Introducing 

Prezi AI.

Your new presentation assistant.

Refine, enhance, and tailor your content, source relevant images, and edit visuals quicker than ever before.

Loading…
Transcript

บทที่ 18

ความร้อนและทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

ความร้อน

ความร้อนเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งซึ่งสามารถถ่ายโอนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่แหล่งที่มีอุณหภูมิต่ากว่า สามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นๆ หรือเปลี่ยนจากพลังงานรูปแบบอื่นๆ มาเป็นความร้อนก็ได้

ความร้อน

สสารใดๆ เมื่อได้รับความร้อนอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ 2 แบบคือ

1. อาจมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสสารนั้นๆ

2. อาจมีการเปลี่ยนแปลงสถานะของสสารนั้นๆ

การคำนวณหาค่าพลังงานความร้อนนั้น อาจแบ่งเป็น 2 กรณี

ย่อย ได้แก่

กรณีที่ 1 การหาความร้อนที่ใช้เปลี่ยนอุณหภูมิของสสาร หาค่าได้จากสมการ

เมื่อ = ความร้อน ( จูล )

m = มวล ( กิโลกรัม )

C = ค่าความจุความร้อน ( จูล / เคลวิน )

c = ค่าความร้อนจา เพาะ ( จูล / กิโลกรัม . เคลวิน )

และ c = m C

= อุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ( K หรือ oC )

สูตรสมการ

กรณีที่ 2 การหาความร้อนที่ใช้เปลี่ยนสถานะของสสาร (ความร้อนแฝง) หาค่าได้จาก

เมื่อ = ความร้อนแฝง (จูล)

m = มวลของสารที่เปลี่ยนสถานะไป (กิโลกรัม)

L = ค่าความร้อนแฝงจา เพาะ (จูล/กิโลกรัม)

แก๊สอุดมคติ คือแก๊สที่ประพฤติตนเป็นไปตามทฤษฏีทุกประการ แก๊สในธรรมชาติจริงจะไม่สามารถประพฤติตนให้เป็นไปตามทฤษฏีได้อย่าง

สมบูรณ์แบบ แก๊สในธรรมชาติจะประพฤติตนให้ใกล้เคียงทฤษฏีได้

ในสภาวะอุณหภูมิสูง และความดันต่า เท่านั้น

สมบัติของแก๊สจากการทดลอง

กฎของบอยส์ กล่าวว่า " เมื่ออุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผก

ผันกับความดันของแก๊สนั้น " จากกฎข้อนี้จะได้สมการ

P1V1 = P2V2

เมื่อ P1 , P2 = ความดันตอนแรก และตอนหลัง ( atm , N/m2 , Pascal , … )

V1 , V2 = ปริมาตรตอนแรก และตอนหลัง ( m3 , cm3 , Lit , … )

* ควรระวัง สูตรนี้ใช้ได้เมื่ออุณหภูมิ และมวลแก๊สคงที่

แก๊สอุดมคติ

กฎของชาล์ล กล่าวว่า " เมื่อความดัน และมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สใดๆ จะ

แปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน " จากกฎข้อนี้จะได้สมการ

เมื่อ V1 , V2 = ปริมาตรตอนแรก และตอนหลัง ( m3 , cm3 , Lit , … )

T1 , T2 = อุณหภูมิเคลวินตอนแรก และตอนหลัง ( K )

* ควรระวัง สูตรนี้ใช้ได้เมื่อ ความดัน และมวลแก๊สคงที่

กฎรวมของแก๊ส

เมื่อนำกฎของบอยล์ และกฎของชาล์ล มารวมกันจะได้กฎรวมของแก๊ส คือ

ควรระวัง สูตรนี้ใช้ได้เมื่อมวลของแก๊สมีค่าคงที่เท่านั้น

กฎรวมของแก๊ส

หากมวลของแก๊สไม่คงที่ ต้องใช้สมการ

เมื่อ m1 , m2 = มวลตอนแรก และตอนหลัง ( g , kg , … )

n1 , n2 = จา นวนโมลแก๊สตอนแรก และตอนหลัง ( โมล )

N1 , N2 = จา นวนโมเลกุลแก๊สตอนแรก และตอนหลัง ( โมเลกุล )

หากมีความหนาแน่นของแก๊สมาเกี่ยวข้อง ต้องใช้สมการ

เมื่อ = ความหนาแน่นตอนแรก และตอนหลัง

( kg/m3 , g/cm3 , … )

