ใบความรู้ เอกสารประกอบการเรียนฟิสิกส์ เรื่อง ความร้อน

1. 1
รายวิชา ฟสิกสพื้นฐานและเพิ่มเติม 3 ผลการเรียนที่คาดหวังที่ 5
ใบความรู 5
รหัสวิชา ว 40203 ระดับชั้น ม. 5 ใชประกอบแผนจัดการเรียนรูที่ 5
ความรอน และการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ
ความรอน (Thermal)

ความรอนเปนพลังงานรูปหนึ่งที่เปลี่ยนมาจากพลังงานรูปอื่น เชน พลังงานไฟฟา พลังงานกล
(พลังงานศักยและ พลังงานจลน) พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร หรืองาน เปนตน
พลังงานความรอนมีหนวยเปนจูล (Joule, J ) ในระบบเอสไอ (SI) แตบางครั้งอาจบอกเปนหนวย
อื่นได เชน แคลอรี (cal) และบีทียู (BTU)
องศาเซลเซียส (℃) ในชวง 14.5 ℃ ถง 15.5 ℃
พลังงานความรอน 1 แคลอรี คือ พลังงานความรอนที่ทําใหน้ํามวล 1 กรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1
 ึ
องศาฟาเรนไฮต (℉) ในชวง 58.1 ℉ ถง 59.1 ℉
พลังงานความรอน 1 บีทียู คือ พลังงานความรอนที่ทําใหน้ํามวล 1 ปอนด มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1
 ึ
จากการทดลองพบวา
1 cal = 4.186 J
1 BTU = 252 cal = 1055 J
อุณหภูมิ (Temperature )
นักวิทยาศาสตรไดกําหนดวา อุณหภูมิ คือ ปริมาณที่แปรผันโดยตรงกับพลังงานจลนเฉลี่ยของแกส
การที่เราจะบอกวาวัตถุใดรอนมากหรือนอย เราสามารถบอกไดดวยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุที่มีระดับความ
รอนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุที่มีระดับความรอนนอยจะมีอุณหภูมิต่ํา ดังนั้นถาเราเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาสัมผัส
วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ํา พลังงานความรอนจะถูกถายโอนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ํา จนวัตถุทั้ง
สองมีอุณหภูมิเทากัน
1. สเกลองศาเซลเซียส (Celsuis, ℃ ) หรือบางที่เรียกวาองศาเซนติเกรด (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุด
อุปกรณที่ใชวัดอุณหภูมิเรียกวา เทอรโมมิเตอร เทอรโมมิเตอรมีหลายชนิด เชน
เยือกแข็งของน้ําเปน 0 เซลเซียสและจุดเดือดเปน 100 เซลเซียส ระหวางจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบงเปน
100 สวนเทาๆ กัน )
2. สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, K) เปนหนวยของอุณหภูมิสัมบูรณ (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือก
แข็งของน้ําเปน 273.16 เคลวินและจุดเดือดเปน 373.16 เคลวิน ระหวางจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบงเปน
100 สวนเทาๆ กัน ) ## หนวยเคลวินเปนหนวยมาตรฐานในระบบเอสไอ
ความสัมพันธระหวางอุณหภูมิหนวย เซลเซียส ฟาเรนไฮต โรเมอร และเคลวิน ตามลําดับ
จากรูป เปนเทอรโมมิเตอร 4 อัน ตางชนิดกัน
วัดอุณหภูมิของวัตถุชนิดเดียวกัน จะไดความสัมพันธ
= = =
𝐶𝐶 𝐹𝐹−32 𝑅𝑅 𝐾𝐾−273
ดังนี้
100 180 80 100
𝐶𝐶 𝐹𝐹 − 32 𝑅𝑅 𝐾𝐾 − 273
หรือ
= = =
5 9 4 5

