ความรู้เกี่ยวกับ "การถ่ายโอนความร้อน"

การถ่ายโอนความร้อน หมายถึง

   ความร้อนมีการถ่ายโอนได้ ในบริเวณที่สัมผัสกัน ถ้าอุณหภูมิของบริเวณที่สัมผัสต่างกัน จะมีการถ่ายโอนความร้อนให้แก่กันจนอุณหภูมิคงที่

    วัตถุต่างๆ ถ่ายโอนความร้อนได้ดีไม่เท่ากัน วัตถุใดที่ยอมให้ความร้อนถ่ายโอนผ่านได้ดีเรียกว่า ตัวนำความร้อน วัตถุที่ความร้อนไม่สามารถถ่ายโอนผ่านไปได้หรือความร้อนผ่านได้ไม่ดี เรียกว่า ฉนวนความร้อน

การถ่ายโอนพลังงานความร้อนมี 3 แบบ

            1. การนำความร้อน  เป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนโดยพลังงานความร้อนเคลื่อนที่ผ่านเช้าไปในตัวกลางหรือวัตถุและตัวกลางนั้นไม่เคลื่อนที่

            2. การพาความร้อน เป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนโดยพลังงานความร้อนเคลื่อนที่ไปพร้อมๆกับตัวกลางหรือวัตถุ

            3. การแผ่รังสีความร้อน เป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางหรือวัตถุ

ตัวนำความร้อนและฉนวนความร้อน

            ตัวนำความร้อน  หมายถึงวัตถุที่ยอมให้ความร้อนเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในวัตถุนั้นได้ดี ส่วนใหญ่มักเป็นโลหะซึ่งมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ ทำให้นำความร้อนได้เร็ว ได้แก่ เงิน ทองทองแดง อลูมิเนียม  ฯลฯ

            ฉนวนความร้อนหมายถึงวัตถุที่ไม่ยอมให้ความร้อนเคลื่อนที่ ผ่านเข้าไปได้ หรือนำความร้อนได้ไม่ดี ได้แก่ ไม้ พลาสติก แก้ว น้ำ อากาศ ฯลฯ

การนำความรู้เกี่ยวกับการนำความร้อนไปใช้ประโยชน์

            เรานำความรู้เกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานความร้อนไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันหลายประการ เช่น การออกแบบกระทะหรือหม้อหุงต้มนิยมทำด้วยสแตนเลสหรืออลูมิเนียม แต่ด้ามจับทำด้วยพลาสติกเพราะเป็นฉนวน   พื้นเตารีดทำด้วยโลหะแต่มือจับทำด้วยพลาสติก ตัวกระติกน้ำแข็งนิยมทำด้วยพลาสติกเพราะเป็นฉนวนความร้อนทำให้ความร้อนจากภายนอกไม่สามารถผ่านเข้าไปในกระติกน้ำแข็งได้  ที่รองอุปกรณ์ปรุงอาหารในครัวนิยมทำด้วยไม้คอร์ก ป้องกันพื้นโต๊ะเสียหายเมื่อนำอุปกรณ์ร้อนๆวางบนโต๊ะ อุปกรณ์บัดกรีไฟฟ้านิยมทำด้วยทองแดงมือจับทำด้วยฉนวนเช่น พลาสติกแข็ง เรซิน   อากาศเป็นฉนวนความร้อนที่ดี จึงมีการนำอากาศมาใช้เป็นฉนวนความร้อนของเครื่องใช้ แต่อากาศเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจึงต้องทำช่องหรือตาข่ายเก็บอากาศไว้ เช่น ถุงมือที่ใช้จับภาชนะหุงต้มอาหารจะมีช่องหรือบริเวณที่ใช้เก็บกักอากาศ เวลาใช้จึงรู้สึกว่าถุงมือโป่งพอง ทั้งนี้เพื่อให้อากาศเป็นตัวกันไม่ให้ความร้อนไหลเข้าสู่มือขณะจับจาน กระทะหรือภาชนะหุงต้มขณะยังร้อนอยู่  ผ้าห่มจะถูกทำให้มีช่องอากาศ เมื่อใช้ผ้าห่มห่มร่างกายขณะที่อากาศภายนอกเย็น อากาศที่ถูกเก็บไว้ในผ้าห่มจะช่วยป้องกันไม่ให้ความร้อนจากร่างกายไหลออกไปทำให้ร่างกายอบอุ่นขณะห่มผ้าห่ม
                                                      รูป อุปกรณ์บัดกรีไฟฟ้า

