โจทย์ความร้อน ม.6 พร้อมเฉลย

ความร้อน เป็นพลังงานรูปหนึ่งที่สามารถทำงานได้ และเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปอื่นได้ หรืออาจจะเปลี่ยนรูปมาจากพลังงานรูปอื่นได้ เช่น พลังงานเคมี พลังงานไฟฟ้า ฯลฯ อีกทั้ง ความร้อนยังเป็นพลังงานซึ่งสามารถถ่ายทอดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า และจะถ่ายเทให้กันจนกระทั่งอุณหภูมิเท่ากัน

หน่วยของพลังงานความร้อน

1. จุล (joule, J ) เป็นหน่วยของพลังงานกลที่ใช้ในระบบเอสไอ
2. แคลอรี ( calorie, cal ) เป็นหน่วยหนึ่งของพลังงานความร้อน (1 cal = 4.186 J) ซึ่ง 1 แคลอรี คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส (ในช่วง 14.5 องศาเซลเซียส ถึง 15.5 องศาเซลเซียส) ที่ความดัน 1 บรรยากาศ
3. บีทียู (British thermal unit หรือ Btu) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ (ในช่วง 63 องศาฟาเรนไฮต์ ถึง 64 องศาฟาเรนไฮต์) ที่ความคัน 1 บรรยากาศ (1 Btu = 252 cal = 1,055 J)

อุณหภูมิ

อุณหภูมิ คือ ปริมาณที่แปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส ซึ่งการที่เราจะบอกว่าวัตถุใดร้อนเพียงใด เราสามารถบอกได้ด้วยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุที่มีระดับความร้อนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุที่มีระดับความร้อนน้อยจะมีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น หากเราเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ จนวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน

อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายชนิด เช่น

1. สเกลองศาเซลเซียส (Celsius, °C) หรือบางที่เรียกว่าองศาเซนติเกรด (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0 เซลเซียส และจุดเดือดเป็น 100 เซลเซียส ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน )
2. สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, °K) เป็นหน่วยมาตรฐานในระบบเอสไอ โดยเคลวินนั้นเป็นหน่วยของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 273.16 เคลวินและจุดเดือดเป็น 373.16 เคลวิน ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน)

ปริมาณความร้อนของวัตถุ

1. ความร้อนจำเพาะ (Specific heat ) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม
2. ความร้อนแฝง (Latent Heat) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่

ความจุความร้อน ( Heat capacity, C )

ความจุความร้อน คือ ความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย โดยสถานะไม่เปลี่ยน ถ้าให้ปริมาณความร้อน ΔQ แก่วัตถุ ทำให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป ΔT ดังนั้น ถ้าอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หน่วย จะใช้ความร้อน C คือ

C = ΔQ/ΔT
มีหน่วยเป็น จูล/เคลวิน (J/K)

ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat capacity , c )

ความจุความร้อนจำเพาะ คือ ความร้อนที่ทำให้สาร (วัตถุ) มวลหนึ่งหน่วย มีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งเคลวิน คือ ความจุความร้อนจำเพาะของสาร (J/kg-K)

c = ΔQ/mΔT

นั่นคือ เมื่อสารมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มจาก T1 เป็น T2 และความจุความร้อนจำเพาะมีค่าคงตัว ความร้อนที่สารได้รับ คือ

ΔQ = mcΔT

สถานะและการเปลี่ยนสถานะของสาร

• โดยทั่วไป เราจำแนกสถานะของสารออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ซึ่งการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารนั้น เมื่อได้รับความร้อนก็จะกลายเป็นของเหลว และถ้าร้อมากขึ้นก็จะกลายเป็นแก๊ส
• การเปลี่ยนแปลงจากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นแก๊ส เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงสถานะ
• การเปลี่ยนแปลงสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว และจากของเหลวเป็นของแข็ง ในขณะที่วัตถุกำลังเปลี่ยนสถานะ อุณหภูมิของวัตถุจะคงที่อยู่ตลอดเวลา การเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเข็งเป็นของเหลว เรียกว่าหรือการกลายเป็นของเหลว ส่วนการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง เรียกว่า การกลายเป็นของแข็ง หรือเยือกแข็ง
• อุณหภูมิในขณะที่ของแข็งกำลังเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวภายใต้ความดันปกติ เรียกว่า จุดหลอมเหลว
• อุณหภูมิในขณะที่ของเหลวกาลังกลายสถานะเป็นของแข็งภายใต้ความดันปกติ เรียกว่า จุดเยือกแข็ง
• ความร้อนที่ทำให้วัตถุมวล 1 หน่วยเปลี่ยนสถานะทั้งหมด โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง คือ ความร้อนแฝงจำเพาะ แบ่งเป็น
  • ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว
  • ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ

การถ่ายโอนความร้อน

ความร้อนจะถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่วัตถุที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) การถ่ายโอนความร้อนมี 3 แบบ คือ

1. การนำ (Conduction) เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านตัวกลางซึ่งโดยมากจะเป็นพวกโลหะต่างๆ เช่น เราเอามือไปจับช้อนโลหะที่ปลายข้างหนึ่งแช่อยู่ในน้ำร้อน มือเราจะรู้สึกร้อน เพราะความร้อนถูกส่งผ่านจากน้ำร้อนมายังมือเราโดยมีช้อนโลหะเป็นตัวนำความร้อน
2. การพา (Convection) เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของตัวกลางเป็นตัวพาความร้อนไปจากบริเวณที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่บริเวณที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) เช่น เวลาต้มน้ำ ความร้อนจากเตาทำให้น้ำที่ก้นภาชนะร้อนจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำด้านบนจึงลอยตัวสูงขึ้นส่วนน้ำด้านบนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าและความหนาแน่นมากก็จะจมลงมาแทนที่ การหมุนวนของน้ำทำให้เกิดการพาความร้อน
3. การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการส่งพลังงานความร้อนที่อยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีอินฟราเรด) ดังนั้น จึงไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่น การแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก ความร้อนเคลื่อนผ่านอวกาศ ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก ผ่านบ้าน และก็มาถึงคนก็จะรู้สึกร้อน โดยทั่วไปวัตถุที่แผ่รังสีได้ดีก็จะรับ (ดูดกลืน) รังสีได้ดีด้วย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกว่าวัตถุดำ (Black Body) วัตถุดำไม่มีในธรรมชาติ มีแต่ในอุดมคติ ดังนั้นวัตถุที่มีลักษณะใกล้เคียงวัตถุดำคือ วัตถุที่มีสีดำ ในทางกลับกันวัตถุขาวจะไม่ดูดกลืนรังสีและ ไม่แผ่รังสีที่ตกกระทบ มีแต่ในอุดมคติเท่านั้น

อย่างไรก็ตามในบางครั้งเราจะพบว่า การถ่ายเทความร้อนนั้นมีได้ทั้ง 3 แบบผสมกันไป ยกตัวอย่างเช่น แท่งเหล็กที่เราเอามือจับ และนำเอาอีกด้านหนึ่งไปเผาไฟ

• การนำ คือ ความร้อนวิ่งผ่านแท่งเหล็กมาสู่มือเรา
• การพา คือ เมื่อลมพัดผ่าน ความร้อนของแท่งเหล็กก็จะวิ่งมาหาเรา
• การแผ่รังสี คือ ความร้อนของแท่งเหล็กแผ่ออกมาทำให้รู้สึกร้อน ถ้าลองเอากระจกไสไปกันระหว่างเรากับแท่งเหล็กร้อน เรายังรู้สึกถึงความร้อนนั้นอยู่ความร้อนที่มาจากเหล็กร้อนนั้นเคลื่อนที่ผ่านแก้วได้

การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความร้อน

วัตถุโดยทั่วไปเมื่อได้รับความร้อนจะขยายตัว การขยายตัวของวัตถุจะขึ้นอยู่กับรูปร่างคือ

• วัตถุที่มีความยาว ซึ่งมีลักษณะเป็นเส้นหรือแท่งยาว จะมีการขยายตัวตามเส้น (การขยายตัวตามยาว)
• วัตถุที่เป็นแผ่น จะมีการขยายตัวตามพื้นที่
• วัตถุที่มีรูปร่างเป็นปริมาตร จะมีการขยายตัวตามปริมาตร

และในทางกลับกันถ้าวัตถุสูญเสียความร้อนก็จะหดตัว

ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง ความร้อน

1. ให้พลังงานความร้อน 30,000 กูล แก่น้ำแข็งมวล 50 กรัม อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ผลลัพธ์จะเป็นอย่างไร ถ้ากำหนดให้ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวของน้ำแข็งเท่ากับ 333 กูล ต่อกรัม และความจุความร้อนจำเพาะของน้ำเท่ากับ 4.2 จูลต่อกรัม.องศาเซลเซียส

