ฟิสิกส์ ม.6 เรียนอะไรบ้าง
ฟิสิกส์ ม.6 เทอม 1
แม่เหล็กและไฟฟ้า
ความร้อนและแก๊ส
ของแข็งและของไหล
แนะนำเนื้อหาบางส่วน คร่าวๆ
แม่เหล็กและไฟฟ้า
แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคใด ๆ ที่มีประจุไฟฟ้า แรงแม่เหล็กไฟฟ้านั้นถูกส่งผ่านโดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ประกอบไปด้วยสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก และเป็นต้นเหตุของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสงแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่ปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน หรือที่เรียกว่า แรง ในธรรมชาติ และมีอีกสามแรงพื้นฐานได้แก่ อันตรกิริยาอย่างเข้มอันตรกิริยาอย่างอ่อน และแรงโน้มถ่วง
แม่เหล็ก คือ สารที่สามารถดูดและผลักกันเองได้ และสามารถดูดสารแม่เหล็กได้ โดยการเหนี่ยวนํา โดยปกติมี 2 ขั้ว คือ ขั้วเหนือ(N) และขั้วใต้(S) แรงที่เกิดขึ้นระหว่างขั้วแม่เหล็ก จะเป็นแรง ปฏิกิริยา คือ มีขนาดเท่ากับทิศตรงข้าม แรงระหว่างขั้วเดียวกันจะเกิดแรงผลัก และแรงระหว่างขัั้วตรงข้ามจะเกิดแรงดึงดูดกัน แม่เหล็ก เป็นสารที่ดึงดูดสารบางอย่างได้ เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์ได้สารที่ถูกแม่เหล็กดูดนี้ เรียกว่า สารแม่เหล็ก สำหรับแม่เหล็กที่เป็นแท่งบริเวณปลายแท่งแม่เหล็กจะแสดงอำนาจดึงดูดมากที่สุด เรียกว่า ขั้วแม่เหล็ก เมื่อแขวนแท่งแม่เหล็กวางตัวในแนวเหนือ – ใต้ ขั้วแม่เหล็กที่ชี้ไปทางทิศเหนือเรียกว่า ขั้วเหนือ ส่วนขั้วแม่เหล็กที่ชี้ไปทางทิศใต้เรียกว่า ขั้วใต้ แท่งแม่เหล็กเล็กๆ เป็นเครื่องมือบอกทิศเหนือ – ใต้ได้ เรียกว่า เข็มทิศ
กระแสไฟฟ้า เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่ง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอะตอมหนึ่ง เป็นอิเล็กตรอนวงนอกสุดหรือวาเลนซ์อิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนวงนี้ สามารถหยุดเป็นอิสระได้ง่ายเนื่องจากเมื่อมีแรงหรือพลังงานที่มีขนาดมากพอ พลังงานที่อิเล็กตรอนวงนี้ได้รับก็จะกระจายไปให้กับอิเล็กตรอนทุกตัวที่อยู่ในชั้นนี้ ถ้าธาตุใดมีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดน้อย เช่นหนึ่งหรือสองตัว แรงหรือพลังงานที่ได้รับก็จะมากทำให้หลุดเป็นอิสระได้ง่าย แต่ถ้าธาตุใดมีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดมาก เมื่อมีแรงหรือพลังงานมากระทำอิเล็กตรอนทุกตัวก็จะเฉลี่ยรับแรงหรือพลังงานทำให้แรงหรือพลังงานลดลงอิเล็กตรอนก็จะไม่หลุดหรือเคลื่อนที่ไปยังอะตอมอื่น ฉะนั้นธาตุใดที่มีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดน้อยจะสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ง่ายซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นตัวนำไฟฟ้าและพวกที่มีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกสุดมากส่วนใหญ่จะเป็นฉนวนไฟฟ้า
ความร้อนและแก๊ส
