ความร้อน: สูตรและหน่วยลักษณะวิธีการวัดตัวอย่าง - กายภาพ - 2026

ความร้อนในฟิสิกส์ถูกกำหนดให้เป็นพลังงานความร้อนโอนเมื่อใดก็ตามที่พวกเขาติดต่อวัตถุหรือสารที่อยู่ในอุณหภูมิที่แตกต่าง การถ่ายโอนพลังงานและกระบวนการทั้งหมดที่เกี่ยวข้องเป็นเป้าหมายของการศึกษาอุณหพลศาสตร์ซึ่งเป็นสาขาที่สำคัญของฟิสิกส์

ความร้อนเป็นหนึ่งในหลายรูปแบบที่ต้องใช้พลังงานและเป็นหนึ่งในรูปแบบที่คุ้นเคยมากที่สุด มันมาจากไหน? คำตอบอยู่ที่อะตอมและโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นสสาร อนุภาคเหล่านี้ภายในสิ่งต่างๆไม่คงที่ เราสามารถจินตนาการได้ว่าพวกมันเป็นลูกปัดขนาดเล็กที่เชื่อมด้วยสปริงอ่อนสามารถหดตัวและยืดได้อย่างง่ายดาย

อะตอมและโมเลกุลสั่นภายในสารซึ่งถูกแปลเป็นพลังงานภายใน ที่มา: P. Tippens ฟิสิกส์: แนวคิดและการประยุกต์ใช้

ด้วยวิธีนี้อนุภาคจึงสามารถสั่นสะเทือนและพลังงานของมันสามารถถ่ายเทไปยังอนุภาคอื่น ๆ ได้อย่างง่ายดายและจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งด้วย

ปริมาณความร้อนที่ร่างกายดูดซับหรือปลดปล่อยขึ้นอยู่กับลักษณะของสารมวลของมันและความแตกต่างของอุณหภูมิ คำนวณได้ดังนี้:

โดยที่ Q คือปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอน m คือมวลของวัตถุ C _eคือความร้อนจำเพาะของสารเองและΔT = _{สุดท้าย} T - T _{เริ่มต้น}นั่นคือความแตกต่างของอุณหภูมิ

เช่นเดียวกับพลังงานทุกรูปแบบความร้อนจะถูกวัดเป็นจูลในระบบสากล (SI) หน่วยที่เหมาะสมอื่น ๆ ได้แก่ ergs ในระบบ cgs, Btu ในระบบอังกฤษและแคลอรี่ซึ่งเป็นคำที่ใช้กันทั่วไปสำหรับปริมาณพลังงานของอาหาร

ลักษณะความร้อน

ความร้อนจากแคมป์ไฟเป็นพลังงานในการถ่ายเท ที่มา: Pixabay

มีแนวคิดหลักหลายประการที่ควรทราบ:

- ความร้อนเป็นเรื่องเกี่ยวกับพลังงานในการขนส่ง วัตถุไม่มีความร้อน แต่จะปล่อยหรือดูดซับขึ้นอยู่กับสถานการณ์เท่านั้น สิ่งที่วัตถุมีคือพลังงานภายในโดยอาศัยโครงสร้างภายในของมัน

ในทางกลับกันพลังงานภายในนี้ประกอบด้วยพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบสั่นและพลังงานศักย์โดยทั่วไปของโครงสร้างโมเลกุล ตามการกำหนดค่านี้สารจะถ่ายเทความร้อนได้ง่ายขึ้นหรือน้อยลงและสิ่งนี้สะท้อนให้เห็นในความร้อนจำเพาะ C _eซึ่งเป็นค่าที่กล่าวถึงในสมการเพื่อคำนวณ Q

