ในทางฟิสิกส์ แนวคิดของ "ความร้อน" เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างวัตถุต่างๆ เนื่องจากกระบวนการเหล่านี้ ความร้อนและความเย็นของร่างกาย ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงในสถานะการรวมตัวจึงเกิดขึ้น ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำถามว่าความร้อนคืออะไร
คอนเซปต์
ความร้อนคืออะไร? แต่ละคนสามารถตอบคำถามนี้ได้จากมุมมองในชีวิตประจำวัน ซึ่งหมายถึงภายใต้แนวคิดภายใต้การพิจารณาถึงความรู้สึกที่เขามีเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น ในทางฟิสิกส์ ปรากฏการณ์นี้เข้าใจว่าเป็นกระบวนการถ่ายเทพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของโมเลกุลและอะตอมที่สร้างร่างกาย
โดยทั่วไปแล้ว เราสามารถพูดได้ว่ายิ่งอุณหภูมิของร่างกายสูงขึ้น พลังงานภายในก็จะยิ่งสะสมมากขึ้น และสามารถให้ความร้อนแก่วัตถุอื่นๆ ได้มากขึ้น
ความร้อนและอุณหภูมิ
รู้คำตอบของคำถามที่ว่าความร้อนคืออะไร หลายคนอาจคิดว่าแนวคิดนี้คล้ายกับแนวคิดเรื่อง "อุณหภูมิ" แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น ความร้อนคือพลังงานจลน์ อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงาน. ดังนั้น กระบวนการถ่ายเทความร้อนจึงขึ้นอยู่กับมวลของสาร ขึ้นอยู่กับจำนวนของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบ ตลอดจนประเภทของอนุภาคเหล่านี้และความเร็วเฉลี่ยของการเคลื่อนที่ของสาร ในทางกลับกัน อุณหภูมิจะขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์สุดท้ายเท่านั้น
ความแตกต่างระหว่างความร้อนและอุณหภูมิจะเข้าใจได้ง่ายหากคุณทำการทดลองง่ายๆ: คุณต้องเทน้ำลงในภาชนะสองใบเพื่อให้ภาชนะหนึ่งเต็มและอีกถังหนึ่งเต็มเพียงครึ่งเดียว เมื่อนำภาชนะทั้งสองไปเผาไฟ จะสังเกตได้ว่าภาชนะที่มีน้ำน้อยจะเริ่มเดือดก่อน เพื่อให้หม้อที่สองเดือด จะต้องใช้ความร้อนเพิ่มขึ้นจากไฟ เมื่อภาชนะทั้งสองใบกำลังเดือด คุณสามารถวัดอุณหภูมิของภาชนะได้ โดยอุณหภูมิจะเท่ากัน (100 oC) แต่ต้องใช้ความร้อนมากขึ้นในการต้มน้ำให้เต็มหม้อ
หน่วยความร้อน
ตามคำจำกัดความของความร้อนในวิชาฟิสิกส์ เราสามารถเดาได้ว่าวัดในหน่วยเดียวกับพลังงานหรืองาน กล่าวคือ มีหน่วยจูล (J) นอกจากหน่วยความร้อนหลักแล้ว ในชีวิตประจำวันคุณมักจะได้ยินเกี่ยวกับแคลอรี (kcal) แนวคิดนี้เข้าใจว่าเป็นปริมาณความร้อนที่ต้องถ่ายโอนไปยังน้ำหนึ่งกรัม เพื่อให้อุณหภูมิของมันสูงขึ้น 1 เคลวิน (K) หนึ่งแคลอรีเท่ากับ 4.184 จูล นอกจากนี้คุณยังสามารถได้ยินเกี่ยวกับแคลอรีน้อยและมาก ซึ่งก็คือ 1 กิโลแคลอรีและ 1 แคลอรีตามลำดับ
แนวคิดเรื่องความจุความร้อน
เมื่อรู้ว่าความร้อนคืออะไร ลองพิจารณาปริมาณทางกายภาพที่กำหนดลักษณะโดยตรง - ความจุความร้อน ภายใต้แนวคิดนี้ฟิสิกส์ หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ต้องให้หรือนำออกจากร่างกายเพื่อให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 1 เคลวิน (K)
ความจุความร้อนของร่างกายนั้นขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัยหลัก:
- ในองค์ประกอบทางเคมีและสถานะของการรวมตัวที่นำเสนอร่างกาย
- ของมวลของเขา
ในการทำให้คุณลักษณะนี้เป็นอิสระจากมวลของวัตถุ ในฟิสิกส์ของความร้อนได้แนะนำปริมาณอื่น - ความจุความร้อนจำเพาะ ซึ่งกำหนดปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทหรือถ่ายโดยวัตถุที่กำหนดต่อ 1 กิโลกรัมของ มวลของมันเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 1 K.
เพื่อแสดงความแตกต่างของความจุความร้อนจำเพาะของสารต่างๆ ได้อย่างชัดเจน เช่น นำน้ำ 1 กรัม ธาตุเหล็ก 1 กรัม และน้ำมันดอกทานตะวัน 1 กรัมไปต้มให้ร้อน อุณหภูมิจะเปลี่ยนเร็วที่สุดสำหรับตัวอย่างเหล็ก จากนั้นสำหรับน้ำมันที่หยด และสุดท้ายสำหรับน้ำ
โปรดทราบว่าความจุความร้อนจำเพาะนั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของสารเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับสถานะของการรวมตัว เช่นเดียวกับสภาพร่างกายภายนอกที่พิจารณา (ความดันคงที่หรือปริมาตรคงที่).
