หน่วยการเรียนที่ 6 ความร้อนและการถา่ ยโอนความร้อน วชิ า วทิ ยาศาสตรเ์ พอ่ื ศลิ ปะและงานออกแบบ รหสั วชิ า 2000-1304
ความร้อนและการถ่ายเทความร้อน (Heat and heat transfer) ความรอ้ น (Heat) คือ พลงั งานรูปหนง่ึ ท่ี ถ่ายเทจากสสาร หรอื ระบบหน่งึ ไปยงั สสาร หรอื ระบบอ่ืน โดยอาศยั ความแตกตา่ งของ อณุ หภมู ิ
พลังงานความร้อน (Thermal Energy) การทดลองของ จลู (James Pascott Joule; 1818–1889) ใหแ้ นวคดิ สมมูลเชงิ กลความร้อน (Mechanical equivalent of heat) หรือ สมมูลของจูล (Joule’s equivalent) นับว่าเป็ นจุดทส่ี าคัญทเี่ ชอื่ ม ระหวา่ งปรมิ าณความร้อนเข้ากับ พลังงานความร้อนได้เป็ นอย่างดี
การทดลองของจลู (Joule) พลงั งานกล พลงั งานความรอ้ น ค่าสมมูลยค์ วามร้อนกล (J) = work = 4.18605 J heat cal 1 cal = 4.186 J
หน่วยของความร้อน คาลอรี (calorie : cal) : 1 cal = ความรอ้ นท่ที าให้ นา้ 1 gm ณ 14.50Cมีอณุ หภมู ิสงู ขนึ้ 10C BTU (British Thermal Unit) : 1 BTU = ความรอ้ นท่ี ทาใหน้ า้ 1 pound มอี ณุ หภมู สิ งู ขนึ้ 1 0F (630F ไปเป็น 640F) ซงึ่ 1 BTU 1055 จลู 251.996 cal (1 pound 0.4536 kg)
อุณหภูมิ (Temperature : T) อุณหภมู ิ • เป็นปรมิ าณท่ีส่อื ใหเ้ ห็นวา่ วตั ถนุ นั้ รอ้ น หรอื เย็น เพียงใด.
หลกั การเทอร์โมมิเตอร์ : สมดุลความร้อน(อณุ หภูมเิ ท่ากนั ) อณุ หภมู ิ ▪ คือ การวดั วา่ วตั ถนุ นั้ มคี วามรอ้ น เย็น แคไ่ หน ▪ การบอกระดบั ความรอ้ นจากการ สมั ผสั มขี อ้ จากดั และในหลายกรณี กอ่ ใหเ้ กิดความผดิ พลาดไดง้ า่ ย
การวัดอุณหภมู ิ หน่วยวัดอุณหภมู ิ และเทอรโ์ มมเิ ตอร์ สเกลของอุณหภมู ิ (Temperature scales) องศาฟาเรนไฮต์ (degree Fahrenheit : 0F) นิยามจากชว่ งอณุ หภมู ทิ ่ีสตั วเ์ ลยี้ งในฟารม์ จะ ดารงชีวิตอยไู่ ดด้ ว้ ยตวั เอง (0 0F คือ เย็นท่ีสดุ และ 100 0F คอื รอ้ นท่ีสดุ )
การวัดอุณหภมู ิ หน่วยวัดอุณหภมู ิ และเทอรโ์ มมเิ ตอร์ สเกลของอุณหภมู ิ (Temperature scales) องศาเซลเซียสหรอื เซลตเิ กรด 0 0C = 32 0F (degree Celsius or Centigrade : 0C) 0 0F −17.78 0C นิยามจากคณุ สมบตั ขิ องคณุ สมบตั ขิ องนา้ ท่ีผิวโลก ณ ระดบั นา้ ทะเล (0 0C คอื จดุ เยือกแขง็ และ 100 0C คอื จดุ เดือด) T (0 C ) = 5 T (0 F) − 32 T (0 F ) = 9 T (0C) + 32 9 5
การวัดอุณหภมู ิ หน่วยวัดอุณหภมู ิ และเทอรโ์ มมเิ ตอร์ สเกลของอุณหภมู ิ (Temperature scales) เคลวนิ (Kelvin : K) นิยามจากจดุ อณุ หภมู ทิ ่พี ลงั งานระดบั โมเลกลุ มีคา่ ต่าสดุ ซง่ึ กาหนดเป็นศนู ยอ์ งศาสมั บรู ณ์ (Absolute zero) หรอื 0 K -273.150C สเกล 1 K = 1 0C T (K) = T (0C) + 273.15 T (0C) = T (K) − 273.15
