พลังงานความร้อน

   พลังงานความร้อน หรือ พลังงานอุณหภาพ เป็น รูปแบบหนึ่งของพลังงาน มนุษย์เราได้พลังงานความร้อนมาจากหลายแห่งด้วยกัน เช่น จากดวงอาทิตย์, พลังงานในของเหลวร้อนใต้พื้นพิภพ , การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง, พลังงานไฟฟ้า, พลังงานนิวเคลียร์, พลังงานน้ำในหม้อต้มน้ำ, พลังงานเปลวไฟ ผลของความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิสูงขึ้น หรือมีการเปลี่ยนสถานะไป และนอกจากนี้แล้ว พลังงานความร้อน ยังสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้อีกด้วย
หน่วยที่ใช้วัดปริมาณความร้อน คือ แคลอรี่ โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แคลอรี่มิเตอร์

 อุณหภูมิและหน่วยวัด

ในชีวิตประจำวันเราจะคุ้นเคยกับการใช้พลังงานความร้อน (thermal energy) อยู่เสมอ พลังงานความร้อนเป็นพลังงานที่สามารถถ่ายเทจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ อันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เมื่อวัตถุดูดกลืนพลังงานความร้อนจะทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้น จึงเกิดการถ่ายเทพลังงานความร้อนให้กับวัตถุอื่นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งต้นกำเนิดของพลังงานความร้อนมาจากดวงทิตย์ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง การขัดถูกันของวัตถุ และจากพลังงานไฟฟ้า วัตถุเมื่อได้รับพลังงานความร้อนจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิเป็นปริมาณที่บอกให้ทราบถึงระดับความร้อนของวัตถุ เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิมีหลายชนิดที่นิยมใช้กันมากคือ เทอร์มอมิเตอร์ ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ใช้หลักการขยายตัวของของเหลวเมื่อได้รับความร้อน มีลักษณะเป็นหลอดแก้วยาว ปลายทั้งสองข้างปิด ปลายหลอดข้างหนึ่งเป็นกระเปาะ ซึ่งบรรจุของเหลวที่ขยายตัวได้ง่ายเมื่อได้รับความร้อน และหดตัวได้ง่ายเมื่อได้รับความเย็น ของเหลวที่บรรจุอยู่ภายในเทอร์มอมิเตอร์นิยมใช้ปรอทซึ่งมีสีเงิน แต่บางทีก็ใช้แอลกอฮอล์ผสมสีบรรจุในเทอร์มอมิเตอร์แทนปรอท
หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิที่นิยมกันอย่างแพร่หลายคือ องศาเซลเซียส ( ํC) องศาฟาเรนไฮต์ ( ํF) และเคลวิน (K) โดยกำหนดว่า อุณหภูมิที่เป็นจุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ คือ 0 องศาเซลเซียส หรือ 32 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 273 เคลวิน และอุณหภูมิที่เป็นจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ คือ 100 องศาเซลเซียส หรือ 212 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 373 เคลวิน


   พลังงานความร้อน เกิดจากการทำงานเชิงกล, ปฏิกิริยาเคมี, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และอื่นๆ สามารถทำให้วัตถุมีการขยายตัว หดตัว และสามารถทำงานได้ พลังงานความร้อนมีหน่วยเป็น จูล หรือ แคลอรี่ โดยที่พลังงานกล 4.18 จูล มีค่าเท่ากับ 1 แคลอรี่ สำหรับ ฟิสิกส์ แล้วเรานิยมให้หน่วยเป็น จูล

เราสามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกล และพลังงานความร้อนได้ดังนี้

ตัวอย่างของ Mechanical Energy เช่น พลังงานศักย์โน้มถ่วง เมื่อวัตถุตกถึงพื้นข้างล่างแล้ว พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะกลายไปเป็นความร้อน