P V = n R T ( กฎของแก๊สอุดมคติ )

เมื่อ T = อุณหภูมิเคลวิน ( K )

R = ค่าคงตัวแก๊ส ( เป็นค่าคงที่ มีค่าได้หลายแบบ )

n = จำนวนโมลแก๊ส ( โมล )

จำนวนโมลแก๊สอาจหาค่าได้จาก

เมื่อ g = มวลแก๊สในหน่วยเป็นกรัม

M = มวลโมเลกุล

N = จา นวนโมเลกุล

กฏของแก๊สอุดมคติ

เมื่อ P คือความดันแก๊สในหน่วย นิวตัน/เมตร2 ( N/m2 )

V คือปริมาตรแก๊สในหน่วย ลูกบาศก์เมตร ( m3 )

N คือจา นวนโมเลกุล ( โมเลกุล )

kB = 1.38 x 10–23 J /mol .K ( ค่าคงตัวโบลตช์ มันน์ )

T คืออุณหภูมิเคลวิน ( K )

1) แก๊สประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมากทุกโมเลกุล

มีลักษณะเป็นก้อนกลมที่มีขนาดเท่ากัน มีความยืดหยุ่นสูง ดังนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะชนผนังและกระดอนแบบยืดหยุ่น

2) ถือว่าปริมาตรรวมของโมเลกุลทุกตัวน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับปริมาตรของแก๊สทั้งภาชนะ จึงสามารถตัดปริมาตรของโมเลกุลทิ้งไปได้

3) ไม่มีแรงใดๆ กระทาต่อโมเลกุลไม่ว่าจะเป็นแรงผลัก

หรือแรงดูด หรือแม้กระทั่งแรงโน้มถ่วงโลกที่กระทำ ต่อโมเลกุลด้วย

4) โมเลกุลทุกโมเลกุลจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง

แบบสับสนไร้ทิศทาง และอาจเปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่ได้

หากไปชนใส่ผนังภาชนะหรือชนกับโมเลกุลแก๊สด้วยกันเอง เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์เนียน

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สเป็นดังสมการต่อไปนี้

สูตรสมการ

เมื่อ P คือความดันแก๊ส ( N/m2 )

V คือปริมาตรแก๊ส ( m3 )

N คือจา นวนโมเลกุลแก๊ส ( โมเลกุล )

m คือมวลของแก๊ส 1 โมเลกุล ( kg )

v2 คืออัตราเร็วกา ลังสองเฉลี่ยของโมเลกุลแก๊ส ( m/s2 )

Ek คือพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊ส ( J )

ปกติแล้วโมเลกุลแก๊สแต่ละโมเลกุลจะเคลื่อนที่ ตลอดเวลา และเนื่องจากอัตราเร็วของโมเลกุลแก๊สแต่ละโมเลกุลจะมีค่าไม่

เท่ากัน

ดังนั้นหากจะกล่าวถึงอัตราเร็วของโมเลกุลแก๊สจึงต้องทำ การหาค่าเฉลี่ยของอัตราเร็วมาใช้อัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลแก๊สจะเรียกชื่อพิเศษเป็นอัตราเร็วรากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย ( Vrms ) ซึ่งหาค่าได้จากสมการ

อัตราเร็วของ

โมเลกุลแก๊ส

เมื่อ Vrms = อัตราเร็วรากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย ( m/s )

T = อุณหภูมิ ( K )

R = 8.31 N.m / mol.K

kB = ค่านิจของโบลต์ชมันน์ = 1.38 x 10–23 N.m / mol.K

P = ความดันแก๊ส ( N/m2 )

 = ความหนาแน่น ( kg/m3 )

m = มวลแก๊ส 1 โมเลกุล ( kg ) = มวลโมเลกุล x 1.66 x 10–27 kg

M = มวลแก๊ส 1 โมล ( kg ) = มวลโมเลกุล x 10–3 kg

ปกติแล้วโมเลกุลแก๊สแต่ละโมเลกุลจะเคลื่อนที่ด้วย

ความเร็วขนาดหนึ่งตลอดเวลา ดังนั้น

แต่ละโมเลกุลแก๊สจะมีพลังงานจลน์ขนาดหนึ่งด้วย แต่เนื่องจากแต่ละโมเลกุลจะมีพลังงานจลน

