พวกมันมีค่าการนำความร้อนต่ำ การแข่งขันวิจัยทางวิทยาศาสตร์และงานสร้างสรรค์ระดับนานาชาติครั้งที่ 2 ของนักศึกษา “Start in Science”
พลังงานความร้อนเป็นคำที่เราใช้เพื่ออธิบายระดับกิจกรรมของโมเลกุลในวัตถุ การกระตุ้นที่เพิ่มขึ้นนั้นสัมพันธ์กับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ในขณะที่อะตอมของวัตถุเย็นจะเคลื่อนที่ช้ากว่ามาก
ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนสามารถพบได้ทุกที่ ทั้งทางธรรมชาติ เทคโนโลยี และ ชีวิตประจำวัน.
ตัวอย่างการถ่ายโอนพลังงานความร้อน
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้ดาวเคราะห์โลกและทุกสิ่งที่อยู่บนโลกอุ่นขึ้น ในชีวิตประจำวันคุณจะพบตัวเลือกที่คล้ายกันมากมาย แต่ในแง่ที่เป็นสากลน้อยกว่ามากเท่านั้น แล้วตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนที่สามารถสังเกตได้ในชีวิตประจำวันมีอะไรบ้าง?
นี่คือบางส่วนของพวกเขา:
ความร้อนคือการเคลื่อนไหว
กระแสความร้อนมีการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง วิธีการหลักในการส่งสัญญาณสามารถเรียกว่าแบบแผน การแผ่รังสี และการนำไฟฟ้า ลองดูแนวคิดเหล่านี้โดยละเอียด
การนำไฟฟ้าคืออะไร?
บางทีหลายคนอาจสังเกตเห็นมากกว่าหนึ่งครั้งว่าในห้องเดียวกันความรู้สึกในการสัมผัสพื้นอาจแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง การเดินบนพรมเป็นเรื่องที่ดีและอบอุ่น แต่ถ้าคุณเข้าห้องน้ำด้วยเท้าเปล่าความเย็นที่เห็นได้ชัดเจนจะทำให้คุณรู้สึกกระปรี้กระเปร่าทันที ไม่ใช่ในกรณีที่มีพื้นอุ่น
แล้วเหตุใดพื้นผิวกระเบื้องจึงแข็งตัว? ทั้งหมดนี้เกิดจากการนำความร้อน การถ่ายเทความร้อนเป็นหนึ่งในสามประเภท เมื่อใดก็ตามที่มีวัตถุสองชิ้น อุณหภูมิที่แตกต่างกันสัมผัสกันพลังงานความร้อนจะไหลระหว่างกัน ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในกรณีนี้ ได้แก่ จับแผ่นโลหะ โดยปลายอีกด้านจะอยู่เหนือเปลวเทียน คุณจะรู้สึกแสบร้อนและเจ็บปวดเมื่อเวลาผ่านไป และเมื่อคุณสัมผัสที่จับเหล็ก กระทะที่มีน้ำเดือดก็อาจเกิดแผลไหม้ได้
ปัจจัยการนำไฟฟ้า
การนำไฟฟ้าที่ดีหรือไม่ดีขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย:
- ประเภทและคุณภาพของวัสดุที่ใช้ทำรายการ
- พื้นที่ผิวของวัตถุทั้งสองที่สัมผัสกัน
- ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุสองชิ้น
- ความหนาและขนาดของวัตถุ
ในรูปแบบสมการ ดูเหมือนว่า: อัตราการถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุเท่ากับค่าการนำความร้อนของวัสดุที่วัตถุนั้นสร้างขึ้น คูณด้วยพื้นที่ผิวสัมผัส คูณด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุทั้งสอง และหารด้วยความหนาของวัสดุ มันง่ายมาก
ตัวอย่างการนำไฟฟ้า
การถ่ายเทความร้อนโดยตรงจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งเรียกว่าการนำความร้อน และสารที่นำความร้อนได้ดีเรียกว่าตัวนำ วัสดุและสารบางชนิดไม่สามารถรับมือกับงานนี้ได้ดีเรียกว่าฉนวน ซึ่งรวมถึงไม้ พลาสติก ไฟเบอร์กลาส และแม้แต่อากาศ ดังที่คุณทราบฉนวนไม่ได้หยุดการไหลของความร้อน แต่เพียงชะลอความเร็วลงหนึ่งองศาหรืออย่างอื่น
