Page 1
Temperature and Heat
• Temperature and Thermal Equilibrium
• Temperature Scale and Thermometer
• Thermal Expansion
• Quantity of Heat
• Calorimetry and Phase changes
• Mechanism of Heat transfer ผสอน: วษณ เพชรภา
หองพก: 312 ตกจฬาภรณวลยลกษณ 1
Email : [email protected]
Website : www.kmitl.ac.th/~kpewisan
Page 2
Temperature
Q: อณหภม เรมตนจากไหน ?
A: ความรสกรอนหรอเยน
Q: อณหภมคออะไร ?
A: ระดบหรอสเกลทบอกความรอนหรอเยน
Q: อณหภมมผลอยางไร
A: สมบตตาง ๆ ของสสาร เชน พลงงาน ความดน ปรมาตร รปราง อน ๆ
Q: Thermodynamics ศกษาอะไร ?
A: วชาทวาดวย ความสมพนธของความรอน อณหภม กบปรมาณทางฟสกสและเคมอน ๆ ทง
ระดบจลภาค ( Microscopic) และ ระดบมหภาค (Macroscopic)
Page 3
Thermal Equilibrium
“ Two systems are in thermal equilibrium if and only if they have the same
temperature”
A
Bhotter
colder
Heat transfer
A BThermal
Equilibrium
Page 4
Thermal Equilibrium
กฎขอทศนยของเทอรโมไดนามกส
“ If C is initially in thermal Equilibrium with both A and B, then A
and B are also in thermal equilibrium with each other”
A
B
C
Page 5
Temperature scale
oCF 32T
59T +=
( )oFC 32T
95T −=
oCK 15.273TT +=
Page 6
The Kelvin scale (T)
• Raising from single specific state point of reference.
TP ∝P
T (K)
P
t (oC)-273.15 0C = 0K
1
2
1
2
TT
PP
=
Constant volume
Page 7
Absolute zero temperature
P
T (K)0 K = absolute zero
•ท 0 K โมเลกลของสสารจะมคาพลงงานรวมตาทสดเทาทจะเปนไปได
•พลงงานดงกลาวไมเปนศนยเนองจาก Quantum effect
•ความดนและปรมาตรของกาซเปนศนย !!!!!!!!!
Page 8
Thermometer
•Use of Physical properties which depend on temperature.
Pressure Gas thermometer
Volume Liquid thermometer
Length Bimatallic Strip
Optical radiation Optical pyrometer
etc Resistance thermometer
Page 9
เปรยบเทยบ
สเกลอณหภม
Page 10
Thermal Expansion
• อะตอมสามารถสนรอบจดสมดลได
• การสนเปนแบบไมสมมาตร
• แนวโนมทจะยดตวมมากกวาหดตว
• เมอวตถไดรบความรอนจงม
แนวโนมขยายตวมากกวา
Page 11
Linear Expansion
L0
T0
ΔL
T0+ΔT
ΔL แปรผนตาม ΔT และ L0
TLL 0Δα=Δ
α = coefficient of linear expansion (1/K)
ΔL
T0-ΔT
Stretch
compress TLLL 00total Δα+=
Page 12
Volume Expansion
T0
T0+ΔT
ΔV แปรผนตาม ΔT และ V0
TVV 0Δβ=Δ
β= coefficient of volume expansion (1/K)
β= 3α
TVVV 00total Δβ+=
V0
V0+ΔV
Page 13
Thermal Expansion of Water
V
40
1.00005
t(0C)
• ระหวาง 0 – 10oC นามความหนาแนนมากทสดท 4oC
• เมอจะกลายเปนนาแขง นาจะขยายตว !!!!!!!!
Page 14
Thermal Stress
L0
T0
ΔL
T0+ΔT
Stretch
F
We try to keep the same length at T0+ΔT by applying F
Thermal TL
L
thermal0
Δα=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ
Tension AYF
LL
tension0
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ
A = cross section area
Y = Young Modulus (N/m2)
0L
LL
L
tension0thermal0
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ TYAF
Δα−= Thermal Stress
Page 15
Heat
• ความรอน (Q)คอรปแบบหนงของพลงงาน
• หนวยของความรอน
SI unit J
CGS cal
British Btu
conversion
1 cal = 4.186 J
1 Btu = 778 ft.lb = 252 cal = 1055 J
Page 16
Specific heat capacity
m
T1
m
T2
Q
Q
TmQcΔ
= for infinitesimal changedTdQ
m1c =
unit = J/kg K
Page 17
Molar heat capacity
m = nM
T1
m = nM
T2
Q
Q
TnQcMCΔ
== for infinitesimal changedTdQ
n1C =
n = number of mole
M = molar mass (kg/mol)
C = molar heat capacity (J/mol K)
Page 18
Latent Heat
m
melting point
Qf
Qf
ff mLQ ±=
Lf = specific latent heat of fusion(J/ kg)
• heat required for phase change
latent heat of fusion
solid
m
melting point
liquid
m
boiling point
Qv
Qv
vv mLQ ±=
Lv = specific latent heat of vaporization (J/ kg)
latent heat of vaporization
liquid
m
boiling point
gas
Page 20
Mechanism of heat transfer
Conduction
• heat can be transfer from hotter object to colder object via conductor
• heat induces atom of material to vibrate and transfer energy to neighboring atom
• atoms themselves do not move from one region to another but their energy does.
TH TCA
heat current
L
H =heat current (J/s)
LTTkA
dtdQH cH −
==
k = thermal conductivity (W/mK)
LTT cH − = thermal gradient
conductor
Page 21
Mechanism of heat transfer
Conduction
dxdT
LTT cH =
−infinitesimal change
Heat conduction equationdxdTkA
dtdQH −== 1-Dimension
TkAdtdQH ∇−== 3-Dimension
kLR =Thermal resistance m2K/W
Page 22
Mechanism of heat transfer
Convection
• Transfer of heat by mass motion of a fluid from one region (hotter) to
another region (colder) ; i.e. hot air and hot water.
• There are 2 principal convections
• Free convection weather
• Forced convection heater
Page 23
Mechanism of heat transfer
Convection
• Convection is very complicate.
•Viscous of fluid can slow the convection process.
• Convective heat transfer has some facts,
- Convective heat current α surface area
- Convective heat current α ( Temperature difference)5/4.
Page 24
Mechanism of heat transfer
Radiation
• Transfer of heat by electromagnetic wave such as visible light,
infrared and ultraviolet radiation.
ordinary object t = 20o C rediate IR
t = 800 o C rediate Red light
t = 3000 o C rediate white light
Page 25
Mechanism of heat transfer
Radiation equation
4radiation TAeH σ=
Hradiation = Radiative heat current (J/s)
A = surface area of radiative object (m2)
e = emissivity ( 0<e<1)
σ= Stefan-Boltzmann constant = 5.6705 x 10-8 W/m2K4
Stefan-Boltzmann law