อุณหภูมิและความร้อน (Temperature and Thermal )
อุณหภูมิ (Temperature) คือค่าตัวเลขที่มีความสัมพันธ์กับระดับพลังงานจลน์ภายในอะตอมในระบบองศาสัมบูรณ์ (Absolute Temperature) ระดับพลังงานที่อุณหภูมิิ 0 เคลวิน (-273C) อะตอมไม่มีพลังงานอยู่เลย ดังนั้นอนุภาคทุกอย่าง
ภายในอะตอมหยุดนิ่ง แม้กระทั่งอิเล็กตรอนก็ไม่โคจรรอบนิวเคลียส แต่เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจนมีระดับอุณหภูมิสูงขึ้น อิเล็กตรอนก็จะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสและยกระดับชั้นวงโคจรสูงขึ้น ถ้าหากอะตอมได้รับพลังงานจนมีระดับอุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก อิเล็กตรอนอาจจะยกตัวหลุดจากวงโคจรกลายเป็นประจุ (Ion) อย่างไรก็ตามพื้นผิวโลกและชั้นบรรยากาศที่เราอยู่อาศัยมีอุณหภูมิประมาณ 139 – 331 เคลวิน (-89C ถึง 58 C) ที่ระดับพลังงานขนาดนี้ อะตอมจะไม่อยู่อย่างโดดเดี่ยวแต่จะเกาะตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” (Heat)
พลังงานความร้อน (Heat energy) เป็นการวัดพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมดของสสาร แตกต่างจากอุณหภูมิซึ่งเป็นการวัดค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์ซึ่งเกิดขึ้นจากโมเลกุลแต่ละตัว ดังนั้นเมื่อเราใส่พลังงานความร้อนให้กับสสาร โมเลกุลของมันจะสั่นสะเทือนหรือเคลื่อนที่เร็วขึ้นทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดพลังงานความร้อน โมเลกุลของสสารจะสั่นสะเทือนหรือเคลื่อนที่ช้าลงทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง หากเราต้มน้ำใส่ถ้วย 1 ถ้วย และหม้อ 1 ใบ ในเตาอบเดียวกัน แล้วทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น น้ำในภาชนะทั้งสองต่างมีอุณหภูมิเท่ากัน แต่น้ำในถ้วยมีพลังงานความร้อนน้อยกว่าน้ำในหม้อ เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละโมเลกุล
ในปัจจุบันสเกลอุณหภูมิที่นิยมใช้มี 3 ระบบ ดังนี้
- องศาฟาเรนไฮต์
ปี ค.ศ.1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Gabrial Fahrenheit) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ซึ่งบรรจุปรอทไว้ในหลอดแก้ว เขาพยายามทำให้ปรอทลดต่ำสุด (0°F) โดยใช้น้ำแข็งและเกลือผสมน้ำ เขาพิจารณาจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 32°F และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 212°F ปัจจุบันสเกลฟาเรนไฮต์เป็นที่นิยมแต่ในประเทศสหรัฐอเมริกา - องศาเซลเซียส
ปี ค.ศ.1742 แอนเดอส์ เซลเซียส (Anders Celsius) นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ออกแบบสเกลเทอร์มอมิเตอร์ให้อ่านได้ง่ายขึ้น โดยมีจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 0°C และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100°C สเกลเซลเซียสจึงได้รับความนิยมใช้กันทั่วโลก อย่างไรก็ตามทั้งสเกลฟาเรนไฮต์และเซลเซียสอ้างอิงอยู่กับจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำ ซึ่งเป็นสิ่งที่ใช้ทั่วไปในชีวิตประจำวัน - องศาสัมบูรณ์
ในคริสศตวรรษที่ 19 ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและอุณหภูมิว่า ณ อุณหภูมิ -273°C อะตอมไม่มีพลังงาน และไม่มีอุณหภูมิใดต่ำไปกว่านี้ เขาจึงกำหนดให้ 0 K = -273°C (ไม่ต้องใช้เครื่องหมาย ° กำกับหน้าอักษร K) เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ศึกษาความสัมพันธ์และการถ่ายเทพลังงานของสสาร ดังนั้นในวงการวิทยาศาสตร์จึงนิยมใช้สเกลองศาสัมบูรณ์ มากกว่าองศาฟาเรนไฮต์และองศาเซลเซียส
ความสัมพันธ์ของสเกลอุณหภูมิ
ระยะสเกลฟาเรนไฮต์ = 212 °F – 32 °F = 180 °F
ระยะสเกลเซลเซียส = 100 °C – 0 °C = 100 °C
สเกลทั้งสองแตกต่างกัน = 180/100 = 1.8
ดังนั้นความสัมพันธ์ของทั้งสองสเกลคือ
°F = (1.8 X °C) + 32
°C = (°F -32) / 1.8
ตัวอย่างที่ 1: อุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ 98.6°F คิดเป็นองศาเซลเซียสและองศาสัมบูรณ์ได้เท่าไร
องศาเซลเซียส = (°F -32) / 1.8
= (98.6 -32) / 1.8
= 37°C
องศาสัมบูรณ์ = 37+ 273 K
= 310 K
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส
ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส เป็นทฤษฎีที่พยายามอธิบายสมบัติต่างๆ ของแก๊สโดยศึกษาจากทิศทางเคลื่อนที่ของโมเลกุล แก๊สและลักษณะของโมเลกุลแก๊ส
ในช่วงแรก การเริ่มศึกษาทฤษฎีนี้โดยเจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ นับเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาอุณหพลศาสตร์ในมุมมองจุลภาค คือศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน อุณหภูมิ และการเคลื่อนที่ของอะตอม โดยใช้กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันโดยตรง. แทนที่จะเป็นการศึกษาอุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมที่ทำกันในมุมมองของระดับมหภาค คือการศึกษาความสัมพันธ์ของค่าเฉลี่ยของคุณสมบัติต่าง ๆ ในระบบที่สามารถวัดได้ เช่น ความดัน หรือปริมาตร. ความสำเร็จของทฤษฎีนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นเริ่มเชื่อว่า อะตอม มีอยู่จริง
