การถ่ายเทพลังงาน โดย ดร.อรวรรณ ริ้วทอง : orrawanr@gmail.com สาขาวิชาฟิสิกส์ประยุกต์ ภาควิชาวิทยาศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏสวนสุนันทา

ความร้อน 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 มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส (°C ) พลังงานความร้อน 1 บีทียู คือ พลังงานความร้อนที่ทำให้น้ำที่มีมวล 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์ (°F) 1 cal = 4.186 J 1 BTU = 252 cal = 1055 J

ความร้อน ความร้อนสัมผัส (sensible heat) คือ ปริมาณความร้อนจำนวนหนึ่งที่ทำให้สารหนึ่งๆมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง โดยไม่ทำให้สถานะของสารนั้นเปลี่ยนแปลง ความร้อนแฝง (latent heat) คือปริมาณความร้อนจำนวนหนึ่งที่ให้สารหนึ่งๆ แล้วทำให้สารนั้นเปลี่ยนแปลงสถานะภายใต้อุณหภูมิคงที่ ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมี คือ พลังงานความร้อนของสารเชื้อเพลิง ขณะสารเชื้อเพลิงเผาไหม้จะปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมา

อุณหภูมิ อุณหภูมิ คือ ปริมาณที่แปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส การที่เราจะบอกว่าวัตถุใดร้อนมากหรือน้อย เราสามารถบอกได้ด้วยอุณหภูมิของวัตถุนั้น คือ วัตถุที่มีระดับความร้อนมากจะมีอุณหภูมิสูง วัตถุที่มีระดับความร้อนน้อยจะมีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นพลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิ ต่ำจนวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน A B

การวัดอุณหภูมิ อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมิเรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายชนิด โดยมีสเกลในการวัดอุณหภูมิ คือ 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

เปรียบเทียบอุณหภูมิในแบบสเกลต่างๆ C K F จุดเดือดของน้ำ จุดเยือกแข็งของน้ำ ศูนย์องศาสัมบูรณ์ 100 373.15 212 273.15 32 - 460 - 273.15

อุณหภูมิ T(C) = T(F) - 32 5 9 T(K) = T(C) + 273.15

ความจุความร้อน ( Heat capacity, C ) คือความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย โดยสถานะไม่เปลี่ยน ถ้าให้ปริมาณความร้อน ΔQ แก่วัตถุ ทำให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป ΔT ดังนั้นถ้าอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หน่วย จะใช้ความร้อน C คือ C = Q มีหน่วยเป็น จูล/เคลวิน (J/K) T

ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat capacity , c ) คือความร้อนที่ทำให้สาร(วัตถุ) มวลหนึ่งหน่วยมีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งองศาเคลวิน คือ C = Q ความจุความร้อนจ้าเพาะของสาร(J/kg-K) นั่นคือ เมื่อสารมวล m มีอุณหภูมิเพิ่มจาก T1 เป็น T2 และความจุความร้อนจำเพาะมีค่าคงตัว ความร้อนที่สารได้รับคือ Q = m C T mT

การเปลี่ยนสถานะของสาร สารและสิ่งของที่อยู่รอบตัวเราจะพบว่ามีอยู่ 3 สถานะ คือ ของแข็ง (น้ำแข็ง) ของเหลว (น้ำ) และ แก๊ส (ไอน้ำ) ได้ I. ของแข็ง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่ามาก จึงทำให้รูปทรงของของแข็งไม่เปลี่ยนแปลงมากเมื่อมีแรงขนาดไม่มากนักมากระทำ เช่น เหล็ก ก้อนหิน เป็นของแข็ง II. ของเหลว แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อย โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ไปมาได้บ้าง จึงทำให้รูปทรงของของเหลวเปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่ที่บรรจุ น้ำ น้ำมัน เป็นของเหลว III. แก๊ส แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อยมาก จนโมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมากและเคลื่อนที่ได้ฟุ้งกระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ เช่น อากาศ และแก๊สชนิดต่างๆ