ก. ได้น้ำร้อนอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส
ข. ได้น้ำร้อนอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส
ค. ได้น้ำเย็นอุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส
ง. ได้น้ำเย็นผสมน้ำแข็งอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส

2. ถ้าใช้หม้อต้มน้ำไฟฟ้าขนาด 220 โวลต์ 1000 วัตต์ ต้มน้ำ 1 ลิตร อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียล น้ำจะเริ่มเดือดภายในเวลากี่นาที ถ้าหารต้มน้ำนี้มีประสิทธิภาพร้อยละ 80 (ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4.2 KJ/Kg.K)

ก. 9 นาที
ข. 7 นาที
ค. 15 นาที
ง. 12 นาที

3. นำลวดทำความร้อนมีกำลัง 1000 วัตต์ จุ่มลงน้ำมวล 500 กรัม อุณหภูมิ 30 องศาสเซลเซียส ถ้ามีการสูญเสียความร้อนไป 30% อีกนานเท่าใดน้ำจึงจะเริ่มเดือด (กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4.2 KJ/Kg.K)

ก. 8 นาที
ข. 3 นาที
ค. 3.5 นาที
ง. 1 นาที

4. น้ำตกแห่งหนึ่งสูง 50 เมตร ถ้าพลังงานศักย์ของน้ำตกเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อนทั้งหมด อุณหภูมิของน้ำที่ปลายน้ำตกจะมีค่าสูงขึ้นเท่าใด (กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 4.2 KJ/Kg.K)

ก. 8.4 องศาเซลเซียส
ข. 0.12 องศาเซลเซียส
ค. 4.2 องศาเซลเซียส
ง. 0.21 องศาเซลเซียส

5.กระป๋องโลหะมีมวล 200 กรัม ประกอบด้วยเหล็กและอลูมิเนียมในสัดส่วน 60 : 40 โดยน้ำหนัก จงหาความจุความร้อนของกระป๋องใบนี้ (กำหนดให้ค่าความจุความร้อนจำเพาะของเหล็กและอลูมิเนียมเท่ากับ 450 และ 900 J/kg K)

ก.126 J/k
ข. 1.26 J/kg.K
ค. 63 J/k
ง. 0.63 J/kg.K

ฟิสิกส์ ม. ปลาย ต้องเรียนเรื่องอะไรบ้าง

การเรียนฟิสิกส์ ม.ปลาย ตั้งแต่ฟิสิกส์ ม.4 ฟิสิกส์ ม.5 หรือ ฟิสิกส์ ม.6 นอกจากเรื่องความร้อนที่จะต้องเจอแล้ว การเรียนวิชานี้ยังครอบคลุมไปถึงเรื่องอื่นๆ ด้วย ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการเคลื่อนที่แนวตรง, การเคลื่อนที่แบบต่างๆ, กฎนิวตัน, โมเมนตัม, การหมุน, งานและพลังงาน, แรงและกฏการเคลื่อนที่, การเคลื่อนที่แนวโค้ง, การเคลื่อนที่แบบฮาร์มอนิกอย่างง่าย, สมดุลกล, คลื่นกล, คลื่นเสียง, แสง, ของไหล, ของแข็งและของไหล, ไฟฟ้าสถิต, ไฟฟ้ากระแสตรง, สนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า, ไฟฟ้ากระแสสลับ, ฟิสิกส์อะตอม, ฟิสิกส์นิวเคลียร์ และอื่น ๆ ดังนั้น ใครที่กำลังเตรียมตัวจะเลือกเรียนสายวิทย์ หรือกำลังเรียนสายวิทย์อยู่ ก็จะต้องเจอกับการเรียนเรื่องต่าง ๆ เหล่านี้อย่างแน่นอน

คอร์สเรียน Private ตัวต่อตัว

เป็นคอร์สเรียนที่ผู้เรียนสามารถออกแบบการเรียนให้เหมาะกับตัวเองได้เป็นอย่างดี ไม่ว่าจะเรียนเพื่อติวสอบปลายภาค, ติวเพิ่มเกรด, กวดวิชาเข้ามหาวิทยาลัย ก็สามารถเลือกได้ตามแบบที่เราต้องการได้ด้วยหลักสูตรจำนวน 10 ชม. แต่หากใครที่พื้นฐานอ่อนหรืออยากมาเรียนเนื้อหาล่วงหน้าก็สามารถเพิ่มชั่วโมงเรียนให้เหมาะสมกับเราได้