การพาความร้อน
การถ่ายเทความร้อนประเภทนี้ เช่น การพาความร้อน เกิดขึ้นในของเหลวและก๊าซทุกชนิด คุณสามารถดูตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติและในชีวิตประจำวันได้ เมื่อของเหลวร้อนขึ้น โมเลกุลที่อยู่ด้านล่างจะได้รับพลังงานและเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น ส่งผลให้ความหนาแน่นลดลง โมเลกุลของของไหลอุ่นจะเริ่มเคลื่อนตัวขึ้นในขณะที่สารหล่อเย็น (ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่า) เริ่มจมลง หลังจากที่โมเลกุลเย็นลงถึงด้านล่าง พวกมันจะได้รับพลังงานอีกครั้งและพุ่งขึ้นไปด้านบนอีกครั้ง วงจรจะดำเนินต่อไปตราบเท่าที่มีแหล่งความร้อนอยู่ที่ด้านล่าง
ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติสามารถให้ได้ดังนี้: ด้วยความช่วยเหลือของหัวเผาที่ติดตั้งเป็นพิเศษ, อากาศอุ่น, เติมพื้นที่ของบอลลูน, สามารถยกโครงสร้างทั้งหมดให้มีความสูงที่สูงเพียงพอ, ประเด็นทั้งหมดคืออากาศอุ่นนั้น เบากว่าอากาศเย็น
การแผ่รังสี
เมื่อคุณนั่งอยู่หน้ากองไฟ คุณจะได้รับความอบอุ่นจากความร้อนที่เล็ดลอดออกมาจากกองไฟ สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากคุณนำฝ่ามือไปที่หลอดไฟที่กำลังลุกไหม้โดยไม่ได้สัมผัส คุณจะรู้สึกถึงความอบอุ่นด้วย ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนที่ใหญ่ที่สุดในชีวิตประจำวันและธรรมชาตินำโดยพลังงานแสงอาทิตย์ ทุกๆ วัน ความร้อนของดวงอาทิตย์จะเคลื่อนผ่านพื้นที่ว่างเป็นระยะทาง 146 ล้านกิโลเมตร มายังโลก เป็นแรงผลักดันให้กับทุกรูปแบบและระบบของชีวิตที่มีอยู่บนโลกของเราทุกวันนี้ หากไม่มีวิธีการแพร่เชื้อเช่นนี้ เราคงประสบปัญหาใหญ่ และโลกจะไม่เหมือนเดิมอย่างที่เรารู้
การแผ่รังสีคือการถ่ายเทความร้อนโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นคลื่นวิทยุ อินฟราเรด รังสีเอกซ์ หรือแม้แต่แสงที่มองเห็นได้ วัตถุทั้งหมดปล่อยและดูดซับพลังงานรังสีรวมถึงตัวบุคคลด้วย แต่ไม่ใช่ว่าวัตถุและสสารทั้งหมดจะรับมือกับงานนี้ได้ดีเท่ากัน ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในชีวิตประจำวันสามารถพิจารณาได้โดยใช้เสาอากาศแบบธรรมดา ตามกฎแล้วสิ่งที่ปล่อยออกมาได้ดีก็จะดูดซับได้ดีเช่นกัน ในส่วนของโลกนั้นจะได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์แล้วปล่อยกลับสู่อวกาศ พลังงานรังสีนี้เรียกว่ารังสีภาคพื้นดิน และเป็นสิ่งที่ทำให้สิ่งมีชีวิตบนโลกนี้เป็นไปได้
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติ ชีวิตประจำวัน เทคโนโลยี
การส่งผ่านพลังงาน โดยเฉพาะพลังงานความร้อน ถือเป็นสาขาวิชาพื้นฐานสำหรับวิศวกรทุกคน การแผ่รังสีทำให้โลกสามารถอยู่อาศัยได้และผลิตพลังงานแสงอาทิตย์หมุนเวียน การพาความร้อนเป็นพื้นฐานของกลศาสตร์และมีหน้าที่รับผิดชอบในการไหลเวียนของอากาศในอาคารและการแลกเปลี่ยนอากาศในบ้าน การนำไฟฟ้าทำให้กระทะร้อนได้เพียงแค่วางบนไฟ