หน่วยของพลังงานความร้อน
- จุล (joule, J ) เป็นหน่วยของพลังงานกลที่ใช้ในระบบเอสไอ
- 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
- 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
- สเกลองศาเซลเซียส (Celsius, °C) หรือบางที่เรียกว่าองศาเซนติเกรด (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0 เซลเซียส และจุดเดือดเป็น 100 เซลเซียส ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน )
- สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, °K) เป็นหน่วยมาตรฐานในระบบเอสไอ โดยเคลวินนั้นเป็นหน่วยของอุณหภูมิสัมบูรณ์ (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 273.16 เคลวินและจุดเดือดเป็น 373.16 เคลวิน ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน)
ปริมาณความร้อนของวัตถุ
- ความร้อนจำเพาะ (Specific heat ) คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม
- 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
ของแข็งและของไหล
ของไหล ( Fluid)
ของเหลวเป็นสถานะหนึ่งของสสาร มีปริมาตรคงตัว และมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ ส่วนแก๊สซึ่งเป็นอีกสถานะหนึ่งของสสาร มีรูปร่างและปริมาตรไม่คงตัว ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ ทั้งของเหลวและแก๊สสามารถไหลจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งได้ จึงเรียกของเหลวและแก๊สว่า ของไหล (fluid)
ความหนาแน่น
ของไหล
เป็นที่ทราบกันดีแล้วว่า มีการแบ่งประเภทของสสาร โดยพิจารณาจากสถานะของสสารได้ 3 ชนิด คือ ของแข็ง ของเหลวและแก๊สในการศึกษาสภาพของสสารพบว่า ที่อุณหภูมิคงตัว
ของแข็งจะมีรูปร่างและปริมาตรคงตัว เมื่อถูกแรงกระทำไม่มากนัก
ของเหลวจะมีปริมาตรคงตัวและมีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่บรรจุและจะมีปริมาตรลดลงเล็กน้อยเมื่อถูกแรงอัด
แก๊สมีรูปร่างและปริมาตรไม่คงตัว โดยปริมาตรมีขนาดเปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่บรรจุ และเมื่อมีแรงอัดกระทำต่อแก๊ส ปริมาตรของแก๊สจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก นอกจากนี้ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ปริมาตรของแก๊สจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว
เนื่องจากปริมาตรของของเหลวและแก๊สไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุและสามารถไหลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ จึงมีการเรียกของเหลวและแก๊สว่าของไหล (fluid) ในบทเรียนนี้จะเป็นการศึกษาสมบัติต่างๆ ของของไหล ได้แก่ ความหนาแน่น ความดัน แรงดัน ความตึงผิว ความหนืด เป็นต้น
ของเหลวแม้ว่าจะมีรูปร่างไม่แน่นอนตามภาชนะที่บรรจุ แต่จะมีปริมาตรคงที่ค่าหนึ่ง (ที่อาจขึ้นกับอุณหภูมิ) จึงจัดของเหลวเป็นของไหลที่อัดไม่ได้ (Incompressible fluid)