พลังงานกับการเปลี่ยนสถานะ ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ : เป็นการดูดพลังงาน เมื่อสารที่มีสถานะเป็นของแข็งดูดพลังงานเข้าไป อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนเมื่ออุณหภูมิสูงถึงจุดหลอมเหลว อุณหภูมิจะไม่เพิ่มขึ้นไปอีกแต่พลังงานที่ดูดเข้าไปจะใช้ในการสลายแรงยึดเหนี่ยวออก ทำให้สารกลายเป็นของเหลว เราจะเรียกความร้อนที่ดูดเข้าไปเพื่อการนี้ว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว เมื่อสารกลายเป็นของเหลวแล้ว อุณหภูมิก็จะเพิ่มขึ้นอีกเรื่อยๆ จนถึงจุดเดือด อุณหภูมิก็จะไม่เพิ่มไปอีก ซึ่งพลังงานที่ยังดูดเข้าไปนั้นก็จะไปสลายแรงยึดเหนี่ยวของของเหลว เพื่อให้กลายเป็นก๊าซ เราจะเรียกความร้อนตรงนี้ว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง : เป็นการคายพลังงาน จะพิจารณาได้เหมือนด้านบนทุกประการ แต่เป็นทางที่ตรงกันข้ามกันนั่นเอง โดยสารที่เป็นก๊าซจะคายพลังงานออกให้อุณหภูมิลดลงเรื่อยๆ พอถึงจุดควบแน่นก็จะไม่ลดอุณหภูมิอีก แต่จะคายพลังงานออกเพื่อสร้างแรงยึดเหนี่ยวของของเหลวแทน ซึ่งความร้อนที่คายออกในช่วงนี้จะมีค่าเท่ากับความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ เมื่อสารกลายเป็นของเหลวหมดแล้ว อุณหภูมิก็จะลดลงเรื่อยๆอีก จนถึงจุดเยือกแข็ง พลังงานที่คายออกจะถูกนำไปสร้างแรงยึดเหนี่ยวของของแข็งแทน ซึ่งพลังงานที่คายออกนี้จะมีค่าเท่ากับ ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว เช่นกัน

การถ่ายโอนความร้อน

การถ่ายโอนความร้อน (Heat Transfer) ความร้อนจะถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุที่ระดับความร้อนสูง (อุณหภูมิสูง) ไปสู่วัตถุที่มีระดับความร้อนต่ำ (อุณหภูมิต่ำ) การถ่ายโอนความร้อนมี 3 แบบ คือ 1 การนำ 2 การพา 3 การแผ่รังสี

1. การนำ 1. การนำ เป็นการถ่ายโอนพลังงานความร้อนผ่านตัวกลางจากอนุภาคหนึ่งไปสู่อีกอนุภาคหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งโดยมากจะเป็นพวกโลหะต่างๆ เช่น เราเอามือไปจับช้อนโลหะที่ปลายข้างหนึ่งแช่อยู่ในน้ำร้อน มือเราจะรู้สึกร้อน เพราะความร้อนถูกส่งผ่านจากน้ำร้อนมายังมือเราโดยมีช้อนโลหะเป็นตัวนำความร้อน

สารที่นำความร้อนได้ไม่ดี เรียกว่า ฉนวนความร้อน

การพาความร้อน การถ่ายโอนความร้อนผ่านตัวกลางที่เป็นของเหลวหรือแก๊สโดยที่ของเหลวหรือแก๊สส่วนที่ได้รับความร้อนจะเคลื่อนที่พาความร้อนไปด้วย

การแผ่รังสี เป็นการส่งพลังงานความร้อนที่อยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีอินฟราเรด) ดังนั้นจึงไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ เช่นการแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังโลก โดยทั่วไปวัตถุที่แผ่รังสีได้ดีก็จะรับ(ดูดกลืน)รังสีได้ดีด้วย วัตถุชนิดนั้นเราเรียกว่าวัตถุดำ (Black Body) วัตถุดำไม่มีในธรรมชาติ มีแต่ในอุดมคติ ดังนั้นวัตถุที่มีลักษณะใกล้เคียงวัตถุดำ คือ วัตถุที่มีสีดำ ในทางกลับกันวัตถุขาวจะไม่ดูดกลืนรังสีและ ไม่แผ่รังสีที่ตกกระทบ มีแต่ในอุดมคติเท่านั้น

การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีความร้อน กฎของ Stefan-Boltzmann

ข้อมูลอ้างอิง eng.sut.ac.th/me/new/1_2552/425301/week%202.ppt www.damrong.ac.th/damrong50/.../การถ่ายโอนความร้อนEbook.ppt www.nubkk.nu.ac.th/.../s_1276222782.การอนุรักษ์พลังงาน course.ku.ac.th/lms/files/resources.../chapter_4-1_(intro-basic).ppt course.ku.ac.th/lms/files/resources_files/.../chapter_4_(4.1-4.2).ppt