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในเทคโนโลยีและธรรมชาติมากมายปรากฏให้เห็นชัดเจนและพบได้ทั่วโลก เกือบทั้งหมดมีบทบาทสำคัญโดยเฉพาะในสาขาวิศวกรรมเครื่องกล ตัวอย่างเช่น เมื่อออกแบบระบบระบายอากาศของอาคาร วิศวกรจะคำนวณการถ่ายเทความร้อนของอาคารไปยังสภาพแวดล้อม รวมถึงการถ่ายเทความร้อนภายใน พวกเขายังเลือกวัสดุที่ลดหรือเพิ่มการถ่ายเทความร้อนผ่านส่วนประกอบแต่ละส่วนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด
การระเหย
เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลของของเหลว (เช่น น้ำ) สัมผัสกับก๊าซในปริมาณมาก พวกมันมักจะเข้าสู่สถานะก๊าซหรือระเหยไปเอง สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แตกต่างกันอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วสุ่มและชนกัน ในระหว่างกระบวนการเหล่านี้ บางส่วนได้รับพลังงานจลน์เพียงพอที่จะถูกผลักออกจากแหล่งความร้อน
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกโมเลกุลที่จะมีเวลาระเหยและกลายเป็นไอน้ำ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นน้ำในแก้วจะระเหยได้ช้ากว่าในกระทะที่อุ่นบนเตา น้ำเดือดจะเพิ่มพลังงานของโมเลกุลอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะทำให้กระบวนการระเหยเร็วขึ้น
แนวคิดพื้นฐาน
- การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านสารโดยการสัมผัสอะตอมหรือโมเลกุลโดยตรง
- การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านการหมุนเวียนของก๊าซ (เช่น อากาศ) หรือของเหลว (เช่น น้ำ)
- การแผ่รังสีคือความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ดูดซับและสะท้อนกลับ ความสามารถนี้ขึ้นอยู่กับสีเป็นอย่างมาก โดยวัตถุสีดำจะดูดซับความร้อนได้มากกว่าวัตถุที่สว่าง
- การระเหยเป็นกระบวนการที่อะตอมหรือโมเลกุลในสถานะของเหลวได้รับพลังงานเพียงพอที่จะกลายเป็นก๊าซหรือไอ
- เป็นก๊าซที่กักเก็บความร้อนจากดวงอาทิตย์ในชั้นบรรยากาศโลก ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก มีสองประเภทหลักคือ - ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์
- - สิ่งเหล่านี้เป็นทรัพยากรที่ไร้ขีดจำกัดซึ่งถูกเติมเต็มอย่างรวดเร็วและเป็นธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติและเทคโนโลยีดังต่อไปนี้: ลมและพลังงานแสงอาทิตย์
- ค่าการนำความร้อนคืออัตราที่วัสดุถ่ายโอน พลังงานความร้อนผ่านตัวคุณเอง
- สมดุลความร้อนคือสภาวะที่ทุกส่วนของระบบมีอุณหภูมิเท่ากัน
การประยุกต์ในทางปฏิบัติ
ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนในธรรมชาติและเทคโนโลยีมากมาย (ภาพด้านบน) บ่งชี้ว่ากระบวนการเหล่านี้ควรได้รับการศึกษาและนำไปใช้อย่างดี วิศวกรใช้ความรู้เกี่ยวกับหลักการถ่ายเทความร้อน สำรวจเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่ใช้ทรัพยากรหมุนเวียนและมีการทำลายล้างน้อยกว่า สิ่งแวดล้อม. สิ่งสำคัญคือการทำความเข้าใจว่าการถ่ายโอนพลังงานเปิดโอกาสที่เป็นไปได้ไม่รู้จบสำหรับโซลูชันทางวิศวกรรมและอื่นๆ อีกมากมาย