2. 2
ปรมาณความรอนของวตถุ (HEAT, Q)
ิ  ั
เปนพลังงานความรอนที่วัตถุรับเขามาหรือคายออกไป จากการ ศึกษาผลของความรอนตอสสาร
หรือวัตถุในชั้นนี้จะศึกษาเพียงสองดาน คือ
1. ความรอนจําเพาะ ( Specific heat ) หมายถึง พลังงานความรอนที่ทําใหวัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือ
ต่ําลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม
2. ความรอนแฝง (Latent Heat) หมายถึง พลังงานความรอนที่ทําใหวัตถุเปลี่ยนสถานะโดยท่ีอุณหภูมิ

ยังคงท่ี
ความจความรอน ( Heat capacity,C ) คือความรอนที่ทําใหสารทั้งหมดที่กําลังพิจารณามีอุณหภูมิ
ุ 
เปลี่ยนไปหนึ่งหนวย โดยสถานะไมเปลี่ยน
ถาใหปริมาณความรอน ∆Q แกวัตถุ ทําใหอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป ∆T ดังนั้นถาอุณหภูมิของวัตถุ
𝐶𝐶 =
∆𝑄𝑄
เปลี่ยนไป 1 หนวย จะใชความรอน C คอ ื
∆𝑇𝑇
มีหนวยเปน จูล/ เคลวิน (J/K)
ความจความรอนจาเพาะ (Specific Heat Capacity, c ) คือความรอนที่ทําใหสาร(วัตถุ) มวลหนึ่ง
ุ  ํ
𝑐𝑐 =
∆𝑄𝑄
หนวยมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งองศาเคลวิน คือ
𝑚𝑚 ∆𝑇𝑇
ความจุความรอนจําเพาะของสาร(J/kg-K)
นั่นคือ เมื่อสารมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มจาก T1 เปน T2�
และความจุความรอนจําเพาะมีคาคงตัว ความรอนที่สาร
�
𝑄𝑄 = 𝐶𝐶∆𝑇𝑇 หรือ 𝑄𝑄 = 𝑚𝑚𝑚𝑚∆𝑇𝑇
ไดรับ คือ
ตารางที่ 1 แสดงความจุความรอนจําเพาะของสารที่อุณหภูมิหองและที่ความดันบรรยากาศ
วัสดุ ความจความรอนจาเพาะของสาร(J/kg K)
ุ  ํ
อะลูมิเนียม 900
ทองแดง 390
เหล็ก 450
ตะกั่ว 130
ปรอท 140
หนออน
ิ  860
เอทานอล 2,500
น้ํา 4,186
รางกายมนุษย 3,500
ตัวอยางที่ 1 จงหาพลังงานความรอนที่ทําใหน้ํามวล 500 กรัม ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียสมีอุณหภูมิ
สูงขึ้นเปน 50 องศาเซลเซียส
วิธีทํา m = 500 g = 0.5 kg
จากตาราง น้ํามีคา c = 4,186 J/kg K
∆T = T2 - T1 = (50 - 25) = 25 °K
∆Q = mc∆T
= 0.5 x 4,186 x 25
= 52,325 J
คาตอบ ความรอนที่ตองการคือ 52,325 จูล
ํ

3. 3
ความรอนแฝง (Latent Heat) คือ ปริมาณความรอนที่ทําใหวัตถุเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่

