อุณหภูมิ (Temperature)

ข่าวพยากรณ์อากาศในแต่ละวัน มักนำเสนอเรื่องของอุณหภูมิจนกลายเป็นเรื่องธรรมดานะครับ และเราก็มักจะนั่งฟังพร้อมกับมโนคติที่เกิดขึ้นในสมองโดยอัตโนมัติ เช่น พยากรอากาศบอกว่า"วันนี้อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส" .....ในหัวของเราก็จะบอกทันทีว่า "ร้อน-ตับ-แตก" ประเด็นก็คือเรามักจะคุ้นเคยกับการตัดสินปริมาณความร้อนด้วยอุณหภูมิ แต่!!! ความเคยชินนี้ ถูกต้องหรือไม่??? อุณหภูมิสูง หมายถึงมีความร้อนมากกว่าจริงเหรอ??? ผมขอยกคำถามง่ายๆว่า "น้ำในแก้วกาแฟอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส กับน้ำในกะละมังอุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส อย่างไหนจะร้อนกว่ากัน? หรือถามใหม่ว่าน้ำในภาชนะใดมีความร้อนอยู่มากกว่ากัน "

ตัวอย่างต่อมา คือ หากมีใครสักคนหนึ่งถามเราว่า อุณหภูมิคืออะไร คำตอบง่ายๆ ที่คนส่วนใหญ่จะนึกและตอบอาจจะเป็นดังนี้ อุณหภูมิคือระดับของความร้อน นั่นคือ วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงจะมีความร้อนสะสมอยู่มากกว่าวัตถุที่มีอุณภูมิต่ำกว่า คุณล่ะครับ คิดว่าคำตอบนี้ถูกต้องหรือไม่ก่อนจะตอบคำถาม ลองศึกษาตัวอย่างการทดลองตามภาพต่อไปนี้นะครับ

ที่มา : http://www.rmutphysics.com

ตามภาพ วางลูกตุ้มอลูมิเนียม เหล็ก ทองแดง และกั่ว มวล 1 kg และมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากันบนแผ่นขึ้ผึ้ง โดยลูกตุ้มทั้งสี่มีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียสเท่ากัน และเมื่อปล่อยให้เวลาผ่านไป ผลการทดลองเป็นไปดังภาพ เราจะอธิบายผลการทดลองที่เกิดขึ้นได้อย่างไร ความร้อนที่ขี้ผึ้งได้รับทำให้ขี้ผึ้งละลาย และทำไมวัตถุที่มีอุณหภูมิเท่ากันจึงทำให้ขึ้ผึ้งละลายได้ไม่เท่ากัน หรืออาจเป็นไปได้ว่า วัตถุที่มีอุณหภูมิเท่ากันไม่จำเป็นจะต้องมีความร้อนสะสมอยู่เท่ากันก็ได้ ถ้าเป็นเช่นนั้น อุณหภูมิจะยังเป็นสิ่งบ่งบอกระดับความร้อนของวัตถุได้หรือไม่ อย่างนี้แล้วการจะตอบว่าอุณหภูมิคืออะไร คงต้องการความเข้าใจให้มากขึ้น ก่อนจะตอบ เห็นด้วยมั้ยครับ ^_^

อุณหภูมิคือ ปริมาณทางฟิสิกส์ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ทิศทางการถ่ายเทพลังงานความร้อน โดยความร้อนจะถ่ายเทจากที่มีอุณภูมิสูง ไปยังที่ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่า จนกระทั่งอุณหภูมิเท่ากันจึงหยุดถ่ายเทความร้อนประเด็นสำคัญ คือ ขณะที่อุณหภูมิเท่ากัน ปริมาณความร้อนในวัตถุไม่จำเป็นต้องเท่ากันตัวอย่างเช่น หากนำแก้วน้ำร้อนมาแช่น้ำอุณภูมิห้องในกะลังมังขนาดใหญ่ ความร้อนจะถ่ายเทจากน้ำในแก้วซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่ามายังน้ำในกะละมัง จนกระทั่งน้ำทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันจึงหยุดการถ่ายเทความร้อน ณ จุดนี้ในทางฟิิสิกส์กล่าวว่าวัตถุทั้งสองอยู่ที่จุด "สมดุลความร้อน" (thermal equilibrium) ต่อมาหากเราแยกแก้วน้ำออกมาวางข้างนอกใกล้ๆกับกะละมังใส่เทอร์โมมิเตอร์ลงไปในภาชนะทั้งสอง หากต้องการดึงความร้อนออกจากน้ำในภาชนะทั้งสองจนมีอุณหภูมิลดลงจนเป็น 0 องศาเซลเซียส โดยการใส่น้ำแข็งลงไป แน่นอนว่าต้องใส่น้ำแข็งลงไปในน้ำในกะละมังมากกว่าในแก้วนำ้อย่างแน่นอน จึงสรุปได้ว่าน้ำในกะละมังมีความร้อนสะสมอยู่มากกว่าน้ำในแก้วที่มีอุณหภูมิเท่ากัน

