ความร้อนจำเพาะ (Specific Heat) คืออะไร

สมการนี้ไม่สามารถใช้ได้กับวัตถุที่มีการเปลี่ยนสถานะ (เช่น จากของเหลวเป็นก๊าซ), เพราะว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในช่วงการเปลี่ยนสถานะ

ตัวอย่างที่ 1

วัตถุมีมวล m = 2 kg และความร้อนจำเพาะ c = 2 J/(kg.K) เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจาก 300 K ไปที่ 280 K. หาค่า Q, พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนอุณหภูมิ ?

อันดับแรกคือการใช้สมการ Q=(m)x(c)x(dT), และใส่ตัวเลขลงไป เราทราบว่า m = 2 kg, c = 2 J/(kg.K), และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปคือ dT=T2-T1=280 K – 300 K = -20 K อุณหภูมิตั้งต้นคือ T1 และอุณหภูมิสุดท้ายคือ T2, และสมกาคือ dT=T2-T1 ผลลัพธ์สามารถเป็นเลขจำนวนลบได้ เพราะว่าหมายถึง อุณหภูมิตั้งต้นมากกว่าอุณหภูมิสุดท้าย เมื่อเราใส่ตัวเลขที่ได้คือ Q = (2 kg)(2 J/(kg.K))(-20 K) = -80 J เพราะว่าคำตอบเป็นลบ หมายถึงได้มีการดึงพลังงานออกจากวัตถุทำให้อุณหภูมิลดลง

ตัวอย่างที่ 2

ต้องมีการใช้ 16,720 จูล ของพลังงานความร้อนในการทำให้น้ำ 100 g จาก 20 oC เป็น 60 oC ค่าความจุความร้อนจำเพาะของน้ำคือเท่าใด?

ลำดับแรกคือการหากตัวแปรต่างๆและหาว่าเราต้องการหาอะไร เราทราบว่า มีการใช้ความร้อน 16,720 จูล ซึ่งจะมีการใช้สมการ Q=(m)x(c)x(dT), Q คือ 16,720 J. เราทราบว่ามวลของน้ำคือ 100 g, ดังนั้น m= 100 g. สำหรับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ dT, เราทราบว่าอุณหภูมิตั้งต้นคือ 20 oC และอุณหภูมิสุดท้ายคือ 60 oC  so dT=T2-T1 = 60 – 20 oC = 40 oC or 40 K. ตัวแปรที่เหลือคือ “c”, และเราต้องการหา, “c” ในการหา “c” เราจะต้องจัดสมการให้”c” แยกออกมาด้านหนึ่ง โดยการหารด้วยมวล m และโดย dT ในการได้ c=Q/[(m)x(dT)]. แล้วใส่ตัวเลขที่มีลงไป : c = (16,720  J)/[(100 g)x(40 K)] = 4.18 J/(g.K) คือความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ

ค่าความจุ ความร้อนจำเพาะ (Specific heat capacity)

เพื่อให้เห็นภาพ เรามาดูตารางข้างล่างนี้

วัสดุ	ความจุความร้อนจำเพาะ (cP) หน่วย kJ/kg°C
อิฐมอญไม่ฉาบ	0.79
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	0.84
คอนกรีตสแลป	0.92
แผ่นยิปซั่ม	1.09

ตารางตัวอย่างค่าความจำความร้อนจำเพาะจากประกาศกระทรวงพลังงานหน้าที่ 6-8ถ้าดูกันแค่ตรงนี้ เราก็จะเห็นได้ว่า อิฐมอญนั้นร้อน/เย็น ไวที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆในตาราง และถ้าเทียบคอนกรีตมวลเบากับอิฐมอญก็จะเห็นว่าคอนกรีตมวลเบาสามารถหน่วงความร้อนได้มากกว่า และดูเหมือนแผ่นยิปซั่มจะหน่วงความร้อนได้ดีที่สุด ดีกว่าคอนกรีตเสียอีก แต่! แต่! แต่! แต่เวลาเราเลือกใช้วัสดุใดๆ เราไม่ได้เลือกเป็นกิโลกรัมถูกไหมครับ เราเลือกเป็นความหนา เช่น ผนังนี้เราจะใช้คอนกรีตมวลเบาหนา 10cm หรืออิฐมอญหน้า 20cm ดี

ฉะนั้นแล้ว เราควรจะเอาข้อมูลอีกอย่างหนึ่งเพิ่มเข้ามาคิดด้วย นั่นก็คือความหนาแน่น ความหนาแน่นคือตัวที่บอกว่า วัสดุนี้หนักกี่กิโลกรัม ถ้าวัสดุนี้กว้าง 1 เมตร ยาว 1 เมตร สูง 1 เมตร ผมได้อัพเดทตารางข้างบนเป็นแบบข้างล่างนี้ โดยข้อมูลมาจากประกาศกระทรวงพลังงานเหมือนเดิม

คำนึงถึงความหนาแน่น

วัสดุ	ความหนาแน่น (ρ) หน่วย kg/m3	ความจุความร้อนจำเพาะ (cP) หน่วย kJ/kg°C
อิฐมอญไม่ฉาบ	1,600	0.79
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	620	0.84
คอนกรีตสแลป	2,400	0.92
แผ่นยิปซั่ม	800	1.09

ตารางตัวอย่างค่าความจุความร้อนจำเพาะและความหนาแน่นจากประกาศกระทรวงพลังงานหน้าที่ 6-8เอาละ ตัวเลขเริ่มเยอะ แต่ไม่ยากแน่นอน เรามาดูกันทีละตัว

ความหนาแน่นนี้คือ น้ำหนัก (kg) ต่อ 1m * 1m *1m ใช่ไหมครับ แล้วถ้ามันหนา 10cm หรือ 0.1m และกว้างกับยาว 1m ละ มันจะหนักเท่าไหร่? เราก็เอามันไปคูณ (*) ด้วย 0.1 ถูกไหมครับ? เราก็จะได้น้ำหนักต่อตารางเมตรมา ถ้าเกิดหนา 20cm เราก็คูณด้วย 0.2 ตรงนี้ไม่งงนะครับ

วัสดุ	น้ำหนักเมื่อหนา 10cm หน่วย kg/m2	น้ำหนักเมื่อหนา 20cm หน่วย kg/m2
อิฐมอญไม่ฉาบ	160	320
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	62	124
คอนกรีตสแลป	240	480
แผ่นยิปซั่ม (หนา 9mm หรือ 0.009m)	7.2	–

ตารางแสดงน้ำหนักของวัสดุต่อตารางเมตรในกรณีที่หนา 10cm และ 20cmทีนี้เราก็จะเริ่มเห็นภาพแล้วว่าวัสดุต่างชนิดกัน แม้ว่ามีความหนาเท่ากัน ก็มีน้ำหนักไม่เท่ากัน

ท้ายที่สุด

เรายังจำค่าความจุความร้อนจำเพาะได้ไหมครับ ว่าหน่วยของมันคือ kJ/kg°C และตอนนี้เราก็มีน้ำหนัก (kg) ของวัสดุที่ความหนา 10cm และ 20cm (9mm สำหรับยิปซั่ม) แล้ว เรามาดูกันดีกว่ากว่าความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุที่ความหนาดังกล่าวนั้นเป็นอย่างไรบ้าง โดยเอาค่าความจุความร้อนจำเพาะมาคูณ (*) กับน้ำหนัก (kg) ของวัสดุนั้นๆ

วัสดุ	cP เมื่อหนา 10cm หน่วย kJ/m2°C	cP เมื่อหนา 20cm หน่วย kJ/m2°C
อิฐมอญไม่ฉาบ	126.4	252.8
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	52.08	104.16
คอนกรีตสแลป	220.8	441.6
แผ่นยิปซั่ม (หนา 9mm หรือ 0.009m)	7.848	–