ความรอนแฝงจําเพาะ (Specific Latent Heat, L ) คือความรอนที่ทําใหสาร(วัตถุ) มวลหนึ่งหนวย
เปลี่ยนสถานะไปจนหมด เชน น้ําที่ความดัน 1 บรรยากาศ ความรอนที่ทําใหน้ําแข็ง 1 กิโลกรัม อุณหภูมิ 0
องศาเซลเซียส หลอมเหลวกลายเปนน้ําหมดที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส จะใชความรอน 333 กิโลจูล
ดังนั้น ความรอนแฝงจําเพาะของการหลอมเหลวของน้ํา คือ Lf
Lf = 333 kJ/kg
และที่ความดัน 1 บรรยากาศ ความรอนที่ทําใหน้ํา 1 กิโลกรัม อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส
กลายเปนไอน้ําหมดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส จะใชความรอน 2256 กิโลจูล
ดังนั้น ความรอนแฝงจําเพาะของในการกลายเปนไอของน้ํา คือ Lv
Lv = 2256 kJ/kg
𝑄𝑄 = 𝑚𝑚𝑚𝑚
นั่นคือ ถาให Q คือความรอนที่ทําใหสาร(วัตถุ) มวล m เปลี่ยนสถานะหมดคือ
การเปลี่ยนสถานะของสาร
สารและสิ่งของที่อยูรอบตัวเราพบวามีอยู 3 สถานะ คอ ของแขง(น้ําแข็ง) ของเหลว(น้ํา) และ
ื ็
แกส(ไอนา) ได
 ํ้
I. ของแข็ง แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมีคามาก ทําใหโมเลกุลอยูใกลกัน จึงทําใหรูปทรงของของแข็งไม
เปลี่ยนแปลงมากเมื่อมีแรงขนาดไมมากนักมากระทํา ตามคําจํากัดความนี้ เหล็ก คอนกรีต กอนหิน เปนของแข็ง
II. ของเหลว แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมีคานอย โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ไปมาไดบาง จึงทําใหรูปทรงของ
ของเหลวเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่ที่บรรจุ น้ํา น้ํามัน ปรอท เปนของเหลว
III. แกส แรงดึงดูดระหวางโมเลกุลมีคานอยมาก จนโมเลกุลของแกสอยูหางกันมากและเคลื่อนที่ได
สะเปะสะปะ ฟุงกระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ เชนอากาศและแกสชนิดตางๆ
รูป แสดงการเปลี่ยนสถานะของน้ําเมื่อไดรับความรอน
ถาเรานําน้ําแข็งที่อุณหภูมิ -20 ℃ ที่ความดันบรรยากาศ 1 บรรยากาศ ความรอนทําใหน้ําแข็งมีการ
1. น้ําแข็งที่อุณหภูมิ -20 ℃ กลายเปนน้ําแข็ง 0 ℃ (เปนคา c ของน้ําแข็ง)
เปลี่ยนแปลงเปนชวงๆ คือ
2. น้ําแข็ง 0 ℃ ละลายกลายเปนน้ํา 0 ℃
3. น้ํา 0 ℃ อุณหภูมิสูงขึ้นจนเปนน้ํา 100 ℃ (เปนคา c ของน้ํา )
4. น้ํา 100 ℃ เดือดกลายเปนไอน้ํา 100 ℃