แก๊สหรืออากาศมีปริมาตรที่ไม่แน่นอน เมื่อเปลี่ยนไปสู่ภาชนะที่ใหญ่กว่า ก็สามารถกระจายไปเต็มภาชนะใหม่นั้นได้ จึงจัดแก๊สหรืออากาศเป็นของไหลที่อัดได้(Compressible fluid)
ความหนาแน่น
จากความรู้ในระดับมัธยมศึกษาตอนต้นที่ว่า ความหนาแน่นของสารเป็นสมบัติเฉพาะของสารแต่ละชนิดและเป็นปริมาณที่บอกค่ามวลของสารในหนึ่งหน่วยปริมาตร ถ้าให้ m เป็นมวลของสารที่มีปริมาตร V และ r เป็นความหนาแน่นของสารแล้วสามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ ได้ว่า
ความหนาแน่นเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3)
ตาราง 9.1 ความหนาแน่นของสารบางชนิดที่อุณหภูมิ 0 ℃ และความดัน 1 บรรยากาศ
|
สาร |
ความหนาแน่น (kgm–3) |
สาร |
ความหนาแน่น (kgm–3) |
|
ของแข็ง |
ของเหลว |
||
| ออสเมียม | 22.5 x 103 | ปรอท | 13.6 x 103 |
| ทอง | 19.3 x 103 | น้ำทะเล | 1.024 x 103 |
| ยูเรเนียม | 18.7 x 103 | น้ำ (4 °C) | 1.00 x 103 |
| ตะกั่ว | 11.3 x 103 | เอทิลแอลกอฮอร์ | 0.79 x 103 |
| เงิน | 10.5 x 103 | น้ำมันเบนซิน | 0.68 x 103 |
| ทองแดง | 8.9 x 103 |
แก๊ส |
|
| ทองเหลือง | 8.6 x 103 | ออกซิเจน | 1.429 |
| เหล็ก | 7.86 x 103 | อากาศ | 1.292 |
| อลูมิเนียม | 2.70 x 103 | ไนโตรเจน | 1.251 |
| แมกนีเซียม | 1.74 x 103 | ฮีเลียม | 0.179 |
| แก้ว | (2.4 – 2.8) x 103 | ไฮโดรเจน | 0.090 |
| น้ำแข็ง | 0.917 x 103 | ||
| โฟม | 0.1 x 103 | ||
จากการศึกษาสมบัติของของเหลวพบว่า เมื่ออุณหภูมิคงตัวหรือเปลี่ยนแปลงไม่มาก ถือได้ว่าปริมาตรคงตัว ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงมีค่าคงตัว
ค่าความถ่วงจำเพาะของสาร (Specific gravity)
ค่าความถ่วงจำเพาะของสารหรือเรียกว่า ถ.พ. เป็นปริมาณที่บอกค่าเปรียบเทียบค่าความหนาแน่นของสารใด ๆ กับค่าความหนาแน่นของน้ำหรืออาจเรียกได้อีกอย่างว่า ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ ซึ่งเขียนเป็นความสัมพัทธ์ได้ว่า
การหาค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสาร เช่น ความความหนาแน่นสัมพัทธ์ของทอง โดยพิจารณาจากตาราง 9.1 ทองมีความหนาแน่น 19.3 x 103 kg/m3 ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ของทองหรือ ถ.พ. มีค่าเท่ากับ
ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ 19.3 แสดงว่า ทองมีความหนาแน่นเป็น 19.3 เท่าของความหนาแน่นของน้ำ
ความดันในของเหลว
ความดัน คือ ขนาดของแรงดันที่กระทำตั้งฉากต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ เป็นปริมาณสเกล่าร์ มีหน่วยเป็น N/m2 หรือ Pa
ความดันในของเหลว
P = Pเกจ ซึ่งเป็นความดันเนื่องจากน้ำหนักของเหลว และเป็นค่าที่อ่านได้จากเครื่องวัด มีหน่วยเป็น N/m2 หรือ Pa
Ρ = ความหนาแน่นของของเหลว มีหน่วยเป็น kg/m3
h = ความลึกของของเหลว มีหน่วยเป็น m
* ณ จุดใดๆในของเหลว จะมีแรงเนื่องจากของเหลวไปในทุกทิศทาง
* แรงที่ของเหลวกระทำที่ผิวภาชนะจะตั้งฉากกับผิวภาชนะเสมอ
* ความดันในของเหลวชนิดหนึ่งๆไม่ขึ้นกับปริมาตรและรูปร่างของภาชนะ
