พลังงานความร้อนคือคำที่เราใช้เพื่ออธิบายระดับของกิจกรรมของโมเลกุลในวัตถุ การกระตุ้นที่เพิ่มขึ้นนั้นไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ในขณะที่ในวัตถุที่เย็น อะตอมจะเคลื่อนที่ช้ากว่ามาก
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนสามารถพบได้ทุกที่ - ในธรรมชาติ เทคโนโลยี และชีวิตประจำวัน
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อน
ตัวอย่างที่ใหญ่ที่สุดของการถ่ายเทความร้อนคือดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้โลกอบอุ่นและทุกสิ่งบนนั้น ในชีวิตประจำวัน คุณจะพบตัวเลือกที่คล้ายกันมากมาย เฉพาะในความหมายที่น้อยกว่ามากเท่านั้น แล้วตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในชีวิตประจำวันมีอะไรบ้าง
นี่คือบางส่วน:
- เตาแก๊สหรือไฟฟ้า และ ตัวอย่างเช่น กระทะสำหรับทอดไข่
- เชื้อเพลิงยานยนต์ เช่น น้ำมันเบนซิน ให้พลังงานความร้อนแก่เครื่องยนต์
- เครื่องปิ้งขนมปังที่แถมมาจะเปลี่ยนขนมปังเป็นขนมปังปิ้ง มีความเกี่ยวข้องกับความเปล่งปลั่งพลังงานความร้อนของขนมปังปิ้งซึ่งดึงความชื้นออกจากขนมปังและทำให้กรอบ
- โกโก้ร้อนสักแก้วอุ่นมือ
- เปลวไฟใดๆ จากไฟที่ตรงกันไปจนถึงไฟป่าขนาดใหญ่
- เมื่อน้ำแข็งวางลงในแก้วน้ำ พลังงานความร้อนจากน้ำจะละลาย นั่นคือน้ำเองเป็นแหล่งพลังงาน
- หม้อน้ำหรือระบบทำความร้อนในบ้านของคุณให้ความอบอุ่นในช่วงฤดูหนาวที่ยาวนานและหนาวเย็น
- เตาอบธรรมดาเป็นแหล่งของพาความร้อน อันเป็นผลมาจากการที่อาหารที่วางอยู่ในนั้นได้รับความร้อนและกระบวนการทำอาหารเริ่มต้นขึ้น
- ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนสามารถสังเกตได้ในร่างกายของคุณเองโดยถือน้ำแข็งในมือ
- พลังงานความร้อนยังอยู่ในตัวแมว ซึ่งสามารถอุ่นเข่าของเจ้าของได้
ความร้อนคือการเคลื่อนไหว
กระแสความร้อนเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง วิธีการหลักในการถ่ายทอดสามารถเรียกได้ว่าการประชุมการแผ่รังสีและการนำ มาดูรายละเอียดแนวคิดเหล่านี้กันดีกว่า
ความนำไฟฟ้าคืออะไร
บางทีหลายคนอาจจะสังเกตมากกว่าหนึ่งครั้งว่าการสัมผัสพื้นในห้องเดียวกันอาจแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง การเดินบนพรมเป็นเรื่องที่ดีและอบอุ่น แต่ถ้าคุณเข้าห้องน้ำด้วยเท้าเปล่า ความเย็นสบายที่สังเกตได้จะให้ความรู้สึกร่าเริงในทันที ไม่ใช่ที่ที่มีระบบทำความร้อนใต้พื้น
แล้วทำไมพื้นผิวกระเบื้องถึงแข็ง? ทั้งหมดเป็นเพราะการนำความร้อน เป็นหนึ่งในสามประเภทของการถ่ายเทความร้อน เมื่อใดก็ตามที่วัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน พลังงานความร้อนจะผ่านเข้ามาระหว่างวัตถุทั้งสอง ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนในกรณีนี้ ได้แก่ การจับแผ่นโลหะ ปลายอีกด้านวางบนเปลวเทียน เมื่อเวลาผ่านไป คุณจะรู้สึกแสบร้อนและเจ็บปวด และในขณะที่คุณสัมผัสเตารีด หม้อต้มน้ำจะไหม้ได้
ปัจจัยนำไฟฟ้า
การนำไฟฟ้าที่ดีหรือไม่ดีขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ:
- ประเภทและคุณภาพของวัสดุที่ใช้ทำวัตถุ
- พื้นที่ผิวของวัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกัน
- ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุทั้งสอง
- ความหนาและขนาดของสิ่งของ