- แนวคิดที่สำคัญประการที่สองคือความร้อนจะถูกถ่ายเทจากร่างกายที่ร้อนที่สุดไปยังส่วนที่เย็นที่สุดเสมอ ประสบการณ์บ่งชี้ว่าความร้อนจากกาแฟร้อนส่งผ่านไปยังพอร์ซเลนของถ้วยและจานเสมอหรือโลหะของช้อนที่ใช้กวนไม่เคยเป็นอย่างอื่น

- ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทหรือดูดซึมขึ้นอยู่กับมวลของร่างกายที่เป็นปัญหา การเพิ่มแคลอรี่หรือจูลในปริมาณเท่ากันให้กับตัวอย่างที่มีมวล X จะไม่ให้ความร้อนในลักษณะเดียวกับที่มีมวลเท่ากับ 2X

เหตุผล? มีอนุภาคมากกว่าในตัวอย่างที่ใหญ่กว่าและแต่ละอนุภาคจะได้รับพลังงานโดยเฉลี่ยเพียงครึ่งหนึ่งของตัวอย่างที่เล็กกว่า

สมดุลความร้อนและการอนุรักษ์พลังงาน

ประสบการณ์บอกเราว่าเมื่อเรานำวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกันหลังจากนั้นไม่นานอุณหภูมิของทั้งสองจะเท่ากัน จากนั้นจึงสามารถระบุได้ว่าวัตถุหรือระบบตามที่สามารถเรียกได้ว่าอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน

ในทางกลับกันการไตร่ตรองถึงวิธีการเพิ่มพลังงานภายในของระบบแยกสรุปได้ว่ามีกลไกที่เป็นไปได้สองประการ:

i) ให้ความร้อนนั่นคือการถ่ายโอนพลังงานจากระบบอื่น

ii) ทำงานเชิงกลบางอย่างกับมัน

โดยคำนึงถึงการอนุรักษ์พลังงาน:

ในกรอบของอุณหพลศาสตร์หลักการอนุรักษ์นี้เรียกว่ากฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ เราบอกว่าระบบจะต้องแยกออกเพราะไม่เช่นนั้นจะต้องพิจารณาอินพุตหรือเอาต์พุตพลังงานอื่น ๆ ในเครื่องชั่ง

วัดความร้อนได้อย่างไร?

วัดความร้อนตามผลกระทบที่เกิดขึ้น ดังนั้นจึงเป็นความรู้สึกของการสัมผัสที่บอกได้อย่างรวดเร็วว่าเครื่องดื่มอาหารหรือวัตถุใด ๆ ร้อนหรือเย็นแค่ไหน เนื่องจากการถ่ายเทหรือดูดซับความร้อนส่งผลให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงการวัดจึงทำให้ทราบว่ามีการถ่ายเทความร้อนมากน้อยเพียงใด

เครื่องมือที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิคือเทอร์โมมิเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีมาตราส่วนจบการศึกษาเพื่ออ่านค่า ที่รู้จักกันดีคือปรอทวัดไข้ซึ่งประกอบด้วยเส้นเลือดฝอยละเอียดของปรอทซึ่งจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน

เครื่องวัดอุณหภูมิที่สำเร็จการศึกษาเป็นหน่วยเซลเซียสและฟาเรนไฮต์ ที่มา: Pixabay

จากนั้นเส้นเลือดฝอยที่เต็มไปด้วยสารปรอทจะถูกใส่เข้าไปในหลอดแก้วที่มีสเกลและสัมผัสกับร่างกายซึ่งจะต้องวัดอุณหภูมิจนกว่าจะถึงสมดุลทางความร้อนและอุณหภูมิของทั้งสองจะเท่ากัน

ต้องใช้อะไรในการทำเทอร์โมมิเตอร์?

