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 : kpewisan@kmitl.ac.th

Website : www.kmitl.ac.th/~kpewisan

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)

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

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

Temperature scale

oCF 32T

59T +=

( )oFC 32T

95T −=

oCK 15.273TT +=

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

Absolute zero temperature

P

T (K)0 K = absolute zero

•ท 0 K โมเลกลของสสารจะมคาพลงงานรวมตาทสดเทาทจะเปนไปได

•พลงงานดงกลาวไมเปนศนยเนองจาก Quantum effect

•ความดนและปรมาตรของกาซเปนศนย !!!!!!!!!

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

เปรยบเทยบ

สเกลอณหภม

Thermal Expansion

• อะตอมสามารถสนรอบจดสมดลได

• การสนเปนแบบไมสมมาตร

• แนวโนมทจะยดตวมมากกวาหดตว

• เมอวตถไดรบความรอนจงม

แนวโนมขยายตวมากกวา

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+=

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

Thermal Expansion of Water

V

40

1.00005

t(0C)

• ระหวาง 0 – 10oC นามความหนาแนนมากทสดท 4oC

• เมอจะกลายเปนนาแขง นาจะขยายตว !!!!!!!!

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

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

Specific heat capacity

m

T1

m

T2

Q

Q

TmQcΔ

= for infinitesimal changedTdQ

m1c =

unit = J/kg K

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)

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

การถายเทความรอน

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

Mechanism of heat transfer

Conduction

dxdT

LTT cH =

−infinitesimal change

Heat conduction equationdxdTkA

dtdQH −== 1-Dimension

TkAdtdQH ∇−== 3-Dimension

kLR =Thermal resistance m2K/W

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

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.

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

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