 ตัวอย่างต่อไปเช่น กระสุนวิ่งไปชนเป้า กระสุนจะมีพลังงานจลน์ เมื่อวิ่งไปชนเป้าก็จะเปลี่ยนพลังงานจลน์ไปเป็นพลังงานความความร้อนให้กับลูกปืนและเป้า

ตัวอย่างต่อไปเช่น พลังงานไฟฟ้าก็สามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนได้ด้วย

โดยที่ P คือ กำลังไฟฟ้า มีหน่วยเป็น วัตต์ หน่วยของกำลัง แบบอื่นเช่น 1 กำลังม้า มีค่าเท่ากับ 746 วัตต์

t คือ เวลา หน่วยเป็นวินาที

พลังงานความร้อนที่วัตถุนั้นๆ ได้รับจากเหตุผลใดๆ ก็แล้วแต่ มีผลให้วัตถุมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ มีผลต่อเนื่องเป็นลูกโซ่ให้เราได้คิดอีกคือ ทำให้วัตถุมีรูปร่างเปลี่ยนไปด้วย เช่นมีความยาวเพิ่มขึ้น ตามคุณสมบัตเชิงความร้อนของวัตถุนั้น

พลังงานความร้อนที่ได้รับทำให้วัตถุนั้นมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างไรหาได้จากสมการ

โดยที่ m คือมวล c คือความจุความร้อนจำเพาะ(c พิมพ์เล็ก) และ t คือ อุณหภูมิ

หรือสมการ

โดยที่ C คือความจุความร้อน(c พิมพ์ใหญ่) และ t คือ อุณหภูมิ

สิ่งที่ควรให้ความสนใจก่อนใช้งานสมการทั้งสองคือ

Dt คือผลต่างของอุณหภูมิเริ่มต้น และ สุดท้าย ดั้งนั้นจะมีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส หรือ องศาเคลวิน ก็ได้ เพราะมันคือผลต่าง

c ความจุความร้อนจำเพาะมีหน่วยอะไร ให้ใช้ มวลเป็นหน่วยนั้นๆ ยกตัวอย่างเช่นอะลูมิเนียมีความจุความร้อนจำเพาะคือ

ดังนั้นมวล มีหน่วยเป็นกิโลกรัม เพราะว่า หน่วยของมวล จากความจุความร้อนจำเพาะข้างต้น ใช้หน่วยเป็นกิโลกรัม

แต่ถ้าใช้ C ความจุความร้อน ก็จะไม่มีมวลเข้ามาเกี่ยวข้องกับการคิดเลข

การที่วัตถุได้รับความร้อนจนถึงจุดหนึ่ง ความร้อนที่ให้จะไปเปลี่ยนสถานะของวัตถุ เรียกความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะว่า ความร้อนแฝง

การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของแหลว เรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว

การเปลี่ยนสถานะจากของแหลวเป็นก๊าซ เรียกว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ

ความร้อนแฝงจำเพาะ คือความร้อนแฝงต่อมวล 1 หน่วย มีหน่วยเช่น จูลต่อกิโลกรัม

สมการที่ใช้งานคือ

โดยที่ L คือความร้อนแฝงจำเพาะ

จากกราฟข้างต้นหามาดูของจริงเป็นตัวอย่างในที่นี้คือน้ำจะได้กราฟดังรูป

มาพิจารณากันแบบสนุกๆ นะ

ช่วง A น้ำแข็งหนัก 1 กรัม อุณหภูมิ -30 องศาเซลเซียส กลายไปเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 62.7 จูล

ช่วง B น้ำแข็ง อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น น้ำที่ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 333 จูล (จากกราฟคือ 396-62.7)

ช่วง C น้ำ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น น้ำที่ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 419 จูล (จากกราฟคือ 815-396)

ช่วง D น้ำ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น ไอน้ำที่ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 2255 จูล (จากกราฟคือ 3070-815)

