แบบจำลองอนุภาคของสสาร
ทุกสิ่งเป็นอนุภาค พลังงาน, ระยะห่าง และการเคลื่อนที่ของพวกมันอธิบายสถานะของสาร, การให้ความร้อนและการทำความเย็น, และเหตุผลที่สะพานต้องมีช่องว่าง หัวข้อที่สี่ของ OxfordAQA สร้างโมเดลและทำให้เป็นปริมาณ: ความจุความร้อนจำเพาะ, (P) ความร้อนแฝง, การระเหย, การออกแบบการถ่ายโอนพลังงาน และการขยายตัวจากความร้อน
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, หัวข้อ 3.4 (เวอร์ชัน 5.1). ข้อความที่ติด (P) เป็นเฉพาะPaper-2-เท่านั้น
ทฤษฎีจลน์
ค่าความร้อนจำเพาะ c คือพลังงานที่ใช้ในการยกอุณหภูมิ 1 kg ของสารขึ้น 1 °C:
Worked check. Heating 1.5 kg of water ($c = 4200$) by 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.
ตัวอย่างวิธีทำ (วัด $c$). เครื่องทำความร้อนกำลัง 50 W อุ่นบล็อกอลูมิเนียมมวล 2.0 kg เป็นเวลา 600 วินาที, และอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 15 °C. พลังงานเข้า $= P \times t = 50 \times 600 = 30\,000$ J, ดังนั้น $c = \dfrac{E}{m \Delta\theta} = \dfrac{30\,000}{2.0 \times 15} = 1000$ J/(kg °C). ค่าที่ยอมรับได้ประมาณ 900 J/(kg °C): บางพลังงานใช้ทำความร้อนอากาศ ทำให้ค่าที่วัดได้สูงกว่าจริง. การห่อหุ้มฉนวนบล็อคจะทำให้ค่าใกล้เคียงมากขึ้น.
(P) การเปลี่ยน สถานะ ต้องใช้พลังงานโดย ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ: ความร้อนแฝงของการระเหย $E = m \times L_V$ (ของเหลว → ไอน้ำ) และ ความร้อนแฝงของการหลอมละลาย $E = m \times L_F$ (ของแข็ง → ของเหลว) สารเจือปนจะจุดหลอมละลายและจุดเดือดที่ต้องการปฏิบัติ (P): กราฟความเย็นสำหรับกรดสเตียริก
ตัวอย่างวิธีทำ (P) (สองขั้นตอน). ต้องใช้พลังงานเท่าไหร่เพื่อเปลี่ยน 0.10 kg ของน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0 °C เป็นน้ำที่อุณหภูมิ 20 °C? ($L_F = 334\,000$ J/kg, $c = 4200$ J/(kg °C).)
- การหลอมเหลวที่ 0 °C: $E = mL_F = 0.10 \times 334\,000 = 33\,400$ J.
- การให้ความร้อนน้ำ: $E = mc\Delta\theta = 0.10 \times 4200 \times 20 = 8400$ J.
