ความร้อนและแคลอรีเมตรี
ความร้อนไหลจากวัตถุร้อนกว่าไปหาเย็นกว่าเสมอ ไม่มีทางกลับกัน จนทั้งคู่ถึงอุณหภูมิเดียวกัน ต้องใช้พลังงานเท่าใดขึ้นกับสามอย่าง สารปริมาณเท่าไร ทำจากอะไร และต้องการเปลี่ยนอุณหภูมิมากแค่ไหน
สูตร
Q = m · c · ΔT
- Q — พลังงานความร้อน (J): พลังงานที่ถ่ายเข้าหรือออกจากวัตถุในรูปความร้อน
- m — มวล (kg): มีสารอยู่เท่าใดที่กำลังถูกอุ่นหรือทำให้เย็น
- c — ความร้อนจำเพาะ (J/(kg·K)): พลังงานที่ต้องใช้อุ่นวัสดุหนึ่งกิโลกรัมขึ้นหนึ่งเคลวิน
- ΔT — การเปลี่ยนอุณหภูมิ (K): ผลต่างระหว่างอุณหภูมิสุดท้ายกับต้นแรก
ตัวอย่างที่แก้ไข
ต้องใช้พลังงานความร้อนเท่าใดจะอุ่นน้ำ 2 kg ให้ร้อนขึ้น 5 เคลวิน (ความร้อนจำเพาะของน้ำ ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40,000 J
ทดสอบความเข้าใจของคุณ
แทนที่จะเป็น 2 kg ตอนนี้มีน้ำ 4 kg และยังอยากเพิ่มอุณหภูมิ 5 เคลวิน ต้องใช้พลังงานความร้อนเท่าไร
- 40,000 J
- 160,000 J
- คำตอบที่ถูกต้อง: 80,000 J
ถูกต้อง! การเพิ่มมวลเป็นสองเท่าทำให้พลังงานที่ต้องการเพิ่มเป็นสองเท่า: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80,000 J
กลับไปที่น้ำ 2 kg แต่ตอนนี้อยากเพิ่มอุณหภูมิ 10 เคลวินแทนที่จะเป็น 5 ต้องใช้พลังงานความร้อนเท่าไร
- คำตอบที่ถูกต้อง: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
ถูกต้องเลย — การเพิ่มการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นสองเท่าทำให้พลังงานเพิ่มเป็นสองเท่า: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80,000 J
พบเห็นได้ที่ไหน
บ่ายวันเดียวกัน ทรายชายหาดลวกเท้าคุณขณะที่ทะเลยังเย็นชืด — น้ำหนึ่งกิโลกรัมดูดกลืนความร้อนราว 4000 จูลต่อเคลวิน หลายเท่าของที่ทรายต้องการ ทะเลจึงอุ่นขึ้นอย่างช้า ๆ ตลอดทั้งฤดู ส่วนช้อนโลหะในซุปร้อน ๆ แสดงให้เห็นอีกด้านหนึ่ง ความร้อนจำเพาะต่ำ อุณหภูมิจึงแกว่งเร็ว
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
ความสับสนที่ฝังลึกที่สุดคือคิดว่าความร้อนกับอุณหภูมิเป็นสิ่งเดียวกัน — อุณหภูมิคือความเร็วเฉลี่ยที่โมเลกุลเคลื่อนที่ ความร้อนคือพลังงานที่กำลังถ่ายเทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง และอัตราแลกเปลี่ยนระหว่างสองสิ่งนี้ก็คือสิ่งที่กฎข้อนี้บอก Q = m · c · ΔT จากนั้นให้จับตาความเป็นสัดส่วน มวลเป็นสองเท่าพลังงานก็เป็นสองเท่า (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40,000 J กลายเป็น 80,000 J ที่ 4 kg) และการเพิ่มการเปลี่ยนอุณหภูมิเป็นสองเท่าก็เช่นเดียวกัน วัสดุต่างชนิดกันจ่ายในอัตราที่ต่างกันจริง ๆ
เชื่อมโยงอย่างไร
กฎแก๊สอุดมคติบอกคุณแล้วว่าอุณหภูมิของแก๊สกำหนดความดันของมันอย่างไร ส่วนนี่คือตารางราคาของการเปลี่ยนอุณหภูมิเสียเอง — มวล วัสดุ และการเปลี่ยนแปลง คูณออกมาเป็นผลลัพธ์เดียว ถัดไปเครื่องจักรความร้อนจะพยายามพาการไหลของความร้อนนั้นหมุนวนเป็นวัฏจักรแล้วสกัดงานออกมา และมันจะสนใจอย่างยิ่งว่าต้องใช้ความร้อนไปเท่าไร