กลไกการถ่ายเทความร้อน


ภาพที่ 2 การถ่ายเทความร้อน

กลไกการถ่ายเทความร้อน
เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก
การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว
การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสสารซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซ ส่วนของแข็งนั้นจะมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน และการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนจึงมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศ และมหาสมุทร รวมทั้งภายในโลก และดวงอาทิตย์
ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว ความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ทำให้น้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า“วัฏจักรการพาความร้อน” (Convection circulation)
การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว

พื้นฐานการทำความเย็น

พื้นฐานการทำความเย็น


การทำความเย็นคือการนำความร้อนจากสสารหรือวัตถุที่ต้องการทำความเย็นออกไป ทำให้อุณหภูมิอุณหถูมิลดลง

การปรับอากาศหมายถึง การปรับสถาวะของอากาศให้เหมาะสมกับสถาพต่างๆตามต้องการ หมายถึงการควบคุมอุณหภูมิและความชื้น การเคลื่อนที่ การเคลื่อนไหวของอากาศ ตลอดจนการทำความสะอาดอากาศให้บริสุทธ์

เครื่องปรับอากาศเป็นอุปกรณ์ที่สามารถทำหน้าที่นี้ได้ เมื่อมีการปรับอากาศในห้อง ควมร้อนในห้องจะถูกสารทำความเย็นรับไป ทำให้ห้องนั้นเย็ยลงกว่าอุณหภูมิรอบ ๆ สารทำความเย็นเมื่อได้รับความร้อนก็จะมีพลังงานเพิ่มขึ้น และด้วยวิธีการที่เหมาะสมของปรับอากาศ พลังงานความร้อนที่นำออกจากห้อง สามารถระบายทิ้งไปกับอากาศภายนอกหรือนำระบายความร้อนได้


อุณหภูมิ

หน่วยวัดของระบบเอสไอ คือ เคลวิน (kelvin, K) แต่เราจะใช้องศาเซลเซียส (Celsius) สำหับวัดอุณหภูมิในระบบเมตริก และองศาเซลเซียสเทียบกับองศาฟาเรนไฮต์ดังนี้

องศาเซลเซียส = (F-32)/1.8

องศาฟาเรนไฮต์ = (1.8C)+32


เมื่อ
C
คือ องศาเซลเซียส
F
คือ องศาฟาเรนไฮต์

อุณหภูมิสัมบูรณ์(absolute temperature) คืออุณหภูมิที่นับจากอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ขึ้นมา เช่น องศาเคลวิน(K) เริ่มจากศูนย์สัมบูรณ์ที่อุณหภูมิ -273.15 องศาเซลเซียส

K = C+273

ระบบอังกฤษ อุณหภูมิสัมบูรณ์ คือ องศาเคลวิน(Rankine,R)

R = F+460



อุณหภูมิกระเปาะแห้งและกระเปาะเปียก (DRY BULB AND WET BULE)

อุณหภูมิกระเปาะแห้งวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์ธรรมดา เช่นที่บรรจุด้วยปรอท ส่วนอุณหภูมิกระเปาะเปียกวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์ซึ่งกระเปาะมีผ้าหุ้มจุ่มน้ำ ความชื้นที่ผ้าจะระเหยซึ่งมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความชื้นของอากาศ ถ้าระเหยมากหมายความถึงอากาศมีความชื้นน้อย อุณหภูมิก็จะลดลงได้น้อย


อุณหภูมิอิ่มตัว

อุณหภูมิอิ่มตัวคืออุณหภูมิที่ของเหลวจะเปลี่ยนเป็นไอ นั่นคืออุณหภูมิที่จุดเดือด ทั้งนี้เป็นอุณหภูมิเดียวกันกับอุณหภูมิที่ไอกลั่นตัวเป็นของเหลว


ความร้อน

ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่ง หน่วยที่ใช้วัด มีหลายหน่วย เช่น บีทียู , กิโลแคลลอรี , จูล , เป็นต้น

ความร้อน 1 บีทียู คือปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1 องศาฟาเรนไฮต์

ความร้อน 1 กิโลแคลลอรี คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1 องศาเซลเซียส

1 Kcal = 3.97 BTU




ความร้อนจำเพาะ (SPECIFIC HEAT)

ความร้อนจำเพาะคือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้สสารมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1 หน่วย เช่น สสารหนัก 1 ปอนด์ มีอุณหภูมอเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1 F ความร้อนที่ต้องใช้จะมีค่าตัวเลขเท่ากับค่าความร้อนจำเพาะนั้น เช่น น้ำยา R-22 มีค่าความร้อนจำเพาะ 0.26 บีทียูต่อปอนด์ต่อองศาฟาเรนไฮต์

สสารที่มีความร้อนจำเพาะน้อย ต้องการปริมาณความร้อนน้อยในการเพิ่มอุณหภูมิและจะเย็นได้เร็วดังเช่น น้ำและทองแดง ความร้อนจำเพาะในหน่วย Kcal/kg-C มีค่า 1 และ 0.99 ตามลำดับ ดังนั้นถ้าให้ความร้อนกับน้ำ และทองแดงเท่าๆ กัน จะพบว่าทองแดงจะร้อนมากกว่า และเมื่อหยุดทองแดงจะเย็นเร็วกว่า


สถานะของสาร

สถานะของสสารมีของแข็ง ของเหลวและก๊าซ น้ำแข็งตัวที่อุณหภูมิ 0 C (ศูนย์องศาเซลเซียส) และกลายเป็นไอที่อุณหภูมิ 100 C (100 องศาเซลเซียส) การเปลี่ยนสถานะมีการรับหรือคายความร้อน

ชนิดของความร้อน

ความร้อนสัมผัส เป็นความร้อนที่สัมผัสได้ ซึ่งไปเพิ่มหรือลดอุณหภูมิ โดยวัดได้ด้วยเทอร์โมมิเตอร์

ความร้อนแฝง เป็นความร้อนที่เปลี่ยนสถานะของสสาร ถ้าวัดด้วยเทอร์โมมิเตอร์จะไม่พบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ความร้อนยวดยิ่ง เป็นความร้อนที่ให้กับสสารหลังจากสสารนั้นระเหยแล้ว อุณหภูมิที่สูงขึ้นกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว คืออุณหภูมิซุปเปอร์ฮีต

ซับคูล คือ ของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว


ความดัน

ความดันคือแรงที่กระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ เช่น แรง 1 ปอนด์กระทำต่อพื้นที่ 1 ตารางนิ้ว ให้ความดัน 1 ปอนด์/ตารางนิ้ว

ความดันแยกออกเป็นความดันสัมบูรณ์ ซึ่งเริ่มนับความดันจาก 0 คือจาก สูญญากาศ มักใช้ในสูตรทางวิศวกรรม ส่วนความดันเกจ เริ่มนับจากความดันบรรยากาศ ซึ่งเท่ากับศูนย์

Pabs = Pgauge+14.7

Patm(Atmospheric pressure, 1 atm) = 101.325 kpa = 14.7 psia = 1.0133 bar = 2116.2 Ibf/ft2

สุญญากาศ คือความดันที่ต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ในเกจวัดความดันที่ใช้งานกับเครื่องปรับอากาศ ให้ความดันบรรยากาศเท่ากับ 0 และความดันสุญญากาศสัมบูรณ์ คือไม่มีความดันเลยจริงๆ มีความดันเทียบเท่ากับความสูงของปรอท 760 มิลลิเมตร

การทำความเย็น (REFRIGERATION)

การทำความเย็น โดยปกติจะเกี่ยวกับความเย็น เช่น ตู้เย็นทำให้อาหารเย็น ดังนั้นการทำความเย็นคือ วิธีการขจัดความร้อน

สารทำความเย็น (REFRIGERANT)