ไม่เท่ากัน ดังนั้นหากจะกล่าวถึงพลังงานจลน์ของโมเลกุลแก๊สจึง

ต้องหาค่าเฉลี่ยมาใช้ ซึ่งหาค่าได้จากสมการ

พลังงานจลน์โมเลกุลแก๊ส และพลังงาน

ภายในระบบ

เมื่อ Ek คือพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊ส ( J )

( มีค่าเป็นพลังงานจลน์ของแก๊ส 1 โมเลกุล )

KB = 1.38 x 10–23 N.m / mol.k

T คืออุณหภูมิ ( K )

P คือความดัน ( N/m2 )

V คือปริมาตร ( m3 )

N คือจา นวนโมเลกุลแก๊ส (โมเลกุล )

เมื่อปริมาตรแก๊สมีการเปลี่ยนแปลง จะทา ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของงานของระบบด้วย

งานที่เปลี่ยนแปลงนี้สามารถหาค่าได้จากสมการ

สูตรสมการ

เมื่อ คืองานของระบบที่เปลี่ยนแปลง ( J )

P คือความดันแก๊ส ( N/m2 )

คือปริมาตรที่เปลี่ยนแปลง ( m3 )

n คือจา นวนโมลแก๊ส ( โมล )

R = 8.31 J / mol.K

คืออุณหภูมิของแก๊สที่เปลี่ยนไป ( K หรือ oC )

พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลแก๊ส ( Ek )

จะมีค่าเท่ากับพลังงานจลน์ของโมเลกุลแก๊สเพียง 1 โมเลกุลเท่านั้น หากเป็นพลังงานจลน์รวมของทุกโมเลกุลรวมกัน

จะเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า พลังงานภายในระบบ ( U ) ซึ่งสามารถหาค่าได้จาก

เมื่อ U คือพลังงานภายในระบบ ( พลังงานจลน์รวมของทุกโมเลกุลแก๊ส ) ( J )

n คือจา นวนโมลแก๊ส ( โมล )

R = 8.31 J / mol . K

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ( T ) หรือความดัน ( P ) หรือปริมาตรแก๊ส ( V )

จะทาให้พลังงานภายในระบบ ( U ) เปลี่ยนแปลงไปด้วย เราสามารถหาค่าพลังงานภายใน

ระบบที่เปลี่ยนไปได้จากสมการต่อไปนี้

สูตรสมการ

เมื่อ คือพลังงานภายในระบบที่เปลี่ยนไป ( J )

N คือจา นวนโมเลกุล

KB = 1.38 x 10–23 J / mol.K

คืออุณหภูมิที่เปลี่ยนไป ( K หรือ oC )

n คือจา นวนโมล ( โมล )

R = 8.31 J / mol.K

P1 , P2 คือความดันแก๊สตอนแรกและตอนหลัง ( N/m2 ) ตามลา ดับ

V1 , V2 คือปริมาตรแก๊สตอนแรกและตอนหลัง ( m3 ) ตามลา ดับ

เมื่อปริมาตรแก๊สมีการเปลี่ยนแปลง จะทา ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของงานของระบบด้วย

งานที่เปลี่ยนแปลงนี้สามารถหาค่าได้จากสมการ

เมื่อ คืองานของระบบที่เปลี่ยนแปลง ( J )

P คือความดันแก๊ส ( N/m2 )

คือปริมาตรที่เปลี่ยนแปลง ( m3 )

n คือจา นวนโมลแก๊ส ( โมล )

R = 8.31 J / mol.K

คืออุณหภูมิของแก๊สที่เปลี่ยนไป ( K หรือ oC )

สูตรสมการ

เมื่อเราทำให้พลังงานความร้อนของแก๊สมีการเปลี่ยนแปลง มักจะทาให้พลังงานภายในระบบ และงานของระบบเกิดการเปลี่ยนแปลงไปด้วย และจากกฎการอนุรักษ์พลังงานจะได้ว่า พลังงานความร้อนที่เปลี่ยนแปลง จะเท่ากับผลรวมของพลังงานภายในระบบที่เปลี่ยน แปลง กับงานของระบบที่เปลี่ยนไป

เมื่อ คือความร้อน ( จูล )

คือพลังงานภายในระบบที่เปลี่ยนแปลง ( จูล )

คืองานของระบบที่เปลี่ยนแปลง ( จูล )

Learn more about creating dynamic, engaging presentations with Prezi