ชวนคิดอีกหน่อยนะครับ ในทางกลับกันถ้านำวัตถุสองชิ้นซึ่งมีความร้อนสะสมอยู่ไม่เท่ากันแต่มีอุณหภูมิเท่ากันมาแตะกัน จะเกิดการถ่ายเทความร้อนหรือไม่???

เทอร์โมมิเตอร์ thermometer

เทอร์โมมิเตอร์ คือ เครื่องมือที่ใช้สำหรับวัดอุณหภูมิ ซึ่งจะประกอบด้วยสองส่วนสำคัญ ได้แก่ ส่วนตรวจวัดอุณหภูมิและส่วนแสดงผลซึ่งจะแปลงผลการวัดออกมาเป็นค่าที่แสดงถึงอุณหภูมิ ของเทอร์โมมิเตอร์นั้นมีหลายชนิด แต่ที่เราคุ้นเคยกันส่วนใหญ่แล้วจะเป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่ประกอบด้วยกระเปาะของของเหลวดังรูปด้านบน การสร้างเทอร์มอมิเตอร์แบบนี้นั้นอาศัยคุณสมบัติของการขยายตัวของของเหลวหรือแก๊ส เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง

ของเหลวที่บรรจุในเทอร์โมมิเตอร์นั้นส่วนใหญ่จะใช้ปรอทเพราะปรอทนำความร้อนได้ดี มีการขยายตัวและหดตัวได้รวดเร็ว ทึบแสงและไม่เกาะข้างแก้ว แต่ปรอทเองก็มีข้อจำกัดในการใช้เช่นกัน คือ ผิวที่มันวาวของปรอททำให้มองเห็นได้ยาก แข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำมากๆ และปรอทเป็นสารพิษอาจเกิดอันตรายหากเทอร์โมมิเตอร์เกิดแตกหัก ของเหลวชนิดอื่นที่มีการนำมาใช้แทนปรอท เช่น แอลกอฮอล์ ทั้งนี้เนื่องจากแอลกอฮอล์สามารถใช้งานในที่อุณหภูมิต่ำมากๆได้ โดยที่ไม่แข็งตัว อีกทั้งแอลกอฮอล์ขยายตัวได้ดีกว่าปรอทถึง 6 เท่า อย่างไรก็ตามไม่สามารถนำไปใช้ในที่ซึ่งมีอุณหภูมิสูงๆได้ เพราะแอลกอฮอล์จะเดือดเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอได้ง่าย

ในการสร้างเทอร์โมมิเตอร์ มีการกำหนดอุณหภูมิที่ใช้เป็นมาตรฐานในการแบ่งช่องสเกล ดังนี้

1. จุดเดือด (boiling point) คือ จุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ท่ีความดัน 1 บรรยากาศ จุดเดือดนี้อาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า จุดควบแน่น

2. จุดเยือกแข็ง (freezing point) คือ จุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ที่ความดัน 1 บรรยากาศ จุดเยือกแข็งนี้อาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า จุดหลอมเหลว

ชนิดของเทอร์โมมิเตอร์ แบ่งตามหน่วยของอุณหภูมิ

1. เทอร์โมมิเตอร์แบบเซลเซียส แบ่งสเกลไว้ 100 ช่อง มีจุดเยือกแข็ง 0°C จุดเดือด 100°C