ในการเริ่มต้นคุณต้องมีคุณสมบัติทางเทอร์โมเมตริกนั่นคือคุณสมบัติที่แปรผันตามอุณหภูมิ

ตัวอย่างเช่นก๊าซหรือของเหลวเช่นปรอทจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนแม้ว่าจะมีความต้านทานไฟฟ้าเช่นกันซึ่งจะปล่อยความร้อนออกมาเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน กล่าวโดยย่อคือคุณสมบัติทางเทอร์โมเมตริกใด ๆ ที่สามารถวัดได้ง่าย

หากอุณหภูมิ t เป็นสัดส่วนโดยตรงกับคุณสมบัติเทอร์โมเมตริก X ก็สามารถเขียนได้:

โดยที่ k คือค่าคงที่ของสัดส่วนที่จะถูกกำหนดเมื่อตั้งอุณหภูมิที่เหมาะสมสองอุณหภูมิและวัดค่า X ที่สอดคล้องกัน อุณหภูมิที่เหมาะสมทำให้หาได้ง่ายในห้องปฏิบัติการ

เมื่อสร้างคู่ (t ₁ , X ₁ ) และ (t ₂ , X ₂ ) แล้วช่วงเวลาระหว่างพวกเขาจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนเท่า ๆ กันสิ่งเหล่านี้จะเป็นองศา

เครื่องชั่งอุณหภูมิ

การเลือกอุณหภูมิที่จำเป็นในการสร้างมาตราส่วนอุณหภูมินั้นทำขึ้นตามเกณฑ์ที่หาได้ง่ายในห้องปฏิบัติการ หนึ่งในเครื่องชั่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลกคือมาตราส่วนเซลเซียสซึ่งสร้างขึ้นโดย Anders Celsius นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน (1701-1744)

0 ในมาตราส่วนเซลเซียสคืออุณหภูมิที่น้ำแข็งและน้ำเหลวอยู่ในสภาวะสมดุลที่ 1 บรรยากาศของความดันในขณะที่ขีด จำกัด บนจะถูกเลือกเมื่อน้ำของเหลวและไอน้ำอยู่ในสภาวะสมดุลเท่ากันและที่ความดัน 1 บรรยากาศ ช่วงเวลานี้แบ่งออกเป็น 100 องศาซึ่งแต่ละช่วงเรียกว่าองศาเซนติเกรด

นี่ไม่ใช่วิธีเดียวในการสร้างเครื่องชั่งให้ห่างไกลจากมัน มีสเกลอื่น ๆ เช่นสเกลฟาเรนไฮต์ซึ่งมีการเลือกช่วงเวลาด้วยค่าอื่น ๆ และมีมาตราส่วนเคลวินซึ่งมีขีด จำกัด ล่างคือศูนย์สัมบูรณ์

ศูนย์สัมบูรณ์สอดคล้องกับอุณหภูมิที่การเคลื่อนที่ของอนุภาคทั้งหมดในสสารสิ้นสุดลงอย่างสมบูรณ์อย่างไรก็ตามแม้ว่ามันจะเข้ามาใกล้มาก แต่ก็ยังไม่สามารถทำให้สารใด ๆ เย็นลงเป็นศูนย์สัมบูรณ์ได้

ตัวอย่าง

ทุกคนต้องเผชิญกับความร้อนเป็นประจำทุกวันไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม ตัวอย่างเช่นเมื่อคุณดื่มเครื่องดื่มร้อนกลางแดดตรวจสอบอุณหภูมิของเครื่องยนต์ในห้องที่เต็มไปด้วยผู้คนและในสถานการณ์อื่น ๆ อีกมากมาย

บนโลกความร้อนเป็นสิ่งจำเป็นในการรักษากระบวนการของชีวิตทั้งที่มาจากดวงอาทิตย์และสิ่งที่มาจากภายในของดาวเคราะห์

ในทำนองเดียวกันสภาพภูมิอากาศถูกขับเคลื่อนโดยการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศ ความร้อนของดวงอาทิตย์ไม่ได้ไปถึงทุกหนทุกแห่งอย่างเท่าเทียมกันที่ละติจูดเส้นศูนย์สูตรจะไปถึงมากกว่าที่ขั้วดังนั้นอากาศที่ร้อนที่สุดในเขตร้อนจึงเพิ่มขึ้นและเคลื่อนตัวไปทางเหนือและทางใต้เพื่อให้เกิดสมดุลทางความร้อน ที่เคยพูดถึงมาก่อน