ช่วง E ไอน้ำ อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส กลายไปเป็น ไอน้ำที่ อุณหภูมิ 130 องศาเซลเซียส ดูดความร้อนไป 40 จูล (จากกราฟคือ 3110-3070)

Note: กราฟข้างต้นจะมีตัวเลขที่แตกต่างจากการคำนวณบ้างเล็กน้อย

จากนี้ลองมาดูคำถามที่จะต้องเจอกัน

ตัวอย่างที่ 1 รถยนต์มวล 800 กก. กำลังแล่นด้วยความเร็ว 72 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ถ้ารถเบรคจนกระทั้งหยุดสนิทภายในเวลา 5 วินาที อัตราการเกิดพลังงานความร้อนที่ระบบเบรคทั้งหมดเป็นเท่าใด?
วิธีทำ รถกำลังแล่นย่อมมีพลังงานจลน์ เมือรถเบรคให้หยุดพลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ดังนั้นแล้ว

พลังงานความร้อนทั้งหมด = พลังงานจลน์ที่ลดลง

อัตราความร้อนที่เกิดขึ้น ก็คือ ความร้อนทั้งหมด หารด้วย เวลา หรือเรียกอีกอย่างว่า กำลัง (P)

ตัวอย่าง 2 ใช้เลื่อยไฟฟ้าขนาด 0.5 แรงม้า เลื่อยอะลูมิเนียมแผ่นหนึ่งซึ่งมีมวล 500 กรัม ต่อเนื่องนาน 1 นาที ถือว่า 20 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานจากเลื่อย เกิดขึ้นกับอะลูมิเนียม จงหาว่าอะลูมิเนียมจะร้อนขึ้นกี่องศา กำหนดความจุความร้อนจำเพาะของอะลูมิเนียม 840 จูลต่อกิโลกรัม เคลวิน และ 1 กำลังม้าเท่ากับ 746 วัตต์
วิธีทำ

จากความร้อนที่ได้นำไปหาค่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นดังนี้

อุณหภูมิสูงขึ้น 10.66 องศาเซลเซียส หรือ เคลวิน

ตัวอย่างที่ 3 กระสุนปืนทำด้วยทองแดงถูกยิงด้วยความเร็ว 200 เมตรต่อวินาที เข้ากระทบเป้าซึ่งมีความจุความร้อนจำเพาะต่ำมาก และพลังงานจลน์ของกระสุนปืนเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนหครึ่งหนึ่ง จงหาว่ากระสุนมีอุณหภูมิสูงขึ้นที่อาศา กำหนดให้ความจุความร้อนจำเพาะของทองแดง 400 จูลต่อกิโลกรัมเคลวิน
วิธีทำ

ลูกปืนมีอุณหภูมิสูงขึ้น 25 องศาเซลเซียส หรือ เคลวิน

ตัวอย่างที่ 4 เผาก้อนทองแดงก้อนหนึ่ง ซึ่งมีมวล 500 กรัม จนกระทั่งทองแดงมีอุณหภูมิ 150 องศาเซลเซียส เอาทองแดงก้อนนี้ใส่ลงในน้ำมวล 800 กรัม อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส กำหนดให้มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม และความจุความร้อนจำเพาะของแก้วน้อยมาก จงหาอุณหภูมิสุดท้าย กำหนดให้ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำและทองแดงในหน่วย กิโลจูลต่อกิโลกรัมเคลวินเป็น 4.2, 0.40 ตามลำดับ
วิธีทำ คำถามนี้เหมือนการผสมของ 2 สิ่งเข้าด้วยกัน ในที่นี้คือทองแดงกับน้ำ ทองแดงมีอุณหภูมิลดลง จนถึงจุดที่สมดุล ส่วนน้ำอุณหภูมิสูงขึ้นจนถึงจุดสมดุล ดังนั้นเราสมมุติ ให้อุณหภูมิ สมดุลสุดท้ายเป็น x องศา
 ขั้นแรกหาความร้อนที่ก้อนทองแดงคายความร้อน