2. เทอร์โมมิเตอร์แบบฟาเรนไฮต์ แบ่งสเกลไว้ 180 ช่อง มีจุดเยือกแข็ง 32°F จุดเดือด 212°F

3. เทอร์โมมิเตอร์แบบเคลวิน แบ่งสเกลไว้ 100 ช่อง มีจุดเยือกแข็ง 273 K จุดเดือด 373 K

รูปแสดงการเปรียบเทียบอุณหภูมิในหน่วยต่างๆ

นอกจากนี้ยังมีเทอร์โมมิเตอร์แบบอื่นๆอีก ดังตัวอย่างต่อไปนี้

เทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอล  เทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟาเรด

เทอร์โมมิเตอร์แบบฟิล์ม

เทอร์โมมิเตอร์แบบคู่โลหะ

การสร้างเทอร์โมมิเตอร์อย่างง่าย

เมื่อเราพูดถึงเทอร์โมมิเตอร์นั้น เราก็มักจะคิดถึงแท่งแก้วซึ่งมีของเหลวอยู่ข้างใน ซึ่งเทอร์โมมิเตอร์แบบนี้นั้นคงจะยากต่อการสร้างด้วยตนเองอย่างแน่นอนครับ แต่ถ้าเราพิจารณาเทอร์โมมิเตอร์จากนิยามซึ่งกำหนดให้เป็นเครื่องมือบอกหรือวัดอุณหภูมิแล้วล่ะก็ ในองค์ความรู้นี้ผมขอนำเสนอวิธีการสร้างเทอร์โมมิเตอร์อย่างง่ายซึ่งใครๆก็สามารถสร้างได้ด้วยตนเองครับ และขอขอบคุณ ดร.จันทร์ชัย หญิงประยูร เจ้าของไอเดียดีๆ นี้ครับ

เทอร์โมมิเตอร์ เป็นเครื่องมือวัดอุณหภูมิ เราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือความร้อนโดยอาศัยการวัดการ เปลี่ยนแปลงของปริมาณทางกายภาพต่างๆ เช่น ความยาวของวัดถุจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อวัตถุนั้นมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป อากาศจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ลวดโลหะจะยาวขึ้นเมื่อลวดมีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่วัสดุบางชนิดเช่นโพลิเมอร์ หรือหนังสติ๊กจะหดสั้นลงเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น

เราสามารถสร้างเทอร์โมมิเตอร์อย่างง่ายได้โดยอาศัยวัสดุราคาถูกที่สามารถ หาได้ง่ายรอบๆตัว ได้แก่ ตะเกียบไม้ 1 คู่ เทปกาว หลอดกาแฟ เข็มหมุด หนังสติ๊ก และไม้ขีดไฟ

รูปอุปกรณ์สำหรับสร้างเทอร์โมมิเตอร์อย่างง่าย

ใช้เทปกาวพันรอบแท่งตะเกียบคู่นี้ 3 ช่วง นำหนังสติ๊กมาคาดกลางระหว่างตะเกียบคู่นี้ ดังแสดงในรูป ตัดหลอดกาแฟให้ยาวประมาณ 2 นิ้ว เอาเข็มหมุดมาเสียบที่บริเวณกึ่งกลางหลอดกาแฟโดยให้ปลายแหลมโผล่ออกมาเล็กน้อย แล้วนำเข็มหมุดไปสอดไว้ใต้เส้นหนังสติ๊กบริเวณเทปกาว

หลังจากนั้นเราก็จะลองนำเทอร์โมมิเตอร์ที่เราสร้างขึ้นไปทดลองใช้ครับ ถ้านำเปลวไฟมาใกล้หนังสติ๊ก หนังสติ๊กจะร้อนขึ้นและหดตัว เป็นผลทำให้เข็มหมุดที่วางอยู่ใต้หนังสติ๊กหมุนตัวตาม และทำให้หลอดกาแฟบิดตามด้วย อุณหภูมิของหนังสติ๊กสูงขึ้นมาก หลอดกาแฟก็จะบิดมาก อุณหภูมิของหนังสติ๊กสูงขึ้นเล็กน้อย หลอดกาแฟก็จะบิดไปเล็กน้อย นี่คือหลักการอย่างง่ายในการสร้างเทอร์โมมิเตอร์ หลอดกาแฟจะทำหน้าที่เป็นเข็มชี้วัดอุณหภูมินั่นเอง