สเกลของอณุ หภมู ิ (Temperature scales) t tF tC tK tx
อุณหภมู ขิ องสารชนิดเดยี วกัน กับสถานะ (Temperature : T) ของแขง็ ของเหลว แก๊ส +-+-+- -+ -+-+-+-+- --+-+-++- -- + - + - + + - -- + - + - + + - -- + - + - + + - -- + - + + + - พลาสมา เพมิ่ อุณหภมู ิ
การถา่ ยเท (โอน) ความร้อน (Heat transferring) การถา่ ยเทความรอ้ น • การนาความรอ้ น (conduction) • การพาความรอ้ น (convection) • การแผร่ งั สคี วามรอ้ น (radiation)
พลังงานความร้อนสามารถถ่ายโอนจากทท่ี ม่ี อี ุณหภมู ิ สูงไปยงั ทท่ี มี่ อี ุณหภมู ติ ่ากว่าได้ 3 แบบ ดงั นี้ 1. การพาความร้อน 2. การนาความร้อน 3. การแผร่ ังสีความร้อน
การพาความร้อน
การพาความร้อน (Heat Convection) เป็ นการถา่ ยโอนความร้อนโดยวัตถุหรือตวั กลางท่ี ได้รับความร้อน จะเคลอ่ื นทพ่ี าความร้อนจากบริเวณทม่ี ี อุณหภมู สิ ูงไปยังบริเวณทอี่ ุณหภมู ติ ่ากว่าเช่น การทเี่ ราเอา มอื ไปอังเหนือเปลวไฟแล้วรู้สึกร้อน ทงั้ ๆ ทเี่ ราอังหา่ งจาก เปลวไฟแล้ว น่ันเป็ นเพราะอากาศเป็ นตัวพาความร้อนจาก เปลวไฟมาสู่มอื เรา
การพาความร้อนสามารถเกดิ ขนึ้ ในของแขง็ หรือไม่ การพาความร้อนจะเกดิ ใน ของเหลวและแก๊ส เทา่ นั้น เนื่องจากสสารดงั กล่าวสามารถเคล่อื นทไ่ี ดอ้ ย่างอสิ ระจากท่ี หน่ึงไปยงั อกี ทหี่ นึ่งแตอ่ นุภาคของของแข็งไม่สามารถเคลื่อนท่ี ไดอ้ ยา่ งอิสระ ความร้อนจงึ ไม่สามารถส่งผา่ นของแขง็ ด้วยการ พาความร้อนได้ ** แกส๊ มีการแพร่กระจายไดม้ ากกวา่ ของเหลว ณ อุณหภมู หิ อ้ งเดยี วกัน การพาความร้อนจงึ เกิดในแกส๊ ได้ มากกวา่ ในของเหลว
การใช้ประโยชนจ์ าก การพาความร้อน เมอื่ พจิ ารณากองไฟ อากาศร้อนเหนือเปลวไฟจะลอยตวั สูงขึน้ อากาศเยน็ ทม่ี คี วามหนาแน่นมากจากรอบๆ กองไฟกจ็ ะเคล่ือนทเี่ ข้ามาแทนทอ่ี ากาศร้อน ทลี่ อยตวั ไป การผิงไฟใหอ้ บอุ่น
การใช้ประโยชนจ์ าก การพาความร้อน กาตม้ นา้ ร้อนไฟฟ้า กาตม้ นา้ ร้อนไฟฟ้าเป็ นส่ิงประดษิ ฐช์ นิ้ หน่ึงที่ นักประดษิ ฐไ์ ดน้ าหลักการพาความร้อนในของเหลว มาสร้าง จากรูป อุปกรณก์ ารทาความร้อนจะตดิ ตงั้ ไว้บริเวณกาตม้ นา้
การใช้ประโยชนจ์ าก การพาความร้อน กาต้มนา้ ร้อนไฟฟ้า เมอ่ื เปิ ดสวติ ซใ์ ช้งาน นา้ บริเวณโดยรอบอุปกรณ์ ทาความร้อนจะร้อนขนึ้ ช้าๆ โดยการนาความร้อนนา้ อุ่น ทอ่ี ุณหภมู สิ ูงขนึ้ เรื่อยๆ จะลอยตวั สูงขนึ้ และนา้ เยน็ จะ ลอยตัวตา่ ลงแทนที่ เกดิ เป็ นกระแสการพาความร้อน จนกระท่งั นา้ ในกาต้มนา้ เดอื ด
การใช้ประโยชนจ์ าก การพาความร้อน เครือ่ งปรับอากาศ เคร่ืองปรับอากาศใช้หลักการพาความร้อน เมอ่ื เราเปิ ดสวติ ซใ์ หเ้ คร่ืองปรับอากาศทางาน อากาศเยน็ บริเวณใกล้ๆ เครื่องปรับอากาศ จะลอยตัวตา่ ลง ทาใหเ้ กดิ กระแสการพาความร้อน ไหลเวียนภายในหอ้ ง ทาใหอ้ ากาศในหอ้ งเยน็ สบาย
การใช้ประโยชนจ์ าก ลมทะเล การพาความร้อน ในตอนกลางวันทอ่ี ากาศร้อน แผ่นดนิ จะไดร้ ับ ความร้อนเร็วกว่าแผ่นนา้ อากาศร้อนเหนือแผ่นดนิ จะลอยตวั ขนึ้ สูง อากาศร้อนนีจ้ ะถกู แทนทดี่ ว้ ย อากาศทเี่ ยน็ กว่าและมคี วามหนาแน่นมากกว่าที่ เคล่อื นทมี่ าจากทะเล ทาใหเ้ กดิ ลมเคลือ่ นทเี่ ข้าหาฝ่ัง เราจงึ เรียกว่า ลมทะเล
การใช้ประโยชนจ์ าก การพาความร้อน ลมบก ในตอนกลางคนื บรเิ วณแผ่นดนิ เยน็ ตัวเร็วกว่า ทะเล อากาศร้อนเหนือพนื้ ทะเลจะลอยตวั สูงขนึ้ อากาศเยน็ จากแผ่นดนิ กจ็ ะเคล่อื นทไี่ ปแทนท่ี จงึ ทาใหเ้ กดิ ลมเคลอ่ื นทจ่ี ากแผ่นดนิ ออกไปสู่ทะเล จงึ เรยี กว่า ลมบก
การพาความร้อน ลมมรสุม ในฤดรู ้อนพนื้ ทส่ี ่วนใหญ่ ทางตอนเหนือของทวีปเอเชยี อากาศจะร้อนมาก อากาศร้อนบริเวณนีจ้ ะลอยตวั สูงขนึ้ และอากาศ จากบริเวณมหาสมุทรจะเคล่อื นทแ่ี ทนทอ่ี ากาศ บริเวณแผ่นดนิ ทอี่ ากาศร้อน นา้ ในอากาศเหล่านี้ จะกล่ันตวั ควบแน่นกลายเป็ นเมฆจงึ ทาใหฝ้ นตก มากในระหว่างฤดรู ้อน หรือเรียกว่า ฤดมู รสุม
การนาความร้อน
การนาความร้อน การนาความร้อน (Heat Conduction) เป็ นการถา่ ยโอนความร้อน โดยความร้อน เคล่อื นทผ่ี ่านเนือ้ วัตถุจากตาแหน่งทมี่ อี ุณหภมู สิ ูงไป กว่าตาแหน่งทม่ี อี ุณหภมู ติ า่ กว่า ทงั้ นีว้ ัตถุทเี่ ป็ น ตัวกลางไม่ได้เคลอ่ื นท่ี ไปกับความร้อน
ตวั นาความร้อน และฉนวนความร้อน วัตถุทน่ี าความร้อนไดอ้ ย่างรวดเร็ว เรียกว่า ตัวนาความร้อน ได้แก่ เงนิ ทอง และทองแดง ส่วน วัตถุทนี่ าความร้อนไดไ้ ม่ดหี รือยอมใหค้ วามร้อน ผ่านได้น้อย เรยี กว่า ฉนวนความร้อน ไดแ้ ก่ ไม้ พลาสตกิ แก้ว ของเหลว (นา้ ) และแก๊ส (อากาศ)
การใชป้ ระโยชนจ์ าก ตัวนาความร้อนและ ฉนวนความร้อน เราจะนาตวั นา ความร้อนทดี่ ไี ปใช้ประโยชนก์ ต็ อ่ เมอ่ื เราตอ้ งการใหค้ วามร้อนเคลือ่ นทผ่ี ่านจากทหี่ นึ่ง ไปยงั อกี ทหี่ น่ึง และเราจะนาฉนวนความร้อน มาใช้ประโยชน์ กต็ อ่ เมอ่ื เราตอ้ งการป้องกัน ความร้อนไม่ใหเ้ ข้าไปข้างในวตั ถุ
