ความร้อนและอุณหภูมิ

             ความร้อน และ อุณหภูมิ

         สสารทุกอย่างมีอะตอมหรือโมเลกุลที่เคลื่อนที่จึงทำให้เกิดพลังงานจลน์ เมื่อเราทุบเหรียญมันจะร้อนขึ้นเนื่องจากอะตอมในเหรียญเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเนื่องจากแรงจากการทุบ อะตอมของน้ำเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อมีการต้มน้ำจึงร้อนขึ้น ก๊าซในกระบอกร้อนขึ้นเมื่อมีการอัดกระบอก ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของวัตถุเพิ่มขึ้นจากพลังงานจลน์ของอะตอมของสสาร

          ความร้อน และ อุณหภูมิ สสารทั้งหลายประกอบด้วย อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอะตอม หรือการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ซึ่งเรียกว่า "ความร้อน" (Heat) เราพิจารณาพลังงานความร้อน (Heat energy) จากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร

 

         ความร้อน

ถ้าเราจับถังน้ำร้อนจะมีความร้อนแผ่มายังมือเนื่องจากถังน้ำร้อนอุณหภูมิสูงกว่ามือ เมื่อเราจับก้อนน้ำแข็งความร้อนของเราจะถูกถ่ายทอดไปยังก้อนน้ำแข็งเราจึงรู้สึกเย็น การถ่ายทอดพลังงานลักษณะนี้เกิดขึ้นโดยตรงระหว่างวัตถุอุณหภูมิต่างกันที่อยู่ติดกัน

                             ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity)

บางทีเรากินอาหารบางอย่างเรารู้สึกว่ามันร้อนนานมาก อย่างเช่นมันเผา แต่บางอย่างก็เย็นเร็วเช่น เนื้อย่าง เนื่องจากวัตถุแต่ละอย่างมีความจุความร้อนจำเพาะแตกต่างกัน เราพบว่าเราใช้เวลาต้มน้ำให้เดือด 15 นาที แต่ใช้เวลาแค่ 2 นาทีที่เตาเดียวกันทำให้เหล็กปริมาณเท่าน้ำอุณหภูมิสูงขึ้นเท่าน้ำ และ 1 นาทีสำหรับโลหะเงิน

วัตถุแต่ละอย่างดูดกลืนความร้อนต่างกัน เช่นน้ำ 1 g ดูดกลืนพลังงานความร้อน 1 แคโรรี่ เพื่อที่จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น  สำหรับเหล็ก 1 g ดูดกลืนพลังงานความร้อน  แคโรรี่ เพื่อที่จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น สรุปได้ว่าน้ำดูดกลืนความร้อนมากกว่า หรือจะเรียกอีกอย่างว่าน้ำมีความจุความร้อนมากกว่า

ความจุความร้อนจำเพราะสูงของน้ำ (The High Specific Heat Capacity of Water)

   

     น้ำมีความจุความร้อนสูง จึงใช้เป็นตัวหล่อเย็นได้ดี เช่นหล่อเย็นเครื่องยนต์ เครื่องจักร เป็นต้น นอกจากนั้นนำยังจุความร้อนได้ยาวนาน ทวีปยุโรปได้รับแสงแดดเท่าๆกับแคนนาดา แต่แคนาดาหนาวกว่ามากเพราะกระแสน้ำกอร์ฟซึ่งไหลมาจากตะวันออกเหนือแถบทะเลแคริเบียนพาความอบอุ่นมากับกระแสน้ำ ทำให้ยุโรปมีความอบอุ่นไม่หนาวเย็นเกินไป

รูปที่ 2 กระแสน้ำร้อนและน้ำเย็นหมุนวนในโลก

รูป a. ช่องว่างเพื่อรองรับการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของถนน

รูป b. รางรถไฟขยายตัวเนื่องจากความร้อน

      การกระจายความร้อน (Thermal Expansion)

        เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นโมเลกุลของสสารก็เคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้วัตถุนั้นขยายตัวออก และถ้าอุณหภูมิลดลงวัตถุก็จะหดตัวเข้า การขยายตัวและหดตัวของของแข็งสังเกตได้ไม่ชัดเจนนัก และถ้าเป็นแก้วการหดและขยายตัวของแก้วทำให้แก้วแตก โดยเฉพาะแก้วหนาๆ

การใช้วัสดุต่างๆต้องคำนึงถึงการขยายและหดตัวเนื่องจากความร้อน เช่น หมอฟันใช้วัสดุที่มีอัตราการขยายและหดตัวเท่ากับฟันมาใช้อุดฟัน ลูกสูบอลูมิเนียมในเครื่องยนต์มีขนาดเล็กกว่าท่อเครื่องยนต์เพื่อรองรับการขยายตัวของลูกสูบอลูมิเนียม ถนนทุกสายมีอัตราการขยายตัวเท่ากับอัตราการขยายตัวของเหล็กเส้นที่นำมาทำถนน สะพานเหล็กมีช่องว่างเผื่อตอนสะพานขยายตัว ในฤดูร้อน พื้นคอนกรีตแต่ละบล็อกมีช่องวางเผื่อการขยายตัวในฤดูร้อน ช่องว่างนี้ถูกสมานไว้ด้วยน้ำมันดิบ          

       อุปกรณ์ไฟฟ้าเทอร์โมสเตตใช้งานสำหรับอุปกรณ์หลายอย่าง เช่นหม้อหุงข้าว เตารีด ใช้วัสดุสองชนิดที่มีการขยายตัวต่างกันมาประกบกันอันบนทำจากทองเหลืองซึ่งขยายและหดตัวได้เร็วกว่าเหล็ก ในอุณหภูมิห้องวัตถุทั้งสองนี้จะอยู่ปกติไม่มีการหดหรือขยาย แต่เมื่อมีความร้อนสูงเช่น เตารีดที่กำลังร้อนจัด ทองเหลืองจะขยายตัวดันให้เหล็กไปผลักสวิสให้หยุดจ่ายไฟฟ้า จากนั้นเตารีดก็จะเย็นตัวลง แต่ถ้าเย็นลงมากทองเหลืองซึ่งหดตัวได้ดีกว่าเหล็กจะหดตัวไปกดสวิสให้เริ่มจ่ายไฟอีก การทำงานกลับไปกลับมาดังที่กล่าวมานี้ทำให้เราควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงที่ต้องการได้ในที่สุด

รูปที่ 4 a. ภาพจำลองการทำงานเทอร์โมสเตต

                                     รูป b. ลูกปิงปองที่บุบกลับมากลมใหม่เมื่อเอาไปต้ม

   กลไกการถ่ายเทความร้อน

            กลไกการถ่ายเทความร้อน  เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก
        การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพี
ในหม้อหุงข้าว 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 -273C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสี
คลื่นยาว

สื่อการเรียนรู้เรื่องพลังงานความร้อน

    

พลังงานความร้อนใต้พิภพ

              

เครื่องให้พลังงานความร้อน

       โดย   ดร.สมชาย   ฉัตรรัตนา

        อุณหภูมิ  คือปริมาณที่บอกถึงความร้อนหรือเย็นของวัตถุ เทอร์โมมิเตอร์คือเครื่องมือวัดอุณหภูมิ สร้างโดย กาลิเลโอ ในปี 1602 สร้างมาจากปรอทหรือแอลกอฮอล์ผสมสี แล้วบรรจุในหลอดขนาดแก้วมีเสกลบอกตัวเลข เมื่อมีการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุไปยังเทอร์โมมิเตอร์ปรอทจะขยายตัวขึ้นไปบนหลอดยิ่งร้อนมากปรอทจะขยายตัวไปยังเสกลที่สูงขึ้นแสดงว่าอุณหภูมิสูง