2304101 1 (file

เอกสารประกอบการบรรยาย: วิชา 2304101 ฟิสิกส์ทั่วไป 1 (ชีวภาพ) ครั้งที่ 7/ปลายภาค ภาคการศึกษาต้น พ.ศ. 2552

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย วันที่ 17 สิงหาคม พ.ศ. 2552

สารบัญ

1 ความร้อน 1

1.1 ความร้อนกับอุณหภูมิ . . . 1

2 การขยายตัวตามอุณหภูมิของของแข็ง 2

3 อุณหภูมิกับสมบัติของแก๊สเชิงมหภาค 4

1 ความร้อน

1.1 ความร้อนกับอุณหภูมิ

ความร้อนกับอุณหภูมิ

ความร้อน (Heat) คือ การถ่ายเทพลังงาน ณ ที่ที่มีอุณหภูมิต่างกัน มีหน่วยเป็น จูล (Joule, J)

• 1 แคลอรี่ ความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 กรัม อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส = 4.186 J

• 1 BTU ความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 ปอนด์ อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮด์ = 0.252 kcal = 1055 J

อุณหภูมิ (Temperature) คือ สิ่งที่บอกปริมาณความร้อนของสสาร

F = 9

5C+ 32^o C =K−273.15

สมดุลความร้อน

อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamic) คือ การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานความร้อนกับ พลังงานจลน์

กฎข้อที่ศูนย์ : ถ้ามีระบบสองระบบที่ต่างก็อยู่ในสภาวะสมดุลความร้อนกับระบบที่สามแล้ว ระบบทั้งสองก็จะอยู่ในสภาวะสมดุลความร้อนซึ่งกันและกันด้วย

ตัวอย่าง เช่น การวัดอุณหภูมิของของเหลวสองชนิดแล้วมีค่าเท่ากัน แสดงว่าของเหลวทั้งสอง อยู่ในสภาวะสมดุลความร้อน

2 การขยายตัวตามอุณหภูมิของของแข็ง

การขยายตัวเชิงเส้น

atT

L

ΔL atT0

L0

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น (α) นิยามจาก α≡ ∆L/L₀

∆T

∆L=αL₀∆T L=L₀(1 +α∆T)

ตัวอย่าง

เหล็กรองสะพานหนึ่งยาว 200 ม. ที่อุณหภูมิ 20^o C ถ้าอุณหภูมิของอากาศอยู่ระหว่าง -30^o C ถึง 40^o C จะต้องเผื่อช่องสำหรับยืดหดตัวของเหล็กนี้เท่าใด ให้ α= 12×10⁻⁶(^oC)⁻¹

สะพานยืดตัวสูงสุดที่อุณหภูมิ 40^o C จะได้

การขยายตัวเชิงพื้นที่

a b

Δa Δb

A=ab

A+ ∆A= [a(1 +α∆T)]

×[b(1 +α∆T)]

A A +∆A

A = ab(1 + ∆T)² A

∆A

A = 2α∆T+ (α∆T)²

≈2α∆T

เมื่อ ∆T ประมาณ -100^oC การขยายตัวเชิงปริมาตร

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงพื้นที่(β) นิยามจาก β ≡ ∆V /V₀

∆T

= 3α

เมื่อ ∆T ประมาณ -100^oC

ทำไมน้ำที่ใต้ผิวน้ำจึงไม่แข็งในเขตหนาว

จากกราฟ พบว่าน้ำที่อุณหภูมิ 4^oC มีความหนาแน่นมากที่สุด (ไม่เป็นไปตามกฎการขยายตัวตาม อุณหภูมิ) ทำให้น้ำที่อุณหภูมิดังกล่าวจมลงที่ด้านล่าง

3 อุณหภูมิกับสมบัติของแก๊สเชิงมหภาค

กฎของชาร์ลส์และเกย์ลุสแสค

ปริมาตรของแก๊สแปรผันกับอุณหภูมิ เมื่อความดันคงที่

V

T = คงที่

กฎของบอยล์

ความดันของแก๊สแปรผกผันกับปริมาตร เมื่ออุณหภูมิคงที่

O V

P

P V = คงที่

การขยายตัวของปอด

0 mmHg

-10 mm Hg

0 mmHg

pneumothorax

กรณีที่อากาศภายในปอดออกไม่ได้เมื่อกระบังลมเคลื่อนที่ขึ้นเรียกว่า Valsalva maneuver กฎรวมของแก๊ส

P V

T = คงที่

V

n = คงที่ ; n= กิโลกรัมโมลของแก๊ส P V =nRT;R= 8.314×10³ Nm/mol · K กฎความดันย่อยของดาล์ตัน

พิจารณาแก๊สผสมที่มีจำนวนแก๊สชนิดต่างๆ เป็น n1, n2, n3, . . . P = ^nRT_V = ⁿ¹_V^RTn2_V^RT +. . .

P =P1+P2+P3+· · ·+Pk

P₁ = ⁿ_n¹P;P₂ = ⁿ_n²P, . . .;ⁿ_n^k = mole fraction

กฎความดันย่อยของดาล์ตัน (Dalton’s law of partial pressure) ความดันไอน้ำอิ่มตัว

การทำให้อากาศแห้งทำให้ลดความดันไอน้ำอิ่มตัวดังกล่าว ดังนั้นที่ความดัน 1 บรรยากาศ P_total=P_atm−P_w

PO2 = 0.16(760−47) = 114 mm Hg ความดันย่อยกับการหายใจ

จากกฎความดันย่อยของดาล์ตัน

ความดันอากาศเปลี่ยน ความดันของออกซิเจนเปลี่ยน ระบบหายใจของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะเกิดผลกระทบเมื่อ

40 mm Hg < P_O2 < 2 atm

ความดันของแก๊สเมื่อดำน้ำ = ความดันน้ำ + 1 atm อากาศประกอบด้วยออกซิเจน 21 % ไนโตรเจน 78 % แก๊สอื่นๆ อีก 1 %

ที่ความดันสูงๆ แก๊สไนโตรเจนจะละลายเข้าสู่เลือดและกล้ามเนื้อได้ดี เกิดอาการ Nitrogen Narcosis

การขึ้นจากน้ำอย่างเร็วทำให้ไนโตรเจนในเลือดและกล้ามเนื้อกลายเป็นไอ เกิดอาการ Decom- pression sickness

ตัวอย่าง

จากการสังเกตพบว่าแก๊สไนโตรเจนจะมีผลต่อร่างกายขณะดำน้ำเมื่อไนโตรเจนมีความดันย่อยเป็น 3.9 atm จงหาว่านักดำน้ำจะดำน้ำได้ลึกเท่าใดจึงจะไม่อันตราย

จากกฎความดันย่อยของดาล์ตัน

PN2 = 0.78Ptotal

P_total = _0.78^3.9 = 5 atm

ที่ตำแหน่งดังกล่าว น้ำมีความดันเท่ากับ 5-1 = 4 atm

ความดันของน้ำจะเปลี่ยนไป 1 atm เมื่อน้ำลึก 10 เมตร ดังนั้น นักดำน้ำจะดำไปลึกได้เพียง 4 × 10

= 40 เมตร