สารทำความเย็น (น้ำยา) คือ สสารที่ใช้ในการดูดความร้อนและส่งความร้อน สารทำความเย็นที่ยังยอมรับว่ามีอัตรายน้อยต่อชั้นโอโซน คือ R-22, R-123, R134a

คุณสมบัติบางประการของสารทำความเย็นที่เหมาะสมในการทำความเย็นคือ

- สามารถรับปริมาณความร้อนที่ได้จำนวนมาาก

- สามารถระเหยที่อุณหภูมิต่ำ

- สามารถใช้ซ้ำแล้วซ้ำอีกได้

ระบบการทำความเย็นพื้นฐาน

ในระบบการทำความเย็น จะประกอบด้วยอุปกรณ์ต่างๆ ดังนี้

1.
คอมเพรสเซอร์ ทำหน้าที่ในการดูดและอัดนำยาในสถานะที่เป็นแก๊ส โดยดูดแก๊สที่มีอุณหภูมิและความดันต่ำจากอีวามพอเรเตอร์ และอัดให้มีความดันสูงและอุณหภูมิสูง จนถึงจุดที่แสพร้อมจะควบแน่นเป็นของเหลวเมื่อมีการถ่ายเทความร้อนออกจากน้ำยา

2.
คอนเดนเซอร์ ทำหน้าที่ ให้สารทำความเย็นในสถานะแก๊สกลั่นตัวเป็นของเหลว ด้วยการระบายความร้อนออกจากสารทำความเย็นนั้น กล่าวคือ สารทำความเย็นในสถานะแก๊ส อุณหภูมิสูง ความดันสูง ซึ่งถูกส่งมาจากคอมเพรส เมื่อถูกระบายความร้อนแฝงออก จะกลั่ยตัวเป็นของเหลว แต่ยังคงมีความดัน และอุณหภูมิสูงอยู่

3.
เอกซ์แพนชั่นวาล์ว ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของสารทำความเย็นเหลว ที่ผ่านเข้ามาในอีวาพอเรเตอร์ ให้มีความดันต่ำลง การที่สารทำความเย็นมีความดันต่ำจะสามารถระเหยกลายเป็นไอได้ง่ายเมื่อได้รับความร้อนเพียงเล็กน้อย

4.
อีวาพอเรเตอร์ ทำหน้าที่ ดูดความร้อนในห้อง ที่ต้องการทำความเย็น โดยที่สารทำความเย็น ที่เข้ามาในอีวาพอเรเตอร์จะระเหยกลายเป็นไอและดูดเอาความร้อนบริเวณรอบ ๆ อีวาพอเรเตอร์ ทำให้บริเวณรอบๆ อีวาพอเรเตอร์มีอุณหภูมิต่ำลง

5.
รีซีฟเวอร์ หรือถังพักสารทำความเย็น เป็นอุปกรณ์ที่ต่อพวงขึ้นสำหรับระบบทำความเย็นขนาดใหญ่ ถ้าเป็นระบบทำความเย็นขนาดเล็กก็ไม่จำเป็น การที่ระบบทำความเย็นขนาดใหญ่จำเป็นต้องมี ก็เพื่อให้สารทำความเย็นที่มีสถานะเป็นของเหลวมีปริมาณมากเพียงพอที่จะจ่ายให้ไประเหยที่อีวาพอเรเตอร์

นอกจากอุปกรณ์ข้างต้นแล้วยังมีส่วนประกอบอื่นที่ควรทราบคือ

ท่อซักชั่น (Suction line)เป็นท่อทางเดินสารทำความเย็นที่ต่ออยู่ระหว่างอีวาพอเรเตอร์กับทางดูดของคอมเพรสเซอร์ สารทำความเย็นในสถานะแก๊ส อุณหภูมิและความดันต่ำ จากอีวาพอเรเตอร์จะถูกดูดผ่านท่อซักชั่นเข้าไปยังคอมเพรเซอร์

ท่อดิสชาร์จ (Discharge line)เป็นท่อทางเดินสารทำความความเย็นที่ต่ออยู่ระหว่างท่อทางอัดของคอมเพรสเซอร์กับคอนเดนเซอร์ สารทำความเย็นในสถานะที่เป็นแก๊สซึ่งถูกคอมเพรสเซอร์อัดให้มีความดันและอุณหภูมิสูงขึ้นจะถูกส่งไปยังคอนเดนเซอร์โดยผ่านท่อนี้

ท่อลิควิค (Linquid line)เป็นท่อทางเดินสารทำความเย็นที่ต่อระหว่างทางพักสารทำความเย็นเหลวกับเอกซ์แพนชั่นวาล์ว สารทำความเย็น ความดันสูงอุณหภูมิสูงจากท่อพักสารทำความเย็น จะถูกส่งไปยังเอกซ์แพนชั่นวาล์วโดยผ่านทางท่อนี้

ความร้อน และอุณหภูมิ

ความร้อน และอุณหภูมิ

พลังงาน (energy) หมายถึง ความสามารถในการทำงาน ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิง ทำให้รถยนต์เคลื่อนที่ พลังงานมีหลายรูปแบบ พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปสู่อีกรูปหนึ่ง เช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิงเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อนในเครื่องยนต์ จากนั้นก็แปรเปลี่ยนเป็นพลังงานกลทำให้รถยนต์เคลื่อนที่
เราแบ่งพลังงานออกเป็น 2 ประเภทคือ
พลังงานศักย์ (Potential energy) หมายถึง ศักยภาพที่จะทำให้เกิดงาน ซึ่งมีอยู่ในวัตถุที่หยุดนิ่ง เช่น เชื้อเพลิง อาหาร
พลังงานจลน์ (Kinetic energy) หมายถึง พลังงานซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อเราใช้ค้อนตอกตะปู ค้อนทำให้เกิดพลังงานจลน์ดันตะปูให้เคลื่อนที่ ยิ่งค้อนมีมวลมาก และมีความเร็วสูง พลังงานจลน์ก็ยิ่งมาก

ความร้อน และ อุณหภูมิ
สสารทั้งหลายประกอบด้วย อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอะตอม หรือการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” (Heat) เราพิจารณาพลังงานความร้อน (Heat energy) จากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร
อุณหภูมิ (Temperature) หมายถึง การวัดค่าเฉลี่ยของพลังงาานจลน์ซึ่งเกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละตัว หรือแต่ละโมเลกุลของสสาร เมื่อเราใส่พลังงานความร้อนให้กับสสาร อะตอมของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดพลังงานความร้อน อะตอมของสสารจะเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง
หากเราต้มน้ำด้วยถ้วยและหม้อบนเตาเดียวกัน จะเห็นได้ว่าน้ำในถ้วยจะมีอุณหภูมิสูงกว่า แต่จะมีพลังงานความร้อนน้อยกว่าในหม้อ เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ดังนั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก (ชั้นเทอร์โมสเฟียร์) จึงมีอุณหภูมิสูง แต่มีพลังงานความร้อนน้อย เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่อย่างเบาบาง

สเกลอุณหภูมิ
องศาฟาเรนไฮต
ในปี ค.ศ.1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Gabrial Fahrenheit) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ซึ่งบรรจุปรอทไว้ในหลอดแก้ว เขาพยายามทำให้ปรอทลดต่ำสุด (0°F) โดยใช้น้ำแข็งและเกลือผสมน้ำ เขาพิจารณาจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 32°F และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 212°F
องศาเซลเซียส
ในปี ค.ศ.1742 แอนเดอส์ เซลเซียส (Anders Celsius) นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ออกแบบสเกลเทอร์มอมิเตอร์ให้อ่านได้ง่ายขึ้น โดยมีจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 0°C และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100°C
เคลวิน (องศาสัมบูรณ์)
ต่อมาในคริสศตวรรษที่ 19 ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง
ความร้อนและอุณหภูมิว่า ณ อุณหภูมิ -273°C อะตอมของสสารจะไม่มีการเคลื่อนที่ และจะไม่มีสิ่งใดหนาวเย็นไปกว่านี้ได้อีก เขาจึงกำหนดให้ 0 K = -273°C (ไม่ต้องใช้เครื่องหมาย ° กำกับหน้าอักษร K) สเกลองศาสัมบูรณ์หรือเคลวิน เช่นเดียวกับองศาเซลเซียสทุกประการ เพียงแต่ +273 เข้าไป เมื่อต้องการเปลี่ยนเคลวินเป็นเซลเซียส

ภาพที่ 1 เปรียบเทียบสเกลอุณหภูมิทั้ง 3 ระบบ

ความสัมพันธ์ของสเกลอุณหภูมิ

ระยะสเกลฟาเรนไฮต์= 212 °F – 32 °F= 180 °F
ระยะสเกลเซลเซียส= 100 °C – 0 °C= 100 °C
สเกลทั้งสองมีความแตกต่างกัน= 180/100= 1.8

ความสัมพันธ์ของสเกลทั้งสองจึงเป็นดังนี้

°F= (1.8 X °C) + 32
°C= (°F -32) / 1.8


ตัวอย่าง:
อุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ 98.6°F คิดเป็นองศาเซลเซียส และเคลวิน ได้เท่าไร

แปลงเป็นองศาเซลเซียส = (°F -32) / 1.8
= (98.6 -32) / 1.8
= 37°C

แปลงเป็นองศาสัมบูรณ์ = 37+ 273 K
= 310 K


ภาพที่ 2 การถ่ายเทความร้อน

กลไกการถ่ายเทความร้อน
เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก
การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว
การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสสารซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซ ส่วนของแข็งนั้นจะมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน และการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนจึงมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศ และมหาสมุทร รวมทั้งภายในโลก และดวงอาทิตย์
ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว ความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ทำให้น้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า“วัฏจักรการพาความร้อน” (Convection circulation)
การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว

ความร้อน และอุณหภูมิ

ความร้อน และอุณหภูมิ

พลังงาน (energy) หมายถึง ความสามารถในการทำงาน ตัวอย่างเช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิง ทำให้รถยนต์เคลื่อนที่ พลังงานมีหลายรูปแบบ พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปสู่อีกรูปหนึ่ง เช่น พลังงานเคมีจากน้ำมันเชื้อเพลิงเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อนในเครื่องยนต์ จากนั้นก็แปรเปลี่ยนเป็นพลังงานกลทำให้รถยนต์เคลื่อนที่
เราแบ่งพลังงานออกเป็น 2 ประเภทคือ
พลังงานศักย์ (Potential energy) หมายถึง ศักยภาพที่จะทำให้เกิดงาน ซึ่งมีอยู่ในวัตถุที่หยุดนิ่ง เช่น เชื้อเพลิง อาหาร
พลังงานจลน์ (Kinetic energy) หมายถึง พลังงานซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อเราใช้ค้อนตอกตะปู ค้อนทำให้เกิดพลังงานจลน์ดันตะปูให้เคลื่อนที่ ยิ่งค้อนมีมวลมาก และมีความเร็วสูง พลังงานจลน์ก็ยิ่งมาก

ความร้อน และ อุณหภูมิ
สสารทั้งหลายประกอบด้วย อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอะตอม หรือการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” (Heat) เราพิจารณาพลังงานความร้อน (Heat energy) จากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร
อุณหภูมิ (Temperature) หมายถึง การวัดค่าเฉลี่ยของพลังงาานจลน์ซึ่งเกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละตัว หรือแต่ละโมเลกุลของสสาร เมื่อเราใส่พลังงานความร้อนให้กับสสาร อะตอมของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดพลังงานความร้อน อะตอมของสสารจะเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง
หากเราต้มน้ำด้วยถ้วยและหม้อบนเตาเดียวกัน จะเห็นได้ว่าน้ำในถ้วยจะมีอุณหภูมิสูงกว่า แต่จะมีพลังงานความร้อนน้อยกว่าในหม้อ เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ดังนั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก (ชั้นเทอร์โมสเฟียร์) จึงมีอุณหภูมิสูง แต่มีพลังงานความร้อนน้อย เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่อย่างเบาบาง