4. 4
คายความร้อน คายความร้อน คายความร้อน
ที่มาของภาพ http://www.myfirstbrain.com/thaidata/image.asp?ID=1654594
ตัวอยางที่ 2 จงหาปริมาณความรอนที่ทําใหน้ําแข็งมวล 250 กรัมอุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส กลายเปนน้ํา
หมด และสุดทายน้ํา 50 กรัม เดือดกลายเปนไอ
น้ําแข็งละลายหมดกลายเปนน้ํา 0 ℃ ตองการความรอน
วิธีทํา มวลน้ําแข็ง 250 g = 0.25 kg
Q1 = mLf
= 0.25 x 333
น้ํา 0 ℃ กลายเปนน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน
= 83.25 kJ
Q2 = mc∆T
= 0.25 x 4.2 x 100
น้ํา 10 กรัม หรือ 0.01 กิโลกรัม ที่ 100 ℃ เดือดเปนไอน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน
= 105 กิโลจูล
Q3 = mLv
= 0.05 x 2256
= 112.8 kJ
ความรอนทั้งหมดที่ตองใช Q = Q1 + Q2 + Q3
= 83.25 + 105 + 112.8
= 301.05 kJ
คาตอบ ความรอนที่ตองการคือ 301.05 กิโลจูล
ํ
น้ําแข็งอุณหภูมิ 0 ℃ มวล 70 กรัม ลงในภาชนะจากนั้นปดภาชนะดวยฉนวนอุณหภูมิสุดทายภายในภาชนะ
ตัวอยางที่ 3 กอนอะลูมิเนียมมวล 200 กรัม อุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส อยูในภาชนะที่เปนฉนวน เมื่อเท
เปนเทาใด (ใหคิดวาภาชนะใหหรือรับความรอนนอยมาก)
1.) น้ําแข็งละลายไมหมด ดังนั้นอุณหภูมิสุดทาย t = 0 ℃
วิธีทํา เหตุการณที่อาจเกิดขึ้นไดในภาชนะ 4 รูปแบบคือ
2.) น้ําแข็งละลายหมด แตอุณหภูมิของอะลูมิเนียมสูงกวา 0 ℃ ทําใหน้ํามีอุณหภูมิสูงขึ้น แตไมเดือด
ดังนั้นอุณหภูมิสุดทายอยูระหวาง 0 ℃ กบ 100 ℃ คอ 0 < t < 100
3.) น้ําบางสวนเดือด อุณหภูมิสุดทาย t = 100 ℃
ั ื
4.) น้ําเดือดหมด และกอนอะลูมิเนียม อุณหภูมิสุดทาย t > 100 ℃
ดังนั้นเราตองคํานวณความรอนทีละชวงคือ
พิจารณา ความรอนที่น้ําแข็งมวล 0.07 kg ละลายหมดตองการความรอน
Q1 = mLf = .07 x 333000 = 23310 J
พิจารณา ความรอนที่กอนอะลูมิเนียม 0.2 kg คายออกมาจนมีอุณหภูมิเปน 0 oC คอ ื
Q2 = mc∆T = 0.2 x 900 x 300 = 54000 J
พิจารณา ความรอนที่น้ํา 0 oC กลายเปนน้ํา 100 oC ความรอนที่ตองการ คือ

5. 5
Q3 = mc∆T = 0.07 x 4200 x 100 = 29400 J
เมื่อพิจารณาความรอนของน้ําและอะลูมิเนียมแลวไดผลดังนี้
นั่นคือ ดังนั้นอุณหภูมิสุดทายอยูระหวาง 0 ℃ กบ 100 ℃ คอ 0 < t < 100
(Q1 + Q3 ) < Q2
ั ื
จากกฏการอนุรักษพลังงาน
Q1 + mc(t - 0) = mAlcAl(300 - t)
64.7 ℃
23310 + 0.07 x 4200 x t = 0.2 x 900(300 - t)
t =
ตอบ อุณหภูมิผสมสุดทายของน้ําและอะลูมิเนียมเทากับ 64.7 องศาเซลเซียส
ตัวอยางที่ 4 จงหาพลังงานความรอนที่ทําใหน้ําแข็งมวล 100 กรัม อุณหภูมิ -20 ℃ หลอมละลายกลายเปน
20 ℃ กลายเปนน้ําแข็ง 0 ℃ ตองการความรอน
น้ําหมด น้ํา และน้ํามีอุณหภูมิสูงจนเดือดเปนไอหมดที่ความดัน 1 บรรยากาศ
วิธีทํา น้ําแข็ง -
Q1 = mc∆T = 0.100 x 2.1(0 - (-20))
= 4.2 กิโลจูล
น้ําแข็งละลายหมดกลายเปนน้ํา 0 ℃ ตองการความรอน
มวลน้ําแข็ง 100 g = 0.100 kg
Q2 = mLf = 0.100 x 333
น้ํา 0 ℃ กลายเปนน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน
= 33.3 kJ
Q3 = mc∆T
= 0.100 x 4.2 x 100
น้ํา 10 กรัม หรือ 0. 1 กิโลกรัม ที่ 100 ℃ เดือดเปนไอน้ํา 100 ℃ ตองการความรอน
= 42 กิโลจูล
Q4 = mLv
= 0.100 x 2256
= 225.6 kJ
ความรอนทั้งหมดที่ตองใช Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
= 4.2 + 33.3 + 42 + 225.6
= 305.1 kJ
คาตอบ ความรอนที่ตองการคือ 305.1 กิโลจูล
ํ
การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความรอน
วัตถุโดยทั่วไปเมื่อไดรับความรอนจะขยายตัว การขายตัวของวัตถุจะขึ้นอยูกับรูปรางลักษณะของวัตถุเชน
วัตถุที่มีความยาวมีลักษณะเปนเสนหรือแทงยาว จะมีการขยายตัวตามเสน (การขยายตัวตามยาว) วัตถุที่เปนแผน
จะมีการขยายตัวตามพื้นที่ วัตถุที่มีรูปรางเปนปริมาตรจะมีการขยายตัวตามปริมาตร ในทางกลับกันถาวัตถุสูญเสีย
ความรอนก็จะหดตัว

