตามสมการ Q = ΔU และเม่อนาพลังงานภายในของไอนาไปทาให้เกิดงานใน ิ การดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ ช่วงนี้ ΔQ = 0 ดังนั้น W = −ΔU นั่นคือ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่จะ ทำาให้พลังงานภายในของไอน้ำาลดลง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

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 วิธีทำา ก. จากความสัมพันธ์ T = t + 273.15 เมื่อ t = 27 ˚C จะได้ T = (27+273.15) K = 300.15 K เมื่อ t = −115 ˚C จะได้ T = (−155+273.15) K = 118.15 K เมื่อ t = 115 ˚C จะได้ T = (115+273.15) K = 388.15 K

เมื่อ t = −78.50 ˚C จะได้ T = (−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 วิธีทำา 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

6 3. สระน้ำาแห่งหนึ่งมีน้ำา 1.00 × 10 กิโลกรัม ในตอนกลางวันได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ ทำาให้ อุณหภูมิเฉลี่ยของน้ำาในสระสูงขึ้น 2 องศาเซลเซียส น้ำาในสระได้รับความร้อนเท่าใด 6 วิธีทำา จากโจทย์ m = 1.00 × 10 kg, c = 4186 J/kg K และ ΔT = 2 ˚C หรือ 2 K จากสมการ Q = mcΔT 6 สำาหรับน้ำาจะได้ Q = (1.00 × 10 kg)(4186 J/kg K)(2 K) \= 8.37 × 10 J 9 9 ตอบ น้ำาในสระได้รับความร้อนเท่ากับ 8.37 × 10 จูล

ึ ำ ้ ิ ี ึ 4. จงหาความร้อนท่ทาให้นา ทรายและทองแดง ซ่งมีมวลอย่างละ 4.00 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพ่มข้น ำ เท่ากัน คือ 10 องศาเซลเซียส วิธีทำา จากโจทย์ m = m ทราย = m ทองแดง = 4.00 kg น้ำา ΔT = ΔT ทราย = ΔT ทองแดง = 10 ˚C หรือ 10 K น้ำา c = 4186 J/kg K, c ทราย = 800 J/kg K และ c ทองแดง = 390 J/kg K น้ำา จากสมการ Q = mcΔT สำาหรับน้ำาจะได้ Q = (4.00 kg)(4186 J/kg K)(10 K) น้ำา 5 \= 1.67 × 10 J สำาหรับทรายจะได้ Q ทราย = (4.00 kg)(800 J/kg K)(10 K) 5 \= 0.32 × 10 J สำาหรับทองแดงจะได้ Q ทองแดง = (4.00 kg)(390 J/kg K)(10 K) 5 \= 0.156 × 10 J 5 5 ตอบ ต้องให้ความร้อนกับน้ำา ทราย และทองแดง เท่ากับ 1.67 × 10 จูล, 0.32 × 10 จูล และ 5 0.156 × 10 จูล ตามลำาดับ 4 5. เมื่อให้ความร้อนจำานวน 10 จูล กับโลหะชนิดหนึ่งที่มีมวล 2 กิโลกรัม พบว่าอุณหภูมิของโลหะ เพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส จงหาความร้อนจำาเพาะของโลหะนี้ 4 วิธีทำา จากโจทย์ Q = 10 J, m = 2 kg และ ΔT = 10 ˚C หรือ 10 K จากสมการ Q = mcΔT 4 แทนค่า 10 J = (2 kg)(c)(10 K) จะได้ c = 500 J/kg K

ตอบ ความร้อนจำาเพาะของโลหะเท่ากับ 500 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

6. ความร้อนปริมาณหนึ่งทำาให้อะลูมิเนียมมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 60 องศาเซลเซียส ความร้อน ปริมาณนี้ จะทำาให้ทองแดงมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่าใด

วิธีทำา เนื่องจากความร้อนที่ให้กับอะลูมิเนียมและทองแดงมีปริมาณเท่ากัน ดังนั้น จะได้

แทนค่า

\= 138.5 K หรือ 138.5 ˚C

ตอบ ทองแดงมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 138.5 องศาเซลเซียส 7. ในการทำาให้น้ำาแข็งมวล 2.0 กิโลกรัม อุณหภูมิ –5 องศาเซลเซียส เป็นไอน้ำาเดือดหมดที่ 100

องศาเซลเซียส ต้องใช้ความร้อนทั้งหมดเท่าใด วิธีทำา การเปลี่ยนสถานะของน้ำาแข็ง 2.0 kg อุณหภูมิ –5 ˚C เป็นไอน้ำาเดือดหมดที่ 100 ˚C

มีขั้นตอนดังนี้

น้ำแข็ง

ใช�ความร�อน Q = mc T 1 1 1 น้ำแข็ง

ใช�ความร�อนแฝง Q = mL 2 2 น้ำ