ในรูปแบบสมการจะมีลักษณะดังนี้: อัตราการถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุเท่ากับค่าการนำความร้อนของวัสดุที่ใช้สร้างวัตถุ คูณพื้นที่ผิวที่สัมผัส คูณความแตกต่างของอุณหภูมิ ระหว่างวัตถุทั้งสองและหารด้วยความหนาของวัสดุ ง่ายๆ
ตัวอย่างการนำไฟฟ้า
การถ่ายเทความร้อนโดยตรงจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งเรียกว่าการนำไฟฟ้า และสารที่นำความร้อนได้ดีจะเรียกว่าตัวนำ วัสดุและสารบางชนิดไม่สามารถรับมือกับงานนี้ได้ดี เรียกว่าฉนวน (insulators) ซึ่งรวมถึงไม้ พลาสติก ไฟเบอร์กลาส และแม้กระทั่งอากาศ ดังที่คุณทราบ ตัวแยกกระแสไฟฟ้าไม่ได้หยุดการไหลร้อนแต่ก็ลดความเร็วลงสักหนึ่งองศา
การพาความร้อน
การถ่ายเทความร้อนประเภทนี้ เช่น การพาความร้อน เกิดขึ้นในของเหลวและก๊าซทั้งหมด คุณสามารถหาตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติและในชีวิตประจำวันได้ เมื่อของเหลวร้อนขึ้น โมเลกุลที่อยู่ด้านล่างจะได้รับพลังงานและเคลื่อนที่เร็วขึ้น ส่งผลให้ความหนาแน่นลดลง โมเลกุลของของไหลอุ่นจะเริ่มเคลื่อนขึ้นด้านบนในขณะที่สารหล่อเย็น (ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากขึ้น) เริ่มจมลง หลังจากที่โมเลกุลที่เย็นลงถึงด้านล่าง พวกมันจะได้รับส่วนแบ่งของพลังงานอีกครั้งและมีแนวโน้มสูงขึ้นอีกครั้ง วัฏจักรจะดำเนินต่อไปตราบใดที่มีแหล่งความร้อนอยู่ที่ด้านล่าง
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติสามารถให้ได้ดังนี้: ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องเขียนที่มีอุปกรณ์พิเศษ, ลมอุ่น, เติมพื้นที่ของบอลลูน, สามารถทำให้โครงสร้างทั้งหมดมีความสูงเพียงพอ, สิ่งนั้นคือ ว่าลมอุ่นเบากว่าลมเย็น
การแผ่รังสี
เมื่อคุณนั่งหน้ากองไฟ คุณจะรู้สึกอบอุ่นจากความอบอุ่นที่เปล่งออกมาจากไฟ สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากคุณนำฝ่ามือของคุณไปที่หลอดไฟที่กำลังลุกไหม้โดยไม่ได้สัมผัสมัน คุณยังจะรู้สึกอบอุ่น ตัวอย่างที่ใหญ่ที่สุดของการถ่ายเทความร้อนในชีวิตประจำวันและธรรมชาตินำโดยพลังงานแสงอาทิตย์ ทุกๆ วัน ความร้อนของดวงอาทิตย์จะพัดผ่านพื้นที่ว่าง 146 ล้านกม. ไปจนถึงพื้นโลก เป็นแรงผลักดันเบื้องหลังทุกรูปแบบและระบบของชีวิตที่มีอยู่บนโลกของเราในปัจจุบัน หากไม่มีโหมดการส่งสัญญาณนี้ เราจะประสบปัญหาใหญ่ และโลกจะไม่เหมือนเดิมอย่างที่เราเป็นเรารู้จักเขา
การแผ่รังสีคือการถ่ายเทความร้อนโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นคลื่นวิทยุ อินฟราเรด รังสีเอกซ์ หรือแม้แต่แสงที่มองเห็นได้ วัตถุทั้งหมดจะปล่อยและดูดซับพลังงานที่เปล่งประกาย รวมทั้งตัวเขาเองด้วย แต่วัตถุและสารบางชนิดไม่สามารถรับมือกับงานนี้ได้ดีเท่ากัน ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนในชีวิตประจำวันสามารถพิจารณาได้โดยใช้เสาอากาศแบบธรรมดา ตามกฎแล้วสิ่งที่เปล่งออกมาได้ดีก็สามารถดูดซับได้ดีเช่นกัน ส่วนโลกนั้นได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์แล้วส่งกลับคืนสู่อวกาศ พลังงานรังสีนี้เรียกว่าการแผ่รังสีจากพื้นโลก และเป็นสิ่งที่ทำให้ชีวิตบนโลกเป็นไปได้
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติ ชีวิตประจำวัน เทคโนโลยี
การส่งพลังงานโดยเฉพาะอย่างยิ่งความร้อนเป็นพื้นที่พื้นฐานของการศึกษาสำหรับวิศวกรทุกคน การแผ่รังสีทำให้โลกน่าอยู่และให้พลังงานแสงอาทิตย์หมุนเวียน การพาความร้อนเป็นพื้นฐานของกลศาสตร์ รับผิดชอบการไหลของอากาศในอาคารและการแลกเปลี่ยนอากาศในบ้าน การนำไฟฟ้าทำให้หม้อร้อนได้เพียงแค่จุดไฟ
ตัวอย่างมากมายของการถ่ายเทความร้อนในเทคโนโลยีและธรรมชาตินั้นชัดเจนและพบได้ทั่วโลก เกือบทั้งหมดมีบทบาทสำคัญในด้านวิศวกรรมเครื่องกล ตัวอย่างเช่น เมื่อออกแบบระบบระบายอากาศของอาคาร วิศวกรจะคำนวณการถ่ายเทความร้อนจากอาคารรอบๆ ตลอดจนการถ่ายเทความร้อนภายใน นอกจากนี้ พวกเขาเลือกวัสดุที่ลดหรือเพิ่มการถ่ายเทความร้อนสูงสุดผ่านแต่ละองค์ประกอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ
การระเหย
เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลของของเหลว (เช่น น้ำ) สัมผัสกับก๊าซในปริมาณมาก พวกมันมักจะเข้าสู่สถานะก๊าซหรือระเหยไปเองตามธรรมชาติ เนื่องจากโมเลกุลจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต่างกันอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วสุ่มและชนกัน ในระหว่างกระบวนการเหล่านี้ พลังงานจลน์บางส่วนได้รับพลังงานจลน์เพียงพอที่จะขับไล่ตัวเองออกจากแหล่งความร้อน
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกโมเลกุลมีเวลาที่จะระเหยกลายเป็นไอน้ำ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นน้ำในแก้วจะระเหยช้ากว่าในกระทะที่อุ่นบนเตา น้ำเดือดจะเพิ่มพลังงานของโมเลกุลอย่างมาก ซึ่งจะทำให้กระบวนการระเหยเร็วขึ้น
แนวคิดพื้นฐาน
- การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านสารโดยการสัมผัสอะตอมหรือโมเลกุลโดยตรง
- การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านการไหลเวียนของก๊าซ (เช่น อากาศ) หรือของเหลว (เช่น น้ำ)
- การแผ่รังสีคือความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ดูดซับและสะท้อนกลับ ความสามารถนี้ขึ้นอยู่กับสีอย่างมาก วัตถุสีดำดูดซับความร้อนได้มากกว่าวัตถุเบา
- การระเหยเป็นกระบวนการที่อะตอมหรือโมเลกุลในสถานะของเหลวได้รับพลังงานเพียงพอที่จะกลายเป็นก๊าซหรือไอ
- ก๊าซเรือนกระจกคือก๊าซที่ดักจับความร้อนของดวงอาทิตย์ในชั้นบรรยากาศของโลก ทำให้เกิดก๊าซเรือนกระจกผล. มีสองประเภทหลัก - ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์
- แหล่งพลังงานหมุนเวียนคือทรัพยากรไร้ขีดจำกัดที่เติมเต็มอย่างรวดเร็วและเป็นธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงตัวอย่างต่อไปนี้ของการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติและเทคโนโลยี: ลมและพลังงานแสงอาทิตย์
- ค่าการนำความร้อนคืออัตราที่วัสดุถ่ายเทพลังงานความร้อนผ่านตัวมันเอง
- สมดุลความร้อนเป็นสถานะที่ทุกส่วนของระบบอยู่ในระบอบอุณหภูมิเดียวกัน
การใช้งานจริง
ตัวอย่างมากมายของการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติและเทคโนโลยี (ภาพด้านบน) ระบุว่ากระบวนการเหล่านี้ควรได้รับการศึกษาและให้บริการอย่างดี วิศวกรใช้ความรู้เกี่ยวกับหลักการถ่ายเทความร้อน ค้นคว้าเทคโนโลยีใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการใช้ทรัพยากรหมุนเวียน และเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า กุญแจสำคัญคือการเข้าใจว่าการถ่ายเทพลังงานเปิดโอกาสที่ไม่รู้จบสำหรับโซลูชันทางวิศวกรรม และอื่นๆ