ที่มา : http://curric.net/elearning/mod/forum/discuss.php?d=214

รูปยอดเขาเอเวอเรสต์

ใคร ๆ ก็ทราบกันดีว่ายอดเขาที่สูงที่สุดในโลกคือยอดเขาเอเวอเรสต์(Eerest) ในเทือกเขาหิมาลัย ซึ่งมีความสูงถึง 8,848 เมตรเหนือระดับน้ำทะเล การจะพิชิตยอดเขาแห่งนี้คงเป็นเรื่องยากเย็นแสนเข็ญอย่างปฏิเสธไม่ได้นะครับ แต่จะมีใครทราบบ้างว่า แม้แต่การจะต้มไข่ไก่ให้สุกบนยอดเอเวอเรสต์นั้นก็ยังเป็นเรื่องยากอย่างคาดไม่ถึงเลยทีเดียว ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น? ร่วมหาคำตอบจากองค์ความรู้นี้กันเลยครับ

ดดดดดในระดับความสูงปกติที่เราคุ้นเคย (ใกล้เคียงระดับน้ำทะเล) การต้มไข่ไก่ให้สุกนั้น คงใช้เวลาตั้งไฟไม่เกิน 5 นาที แต่สำหรับบริเวณซึ่งสูงอย่างยอดเขาเอเวอเรสต์นั้นกฏทางฟิสิกส์ได้ปรับเปลี่ยนโลกแห่งความเข้าใจของเราไปอย่างสิ้นเชิงนะครับ ลองดูตัวอย่างจากรูปภาพต่อไปนี้

รูปภาพด้านบน คือ ภาพไข่ไก่ซึ่งต้มในน้ำเดือดบนยอดเขาเอเวอเรสต์เป็นเวลากว่า 20 นาที

Q : โอ้วววว... เกือบครึ่งชั่วโมงแต่ทำไมไข่ไก่จึงไม่สุก?

A : สาเหตุที่ไข่ไก่ไม่สุกนั้นเป็นเพราะน้ำบนยอดเขาเอเวอเรสต์เดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียสนะสิครับ

...........................เสน่ห์ของวิทยาศาสตร์ก็คือ คำตอบของปัญหาหนึ่งมักจะนำไปสู่คำถามของปัญหาถัดไป...........................

Q : แล้วเพราะอะไรบนยอดเขาเอเวอเรสต์น้ำจึงเดือดที่อุณหภูมิไม่ถึง 100 องศาสเซลเซียสกันล่ะ

A : เป็นเพราะจุดเดือดของน้ำนั้นขึ้นอยู่กับความดันอากาศนั่นเองครับ

จุดเดือดของน้ำนั้น คือ จุดซึ่งความดันไอมีค่าเท่ากับความดันบรรยากาศ พูดง่ายๆก็คือ น้ำจะเดือดก็ต่อเมื่อความดันไอบริเวณหน้าผิวของเหลวมีค่าเท่ากับความดันของบรรยากาศโดยรอบ ซึ่งที่ระดับน้ำทะเลมีความดัน 1 บรรยากาศ หรือ 760 มิลลิเมตรของปรอท น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100°C แต่ในบริเวณที่สูงขึ้นก็จะมีอากาศเบาบางลง ความดันอากาศจึงลดลงเป็นผลให้น้ำสามารถเดือดได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C และในทางกลับกัน บริเวณที่มีความดันโดยรอบสูงๆ น้ำก็จะเดือดที่อุณหภูมิที่สูงกว่า 100°C

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอกับจุดเดือดของน้ำนั้น แสดงได้ดังกราฟ

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอและจุดเดิอดของน้ำที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับ 100°C

ที่มา : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/appre.html

จากการทดลอง เมื่อพิจารณาจากสมการจะเห็นได้ว่า ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอและจุดเดือดของน้ำนั้นไม่เป็นเชิงเส้น แต่หากพิจารณาเฉพาะบริเวณใกล้เคียง 100°C จะเห็นเป็นกราฟเส้นตรงจึงสามารถคิดเป็นความความสัมพันธ์เชิงเส้นได้โดยประมาณ อีกทั้งความดันอากาศเองก็ยังขึ้นอยู่กับความสูงจากระดับน้ำทะเล ดังนั้นเราจึงสามารถหาความสัมพันธ์ของจุดเดือดของน้ำและความสูงจากระดับน้ำทะเลได้ ดังกราฟ