สมการหลักของกระบวนการถ่ายเทความร้อน
เมื่อจัดการกับคำถามว่าความร้อนคืออะไร เราควรให้นิพจน์ทางคณิตศาสตร์หลักที่อธิบายลักษณะกระบวนการของการถ่ายโอนสำหรับวัตถุใด ๆ ในสถานะการรวมตัว นิพจน์นี้มีรูปแบบ: Q=cmΔT โดยที่ Q คือปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอน (ที่ได้รับ) c คือความร้อนจำเพาะของวัตถุที่เป็นปัญหา m -มวลของมัน ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิสัมบูรณ์ ซึ่งหมายถึงความแตกต่างของอุณหภูมิของร่างกายในตอนท้ายและตอนต้นของกระบวนการถ่ายเทความร้อน
สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าสูตรข้างต้นจะใช้ได้เสมอเมื่อในระหว่างกระบวนการที่พิจารณา วัตถุยังคงสถานะการรวมตัว กล่าวคือยังคงเป็นของเหลว ของแข็ง หรือก๊าซ มิฉะนั้นจะใช้สมการไม่ได้
เปลี่ยนสถานะของการรวมตัวของสสาร
อย่างที่คุณทราบ มีสถานะรวมหลัก 3 สถานะที่สามารถเป็นได้:
- แก๊ส;
- ของเหลว;
- ร่างกายแข็งแรง
เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง ร่างกายจำเป็นต้องแจ้งหรือนำความร้อนออกจากสถานะนั้น สำหรับกระบวนการดังกล่าวในฟิสิกส์ ได้นำเสนอแนวคิดเรื่องความร้อนจำเพาะของการหลอมเหลว (การตกผลึก) และการเดือด (การควบแน่น) ปริมาณทั้งหมดเหล่านี้เป็นตัวกำหนดปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนสถานะของการรวมกลุ่ม ซึ่งจะปล่อยหรือดูดซับน้ำหนักตัว 1 กิโลกรัม สำหรับกระบวนการเหล่านี้ สมการนั้นใช้ได้: Q=Lm โดยที่ L คือความร้อนจำเพาะของการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันระหว่างสถานะของสสาร
ด้านล่างเป็นคุณสมบัติหลักของกระบวนการเปลี่ยนสถานะของการรวม:
- กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ เช่น เดือดหรือหลอมเหลว
- เปลี่ยนกลับได้ เช่น ปริมาณความร้อนที่ร่างกายได้รับเพื่อหลอมละลายจะเท่ากับปริมาณความร้อนที่จะถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมพอดีหากร่างกายนี้ผ่านพ้นไปอีกครั้งสู่สถานะที่มั่นคง
สมดุลความร้อน
นี่คืออีกหนึ่งประเด็นสำคัญที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่อง "ความอบอุ่น" ที่ต้องพิจารณา หากร่างกายทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกัน หลังจากนั้นครู่หนึ่ง อุณหภูมิในระบบทั้งหมดจะเท่ากันและเท่ากัน เพื่อให้เกิดสมดุลทางความร้อน ร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจะต้องปล่อยความร้อนออกจากระบบ และร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจะต้องยอมรับความร้อนนี้ กฎของฟิสิกส์ความร้อนที่อธิบายกระบวนการนี้สามารถแสดงเป็นการรวมกันของสมการการถ่ายเทความร้อนหลักและสมการที่กำหนดการเปลี่ยนแปลงในสถานะรวมของสสาร (ถ้ามี)
ตัวอย่างที่โดดเด่นของกระบวนการสร้างสมดุลทางความร้อนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติคือแท่งเหล็กร้อนแดงที่ถูกโยนลงไปในน้ำ ในกรณีนี้ เตารีดร้อนจะปล่อยความร้อนให้กับน้ำจนกว่าอุณหภูมิจะเท่ากับอุณหภูมิของของเหลว
วิธีการถ่ายเทความร้อนเบื้องต้น
กระบวนการทั้งหมดที่มนุษย์รู้จักซึ่งมีการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อนเกิดขึ้นสามวิธี:
- การนำความร้อน เพื่อให้การแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้นในลักษณะนี้ จำเป็นต้องมีการสัมผัสระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกัน ในเขตสัมผัสที่ระดับโมเลกุลในท้องถิ่น พลังงานจลน์จะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่ร้อนไปเป็นพลังงานที่เย็น อัตราการถ่ายเทความร้อนนี้ขึ้นอยู่กับความสามารถของร่างกายที่เกี่ยวข้องกับการนำความร้อน ตัวอย่างที่โดดเด่นของการนำความร้อนคือมนุษย์แตะท่อนเหล็ก
- พา. กระบวนการนี้ต้องการการเคลื่อนที่ของสสาร ดังนั้นจึงสังเกตได้เฉพาะในของเหลวและก๊าซเท่านั้น สาระสำคัญของการพาความร้อนมีดังนี้ เมื่อชั้นก๊าซหรือของเหลวถูกทำให้ร้อน ความหนาแน่นของพวกมันจะลดลง ดังนั้นพวกมันจึงมีแนวโน้มที่จะสูงขึ้น ในระหว่างการเพิ่มขึ้นของปริมาณของเหลวหรือก๊าซ ความร้อนจะถ่ายเท ตัวอย่างของการพาความร้อนคือกระบวนการต้มน้ำในกาต้มน้ำ
- การแผ่รังสี. กระบวนการถ่ายเทความร้อนนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของความถี่ต่างๆ โดยตัวทำความร้อน แสงแดดเป็นตัวอย่างสำคัญของการแผ่รังสี