พลังงานภายในก็เหมือนกับพลังงานประเภทอื่นๆ ที่สามารถถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งได้พลังงานภายในสามารถถ่ายโอนจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น หากปลายด้านหนึ่งของตะปูถูกทำให้ร้อนด้วยเปลวไฟ ปลายอีกด้านหนึ่งที่อยู่ในมือก็จะค่อยๆ ร้อนขึ้นและไหม้มือ ปรากฏการณ์การถ่ายโอนพลังงานภายในจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งหรือจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่งในระหว่างการสัมผัสโดยตรงเรียกว่าการนำความร้อน
มาศึกษาปรากฏการณ์นี้โดยทำการทดลองหลายชุดกับของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ให้นำปลายไม้เข้ากองไฟ มันจะติดไฟ ปลายอีกด้านของไม้ที่อยู่ด้านนอกจะเย็น ซึ่งหมายความว่าต้นไม้นั้นได้ การนำความร้อนต่ำ. ให้นำปลายแท่งแก้วบางๆ มาจุดเปลวไฟของตะเกียงแอลกอฮอล์ สักพักจะร้อนขึ้น แต่อีกด้านจะยังเย็นอยู่ ด้วยเหตุนี้ แก้วจึงมีการนำความร้อนต่ำด้วย ถ้าเราเอาปลายแท่งโลหะไปเผาด้วยไฟ ในไม่ช้าแท่งโลหะก็จะร้อนมาก เราจะไม่สามารถถือมันไว้ในมือของเราได้อีกต่อไป ซึ่งหมายความว่าโลหะนำความร้อนได้ดี กล่าวคือ มีค่าการนำความร้อนสูง การนำความร้อนสูงสุดมีเงินและทองแดง
ให้เราพิจารณาการถ่ายโอนความร้อนจากส่วนหนึ่งของของแข็งไปยังอีกส่วนหนึ่งในการทดลองต่อไปนี้ ยึดปลายด้านหนึ่งของความหนาไว้ ลวดทองแดงบนขาตั้งกล้อง เราติดตะปูหลายตัวเข้ากับลวดด้วยขี้ผึ้ง (รูปที่ 6) เมื่อปลายลวดที่ว่างถูกทำให้ร้อนด้วยเปลวไฟของตะเกียงแอลกอฮอล์ ขี้ผึ้งจะละลาย ดอกคาร์เนชั่นจะค่อยๆเริ่มร่วงหล่น ประการแรก สิ่งที่อยู่ใกล้เปลวไฟจะตกลงไป จากนั้นที่เหลือทั้งหมดจะตกลงมาตามลำดับ เรามาดูกันว่าพลังงานถูกถ่ายโอนผ่านสายไฟอย่างไร ความเร็วของการเคลื่อนที่แบบสั่นของอนุภาคโลหะจะเพิ่มขึ้นในส่วนนั้นของเส้นลวดที่อยู่ใกล้กับเปลวไฟมากขึ้น เนื่องจากอนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กันตลอดเวลา ความเร็วของการเคลื่อนที่ของอนุภาคข้างเคียงจึงเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของส่วนถัดไปของเส้นลวดเริ่มเพิ่มขึ้น ฯลฯ ควรจำไว้ว่าในระหว่างการนำความร้อนจะไม่มีการถ่ายโอนสารจากปลายด้านหนึ่งของร่างกายไปยังอีกด้านหนึ่ง ให้เราพิจารณาการนำความร้อนของของเหลว ลองใช้หลอดทดลองที่มีน้ำแล้วเริ่มให้ความร้อนส่วนบน น้ำที่ผิวน้ำจะเดือดในไม่ช้า และที่ด้านล่างของหลอดทดลองในช่วงเวลานี้จะร้อนขึ้นเท่านั้น (รูปที่ 7)
ซึ่งหมายความว่าของเหลวมีค่าการนำความร้อนต่ำ ยกเว้นปรอทและโลหะหลอมเหลว สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในของเหลวโมเลกุลจะอยู่ห่างจากกันมากกว่าใน ของแข็ง. มาศึกษาการนำความร้อนของก๊าซกันดีกว่า วางหลอดทดลองแห้งไว้บนนิ้วของคุณแล้วคว่ำลงในเปลวไฟของตะเกียงแอลกอฮอล์ (รูปที่ 8)
นิ้วจะไม่รู้สึกร้อนเป็นเวลานาน นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าระยะห่างระหว่างโมเลกุลของก๊าซนั้นมากกว่าระยะห่างของของเหลวและของแข็งด้วยซ้ำ ส่งผลให้ค่าการนำความร้อนของก๊าซลดลงอีกด้วย ดังนั้นค่าการนำความร้อนคือ สารต่างๆแตกต่าง. ประสบการณ์ที่แสดงในรูปที่ 9 แสดงให้เห็นว่าค่าการนำความร้อนของโลหะชนิดต่างๆ ไม่เท่ากัน ขนสัตว์ ผม ขนนก กระดาษ ไม้ก๊อก และอื่นๆ มีค่าการนำความร้อนต่ำ ร่างกายที่มีรูพรุน. เนื่องจากอากาศอยู่ระหว่างเส้นใยของสารเหล่านี้ สุญญากาศ (พื้นที่ว่างจากอากาศ) มีค่าการนำความร้อนต่ำที่สุด 
สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งซึ่งเกิดขึ้นระหว่างปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลหรืออนุภาคอื่นในพื้นที่ที่ไม่มีอนุภาค การนำความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นได้ หากจำเป็นต้องปกป้องร่างกายจากการทำความเย็นหรือความร้อนให้ใช้สารที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ ดังนั้นสำหรับหม้อและกระทะ ด้ามจับจึงทำจากพลาสติก บ้านสร้างจากท่อนไม้หรืออิฐซึ่งมีการนำความร้อนต่ำ ซึ่งหมายความว่าจะปกป้องสถานที่จากการระบายความร้อน
การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างสื่อทั้งสองเกิดขึ้นผ่านผนังทึบที่แยกสื่อทั้งสองออกหรือผ่านทางส่วนต่อประสานระหว่างสื่อทั้งสอง
ความร้อนสามารถถ่ายเทจากร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเท่านั้น
การแลกเปลี่ยนความร้อนจะดำเนินการในลักษณะที่พลังงานภายในของวัตถุบางส่วนลดลงมักจะมาพร้อมกับพลังงานภายในของวัตถุอื่นที่เข้าร่วมในการแลกเปลี่ยนความร้อนเพิ่มขึ้นเท่ากันเสมอ
การนำความร้อน
การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนรูปแบบหนึ่งซึ่งมีการถ่ายโอนพลังงานโดยตรงจากอนุภาค (โมเลกุล อะตอม) ของส่วนที่ร้อนกว่าของร่างกายไปยังอนุภาคของส่วนที่ร้อนน้อยกว่า
การนำความร้อนไม่ได้มาพร้อมกับการถ่ายโอนของสสาร! ควรจำไว้ว่าในระหว่างการนำความร้อนสารนั้นจะไม่เคลื่อนที่ไปตามร่างกาย แต่จะถ่ายโอนพลังงานเท่านั้น
ค่าการนำความร้อนของสารต่าง ๆ นั้นแตกต่างกัน
คุณสามารถทำการทดลองต่อไปนี้ - นำแก้วไปด้วย น้ำร้อนแล้ววางช้อนที่ทำจากวัสดุต่างๆ ไว้ตรงนั้น (อลูมิเนียม คิวโปรนิกเกิล เหล็ก ไม้ และพลาสติก) หลังจากผ่านไป 3 นาที ดูว่าช้อนได้รับความร้อนเท่ากันหรือไม่?? วิเคราะห์ผลลัพธ์
ตารางแสดงให้เห็นว่าโลหะมีค่าการนำความร้อนสูงสุด นอกจากนี้โลหะต่างชนิดกันยังมีค่าการนำความร้อนต่างกัน
ของเหลวมีค่าการนำความร้อนน้อยกว่าของแข็ง และก๊าซมีค่าการนำความร้อนน้อยกว่าของเหลว
ลองพิจารณาการทดลองเกี่ยวกับการนำความร้อนของของเหลว หากคุณใส่น้ำแข็งที่ด้านล่างของถังน้ำแล้วต้มน้ำชั้นบนด้วยหม้อต้มน้ำ จากนั้นน้ำที่ผิวน้ำจะเดือดในไม่ช้า แต่น้ำแข็งด้านล่างจะไม่ละลาย สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าในของเหลวโมเลกุลจะอยู่ห่างจากกันมากกว่าในของแข็ง
ผม ขนนก กระดาษ ไม้ก๊อก และวัตถุที่มีรูพรุนอื่นๆ ก็มีการนำความร้อนต่ำเช่นกัน เนื่องจากอากาศอยู่ระหว่างเส้นใยของสารเหล่านี้ สุญญากาศ (พื้นที่ว่างจากอากาศ) มีค่าการนำความร้อนต่ำที่สุด สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งซึ่งเกิดขึ้นระหว่างปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลหรืออนุภาคอื่น ในพื้นที่ที่ไม่มีอนุภาค การนำความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นได้
โลหะ - ของแข็ง - ของเหลว - ก๊าซ
การนำความร้อนอ่อนตัวลง
หากจำเป็นต้องปกป้องร่างกายจากการทำความเย็นหรือความร้อนให้ใช้สารที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ ดังนั้นที่จับของ faucet บนหม้อน้ำจึงทำจากพลาสติกและที่จับสำหรับหม้อก็ทำจากโลหะผสมที่คล้ายกันเช่นกัน บ้านสร้างจากท่อนไม้หรืออิฐที่มีรูพรุนซึ่งมีการนำความร้อนต่ำ ซึ่งหมายความว่าบ้านจะปกป้องสถานที่จากการระบายความร้อน
ในปัจจุบัน ในหลายภูมิภาค อาคารต่างๆ ได้เริ่มสร้างบนเสาค้ำถ่อ ในกรณีนี้ความร้อนจะถูกถ่ายโอนโดยการนำความร้อนจากฐานรากไปยังกองและต่อจากกองไปที่ดินเท่านั้น เสาเข็มทำจากวัสดุแข็งที่ทนทานและภายในเต็มไปด้วยน้ำมันก๊าด ในฤดูร้อน เสาเข็มจะพาความร้อนจากบนลงล่างได้ไม่ดีเพราะว่า ของเหลวมีค่าการนำความร้อนต่ำ ในฤดูหนาวกองเนื่องจากการพาของเหลวภายในกองจะทำให้ดินเย็นลง
การนำความร้อน- นี่คือการถ่ายเทความร้อนประเภทหนึ่งซึ่งมีการถ่ายโอนพลังงานโดยตรงจากอนุภาค (โมเลกุล อะตอม) ของส่วนที่ร้อนกว่าของร่างกายไปยังอนุภาคของส่วนที่ร้อนน้อยกว่า
ให้เราพิจารณาชุดการทดลองที่ให้ความร้อนแก่ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี
การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี- นี่คือการแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งพลังงานถูกถ่ายโอนโดยรังสีต่างๆ
สิ่งเหล่านี้อาจเป็นรังสีดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกับรังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุร้อนที่อยู่รอบตัวเรา
ตัวอย่างเช่น เมื่อนั่งใกล้ไฟ เรารู้สึกว่าความร้อนถูกถ่ายเทจากไฟสู่ร่างกายของเราอย่างไร อย่างไรก็ตาม สาเหตุของการถ่ายเทความร้อนดังกล่าวไม่สามารถเป็นได้ทั้งการนำความร้อน (ซึ่งมีน้อยมากสำหรับอากาศระหว่างเปลวไฟกับร่างกาย) หรือการพาความร้อน (เนื่องจากการพาความร้อนจะพุ่งขึ้นด้านบนเสมอ) ที่นี่การแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทที่สามเกิดขึ้น - การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี.
เลยเอาขวดเล็กรมควันไปข้างหนึ่ง
ใส่หลอดแก้วที่งอเป็นมุมฉากเข้าไปในตัวอุด ในหลอดนี้ซึ่งมีช่องทางแคบ เราแนะนำของเหลวสี ด้วยการติดสเกลเข้ากับท่อ เราจะได้อุปกรณ์ - เทอร์โมสโคป. อุปกรณ์นี้ช่วยให้คุณตรวจจับความร้อนของอากาศในขวดรมควันได้แม้เพียงเล็กน้อย
หากคุณนำชิ้นส่วนโลหะที่ถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงไปยังพื้นผิวสีเข้มของเทอร์โมสโคป คอลัมน์ของเหลวจะเคลื่อนไปทางขวา เห็นได้ชัดว่าอากาศในขวดร้อนขึ้นและขยายตัว ความร้อนอย่างรวดเร็วของอากาศในเทอร์โมสโคปสามารถอธิบายได้โดยการถ่ายโอนพลังงานจากตัวให้ความร้อนเท่านั้น เช่นเดียวกับในกรณีเพลิงไหม้ พลังงานที่นี่ไม่ได้ถูกถ่ายโอนทั้งโดยการนำความร้อนหรือโดยการพาความร้อน พลังงานในกรณีนี้ถูกส่งโดยใช้รังสีที่มองไม่เห็นซึ่งปล่อยออกมาจากร่างกายที่ได้รับความร้อน รังสีเหล่านี้เรียกว่า การแผ่รังสีความร้อน.