ขั้นที่สองหาความร้อนที่น้ำรับความร้อน

แต่ความร้อนที่ลงลด = ความร้อนที่เพิ่มขึ้น

ดังนั้นอุณหภูมิสุดท้ายคือ 27.3 องศาเซลเซียส

1. ความหมายของความร้อน
        ความร้อนเป็นพลังงานรูปหนึ่ง สามารถทำงานได้ นำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ความร้อนเกิดจากดวงอาทิตย์ จากการเสียดสีของวัตถุ เกิดจากความร้อนแสง เกิดจากการเผ่าไหม้ของเชื่อเพลิง

2. การเครื่อนที่ของความร้อน
        ความร้อนเครื่อนที่จากที่หนึ่ไปยังอีกที่หนึ่งได้ ซึ่งเรียกว่า "การถ่ายโอนความร้อน" โดยอาศัยตัวกลางเป็นสื่อหรือเส้นทางเดิน
        ตัวกลางหรือสื่อของการถ่ายโอนความร้อน ได้แก่ อากาศ นํ้า โลหะ แก้ว

3. วิธีการถ่ายโอนความร้อน
3.1 ความร้อนถ่ายโอนจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่ที่ที่มีอุณหภูมิตํ่ากว่า
3.2 การนำความร้อน
        ตัวนำความร้อน เช่น เหล็ก ทองแดง ทองเหลือง อะลูมิเนียม ฉนวนความร้อน เช่น พลาสติก ไม้ ยางสังเคราะห์

4. การพาความร้อน
        การพาความร้อน คือการถ่ายโอนความร้อนที่เกิดจากที่สารใดสารหนึ่ง ได้รับความร้อนแล้ว ความหนาแน่นของอนุภาคน้อยลงขยายตัวลอยตัวสูงขึ้น พร้อมทั้งพาความร้อนไปด้วย ขณะเดียวกันส่วนอื่นที่ยังไม่ได้รับความร้อนยังมีความหนาแน่นของอนุภาคมากกว่า จะเคลื่อนมาแทนที่เป็นแบบนี้ไปเรื่อยๆ จนสสารนั้นได้รับความร้อนทั้วกัน เรียกว่า "การพาความร้อน"

5. การแผ่รังสี
        การแผ่รังสี คือ การถ่ายโอนความร้อนที่เกิดจากแหล่งความร้อนหนึ่ง ถ่านโอนความร้อนไปยังสารที่มีอุณภูมิตํ่ากว่า โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง เรียกว่า การแผ่รังสี เช่น การตากปลาแห้ง ตากเสื่อผ้ากลางแจ้ง

6. การวัดอุณภูมิ
        เราสามารถทราบได้โดยการ วัดระดับความร้อนของสิ่งนั้นๆ เครื่องมือที่ใช้วัดระดัความร้อน เรียกว่า "เทอร์โมมิเตอร์" ซึ่งทั่วไปนิยมใช้บอกองศาเซลเซียส และองศาฟาเรนไฮต์ การใช้โดยการให้กระเปาะเทอร์โมมิเตอร์สัมผัสกับสิ่งที่ต้องการวัดโดยตรงจริงๆเท่านั้นและตั้งตรง อ่านสเกลต้องอ่านในระดับสายตาและระดับเดียวกับของเหลวในเทอร์โมมิเตอร์

7. หลักการทำงานของเทอร์โมมิเตอร์
        จะบรรจุของเหลวที่ในปรอท หรือ แอลกอฮอล์ผสมสี เหตุที่ใช้ของเหลวนี้เพราะมีคุณสมบัติในการขยายและหดตัว หลักการสำคัญของเทอร์โมมิเตอร์ มีอยู่ว่า สารเมื่อได้รับความร้อนจะขยายตัว และเมื่อลดความร้อนจะหดตัว หรือมีการเปลี่ยนแปลงอุญหภูมิ