การใช้ประโยชนจ์ าก ตัวนาความร้อนและ ฉนวนความร้อน ตัวนาความร้อน = ใหค้ วามร้อนเคล่ือนทผ่ี ่าน ฉนวนความร้อน = ป้องกันความร้อนไมใ่ ห้ เข้าไปข้างในวัตถุ
การใช้ประโยชนจ์ าก ตัวนาความร้อนและ ฉนวนความร้อน กระทะหรอื หมอ้ หุงต้ม ตวั กระทะหรือหม้อหุงตม้ ทต่ี อ้ งการใหค้ วาม ร้อนส่งผ่านไปยงั อาหารทปี่ รุงไดร้ วดเร็ว นิยมทา ดว้ ยสเตนเลสหรืออะลูมเิ นียม แตด่ า้ มจบั หรือหหู วิ้ นิยมทาดว้ ยพลาสตกิ เพราะเป็ นฉนวนความร้อน
การใช้ประโยชนจ์ าก ตวั นาความร้อนและ ฉนวนความร้อน เตารดี พนื้ ของเตารีดจะทาดว้ ยโลหะทจี่ ะนาความร้อน ไปสู่ผ้าทต่ี อ้ งการรีด แตม่ อื จับทตี่ ดิ กับตวั ของเตารีด จะทาด้วยพลาสตกิ เพราะเป็ นฉนวนความร้อน
การใช้ประโยชนจ์ ากการ ตัวนาความร้อนและฉนวน ความร้อน กระตกิ นา้ แขง็ กระตกิ นา้ แขง็ เป็ นภาชนะทใ่ี ช้เกบ็ อาหารรักษา อาหารและเครื่องดมื่ ใหเ้ ยน็ ตัวกระตกิ จงึ นิยมทา ดว้ ยพลาสตกิ เนื่องจากพลาสตกิ เป็ นฉนวนความร้อน ดงั นั้นความร้อนจากภายนอกจงึ ไม่สามารถส่งผ่านเข้า ไปในกระตกิ ได้
การใช้ประโยชนจ์ ากการ ตวั นาความร้อนและ ฉนวนความร้อน อุปกรณบ์ ดั กรีไฟฟ้า อุปกรณบ์ ัดกรีไฟฟ้าทใ่ี ช้สาหรับเชอื่ มต่ออุปกรณท์ าง อิเลก็ ทรอนิกสต์ า่ งๆ บริเวณส่วนปลายนิยมทาดว้ ยทองแดง เน่ืองจากทองแดงเป็ นตวั นาความร้อนได้ดชี ่วยใหก้ ารบดั กรี ทาได้รวดเร็วขนึ้ แต่มอื จับจะทาด้วยฉนวน เช่น พลาสตกิ เรซิน เป็ นต้น
การใช้ประโยชนจ์ ากการ ตัวนาความร้อนและ ฉนวนความร้อน ผ้าห่ม ผ้าหม่ จะมชี ่องสาหรับอากาศ เมอ่ื ใช้ผ้าหม่ หม่ ร่างกาย ขณะทอี่ ากาศภายนอกเยน็ อากาศทถี่ กู เกบ็ ไวใ้ นผา้ หม่ จะชว่ ยป้องกันไมใ่ หค้ วามร้อนจากตวั ไหลออกไป ทาใหร้ ่างกายเรารู้สกึ อบอุน่ ขณะหม่ ผ้าหม่
การพาความร้อน ตารางแสดงการเปรยี บเทยี บการนาความร้อน และการพาความร้อน
การพาความร้อน ตารางแสดงการเปรยี บเทยี บการนาความร้อน และการพาความร้อน
การแผ่รังสคี วามร้อน (Radiation)
การแผ่รังสคี วามร้อน (Radiation) การแผร่ ังสีความร้อน เป็ นการถ่ายเทความร้อน ออกรอบตวั ทกุ ทศิ ทุกทาง โดยมิตอ้ งอาศยั ตวั กลาง ในการส่งถา่ ยพลังงาน รังสีสามารถถา่ ยเทความร้อน ผ่านสุญญากาศได้ วัตถุทกุ ชนิดทม่ี อี ุณหภมู สิ ูงกว่า -270 ํC หรือ 0 K ย่อมมีการแผ่รังสี เชน่ การตาก ปลาแหง้ ตากเสือ้ ผ้ากลางแจง้