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างจุดเดิอดของน้ำและความสูงจากระดับน้ำทะเล

ที่มา : http://www.engineeringtoolbox.com/boiling-points-water-altitude-d_1344.html

โดยอาศัยข้อมูลจากการทดลอง สามารถสรุปได้ว่า

0001. เมื่อความดันของอากาศลดลง(เทียบกับ 760 mmHg) จุดเดือดของน้ำจะต่ำลง คือ ต่ำกว่า 100°C เมื่อความดันของอากาศสูงขึ้น จุดเดือดของน้ำจะสูงขึ้น คือ สูงกว่า 100°C เมื่อความดันของอากาศเปลี่ยนแปลงไป 27 mmHg จุดเดือดของน้ำจะเปลี่ยนไป 1°C เช่น เมื่อความดันของอากาศลดลง 27 mmHg จุดเดือดของน้ำจะต่ำลง 1°C หรือ ภายใต้ความดันอากาศ 760-27 = 733 mmHg น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 99°C

0002. ในที่ที่ยิ่งสูงขึ้นไปจากระดับน้ำทะเล (ความดันของอากาศจะลดลง เพราะว่ามีบรรยากาศเบาบางลง) โดยที่ความดันอากาศจะลดลง 1 mmHg ทุกระยะทางที่สูงขึ้นจากเดิม 11 เมตร ดังนั้น ความสูงย่อมมีอิทธิพลต่อจุดเดือดของน้ำด้วย เช่น ถ้าสุงขึ้นไปจากเดิม 11×27 = 297 เมตร จุดเดือดของน้ำจะต่ำลง 1°C หรือ น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 99°C

ตารางแสดงตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างความสูงและจุดเดือดของน้ำ

ทราบอย่างนี้แล้ว หากคิดจะทำอาหารบนยอดเขาเอเวอเรสต์ คงไม่มีใครเลือกเมนูที่ต้องต้มหมูหรือต้มไก่นะครับ เพราะอะไรน่ะหรือ..... ลองคิดกันเอาก็แล้วกันนะครับ ^_^

 ต้มน้ำด้วยแก้วกระดาษ

ในชีวิตประจำวัน เราคงคุ้นเคยกับการต้มน้ำด้วยภาชนะโลหะหรือแก้วนะครับ ภาพที่เห็นในรูปด้านบนคงไม่แปลกอะไร แต่จะเป็นอย่างไรถ้าภาชนะที่เราใช้ต้มน้ำเปลี่ยนเป็นแก้วกระดาษ มันจะเป็นไปได้หรือไม่ มันจะเป็นไปได้อย่างไร

จะด้วยมายากลหรือมนต์ดำแห่งไสยศาสตร์ สิ่งนั้นได้เกิดขึ้นแล้วครับ (รับชมเพิ่มเติมได้ในส่วนวิดีโอนะครับ) การต้มน้ำด้วยแก้วกระดาษเป็นสิ่งที่เป็นไปได้ ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางความร้อนของน้ำ นั่นคือ ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ ในองค์ความรู้นี้เราจะศึกษาเกี่ยวกับความจุความร้อนและความจุความร้อนำเพาะของสารนะครับอออออจากการศึกษาผลของพลังงานความร้อนที่มีต่อสาร พบว่า เมื่อสารได้รับหรือคายพลังงานความร้อน จะทำให้สมบัติด้านต่างๆ ของสารนั้นเปลี่ยนไป เช่น อุณหภูมิ สถานะ รูปร่าง ปริมาตร ความหนาแน่น ความต้านทาน เป็นต้น สำหรับองค์ความรู้นี้ เราจะกล่าวถึงเฉพาะพลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับปริมาณทางฟิสิกส์ที่สำคัญ 2 ปริมาณ ได้แก่ ความจุความร้อน(heat capacity, C) และความจุความร้อนจำเพาะ (specific heat capacity, c)1. ความจุความร้อน (heat capacity) สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ "C"อออออความจุความร้อน คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย พิจารณาง่ายๆ จากรูปต่อไปนี้นะครับ