* ความดัน ณ จุดใดๆในของเหลว จะแปรผันตรงกับความลึก และ ความหนาแน่นของของเหลว เมื่อของเหลวอยู่นิ่งและอุณหภูมิคงที่
* ถ้าพิจารณาความดันบรรยากาศด้วย จะเรียกว่า ความดันสัมบูรณ์
พิจารณาตัวอย่าง
ช่วง oa แรงกับระยะยืดจะแปรผันตรงต่อกัน และเมื่อแรงกระทำหมดไป สปริงจะคืน
สภาพเดิมได้
ช่วง ab เมื่อแรงกระทำหมดไป สปริงจะคืนสภาพได้ แต่แรงกับระยะยืดไม่แปรผันตรงต่อกัน
ช่วง bc เมื่อแรงกระทำหมดไป สปริงจะไม่คืนสภาพเดิม เมื่อถึงจุด c สปริงจะขาด
แรงเค้น (F) คือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลภายในของแข็งที่เพิ่มขึ้น
ความเค้น (σ) คือ อัตราส่วนระหว่าง แรงเค้น ต่อพื้นที่หน้าตัด
เขียนเป็นสมการจะได้ σ = F/A
เมื่อ σ คือ ความเค้น (N / m2)
F คือ แรงเค้น (N)
A คือ พื้นที่หน้าตัดของเส้นลวด (m2)
ประเภทของความเค้น
1. ความเค้น (stress)
1.1 ความเค้นตามยาว (longitudinal stress)
1.1.1 ความเค้นแบบตึง (tensile stress)
1.1.2 ความเค้นแบบอัด (compressive stress)
1.2 ความเค้นเฉือน(shear stress)
ความเครียด (ε) คือ อัตราส่วนระหว่างความยาวที่เปลี่ยนไปต่อความยาวเดิม
เขียนเป็นสมการจะได ε = ΔL/LO
เมื่อ ε คือ ความเครียดตามยาว
ΔL คือ ความยาวที่เปลี่ยนไป (m)
Loคือ ความยาวเดิม (m)
ค่ามอดูลัสของยัง (Young’ s modulus) !คือ ค่าคงที่ หาได้จากอัตราส่วนของความเค้นต่อ
ความเครียด
เขียนเป็นสมการจะได้ Y = σ/ε
เมื่อ Y = ค่ามอดูลัสของยัง (N/m2)
Y = (F/A) / (ΔL/LO )
2 ความดัน และ แรงดัน ในของเหลว
สมบัติเบื้องต้นของแรงดัน และความดันของของเหลว
1. มีทิศได้ทุกทิศทาง
2. มีตั้งฉากกับผิวสัมผัสกับภาชนะ
ประเภทของความดัน และ แรงดัน
1) ความดัน , แรงดันที่กดก้นภาชนะ
2) ความดัน , แรงดันที่ดันพื้นที่ด้านข้างแรงดัน และ ความดันที่กดก้นภาชนะ
แรงดันที่กดก้นภาชนะ = น้ำหนักของของเหลวส่วนที่อยู่ในแนวตั้งฉากกับพื้นที่นั้น
นั่นคือ F = W = mg
ความดัน = แรงดัน / พื้นที่ก้นภาชนะ
P = F / A
เมื่อ P = ความดัน (N/m2) F = แรงดัน (N) A = พื้นที่ (m2)
พิจารณาตัวอย่าง
กล่องทั้ง 3 รูป มีขนาดเท่ากันบรรจุของเหลวเต็มเหมือนกัน แต่วางคนละแบบกล่องทั้ง 3 จะมีแรงดันของเหลวกดก้นภาชนะเท่ากัน เพราะมีน้ำหนักเท่ากันกล่องใบที่ 3 จะมีความดันของเหลวกดก้นภาชนะมากที่สุด เพราะมีพื้นที่ก้นภาชนะน้อยที่สุด
การหาค่าความดันที่กดก้นภาชนะ อาจใช้สมการ P = ρ gh
เมื่อ P = ความดัน (N/m2)
ρ = ความหนาแน่นของของเหลว (kg/m3)
g = 10 m/s2
h = ความลึกวัดจากผิวของเหลวถึงก้นภาชนะ (m)
โปรดสังเกตว่า สำหรับของเหลวชนิดหนึ่ง ๆความหนาแน่น (ρ) จะคงที่ และ g ก็คงที่ดังนั้น ความดัน (P) จึงแปรผันตรงกับความลึก (h)อย่างเดียว ดังนั้นหากความลึกเท่ากัน ความดันย่อมเท่ากันอย่างแน่นอน
3 ความดันและแรงดันในของเหลว
แรงดัน และความดัน ที่ดันพื้นที่ด้านข้างภาชนะ
Pข้าง = (Pบนสุด+ Pล่างสุด) / 2หรือ Pข้าง = ρ ghcm
เมื่อ Pข้าง คือ ความดันที่ดันพื้นที่ด้านข้าง (N/m2)