รวม $= 33\,400 + 8400 = 41\,800$ J. การละลายน้ำแข็งต้องใช้พลังงานมากกว่า 4 เท่าของการทำให้น้ำร้อนขึ้น 20 °C
การถ่ายโอนพลังงานและการเคลื่อนที่ของอนุภาค
การนำความร้อน ถ่ายทอดพลังงานไปตามของแข็งผ่านการสั่นสะเทือนของอนุภาค ช่วยโดย อิเล็กตรอนอิสระ ในโลหะ;ฉนวนไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ได้ ทำให้การถ่ายทอดพลังงานด้วยการสั่นสะเทือนช้ากว่า การพาความร้อน เป็นระบบหมุนเวียนของไหล: อนุภาคได้รับพลังงาน ขยายตัวออก ไหลมีความหนาแน่น น้อยลงและลอยขึ้น ไหลเย็นจะจมลง การระเหย เปลี่ยนโมเลกุลบนพื้นผิวที่มีพลังงานสูงให้เป็นไอ ทำให้สิ่งที่เหลืออยู่เย็นลง — เร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พื้นที่ผิวกว้าง ลมพัด และความชื้นต่ำ; การควบแน่น เป็นกระบวนการตรงข้าม
อัตราการถ่ายโอนพลังงานจากการให้ความร้อนเพิ่มขึ้นตามพื้นที่ผิวและปริมาตร วัสดุ ผิวสัมผัส และ ผลต่างอุณหภูมิ การออกแบบตามนี้: ฟินระบายความร้อนเพิ่มพื้นที่; ขนาดหูสัมพัทธ์ของสัตว์สอดคล้องกับสภาพภูมิอากาศ วัสดุส่วนใหญ่ ขยายตัว เมื่อได้รับความร้อน — อันตรายต่อหลังคาและสะพาน (ช่องว่างและลูกกลิ้ง) มีประโยชน์ใน เทอร์โมสตัทแถบโลหะสองชนิด ที่บิดตัวเมื่อโลหะชนิดหนึ่งขยายตัวมากกว่าและตัดวงจร
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- การใช้ค่าอุณหภูมิสุดท้ายแทน การเปลี่ยนแปลง อุณหภูมิใน $E = mc\Delta\theta$
- การใช้มวลเป็นกรัม $c$ และ $L$ เป็นต่อหนึ่งกิโลกรัม
- (P) การใช้ $E = mc\Delta\theta$ ในขณะที่สารกำลังละลายหรือระเหย อุณหภูมิจากนั้นจะไม่เปลี่ยน ให้ใช้ $E = mL$
- (P) อ่านส่วนราบของกราฟการเย็นตัวว่าเป็น "ไม่มีการเปลี่ยนแปลง" สารกำลังเปลี่ยนสถานะและปล่อยพลังงานออก
- บอกว่าโลหะรู้สึกเย็นเพราะมันหนาวกว่า จริงๆ แล้วเป็นสื่อความร้อนที่ดีจึงดูดซับพลังงานจากมือคุณได้เร็วกว่า
- บอกว่าความร้อนลอยขึ้น ของไหลร้อนลอยขึ้นเพราะมันขยายตัวและมีความหนาแน่นลดลง
- บอกว่าการระเหยต้องรอให้ของเหลวเดือด เกิดขึ้นได้ทุกอุณหภูมิ จากพื้นผิว และทำให้ของเหลวที่เหลืออยู่เย็นลง
ตรวจสอบความเข้าใจของคุณเอง
- อธิบายการจัดเรียงอนุภาคในของเหลว
- นิยามค่าความร้อนจำเพาะ
- คำนวณพลังงานเพื่อให้ความร้อน 2 kg ของอลูมิเนียม (c = 900) ขึ้น 30 °C
- (P) ทำไมอุณหภูมิจึงคงที่ขณะสารกำลังแข็งตัว?
- (P) 0.5 kg ของสารมี L_F = 330 000 J/kg. คำนวณพลังงานเพื่อหลอมละลายมัน
- อธิบายการนำความร้อนในโลหะ โดยระบุตัวพาพลังงานเพิ่ม
- อธิบายว่าทำไมน้ำอุ่นจึงลอยขึ้น
- ระบุปัจจัยสามอย่างที่ทำให้การระเหยเร็วขึ้น
- ระบุอันตรายหนึ่งประการและประโยชน์หนึ่งประการของการขยายตัวจากความร้อน
- ทำไมครีบระบายความร้อนจึงมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่
Answers: 1 particles touch but arranged randomly, moving past each other; 2 the energy needed to change the temperature of 1 kg of the substance by 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) the energy released as bonds form (latent heat of fusion) leaves at the same rate energy is removed, so the particles' kinetic energy is unchanged; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 vibrating particles pass energy to neighbours, and free electrons carry energy quickly through the metal; 7 the warmer particles move apart, making that water less dense than its surroundings, so it rises; 8 higher temperature, larger surface area, air movement over the surface (also lower humidity); 9 hazard — expansion of bridges/roofs needs gaps; use — the bending bimetallic strip in a thermostat; 10 larger area transfers energy to the surroundings faster by heating.