ด้วยวิธีนี้กระแสอากาศจะถูกสร้างขึ้นด้วยความเร็วที่แตกต่างกันซึ่งขนส่งเมฆและฝน ในทางกลับกันการปะทะกันอย่างกะทันหันระหว่างอากาศร้อนและอากาศเย็นทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆเช่นพายุทอร์นาโดและเฮอริเคน

ในทางตรงกันข้ามในระดับที่ใกล้ขึ้นความร้อนอาจไม่ได้รับการต้อนรับเหมือนพระอาทิตย์ตกที่ชายหาด ความร้อนทำให้เกิดปัญหาในการทำงานในเครื่องยนต์รถยนต์และโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์

นอกจากนี้ยังทำให้พลังงานไฟฟ้าสูญเสียไปในสายนำและวัสดุขยายตัวซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการบำบัดความร้อนจึงมีความสำคัญในทุกด้านของวิศวกรรม

การออกกำลังกาย

- แบบฝึกหัด 1

ฉลากของขนมอ่านว่าให้ 275 แคลอรี่ ลูกกวาดนี้เทียบเท่ากับพลังงานเท่าไหร่ในจูล?

สารละลาย

ในตอนต้นแคลอรี่ได้รับการกล่าวถึงเป็นหน่วยสำหรับความร้อน อาหารมีพลังงานที่มักจะวัดเป็นหน่วยเหล่านี้ แต่แคลอรี่ในอาหารเป็นกิโลแคลอรี

ความเท่าเทียมกันมีดังต่อไปนี้: 1 kcal = 4186 J และสรุปได้ว่าลูกกวาดมี:

275 กิโลแคลอรี x 4186 จูล / กิโลแคลอรี = 1.15 10 ⁶เจ

- แบบฝึกหัด 2

โลหะ 100 กรัมถูกทำให้ร้อนถึง 100 ° C และวางไว้ในเครื่องวัดความร้อนด้วยน้ำ 300 กรัมที่ 20 ° C อุณหภูมิที่ระบบได้รับเมื่อถึงสภาวะสมดุลคือ 21.44 ° C ระบบจะขอให้คุณกำหนดความร้อนจำเพาะของโลหะโดยสมมติว่าแคลอริมิเตอร์ไม่ดูดซับความร้อน

สารละลาย

ในสถานการณ์เช่นนี้โลหะจะให้ความร้อนซึ่งเราจะเรียกว่า Q ที่_{กำหนด}และเครื่องหมาย (-) นำหน้าเพื่อระบุการสูญเสีย:

ในส่วนของมันน้ำในแคลอริมิเตอร์จะดูดซับความร้อนซึ่งจะแสดงว่า Q ถูกดูดซับ:

พลังงานได้รับการอนุรักษ์ซึ่งเป็นไปตามนั้น:

จากคำสั่งคุณสามารถคำนวณΔT:

สำคัญ: 1 ºCมีขนาดเท่ากับ 1 เคลวิน ความแตกต่างระหว่างสเกลทั้งสองคือสเกลเคลวินเป็นค่าสัมบูรณ์ (องศาเคลวินเป็นบวกเสมอ)

ความร้อนจำเพาะของน้ำที่20ºCคือ 4186 J / kg K และด้วยสิ่งนี้สามารถคำนวณความร้อนที่ดูดซับได้:

เพื่อสรุปความร้อนจำเพาะของโลหะจะถูกล้าง:

อ้างอิง

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. เล่ม 1 McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill
3. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. 6 ^{ta การ}แก้ไขแบบย่อ การเรียนรู้ Cengage
4. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
5. Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. ฉบับที่ 7 เนินเขา Mcgraw