                                                  (บัญชา  แสนทวี. 2546 : 193)

การนำความรู้เกี่ยวกับการพาความร้อนไปใช้ประโยชน์

            กาต้มน้ำร้อนใช้หลักการพาความร้อนของของเหลว โดยอุปกรณ์การทำความร้อนจะติดตั้งอยู่บริเวณก้นกาต้มน้ำ เมื่อเปิดสวิตซ์ใช้งาน น้ำบริเวณโดยรอบอุปกรณ์ทำความร้อนจะเริ่มร้อนขึ้นช้าๆโดยการนำความร้อน น้ำอุ่นที่อุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อยๆจะลอยตัวสูงขึ้นและน้ำเย็นจะลอยตัวต่ำลงแทนที่ เกิดเป็นกระแสการพาความร้อนจนกระทั่งน้ำในกาต้มน้ำเดือด

            ประเทศในเขตร้อนจะติดตั้งเครื่องปรับอากาศที่ใช้หลักการพาความร้อน เมื่อเราเปิดสวิตซ์ให้เครื่องปรับอากาศทำงาน อากาศเย็นบริเวณใกล้ๆเครื่องปรับอากาศจะลอยตัวต่ำลงทำให้เกิดกระแสการพาความร้อนไหลเวียนภายในห้อง ทำให้อากาศในห้องเย็นสบาย ส่วนประเทศในเขตอบอุ่นหรือเขตหนาวจะติดตั้งเครื่องทำความร้อน อากาศที่ร้อนจากเครื่องทำความร้อนจะก่อให้เกิดกระแสการพาความร้อน ทำให้ความร้อนไหลเวียนไปรอบๆห้องทำให้อากาศในห้องอบอุ่น
        รูป แสดงการหมุนเวียนของอากาศในห้องที่ติดตั้งเครื่องปรับอากาศและเครื่องทำความร้อน

                                                (บัญชา  แสนทวี. 2546  : 197)

ตัวนำความร้อนและฉนวนความร้อน

            ตัวนำความร้อน หมายถึงวัตถุที่ยอมให้ความร้อนเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในวัตถุนั้นได้ดี ส่วนใหญ่มักเป็นโลหะซึ่งมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ ทำให้นำความร้อนได้เร็ว ได้แก่ เงิน ทองทองแดง อลูมิเนียม  ฯลฯ

            ฉนวนความร้อน หมายถึงวัตถุที่ไม่ยอมให้ความร้อนเคลื่อนที่ ผ่านเข้าไปได้ หรือนำความร้อนได้ไม่ดี ได้แก่ ไม้ พลาสติก แก้ว น้ำ อากาศ ฯลฯ