การแลกเปลี่ยนความร้อนจากการแผ่รังสีสามารถเกิดขึ้นได้ในสุญญากาศโดยสมบูรณ์ สิ่งนี้แตกต่างจากการแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทอื่น
ร่างกายทุกคนปล่อยพลังงานออกมา: ทั้งร้อนจัดและเบา เช่น ร่างกายมนุษย์ เตาไฟฟ้า หลอดไฟ แต่ยิ่งอุณหภูมิของร่างกายสูงขึ้นเท่าใด การแผ่รังสีความร้อนก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น พลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อไปถึงวัตถุอื่น ๆ จะถูกดูดซับบางส่วนและสะท้อนกลับบางส่วน เมื่อดูดซับพลังงานแล้ว การแผ่รังสีความร้อนกลายเป็นพลังงานภายในร่างกาย และพวกมันก็ร้อนขึ้น
พื้นผิวที่สว่างและมืดดูดซับพลังงานต่างกัน ดังนั้น หากในการทดลองด้วยเทอร์โมสโคป คุณหมุนขวดไปทางตัวที่ให้ความร้อน อันดับแรกหันไปทางด้านที่รมควันแล้วหันไปทางด้านสว่าง คอลัมน์ของเหลวในกรณีแรกจะเคลื่อนที่เป็นระยะทางที่ไกลกว่าในวินาที (ดู รูปข้างบน) ต่อมาวัตถุที่มีพื้นผิวสีเข้มจะดูดซับพลังงานได้ดีกว่า (และดังนั้นจึงร้อนขึ้น) มากกว่าวัตถุที่มีพื้นผิวแสงหรือกระจก
ร่างกายที่มีพื้นผิวสีเข้มไม่เพียงแต่ดูดซับพลังงานได้ดีกว่า แต่ยังปล่อยพลังงานได้ดีขึ้นอีกด้วย
ความสามารถในการดูดซับพลังงานรังสีในรูปแบบต่างๆ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยี เช่น ลูกโป่งและปีกเครื่องบินมักทาสีเงินเพื่อลดความร้อนจากแสงแดด
หากจำเป็นต้องใช้พลังงานแสงอาทิตย์ (เช่น เพื่อให้ความร้อนแก่อุปกรณ์บางชนิดที่ติดตั้งบนดาวเทียมเทียม) อุปกรณ์เหล่านี้จะถูกทาสีให้มืด
การแลกเปลี่ยนความร้อน- เป็นกระบวนการของการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในโดยไม่ต้องทำงานต่อร่างกายหรือร่างกายเอง
การแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้นในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเสมอ: จากร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่ร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า.
เมื่ออุณหภูมิของร่างกายเท่ากัน การแลกเปลี่ยนความร้อนจะหยุดลง
การแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถทำได้สามวิธี:
- การนำความร้อน
- การพาความร้อน
- รังสี
การนำความร้อน
การนำความร้อน- ปรากฏการณ์การถ่ายโอนพลังงานภายในจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งหรือจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่งเมื่อสัมผัสโดยตรง
โลหะมีค่าการนำความร้อนสูงสุด- พวกมันมีมากกว่าน้ำหลายร้อยเท่า ข้อยกเว้นคือสารปรอทและตะกั่วแต่ที่นี่ค่าการนำความร้อนมากกว่าน้ำหลายสิบเท่า
เมื่อหย่อนเข็มถักโลหะลงในแก้วน้ำร้อน ในไม่ช้าปลายเข็มถักก็ร้อนเช่นกัน ด้วยเหตุนี้ พลังงานภายในจึงสามารถถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งได้ เช่นเดียวกับพลังงานประเภทอื่นๆ พลังงานภายในสามารถถ่ายโอนจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น หากปลายด้านหนึ่งของตะปูถูกทำให้ร้อนด้วยเปลวไฟ ปลายอีกด้านหนึ่งที่อยู่ในมือก็จะค่อยๆ ร้อนขึ้นและไหม้มือ
การทำความร้อนกระทะบนเตาไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านการนำความร้อน
มาศึกษาปรากฏการณ์นี้โดยทำการทดลองหลายชุดกับของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
ให้นำปลายไม้เข้ากองไฟ มันจะติดไฟ ปลายอีกด้านของไม้ที่อยู่ด้านนอกจะเย็น วิธี, ไม้มีค่าการนำความร้อนต่ำ.
ให้นำปลายแท่งแก้วบางๆ มาจุดเปลวไฟของตะเกียงแอลกอฮอล์ หลังจากนั้นสักพักก็จะร้อนขึ้น แต่อีกด้านจะยังเย็นอยู่ ดังนั้นและ แก้วมีค่าการนำความร้อนต่ำ.
ถ้าเราเอาปลายแท่งโลหะไปเผาด้วยไฟ ในไม่ช้าแท่งโลหะก็จะร้อนมาก เราจะไม่สามารถถือมันไว้ในมือของเราได้อีกต่อไป
วิธี, โลหะนำความร้อนได้ดีนั่นคือมีค่าการนำความร้อนสูง เงินและทองแดงมีค่าการนำความร้อนสูงสุด.
