Key Takeaways:
ความร้อนและแก๊สเป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ม.6 ที่น้อง ๆ จะได้เจอกันเป็นเรื่องแรกในกลุ่มสมบัติสาร โดยเป็นหนึ่งในเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลายที่สำคัญซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะของสสารไปจนถึงสมบัติทางกายภาพของแก๊สต่าง ๆ นอกจากนี้ ความร้อนและแก๊สยังถูกนำมาออกข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์บ่อย ๆ อีกด้วย ในบทความนี้ พี่ ๆ ก็จะสรุปเนื้อหาสำคัญของความร้อนและแก๊ส พร้อมสูตรคำนวณและตัวอย่างโจทย์ เพื่อช่วยให้น้อง ๆ สามารถเตรียมตัวสอบที่โรงเรียนและ A-Level ได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
Table of Contents
ปรากฏการณ์รอบตัวที่เราพบเจอในชีวิตประจำวัน เช่น การทำงานของเครื่องปรับอากาศ การลอยขึ้นสู่ฟ้าของบอลลูน หรือแม้กระทั่งแรงอัดในเครื่องยนต์ของรถยนต์ ล้วนเกิดขึ้นจากความสัมพันธ์ของพลังงานที่มองไม่เห็น นั่นคือ “ความร้อนและแก๊ส” ซึ่งเป็นความรู้ทางฟิสิกส์ที่อธิบายถึงการถ่ายโอนพลังงานเชิงความร้อน และพฤติกรรมของโมเลกุลแก๊สในสภาวะต่าง ๆ อย่างมีหลักการ
ในบทความนี้ เราจะมาทำความเข้าใจเนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย เรื่องความร้อนและแก๊สในมุมมองที่เข้าใจง่าย ช่วยให้เข้าใจสูตร และนำไปประยุกต์ใช้ได้จริงในการทำโจทย์กัน
สมัครเรียนคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : แก๊สและทฤษฏีจลน์ กลุ่มสมบัติสาร กับ OnDemand
ความร้อนทำให้สสารเปลี่ยนอุณหภูมิและสถานะอย่างไร ? มีสูตรคำนวณอะไรบ้าง ?
อุณหภูมิ
บ่งบอกระดับความร้อนของสสาร มีหลายหน่วย สามารถแปลงหน่วยโดยอ้างอิงกับจุดเดือดและจุดหลอมเหลวของน้ำ
ความร้อน
เป็นพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนอุณหภูมิ/สถานะของสสาร
การถ่ายเทความร้อน
ความร้อนถ่ายเทจาก T_\text{สูง} ไป T_\text{ต่ำ} ได้ 3 วิธี ดังนี้
- นำความร้อน : อนุภาคตัวกลางไม่เคลื่อนที่ตามความร้อน
- พาความร้อน : อนุภาคตัวกลางเคลื่อนที่ไปพร้อมกับความร้อน
- แผ่รังสี : ถ่ายเทความร้อนในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
เมื่อสสารมวล m ได้รับปริมาณความร้อน Q จะทำให้มีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป \Delta T ดังสมการ
Q = C\Delta T = mc\Delta Tโดยที่ C คือ ความจุความร้อน (\text{J} / \text{K})
c คือ ความจุความร้อนจำเพาะ (\text{J} / \text{kg} \cdot \text{K})
การเปลี่ยนแปลงสถานะ
ปริมาณความร้อน Q ที่ทำให้สสารมวล m ซึ่งมีอุณหภูมิเท่ากับจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือดเปลี่ยนสถานะได้ เป็นดังสมการ
Q = mL_\text{หลอม} หรือ Q = mL_\text{ไอ}
โดยที่ L_\text{หลอม} คือ ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวหรือเยือกแข็ง (\text{J} / \text{kg})
L_\text{ไอ} คือ ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอหรือควบแน่น (\text{J} / \text{kg})
ของผสม
เมื่อนำสสารที่มีอุณหภูมิสูงมาผสมกับสสารที่มีอุณหภูมิต่ำ จะเกิดการถ่ายโอนความร้อนจนสสารทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน โดยถ้าไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับภายนอกแล้ว จะเป็นไปดังสมการ
|Q_{T_\text{สูง} \text{ คาย}}| = |Q_{T_\text{ต่ำ} \text{ รับ}}|โดยที่ T_\text{สูง} \geqslant T_\text{ผสม} \geqslant T_\text{ต่ำ}
กฎของแก๊สอุดมคติคืออะไร ? มีสูตรคำนวณอย่างไร ?