การนำความรู้เกี่ยวกับการนำความร้อนไปใช้ประโยชน์

เรานำความรู้เกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานความร้อนไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันหลายประการ เช่น การออกแบบกระทะหรือหม้อหุงต้มนิยมทำด้วยสแตนเลสหรืออลูมิเนียม แต่ด้ามจับทำด้วยพลาสติกเพราะเป็นฉนวน   พื้นเตารีดทำด้วยโลหะแต่มือจับทำด้วยพลาสติก ตัวกระติกน้ำแข็งนิยมทำด้วยพลาสติกเพราะเป็นฉนวนความร้อนทำให้ความร้อนจากภายนอกไม่สามารถผ่านเข้าไปในกระติกน้ำแข็งได้  ที่รองอุปกรณ์ปรุงอาหารในครัวนิยมทำด้วยไม้คอร์ก ป้องกันพื้นโต๊ะเสียหายเมื่อนำอุปกรณ์ร้อนๆวางบนโต๊ะ อุปกรณ์บัดกรีไฟฟ้านิยมทำด้วยทองแดงมือจับทำด้วยฉนวนเช่น พลาสติกแข็ง เรซิน   อากาศเป็นฉนวนความร้อนที่ดี จึงมีการนำอากาศมาใช้เป็นฉนวนความร้อนของเครื่องใช้ แต่อากาศเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจึงต้องทำช่องหรือตาข่ายเก็บอากาศไว้ เช่น ถุงมือที่ใช้จับภาชนะหุงต้มอาหารจะมีช่องหรือบริเวณที่ใช้เก็บกักอากาศ เวลาใช้จึงรู้สึกว่าถุงมือโป่งพอง ทั้งนี้เพื่อให้อากาศเป็นตัวกันไม่ให้ความร้อนไหลเข้าสู่มือขณะจับจาน กระทะหรือภาชนะหุงต้มขณะยังร้อนอยู่  ผ้าห่มจะถูกทำให้มีช่องอากาศ เมื่อใช้ผ้าห่มห่มร่างกายขณะที่อากาศภายนอกเย็น อากาศที่ถูกเก็บไว้ในผ้าห่มจะช่วยป้องกันไม่ให้ความร้อนจากร่างกายไหลออกไปทำให้ร่างกายอบอุ่นขณะห่มผ้าห่ม

                                                      รูป อุปกรณ์บัดกรีไฟฟ้า

                                                  (บัญชา  แสนทวี. 2546 : 193)

สมดุลความร้อน หมายถึง ภาวะที่สารที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน และถ่ายโอนความร้อนจนกระทั่งสารทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน (และหยุดการถ่ายโอนความร้อน) เช่น การผสมน้ำร้อนกับน้ำเย็นเข้าด้วยกัน น้ำร้อนจะถ่ายโอนพลังงานความร้อนให้กับน้ำเย็น และเมื่อน้ำที่ผสมมีอุณหภูมิเท่ากัน การถ่ายโอนความร้อนจึงหยุด

วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนพลังงานรังสี การดูดกลืนพลังงานรังสีของวัตถุเรียกว่า "การดูดกลืนความร้อน" จากการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์พบว่า วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบหรือสีเข้ม จะดูดกลืนความร้อนได้ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวหรือสีอ่อนจะดูดกลืน ความร้อนได้ไม่ดี

ในทำนองตรงกันข้าม วัตถุที่มีความร้อนทุกชนิดสามารถคายความร้อนได้เช่นกัน โดยวัตถุที่มีผิวนอกสีดำจะคายความร้อนได้ดี และวัตถุที่มีผิวนอกขาวจะคายความร้อนได้ไม่ดี

ในชีวิตประจำวันใช้ประโยชน์จากสมบัติของการดูดกลืนความร้อนและการคายความร้อนของวัตถุในการเลือกสีทาอุปกรณ์เครื่องใช้ต่างๆ เช่น ชุดนักดับเพลิงมีสีสว่างและแวววาวเพื่อไม่ให้รับพลังงานความร้อนมากเกินไป บ้านเรือนที่อยู่อาศัยในเขตร้อนนิยมทาด้วยสีขาว เป็นต้น

วัตถุบางชนิดจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและจะหดตัวเมื่อคายความร้อน การขยายตัวของวัตถุเป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัตถุ อัตราส่วนระหว่างขนาดของวัตถุที่เปลี่ยนแปลงไปกับขนาดเดิมของวัตถุต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง เรียกว่า "สัมประสิทธิ์ของการขยายตัว" วัตถุใดที่มีสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวมากจะขยายตัวได้มากกว่าวัตถุที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวน้อย เช่น ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส และความดันบรรยากาศเดียวกัน สังกะสี ตะกั่ว อะลูมิเนียม จะขยายตัวได้มากไปน้อย ตามลำดับ

ความรู้เรื่องการขยายตัวของวัตถุเมื่อได้รับความร้อนถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง เช่น การเว้นรอยต่อของรางรถไฟ การเว้นช่องว่างของหัวสะพาน การประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ และการติดตั้งเทอร์มอสแตตไฟฟ้า เพื่อใช้ควบคุมระดับอุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น

กิจกรรมต่างๆ ในสาขาฟิสิกส์ ประยุกต์พลังงาน

คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม