ความร้อน

ความร้อน (Thermal) ดูทฤษฎีความร้อนเพิ่มเติม(MS word )

                ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่งที่เปลี่ยนมาจากพลังงานรูปอื่น เช่น พลังงานไฟฟ้า พลังงานกล (พลังงานศักย์และพลังงานจลน์) พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร์ หรืองาน เป็นต้น

                พลังงานความร้อนมีหน่วยเป็นจูล (Joule, J ) ในระบบเอสไอ (SI) แต่บางครั้งอาจบอกเป็นหน่วยอื่นได้ เช่น แคลอรี (cal) และบีทียู (BTU)

                พลังงานความร้อน 1 แคลอรี คือพลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำมวล  1  กรัม มีอุณหภูเพิ่มขึ้น  1 

 องศาเซลเซียส (°C ) ในช่วง  14.5 °C ถึง  15.5 °C

               พลังงานความร้อน 1 บีทียู คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล  1  ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 

องศาฟาเรนไฮต์ (°F) ในช่วง  58.1 °F ถึง  59.1 °F

                จากการทดลองพบว่า

                1  cal        =        4.186  J

                1  BTU      =        252  cal        =       1055  J

 

อุณหภูมิ

                นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดว่าอุณหภูมิ คือ ปริมาณที่แปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส  การที่เราจะบอกว่าวัตถุใดร้อนมากหรือน้อย เราสามารถบอกได้ด้วยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุที่มีระดับความร้อนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุที่มีระดับความร้อนน้อยจะมีอุณหภูมิต่ำ  ดังนั้นถ้าเราเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาสัมผัสวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ จนวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน

  อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์   เทอร์โมมิเตอร์มีหลายชนิด เช่น

1.  สเกลองศาเซลเซียส (Celsuis, °C) หรือบางที่เรียกว่าองศาเซนติเกรด (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0  เซลเซียสและจุดเดือดเป็น 100  เซลเซียส ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน )

2.  สเกลองศาเคลวิน (Kelvin, °K) เป็นหน่วยของอุณหภูมิสัมบูรณ์  (ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งของน้ำเป็น  273.16  เคลวินและจุดเดือดเป็น  373.16  เคลวิน ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดเดือดแบ่งเป็น 100 ส่วนเท่าๆ กัน ) ## หน่วยเคลวินเป็นหน่วยมาตรฐานในระบบเอสไอ

 

ปริมาณความร้อนของวัตถุ (HEAT, Q)

เป็นพลังงานความร้อนที่วัตถุรับเข้ามาหรือคายออกไป จากการศึกษาผลของความร้อนต่อสสารหรือวัตถุในชั้นนี้จะศึกษาเพียงสองด้าน คือ

1. ความร้อนจำเพาะ ( Specific  heat )  หมายถึง พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือต่ำลงโดยสถานะยังคงรูปเดิม

2. ความร้อนแฝง (Latent  Heat) หมายถึง พลังงานความร้อนที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่

ความจุความร้อน ( Heat capacity, C ) คือความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย โดยสถานะไม่เปลี่ยน

ถ้าให้ปริมาณความร้อน ΔQ แก่วัตถุ ทำให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป Δ ดังนั้นถ้าอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป  1  หน่วย จะใช้ความร้อน  C คือ

   มีหน่วยเป็น จูล/เคลวิน (J/K)       

 

ความจุความร้อนจำเพาะ  (Specific  Heat capacity , c )  คือความร้อนที่ทำให้สาร(วัตถุ) มวลหนึ่งหน่วยมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งองศาเคลวิน คือ 

   ความจุความร้อนจำเพาะของสาร(J/kg-K) 

นั่นคือ เมื่อสารมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มจาก T1 เป็น T2 และความจุความร้อนจำเพาะมีค่าคงตัว ความร้อนที่สารได้รับ

คือ   

 

การเปลี่ยนสถานะของสาร

            สารและสิ่งของที่อยู่รอบตัวเราจะพบว่ามีอยู่  3  สถานะ คือ ของแข็ง (น้ำแข็ง) ของเหลว (น้ำ) และ