โมเดลแก๊สอุดมคติ
เป็นแบบจำลองของแก๊สที่มีสมบัติ 4 ประการ ดังนี้
- โมเลกุลแก๊สเล็กมากเทียบกับภาชนะจนถือว่ามีปริมาตรเป็นศูนย์
- โมเลกุลแก๊สเคลื่อนที่แบบสุ่มตลอดเวลาทั่วภาชนะจนถือว่า V_\text{แก๊ส} = V_\text{ภาชนะ}
- โมเลกุลแก๊สไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล
- โมเลกุลแก๊สชนกันเองและชนผนังภาชนะแบบยืดหยุ่น
กฎของแก๊สอุดมคติ
เป็นกฎที่ได้มาจากการทดลองเพื่อศึกษาหาความสัมพันธ์ระหว่างความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊ส
- กฎของบอยล์ : P \propto \dfrac{1}{V}
- กฎของชาร์ล : V \propto T
- กฎของเกย์-ลูสแซก : P \propto T
- กฎของอาโวกาโดร : V \propto n
ทั้ง 4 กฎนี้รวมกันเป็นกฎที่เรียกว่า “กฎของแก๊สอุดมคติ” ดังสมการ
PV = nRTโดยที่ R คือ ค่าคงตัวแก๊ส มีค่าประมาณ 8.314 \text{ J} / \text{mol} \cdot \text{K}
ถ้าแทนจำนวนโมล n = \dfrac{N}{N_\text{A}} โดยที่ N คือ จำนวนโมเลกุล และ N_\text{A} คือ เลขอาโวกาโดร มีค่าประมาณ 6.02 \times 10^{23} \text{ mol}^{-1} จะทำให้ได้กฎของแก๊สอุดมคติอีกรูปแบบหนึ่งว่า
PV = Nk_\text{B} Tโดยที่ k_\text{B} คือ ค่าคงตัวโบลต์ซมันน์ มีค่าเท่ากับ \dfrac{R}{N_\text{A}} \approx 1.38 \times 10^{-23} \text{ J} / \text{K}
ทฤษฎีจลน์ของแก๊สคืออะไร ? มีสูตรคำนวณอย่างไร ?
สำหรับทฤษฎีจลน์ของแก๊ส น้อง ๆ สามารถอ่านสรุปได้จากลิงก์ข้างล่างนี้ได้เลย
บทความเพิ่มเติม : ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์คืออะไร ? มีสูตรคำนวณอย่างไร ?
สำหรับกฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ น้อง ๆ สามารถอ่านสรุปได้จากลิงก์ข้างล่างนี้ได้เช่นกัน
บทความเพิ่มเติม : กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์
ตัวอย่างข้อสอบ A-Level ฟิสิกส์ เรื่อง ความร้อนและแก๊ส
ตัวอย่างที่ 1 นำโลหะมวล 400 กรัม ที่มีอุณหภูมิ 80.0 องศาเซลเซียส ผสมกับของเหลวมวล 200 กรัม
ที่มีอุณหภูมิ 24.0 องศาเซลเซียส ในภาชนะปิด โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างภายใน
และภายนอกภาชนะ
กำหนดให้ ความจุความร้อนจำเพาะของโลหะและของเหลวมีค่า 250 และ 300 จูลต่อกรัม
องศาเซลเซียส ตามลำดับ
คำถาม เมื่อระบบเข้าสู่สมดุลความร้อน อุณหภูมิของผสมนี้จะมีค่ากี่องศาเซลเซียส
วิธีคิด \begin{aligned}&\text{จาก} \quad &&|Q_{T_\text{สูง} \text{ คาย}}| = |Q_{T_\text{ต่ำ} \text{ รับ}}| \\& &&mc\Delta T_{\text{โลหะ}} = mc\Delta T_{\text{ของเหลว}} \\& &&(400\text{ g})(250\text{ J/g}\cdot^\circ\text{C})(80.0\ ^\circ\text{C} – T_{\text{ผสม}}) = (200\text{ g})(300\text{ J/g}\cdot^\circ\text{C})(T_{\text{ผสม}} – 24.0\ ^\circ\text{C}) \\& &&(1000)(80.0\ ^\circ\text{C} – T_{\text{ผสม}}) = (600)(T_{\text{ผสม}} – 24.0\ ^\circ\text{C}) \\& &&800\ ^\circ\text{C} – 10T_{\text{ผสม}} = 6T_{\text{ผสม}} – 144\ ^\circ\text{C} \\& &&16T_{\text{ผสม}} = 944\ ^\circ\text{C} \\&\text{ดังนั้น} \quad &&T_{\text{ผสม}} = 59.0\ ^\circ\text{C}\end{aligned}
ตัวอย่างที่ 2 แก๊สจำนวน 3 โมล อยู่ในภาชนะปิดความจุคงที่ 10^{-2} ลูกบาศก์เมตร
หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 30 องศาเซลเซียส ความดันจะเปลี่ยนไปอย่างไร
เรียนเรื่องความร้อนและแก๊ส กับ OnDemand
สำหรับน้อง ๆ ม.6 ที่ต้องการปูพื้นฐานเรื่องความร้อนและแก๊ส หรือเตรียมตัวสอบเรื่องนี้อย่างมีประสิทธิภาพ การเรียนกับ OnDemand ในคอร์สฟิสิกส์ ม.ปลาย : แก๊สและทฤษฏีจลน์ กลุ่มสมบัติสารก็เป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ด้วยเทคนิคการสอนที่เน้นการคิดวิเคราะห์ สรุปเนื้อหาแบบกระชับ พร้อมตะลุยโจทย์
Youtube แก๊สและทฤษฏีจลน์ กลุ่มสมบัติสาร ม.6 | ตัวอย่างคอร์สเรียน ฟิสิกส์ ม.ปลาย | OnDemand
นอกจากนี้ สำหรับน้อง ๆ ที่ต้องการเตรียมตัวสอบเข้ามหาวิทยาลัย ทาง OnDemand ก็มีคอร์ส V-Series Physics TCAS เล่ม 4 : กลุ่มสมบัติสาร ให้เลือกด้วยเช่นกัน ซึ่งน้อง ๆ จะได้เรียนและตะลุยโจทย์เรื่องความร้อนและแก๊สแบบเข้มข้นในคอร์สนี้ เพื่อเตรียมพร้อมสอบแข่งขันได้อย่างมั่นใจมากขึ้น
สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม
- Add Line : Ondemand Education
- โทรศัพท์ : 02-251-9456 (08.00-20.00)
อ้างอิง
- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2563). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่ม 1. พิมพ์ครั้งที่ 1. สกสค. ลาดพร้าว.
- Serway, R. A., Jewett, Jr., J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. (9𝗍𝗁 ed). BROOKS/COLE CENGAGE Learning.
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับความร้อนและแก๊ส (FAQs)
Q: ความจุความร้อนจำเพาะ (c) กับความจุความร้อน (C) ต่างกันอย่างไร ?
A: ความจุความร้อนจำเพาะเป็นค่าคงที่เฉพาะของสสารแต่ละชนิดไม่ขึ้นอยู่กับมวล แต่ความจุความร้อนจะขึ้นอยู่กับมวลของสสาร โดยสัมพันธ์กันตามสมการ C=mc
Q: ทำไมถึงใช้อุณหภูมิในหน่วย ^\circ\text{C} แทนในกฎของแก๊สอุดมคติไม่ได้ ?
A: เพราะเมื่ออุณหภูมิเป็น 0\ ^\circ\text{C} ถ้าแทนค่า T = 0\ ^\circ\text{C} เลย จะทำให้ผลคูณ nRT เป็นศูนย์ ส่งผลให้ P หรือ V ต้องเป็นศูนย์ตามไปด้วย ซึ่งในความเป็นจริง ที่อุณหภูมิ 0\ ^\circ\text{C} แก๊สไม่ได้ไม่มีความดันหรือไม่มีปริมาตร และถ้าอุณหภูมิติดลบ จะทำให้ความดันหรือปริมาตรที่คำนวณออกมามีค่าติดลบ ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในธรรมชาติ
Q: กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ Q = \Delta U + W มีวิธีดูเครื่องหมายบวกลบอย่างไร ?
A: Q : ระบบดูดความร้อน + ระบบคายความร้อน –
\Delta U :อุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น + อุณหภูมิของแก๊สลดลง –
W : งานที่ทำโดยแก๊ส/แก๊สขยายตัว + เราทำงานให้แก๊ส/แก๊สถูกอัด –
ทีมวิชาการและแนะแนวการศึกษา OnDemand | OnDemand Academic & Career Advisory Team
ทีมพี่ ๆ ติวเตอร์ที่มีความเชี่ยวชาญด้านวิทย์-คณิต และการเตรียมสอบ TCAS (TGAT, TPAT, A-Level) ประสบการณ์กว่า 18 ปี พร้อมดูแลน้อง ๆ ในสไตล์แบบ “”พี่สอนน้อง”” ที่เน้นความเข้าใจจริง เทคนิคทำโจทย์แม่นยำ เป็นพาร์ตเนอร์ทางการศึกษาที่น่าเชื่อถือของน้อง ๆ และผู้ปกครอง