สเกลอุณหภูมิ
องศาฟาเรนไฮต์
ในปี ค.ศ.1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Gabrial Fahrenheit) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ซึ่งบรรจุปรอทไว้ในหลอดแก้ว เขาพยายามทำให้ปรอทลดต่ำสุด (0°F) โดยใช้น้ำแข็งและเกลือผสมน้ำ เขาพิจารณาจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 32°F และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 212°F
องศาเซลเซียส
ในปี ค.ศ.1742 แอนเดอส์ เซลเซียส (Anders Celsius) นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ออกแบบสเกลเทอร์มอมิเตอร์ให้อ่านได้ง่ายขึ้น โดยมีจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 0°C และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100°C
เคลวิน (องศาสัมบูรณ์)
ต่อมาในคริสศตวรรษที่ 19 ลอร์ด เคลวิน (Lord Kelvin) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง
ความร้อนและอุณหภูมิว่า ณ อุณหภูมิ -273°C อะตอมของสสารจะไม่มีการเคลื่อนที่ และจะไม่มีสิ่งใดหนาวเย็นไปกว่านี้ได้อีก เขาจึงกำหนดให้ 0 K = -273°C (ไม่ต้องใช้เครื่องหมาย ° กำกับหน้าอักษร K) สเกลองศาสัมบูรณ์หรือเคลวิน เช่นเดียวกับองศาเซลเซียสทุกประการ เพียงแต่ +273 เข้าไป เมื่อต้องการเปลี่ยนเคลวินเป็นเซลเซียส



ภาพที่ 1 เปรียบเทียบสเกลอุณหภูมิทั้ง 3 ระบบ

ความสัมพันธ์ของสเกลอุณหภูมิ

ระยะสเกลฟาเรนไฮต์ = 212 °F – 32 °F = 180 °F
ระยะสเกลเซลเซียส = 100 °C – 0 °C = 100 °C
สเกลทั้งสองมีความแตกต่างกัน = 180/100 = 1.8
ความสัมพันธ์ของสเกลทั้งสองจึงเป็นดังนี้

°F = (1.8 X °C) + 32
°C = (°F -32) / 1.8


ตัวอย่าง: อุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ 98.6°F คิดเป็นองศาเซลเซียส และเคลวิน ได้เท่าไร

แปลงเป็นองศาเซลเซียส = (°F -32) / 1.8
= (98.6 -32) / 1.8
= 37°C

แปลงเป็นองศาสัมบูรณ์ = 37+ 273 K
= 310 K

ภาพที่ 2 การถ่ายเทความร้อน

กลไกการถ่ายเทความร้อน
เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก
การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว
การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสสารซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวและก๊าซ ส่วนของแข็งนั้นจะมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน และการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนจึงมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศ และมหาสมุทร รวมทั้งภายในโลก และดวงอาทิตย์
ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว ความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ทำให้น้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า “วัฏจักรการพาความร้อน” (Convection circulation)
การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว

จงแปลงอุณหภูมิ C , F , K , R


จงแปลงอุณหภูมิ C , F , K , R

40 C =
50 C =
15 C =
12 R =
32 R =
50 R =
80 R =
140 C =
320 F =
350 F =
600 F =
1000 F =
400 K =
600 K =
420 K =
900 K =

กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด กรี๊ด

การเปลี่ยนอุณหภูมิ


ค้นหาบทเรียนฟิสิกส์

Custom Search