ตารางแสดงค่าความจุความร้อนจำเพาะของสารบางชนิด

จากตารางจะเห็นได้ว่าน้ำเป็นสารที่มีค่าความจุความร้อนจำเพาะสูง (4186 J/kg.K) การที่จะทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 °C (หรือ 1 K) นั้น ต้องให้พลังงานความร้อนเข้าไปในปริมาณมาก ดังนั้น เมื่อนำน้ำใส่แก้วกระดาษและนำไปตั้งไฟ ความร้อนจากไฟจึงถูกถ่ายเทไปยังน้ำทำให้แก้วกระดาษไม่ไหม้ไฟ แต่หากปล่อยให้น้ำเดือดและระเหยไปจนหมด จะเกิดอะไรขึ้นกับแก้วกระดาษ อันนี้ทิ้งไว้ให้ลองคิดกันต่อนะครับ

สมดุลความร้อน

สำหรับองค์ความรู้นี้ ผมอยากจะเริ่มต้นด้วยคำถามง่ายๆ นั่น คือ หากเราทดลองเอาแท่งไม้ และแท่งเหล็กขนาดเท่าๆกัน และมีอุณหภูมิเท่ากับอุณหภูมิห้อง ไปใส่ไว้ในตู้เย็นและทิ้งไว้ 2 ชั่วโมง หลังจากนั้น เปิดตู้เย็นและใช้มือสัมผัสแท่งไม้และแท่งเหล็กดู ท่านคิดว่าวัตถุใดจะมีอุณหภูมิต่ำกว่ากัน??? แท่งไม้..... หรือแท่งเหล็ก.... ลองคิดกันดูเล่นๆ และเลือกคำตอบไว้ในใจก่อนนะครับ ต่อจากนี้ไป เราจะพูดถึงปรากฏการณืพื้นฐานทางความร้อนอีกเรื่องหนึ่ง นั่นก็คือ สมดุลความร้อน ทำไมผมจึงบอกว่าเรื่องนี้เป็นเรื่องพื้นฐานล่ะ นั่นก็เพราะว่า เรื่องนี้มันเกี่ยวกับการที่เอาน้ำเย็นเทผสมกับน้ำร้อน แล้วได้น้ำอุ่นไงล่ะครับ เรื่องแบบนี้มีใครบ้างไม่รู้ จริงมั้ยครับ

เมื่อมีวัตถุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสหรือผสมกัน จะเกิดการถ่ายเทความร้อน จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า จนกระทั่งอุณหภูมิเท่ากัน จึงหยุดถ่ายเทความร้อน เรียกสภาพเช่นนี้ว่า สมดุลความร้อน

ปริมาณความร้อนที่วัตถุอุณหภูมิสูงคายออกมาหรือลดลง จะเท่ากับปริมาณความร้อนที่วัตถุอุณหภูมิต่ำได้รับเข้าไปหรือเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจกล่าวสั้นๆ ว่า"ความร้อนลดเท่ากับความร้อนเพิ่ม"

หรือเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ว่า

ΔQลด= ΔQเพิ่ม

ขั้นตอนการแก้ปัญหาโจทย์เรื่องสมดุลความร้อนมีขั้นตอนดังนี้

1. แยกวัตถุออกเป็น 2 พวก คือ พวกอุณหภูมิสูงและพวกอุณหภูมิต่ำ แล้วเขียนแผนภาพ

2. หาปริมาณความร้อนที่วัตถุอุณหภูมิสูงลดลงหรือคายออกมาทั้งหมด หรืออาจเปลี่ยนสถานะ จาก ΔQ = mcΔT หรือ ΔQ = mL

3. หาปริมาณความร้อนที่วัตถุอุณหภูมิต่ำเพิ่มขึ้นหรือได้รับมาทั้งหมด หรืออาจเปลี่ยนสถานะ จาก ΔQ = mcΔT หรือ ΔQ = mL

4. ตั้งสมการΔQลด= ΔQเพิ่มแล้วแทนค่า ΔQ ที่ได้จากข้อ 2 และข้อ 3 ลงในแต่ละข้างของสมการ