การใช้ทฤษฎีจลน์อธิบายสมบัติของแก๊ส
ทฤษฎีจลน์ของแก๊สสามารถใช้อธิบายสมบัติของแก๊สในเรื่องที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร และจำนวนโมเลกุล (หรือโมล) ของแก๊สได้
ทำไมแก๊สจึงมีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับภาชนะที่บรรจุ
ตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สทราบว่าโมเลกุลของแก๊สนั้นมีขนาดเล็กมาก ไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันและกัน ดังนั้นไม่ว่าจะบรรจุแก๊สไว้ในภาชนะใดก็ตาม โมเลกุลของแก๊สก็จะเคลื่อนที่แพร่กระจายเต็มพื้นที่ภาชนะที่บรรจุ จึงทำให้แก๊สนั้นมีรูปร่างเหมือนภาชนะที่บรรจุ และแก๊สนั้นจะมีปริมาตรเท่าภาชนะที่บรรจุด้วย
ทำไมแก๊สจึงมีความดัน
ตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สกล่าวว่าโมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอยู่ตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วคงที่เกิดการชนกันเองและชนผนังภาชนะอยู่ตลอดเวลา การที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะอยู่ตลอดเวลา ทำให้เกิดแรงดัน และผลรวมของแรงดันทั้งหมดที่มีต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่เรียกว่า ความดันของแก๊ส
ทำไมปริมาตรของแก๊สจึงแปรผกผันกับความดัน เมื่ออุณหภูมิและจำนวนโมลคงที่ (กฎของบอยล์)
ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราเร็วเฉลี่ยของแก๊สชนิดเดียวกันจะมีค่าคงที่ และที่อุณหภูมิคงที่แก๊สทุกชนิดมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน มาอธิบาย ดังนั้น จากความสัมพันธ์ที่ว่า เมื่ออุณหภูมิคงที่ ปริมาตรของแก๊สแปรผกผันกับความดัน คือเมื่อปริมาตรของแก๊สลดลง ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้น และเมื่อปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น ความดันของแก๊สจะลดลง อธิบายได้ว่า การลดปริมาตรแล้วทำให้ความดันเพิ่มขึ้น เพราะการลดปริมาตรโดยอุณหภูมิคงที่ถึงแม้ว่าโมเลกุลของแก๊สจะมีความเร็วเฉลี่ยและพลังงานจลน์เฉลี่ยคงที่ แต่โมเลกุลของแก๊สจะชนผนังภาชนะบ่อยครั้งขึ้นจึงเกิดแรงดันมากขึ้น ทำให้ความดันของแก๊สเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม ถ้าเพิ่มปริมาตรทำให้ความดันลดลง เพราะการเพิ่มปริมาตร ทำให้โมเลกุลของแก๊สชนผนังภาชนะด้วยความถี่ลดลงแรงดันจึงลดลงทำให้ความดันของแก๊สลดลง
ทำไมความดันของแก๊สจึงแปรผันตรงกับจำนวนโมล หรือจำนวนโมเลกุลของแก๊สเมื่ออุณหภูมิและปริมาตรคงที่
เนื่องจากโมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลมีการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอยู่ตลอดเวลาในอัตราเร็วเฉลี่ยคงที่เมื่ออุณหภูมิคงที่ ดังนั้นเมื่อเพิ่มจำนวนโมเลกุล จะทำให้โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะบ่อยครั้งขึ้น เป็นเหตุให้เกิดแรงดันมากขึ้น ในทางตรงกันข้าม ถ้าลดจำนวนโมเลกุลของแก๊ส จะทำให้โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ชนผนังภาชนะด้วยความถี่ลดลง ทำให้แรงดันลดลง นั้นคือความดันของแก๊สลดลง
แบบจำลองของแก๊ส
ในการศึกษาสมบัติต่างๆ ของแก๊ส โดยอาศัยข้อมูลจากการทดลองแล้วนำมาสร้าง แบบจำลองของแก๊ส (gas model) เพื่ออธิบายปรากฎการณ์ต่างๆ ของแก๊ส โดยแบบจำลองที่สร้างขึ้นมามีสมมุติฐานดังนี้
1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ ที่เรียกว่า โมเลกุลเป็นจำนวนมาก และปริมาตรของแต่ละโมเลกุล มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับปริมาตรแก๊สทั้งหมด
2. โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลมีการเคลื่อนที่อย่างไร้ระเบียบที่เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบกราวน์ (Brownian motion) คือ เปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ตลอดเวลา เมื่อเกิดการชนกันเองระหว่างโมเลกุลของแก๊สหรือชนกับผนังภาชนะ
3. การชนของโมเลกุลของแก๊สเป็นการชนแบบยืดหยุ่น
จากแบบจำลองของแก๊สที่สร้างขึ้นมานี้ สามารถนำไปอธิบายสมบัติและปรากฎการณ์ต่างๆ ของแก๊สได้ เช่น การเปลี่ยนแปลงของแก๊สตามกฎของบอยล์ หรือ กฎของชาร์ล ซึ่งเป็นคำอธิบายในทางทฤษฎี โดยแบบจำลองของแก๊สถือว่าโมเลกุลของแก๊สมีการเคลื่อนที่จึงเรียกทฤษฎีนี้ว่า ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (kinetic theory of gas)
-ขอบคุณ https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7250-heat และ http://www.lesa.biz