ρ คือ ความหนาแน่นของของเหลว (kg/m3)
g คือ 10 m/s2
hcm คือ ความลึกวัดจากผิวของเหลวถึงจุดกึ่งกลางพื้นที่ด้านข้างนั้น (m)
และ Fข้าง = Pข้าง ⋅ Aข้าง
เมื่อ F ข้าง คือ แรงที่ดันพื้นที่ด้านข้าง (N)
Pข้าง คือ ความดันที่ดันพื้นที่ด้านข้าง (N/m2)
Aข้าง คือ พื้นที่ด้านข้างภาชนะ (m2)
4 กฎของปาสคาล
กฎของปาสคาล
กล่าวว่า “ถ้ามีของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) บรรจุอยู่ภาชนะที่อยู่นิ่ง เมื่อให้ความดันเพิ่มเข้าไปแก่ของไหล ณ ตำแหน่งใด ๆ ความดันที่เพิ่มขึ้นจะถ่ายทอดไปทุก ๆจุดในของเหลวนั้น”
A W= a F
เมื่อ W = น้ำหนักที่ยกได้ (N)
F = แรงที่ใช้กด (N)
A = พื้นที่หน้าตัดกระบอกสูบใหญ่
a = พื้นที่หน้าตัดกระบอกสูบเล็ก
การได้เปรียบเชิงกลทางปฏิบัติ (M.A.ปฏิบัติ) = W / F
การได้เปรียบเชิงกลทางทฤษฎี (M.A.ปฏิบัติ) = A / a
จริงๆแล้ว M.A.ปฏิบัติ ควรจะเท่ากับ M.Aทฤษฎีแต่ในธรรมชาติ M.Aปฏิบัติ จะน้อยกว่า M.Aทฤษฎี เสมอ
ประสิทธิภาพเชิงกล (Eff) ={(M.A.ปฎิบัติ)/(M.A.ทฤษฎี)}x 100% = {(W/F ) / (A/a)}x 100%
5 แรงลอยตัว และหลักของอาร์คีมิดีส
ตามรูป วัตถุที่จมอยู่ในของเหลว จะถูกแรงดันของ ของเหลวกระทำในทุกทิศทาง พิจารณาเฉพาะแนวดิ่ง แรง F2 จะมีค่ามากกว่าF1 เพราะ F2 อยู่ลึกกว่า ดังนั้น เมื่อหาแรงลัพธ์ (F2 – F1) จะได้แรงลัพธ์ที่มีค่าไม่เป็นศูนย์ อยู่ในทิศขึ้น แรงลัพธ์นี้เรียก แรงลอยตัว
หลักของอาร์คีมิดิส
“ แรงลอยตัวจะมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวซึ่งมีปริมาตรเท่ากับปริมาตรของวัตถุส่วนจม ”
พิจารณา แรงลอยตัว = น้ำหนักของของเหลว
FB= m g ของเหลว และ m = ρ v
FB= ρของเหลว v ของเหลว g และ vของเหลว = v วัตถุส่วนจม
FB = ρของเหลว v วัตถุส่วนจม g
เมื่อ FB = แรงลอยตัว ρ = ความหนาแน่น [kg/m3] v = ปริมาตร [m3]
6 แรงตึงผิว และแรงหนืด
แรงตึงผิว คือ แรงซึ่งพยายามจะยึดผิวของของเหลวเอาไว้ มิให้ผิวของเหลวแยกออกจากกัน
สมบัติของแรงตึงผิว
1) มีทิศขนานกับผิวของของเหลว
2) มีทิศตั้งฉากกับผิวสัมผัส
วิธีการหาค่าแรงตึงผิว ให้นำห่วงลวดวงกลมเบา ไปวางแปะที่ผิวของเหลวนั้น แล้วค่อย ๆออกแรงยกทีละน้อย แรงซึ่งพอดียกห่วงลวดออกมาได้จะเท่ากับแรงตึงผิว
ความตึงผิว คืออัตราส่วนระหว่างแรงตึงผิว ต่อระยะที่วัตถุสัมผัสของเหลว
เขียนเป็นสมการจะได้ γ = L F
เมื่อ γ คือ ความตึงผิว (N/m)
F คือ แรงตึงผิว (N)
L คือ ระยะที่วัตถุสัมผัสของเหลว (m)
แรงหนืด (viscous force) คือ แรงต้านทานการเคลื่อนที่ของวัตถุภายในของเหลวนั้น
ความหนืด (viscosity) คือ สมบัติการมีแรงหนืด แรงต้านการเคลื่อนที่ของของเหลวนั้น
สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับความหนืดของของเหลว
1) ของเหลวที่มีความหนืดน้อยจะไหลได้เร็วกว่า ของเหลวที่มีความหนืดมาก
2) ของเหลวที่มีความหนืดมากจะมีแรงต้านการคนมากกว่าของเหลวที่มีความหนืดน้อย
3) หากนำวัตถุเล็ก ๆ หย่อนลงในของเหลว ในของเหลวที่มีความหนืดมากกว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าการเคลื่อนที่ในของเหลวที่มีความหนืดน้อย
การทดลองเกี่ยวกับแรงหนืดที่น่าสนใจ
ในช่วงแรก แรงหนืด + แรงลอยตัว < mg
ดังนั้น mg – (แรงหนืด + แรงลอยตัว) # 0
จาก ΣF = ma เมื่อมีแรงลัพธ์ที่ไม่เป็นศูนย์ จึงมีความเร่งเกิดขึ้น
ในช่วงหลัง วัตถุเคลื่อนเร็วขึ้น แรงหนืดจะมากขึ้นและสุดท้าย แรงหนืด + แรงลอยตัว = mg
ดังนั้น mg – (แรงหนืด + แรงลอยตัว) = 0
จาก ΣF = ma เมื่อมีแรงลัพธ์เป็นศูนย์ ความเร่งจึงเป็นศูนย์ด้วย
7 พลศาสตร์ของไหล
สมบัติของของไหล (ของเหลว, ก๊าซ) ในอุดมคติ
1) ของไหลมีอัตราการไหลอย่างสม่ำเสมอ หมายถึง ความเร็วของทุก ๆ อนุภาคณ ตำแหน่งหนึ่งมีค่าเท่ากัน
2) ของไหลมีการไหลโดยไม่หมุน
3) ของไหลมีการไหลโดยไม่มีแรงต้านเนื่องจากความหนืดของของไหล
4) ของไหลไม่สามารถอัดได้ มีปริมาตรคงที่ ไม่ว่าไหลผ่านบริเวณใด ยังคงมีความหนาแน่นเท่าเดิม
อัตราการไหล
“ ผลคูณระหว่างพื้นที่หน้าตัดซึ่งของเหลวไหลผ่านกับอัตราเร็วของไหลที่ผ่าน ไม่ว่าจะ
เป็นตำแหน่งใดในหลอดการไหลมีค่าคงที่ ”
นั่นคือ AV = ค่าคงที่ (อัตราการไหล , Q)
และ Q = AV
และ A1V1 = A2V2
เมื่อ Q คือ อัตราการไหล (m3 / s)
A1 , A2 คือ พื้นที่หน้าตัดจุดที่ 1 และจุดที่ 2 ตามลำดับ
V1 , V2 คือ ความเร็วของไหล ณ จุดที่ 1 และจุดที่ 2 ตามลำดับหลักของแบร์นูลลี
กล่าวว่า “ เมื่อของไหลเคลื่อนที่ในแนวระดับ หากอัตราเร็วมีค่าเพิ่มขึ้น ความดันในของ
เหลวจะลดลงและเมื่ออัตราเร็วลดลงความดันในของเหลวจะเพิ่มขึ้น ”
สมการของแบร์นูลลี
เนื่องจาก “ ผลรวมความดัน พลังงานจลน์ต่อปริมาตรและพลังงานศักย์ต่อปริมาตรทุก ๆ จุดภายในท่อที่ของไหล ไหลผ่านจะมีค่าคงที่ ”
นั่นคือ P + 21 ρv2 + ρgh = ค่าคงที่
และ P1 + 212 ρ v1 + ρgh1 = P2 + 2212 ρ v + ρgh2
เมื่อ P1 , P2 คือ ความดันของเหลวในท่อ ณ. จุดที่ 1 และ จุดที่ 2 ตามลำดับ (N/m2)
v1 , v2 คือ อัตราเร็วของไหล ณ.จุดที่ 1 และ จุดที่ 2 ตามลำดับ (m/s)
h1 , h2 คือ ความสูงจากพื้นถึงจุดศูนย์กลางท่อที่ 1 และ จุดที่ 2 ตามลำดับ (m)
ρ คือ ความหนาแน่นของของเหลว
สมบัติของของเหลว
1. มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยกว่าของแข็ง
2. มีการจัดเรียงอนุภาคไม่เป็นระเบียบ และมีที่ว่างระหว่างอนุภาคเล็กน้อย ทำให้อนุภาคของของเหลวมีอิสระในการเคลื่อนที่ได้มากกว่าของแข็ง แต่ไม่แยกจากกัน ของเหลวจึงไหลได้
3. รูปร่างของของเหลวจะเปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ และมีปริมาตรคงที่ที่อุณหภูมิและความดันคงที่
4. ของเหลวสามารถแพร่ได้ ถ้านำของเหลว 2 ชนิดมาผสมกัน เช่น หยดน้ำหมึกลงในแก้วน้ำ ในตอนแรกจะสังเกตเห็นว่าเฉพาะน้ำรอบ ๆ หยดน้ำหมึกจะกลายเป็นสีของหมึก เมื่อเวลาผ่านไประยะเลาหนึ่งน้ำที่มีสีของน้ำหมึกจะมีขอบเขตกว้างขึ้น และในที่สุดน้ำทั่วทั้งภาชนะจะมีสีเดียวกับสีน้ำหมึก ที่เป็นเช่นนี้เพราะโมเลกุลของน้ำหมึกแพร่กระจายปะปนไปกับโมเลกุลของน้ำ นั่นคือ ของเหลวสารมารถแพร่ได้