การประยุกต์ใช้

ความรู้เรื่องสมดุลความร้อนนั้นมีการนำมาประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลาย ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดเจน คือ ระบบระบายความร้อนไม่ว่าจะเป็นในรถยนต์ เครื่องปรับอากาศ หรือในระบบหนึ่งๆของโรงงานอุตสาหกรรม เรามักจะสังเกตได้ว่าโรงงานอุตสาหกรรมมักจะอยู่ใกล้แหล่งน้ำหรือมีบ่อพักน้ำขนาดใหญ่เพื่อกักเก็บน้ำไว้ใช้สำหรับระบบหล่อเย็นเครื่องจักรกลบางประเภท ท่านจะได้ศึกษาการคำนวณเกี่ยวกับระบบระบายความร้อนจากตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่างโรงไฟฟ้าต้องการระบายความร้อนทิ้งในอัตรา 4000 kJ/s โดยใช้น้ำจากสระเป็นตัวรับความร้อนผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งมีประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อน 80% จงหาว่าน้ำในสระมีอุณหภูมิเริ่มต้น 20 °C และสระมีปริมาตร 1000 ลูกบาศก์เมตร ภายในเวลา 1 ชั่วโมง น้ำในสระจะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นกีองศาเซลเซียส (ค่าความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ 4 kj/kg.K และประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อน คือ อัตราส่วนระหว่างปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทจริงต่อปริมาณความร้อนสูงสุด)

วิธีทำจากโจทย์วัตถุที่คายความร้อนออกมาคือโรงงานไฟฟ้า ส่วนวัตถุที่รับความร้อนเข้าไปคือน้ำในสระ โดยประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อน 80% หมาบความว่า

(80/100 )ΔQลด= ΔQเพิ่ม

หรือ ΔQน้ำ= (80/100)ΔQระบาย

mcΔT = 0.8 P.t

ρΔT = 0.8 P.t (m=ρ และ P คือ พลังงานความร้อนที่ระบายออกต่อหน่วยเวลาหรืออัตราการระบายความร้อน)

1000 x 1000 x 4000 xΔT= 0.8 x 4000 x 1000 x 3600

ΔT=2.9 °C

>>>>>สำหรับหรับคำถามที่ถามไว้ในตอนแรกนั้น คำตอบก็คือ แท่งไม้และแท่งเหล็กจะมีอุณหภูมิเท่ากันครับ เพราะอะไรนั้น.... ลองหาคำอธิบายให้ตนเองดูนะครับ

การถ่ายโอนความร้อน

เรา แบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ชนิดคือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ทว่าในความเป็นจริง การถ่ายเทความร้อนทั้งสามชนิดอาจเกิดขึ้นพร้อมๆ กันอย่างแยกไม่ออก
การนำความร้อน (Conduction)เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งซึ่งอยู่ติดกันไป เรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว

รูปแสดงการนำความร้อนจากโลหะมาสู่มือ

รูปแสดงการถ่ายเทความร้อนระหว่างโมเลกุลของโลหะ

การพาความร้อน (Conection)เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสสารซึ่งมี สถานะเป็นของเหลวและก๊าซ ส่วนของแข็งนั้นจะมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อน และการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนจึงมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศ และมหาสมุทร รวมทั้งภายในโลก และดวงอาทิตย์
ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว ความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ทำให้น้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า“วัฏจักรการพาความร้อน” (Conection circulation)

รูปแสดงลักษณะของการพาความร้อน ....................................................ชวนคิด....................................................

จากรูปก้อนน้ำแข็งที่ก้นหลอดทดลองจะได้รับความร้อนด้วยการพาความร้อนหรือไม่ เพราะเหตุใด

การแผ่รังสี (Radiation)เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว

การประยุกต์ใช้
ภาพต่อไปนี้ คือ ขวดสูญญากาศหรือขวดเทอร์มอส ซึ่งสามารถเก็บรักษาอุณหภูมิของสิ่งที่บรรจุไว้ข้างในได้เป็นเวลานาน ลองคิดดูสิครับว่า เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น

รูปแสดงขวดสูญญากาศ