ค่าการนำความร้อนของสารต่าง ๆ นั้นแตกต่างกัน
ขนสัตว์ ผม ขนนก กระดาษ ไม้ก๊อก และวัตถุที่มีรูพรุนอื่นๆ มีค่าการนำความร้อนต่ำเนื่องจากอากาศอยู่ระหว่างเส้นใยของสารเหล่านี้ สุญญากาศ (พื้นที่ว่างจากอากาศ) มีค่าการนำความร้อนต่ำที่สุดสิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานจากส่วนหนึ่งของร่างกายไปยังอีกส่วนหนึ่งซึ่งเกิดขึ้นระหว่างปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลหรืออนุภาคอื่น ในพื้นที่ที่ไม่มีอนุภาค การนำความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นได้
หากจำเป็นต้องปกป้องร่างกายจากการทำความเย็นหรือความร้อนให้ใช้สารที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ ดังนั้นสำหรับหม้อและกระทะ ด้ามจับจึงทำจากพลาสติก บ้านสร้างจากท่อนไม้หรืออิฐซึ่งมีการนำความร้อนต่ำ ซึ่งหมายความว่าบ้านได้รับการปกป้องจากการระบายความร้อน
การพาความร้อน
การพาความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนที่ดำเนินการโดยการถ่ายโอนพลังงานโดยการไหลของของเหลวหรือก๊าซ
ตัวอย่างปรากฏการณ์การพาความร้อน: กังหันกระดาษขนาดเล็กที่วางอยู่เหนือเปลวเทียนหรือหลอดไฟเริ่มหมุนภายใต้อิทธิพลของอากาศร้อนที่เพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยวิธีนี้ อากาศที่สัมผัสกับหลอดไฟอุ่นจะร้อนขึ้น ขยายตัว และมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็นที่อยู่รอบๆ แรงอาร์คิมิดีสซึ่งกระทำต่ออากาศร้อนจากด้านข้างของอากาศเย็นจากล่างขึ้นบน มีค่ามากกว่าแรงโน้มถ่วงซึ่งกระทำต่ออากาศร้อน เป็นผลให้อากาศร้อน "ลอย" ลอยขึ้นและอากาศเย็นเข้ามาแทนที่
ในระหว่างการพาความร้อน พลังงานจะถูกถ่ายโอนโดยไอพ่นของก๊าซหรือของเหลวเอง
การพาความร้อนมีสองประเภท:
- ธรรมชาติ (หรือฟรี)
- ถูกบังคับ
เพื่อให้เกิดการพาความร้อนในของเหลวและก๊าซ จะต้องได้รับความร้อนจากด้านล่าง
การพาความร้อนไม่สามารถเกิดขึ้นในของแข็งได้
การแผ่รังสี
การแผ่รังสี - รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าปล่อยออกมาเนื่องจากพลังงานภายในโดยสารซึ่งตั้งอยู่ที่อุณหภูมิหนึ่ง
พลังของการแผ่รังสีความร้อนจากวัตถุที่ตรงตามเกณฑ์วัตถุดำอธิบายไว้โดย กฎหมายสเตฟาน-โบลต์ซมันน์
มีการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการเปล่งแสงและการดูดซึมของร่างกาย กฎรังสีของเคอร์ชอฟฟ์
การถ่ายโอนพลังงานโดยการแผ่รังสีแตกต่างจากการถ่ายเทความร้อนประเภทอื่น ๆ นั่นก็คือ สามารถทำได้ในสุญญากาศโดยสมบูรณ์.
ร่างกายทุกคนปล่อยพลังงาน: ทั้งที่มีความร้อนสูงและความร้อนต่ำ เช่น ร่างกายมนุษย์ เตาไฟฟ้า หลอดไฟฟ้า ฯลฯ แต่ยิ่งอุณหภูมิของร่างกายสูง พลังงานที่ส่งผ่านรังสีก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้ พลังงานจะถูกดูดซับโดยวัตถุเหล่านี้บางส่วนและสะท้อนกลับบางส่วน เมื่อพลังงานถูกดูดซับ ร่างกายจะร้อนแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับสถานะของพื้นผิว
วัตถุที่มีพื้นผิวสีเข้มดูดซับและปล่อยพลังงานได้ดีกว่าวัตถุที่มีพื้นผิวสว่าง ในเวลาเดียวกัน วัตถุที่มีพื้นผิวสีเข้มจะเย็นลงเร็วกว่าวัตถุที่มีพื้นผิวสว่าง ตัวอย่างเช่น ในกาน้ำชาสีอ่อน น้ำร้อนกินเวลานานขึ้น อุณหภูมิสูงกว่าในความมืด