การดดู กลืนความร้อนของวัตถุ วัตถุทกุ ชนิดสามารถ ดดู กลืนพลังงานรังสี การดดู กลนื พลังงานรังสขี องวตั ถุเรยี กว่า \"การดดู กลนื ความร้อน\" โดยทว่ี ัตถุแตล่ ะชนิดสามารถดดู กลืนความร้อนจาก การแผ่รังสีไดไ้ ม่เทา่ กัน ทงั้ นีข้ นึ้ อยกู่ ับ 1. สขี องวัตถุ วัตถุสีดาหรือสีเข้มดดู กลนื ความร้อน ได้ดกี วา่ วัตถุสขี าว หรอื สีออ่ น 2. ผิววตั ถุ วัตถุผวิ ขรุขระดดู กลืนความร้อนไดด้ กี ว่า วัตถุผวิ เรยี บและขัดมัน
การแผ่รังสี ความสัมพันธข์ องสีผวิ ของวัตถุ ความร้อน กับการแผ่รังสี การสะทอ้ นรังสี และการดดู กลืนรังสี
ประโยชน์ การแผ่รังสีความร้อน เครื่องนุ่งหม่ คนทอี่ าศัยในประเทศเขตหนาว ควรใช้เคร่ืองนุ่มหม่ สีเข้ม เพราะ ดูดกลนื ความร้อน และใหค้ วามอบอุ่นมากกว่าสีอ่อนๆ แต่คนในประเทศเขตร้อนควรใช้เครื่องนุ่งหม่ สอี ่อนๆ เพราะใหค้ วามรู้สึกเยน็ สบายกว่าใช้สีเข้ม
ประโยชน์ การแผ่รังสีความร้อน ทอี่ ยอู่ าศัย บ้านเรือนในประเทศทม่ี อี ากาศร้อนไม่ควร ทาสเี ข้ม จะได้สะทอ้ นแสงแดดและทาให้ บ้านเรือนมอี ุณหภมู ไิ ม่สูงมากในเวลากลางวัน สีของอาคารก็มีส่วนชว่ ยทาใหอ้ าคารเยน็ และ ร้อนไดด้ ้วย
ประโยชน์ การแผ่รังสคี วามร้อน รถบรรทกุ นา้ มันและถังนา้ มัน ตวั ถงั ของรถบรรทุกนา้ มันนิยมเคลือบผวิ หน้า ดว้ ยสขี าว เพอื่ ช่วยใหส้ ะทอ้ นรังสที มี่ าจากแสงอาทติ ย์ ทาใหน้ า้ มันทบ่ี รรจุอยใู่ นตวั ถังเยน็ ตวั หรืออุณหภมู ติ ่า ป้องกันการระเหยของนา้ มันทเ่ี กบ็ ไว้
ประโยชนก์ ารแผ่ รังสคี วามร้อน ชุดนักบนิ อวกาศ ชุดภายนอกมีสีขาว เพอ่ื ใหส้ ะทอ้ นรังสี ทแ่ี ผ่มาจากดวงอาทติ ย์
ประโยชนก์ ารแผ่รังสี ความร้อน กระจก อาคารบางอาคารใชก้ ระจกประกอบเป็ นผนัง ของอาคาร ความมนั วาวของผนังกระจกจะสะทอ้ น รังสคี วามร้อน ดว้ ยเหตุทกี่ ระจกเป็ นตวั นาความร้อน ทไี่ ม่ดี ความร้อนจงึ ไม่สามารถส่งผ่านจากภายนอก อาคารเข้าไปในอาคารได้งา่ ย
ประโยชนก์ ารแผร่ ังสี ความร้อน กาต้มน้าร้อน กาตม้ นา้ ร้อนมสี ีเงนิ วาวและผวิ มันเรียบ เพราะคุณสมบัตเิ ช่นนีท้ าใหก้ าตม้ นา้ ร้อนไฟฟ้า เป็ นตวั แผ่รังสีความร้อนทไ่ี ม่ดี จงึ ทาใหน้ า้ ทต่ี ม้ เกบ็ ไว้นาน ๆนา้ กย็ ังร้อนอยู่
เครอ่ื งวดั อณุ หภมู ิ : เทอรโ์ มมเิ ตอร์ (Thermometer) เทอรโ์ มมเิ ตอร์ คอื อุปกรณท์ ใี่ ช้วัดอุณหภมู ิ T โดยใช้ หลักการสมดุลทางความร้อน (Thermal equilibrium) สมบตั ิของเทอรโ์ มมเิ ตอร์ • ความไวสงู • แมน่ ยา • ผลิตงา่ ย • เขา้ สสู่ มดลุ ทางความรอ้ นไดเ้ รว็
เครอ่ื งวดั อณุ หภมู ิ : เทอรโ์ มมเิ ตอร์ (Thermometer) “สสารทุกชนิด จะไม่มกี ารถ่ายเทความ ร้อนซงึ่ กันและกัน เมือ่ สสารเหล่านัน้ มี อุณหภมู ิหรือระดับความร้อนเท่ากัน”
ชนิดของเทอร์โมมิเตอร์
Search