6. 6
ที่มาของภาพ http://www.thaiceramicsociety.com/images/ch_heat-3.jpg
สมบัติที่สําคัญๆ เกี่ยวกับการขยายของของแข็ง ไดแก
1. ของแข็งตางชนิดกัน ถาเดิมมีความยาวเทากัน เมื่อรอนขึ้นเทากันจะมีสวนขยายตัวเพิ่มขึ้นไมเทากัน
2. ของแข็งชนิดเดียวกัน ถาเดิมมีความยาวเทากัน เมื่อรอนขึ้นเทากันจะมีสวนขยายตัวเพิ่มขึ้นเทากัน
3. การขยายตัวของวัตถุเปนเรื่องที่สําคัญมากในทางวิศวกรรม เชน การวางเหล็กรางรถไฟ การขึงสาย
ไฟฟาแรงสูงเปนตน
การถายโอนความรอน (Heat Transfer)
 
ความรอนจะถายโอนหรือสงผานจากวัตถุที่มีระดับความรอนสูง(อุณหภูมิสูง) ไปสูวัตถุที่มีระดับความรอนต่ํา
(อุณหภูมิต่ํา) การถายโอนความรอนมี 3 แบบ คือ
1. การนํา (Conduction) เปนการถายโอนพลังงานความรอนผานตัวกลางซึ่งโดยมากจะเปนพวกโลหะ
ตางๆ เชน เราเอามือไปจับชอนโลหะที่ปลายขางหนึ่งแชอยูในน้ํารอน มือเราจะรูสึกรอน เพราะความรอนถูก
สงผานจากน้ํารอนมายังมือเราโดยมีชอนโลหะเปนตัวนําความรอน
2. การพา (Convection) เปนการถายโอนความรอนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของตัวกลางเปนตัวพา
ความรอนไปจากบริเวณที่มีระดับความรอนสูง(อุณหภูมิสูง) ไปสูบริเวณที่มีระดับความรอนต่ํา(อุณหภูมิต่ํา) เชน
เวลาตมน้ําความรอนจากเตาทําใหน้ําที่กนภาชนะรอนมันจะขยายตัวทําใหมีความหนาแนนนอยกวาน้ําดาน บนจึง
ลอยตัวสูงขึ้นสวนน้ําดานบนอุณหภูมิต่ํากวาความหนาแนนมากก็จะจมลงมาแทนที่ การหมุนวนของน้ําทําใหเกิด
การพาความรอน
3. การแผรังสี (Radition) เปนสงพลังงานความรอนที่อยูในรูปคลื่นแมเหล็กไฟฟา(รังสีอินฟราเรด) ดังนั้น
จึงไมตองอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เชนการแผรังสีความรอนจากดวงอาทิตยมายังโลก โดยทั่วไปวัตถุที่แผรังสี
ไดดีก็จะรับ(ดูดกลืน)รังสีไดดีดวย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกวาวัตถุดํา( Black Body) วัตถุดําไมมีในธรรมชาติ มีแตในอุดม
คติ ดังนั้นวัตถุที่มีลักษณะใกลเคียงวัตถุดําคือ วัตถุที่มีสีดํา ในทางกลับกันวัตถุขาวจะ ไมดูดกลืนรังสีและ ไมแผรังสี
ที่ตกกระทบ มีแตในอุดมคติเทานั้น
ที่มาของภาพ http://www.fao.org/docrep/008/y7223e/y7223e0d.jpg