แก๊ส (ไอน้ำ) ได้

I.  ของแข็ง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่ามาก ทำให้โมเลกุลอยู่ใกล้กัน จึงทำให้รูปทรงของของแข็งไม่เปลี่ยนแปลงมากเมื่อมีแรงขนาดไม่มากนักมากระทำ ตามคำจำกัดความนี้ เหล็ก คอนกรีต ก้อนหิน เป็นของแข็ง

II.  ของเหลว แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อย โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ไปมาได้บ้าง จึงทำให้รูปทรงของของเหลวเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่ที่บรรจุ น้ำ น้ำมัน ปรอท เป็นของเหลว

III.  แก๊ส  แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อยมาก จนโมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมากและเคลื่อนที่ได้สะเปะสะปะ ฟุ้งกระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ เช่นอากาศและแก๊สชนิดต่างๆ

 

 สถานการณ์จำลอง แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของสสาร( น้ำ ) เมื่อได้รับความร้อน

    

การขยายตัวของวัตถุเนื่องจากความร้อน

            วัตถุโดยทั่วไปเมื่อได้รับความร้อนจะขยายตัว การขยายตัวของวัตถุจะขึ้นอยู่กับรูปร่างคือ

 ในทางกลับกันถ้าวัตถุสูญเสียความร้อนก็จะหดตัว

    ขยายตัวตามเส้น       ขยายตัวตามพื้นที่         ขยายตัวตามปริมาตร

สมบัติที่สำคัญๆ เกี่ยวกับการขยายของของแข็ง ได้แก่

            1.  ของแข็งต่างชนิดกัน ถ้าเดิมมีความยาวเท่ากัน เมื่อร้อนขึ้นเท่ากันจะมีส่วนขยายตัวเพิ่มขึ้นไม่เท่ากัน

            2.  ของแข็งชนิดเดียวกัน ถ้าเดิมมีความยาวเท่ากัน เมื่อร้อนขึ้นเท่ากันจะมีส่วนขยายตัวเพิ่มขึ้นเท่ากัน

            3.  การขยายตัวของวัตถุเป็นเรื่องที่สำคัญมากในทางวิศวกรรม เช่น การวางเหล็กรางรถไฟ การขึงสายไฟฟ้าแรงสูงเป็นต้น

 

การถ่ายโอนความร้อน (Heat Transfer)

ความร้อนจะถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่วัตถุที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) การถ่ายโอนความร้อนมี  3  แบบ คือ


รูป แสดงการถ่ายโอนความร้อนแบบต่าง ๆ 

        1. การนำ เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านตัวกลางซึ่งโดยมากจะเป็นพวกโลหะต่างๆ เช่น เราเอามือไปจับช้อนโลหะที่ปลายข้างหนึ่งแช่อยู่ในน้ำร้อน มือเราจะรู้สึกร้อน เพราะความร้อนถูกส่งผ่านจากน้ำร้อนมายังมือเราโดยมีช้อนโลหะเป็นตัวนำความร้อน

        2. การพา  เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของตัวกลางเป็นตัวพาความร้อนไปจากบริเวณที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่บริเวณที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) เช่นเวลาต้มน้ำ ความร้อนจากเตาทำให้น้ำที่ก้นภาชนะร้อนจะขยายตัวทำให้มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำด้านบนจึงลอยตัวสูงขึ้นส่วนน้ำด้านบนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าและความหนาแน่นมากก็จะจมลงมาแทนที่ การหมุนวนของน้ำทำให้เกิดการพาความร้อน

        3. การแผ่รังสี  เป็นการส่งพลังงานความร้อนที่อยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีอินฟราเรด) ดังนั้นจึงไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่นการแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก โดยทั่วไปวัตถุที่แผ่รังสีได้ดีก็จะรับ(ดูดกลืน)รังสีได้ดีด้วย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกว่าวัตถุดำ (Black Body) วัตถุดำไม่มีในธรรมชาติ มีแต่ในอุดมคติ ดังนั้นวัตถุที่มีลักษณะใกล้เคียงวัตถุดำคือ วัตถุที่มีสีดำ ในทางกลับกันวัตถุขาวจะไม่ดูดกลืนรังสีและ  ไม่แผ่รังสีที่ตกกระทบ มีแต่ในอุดมคติเท่านั้น