ตารางแสดงค่าความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุในกรณีที่หนา 10cm และ 20cm (9mm สำหรับยิปซั่ม)เราเห็นอะไรบ้างครับ? จำตอนแรกได้ไหมครับที่บอกว่ายิปซั่มมีค่าความจุความร้อนจำเพาะสูงสุด และอิฐมอญต่ำสุด แต่เมื่อเอามาคิดในแบบที่ละเอียดขึ้นแล้ว ก็จะเห็นได้ว่าคอนกรีตมวลเบาแม้ว่าหนา 20cm ก็ยังมีค่าความจุความร้อนจำเพาะต่ำกว่าอิฐมอญที่หนาเพียง 10cm เลย

ในความหนาที่เท่ากัน อิฐมอญมีค่าความจุความร้อนจำเพาะมากกว่าอิฐมวลเบาถึงประมาณ 2.5เท่า แต่ยังน้อยกว่าคอนกรีตสแลปเกือบ 2 เท่าด้วยกัน

มันบอกอะไรกับเรา?

จากทั้งหมดที่ยกตัวอย่างมา สรุปแล้วมันบอกอะไรกับเรา? จริงๆมันก็บอกตามที่มันบอกนะ ส่วนแต่ละคนจะไปทำความเข้าใจหรือตีความยังไงก็แล้วแต่ แต่สิ่งที่ผมคิดว่าควรจะชี้ให้สังเกตคือ

1. อย่าเอาเรื่องนี้ไปปนกับเรื่องของ conductivity – แปลว่า นี่มันเป็นเรื่องของการหน่วงความร้อนของวัสดุ การที่วัสดุจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือน้อยลงได้ด้วยพลังงานมากน้อยแค่ไหน อย่าเอาไปปนกับเรื่องการถ่ายเทความร้อน คือเราจะอธิบายมันร่วมกันก็ได้ แต่ต้องทำความเข้าใจแยกกัน
2. อย่ามองว่าเป็นเรื่องของภายนอกสู่ภายในอย่างเดียว ลองนึกถึงว่าถ้าเรามีวัสดุที่มีความจุความร้อนจำเพาะมากอยู่ในห้องหรือในพื้นที่ ถ้ามันโดนแดดนานๆ หรือได้ทำการกักเก็บพลังงานไว้มาก มันก็จะต้องใช้พลังงานมากที่จะทำให้มันเย็น หรือต้องใช้เวลามากกว่าพลังงานในนั้นจะถ่ายเทออกไปจนอุณหภูมิเย็นลง หรือแม้แต่การเป็นผนังห้องก็ตาม เราอาจจะต้องเปิดแอร์นานมากๆกว่ามันจะเย็น
3. ควรรู้ไว้อีกอย่างว่า ค่า k หรือ conductivity ที่ปกติใช้กันนั้น เป็นค่า k เมื่อวัสดุมีอุณหภูมิ 25°C และเมื่ออุณหภูมิของวัสดุสูงขึ้น ค่า k ก็มักจะต่ำลงด้วยแปลว่าพลังงานถ่ายเทผ่านไปได้มากขึ้น หรือประสิทธิภาพการป้องกันความร้อนลดลงนั่นเอง และตัวที่จะบอกว่าอุณหภูมิของวัสดุจะเพิ่มขึ้นกี่องศานั้น ก็คือค่าความจุความร้อนจำเพาะนี่แหละ
4. ไม่ควรมองว่านี่คือค่าที่สมบูรณ์บอกความจริงได้ทั้งหมดแล้ว เพราะจริงๆแล้วนี่เป็นเพียงค่าหยาบๆ วัสดุมันไม่ได้ร้อนขึ้นแบบทั้งชิ้นพร้อมๆกัน จริงๆแล้วมันเป็นโมเลกุลที่เล็กมากๆและส่งผ่านความร้อนต่อๆกันมา ว่ามันค่อยๆมีอุณหภูมิสูงขึ้นและต่ำลงแล้วแต่ทิศทางของแหล่งพลังงาน หรือแหล่งความร้อน

สรุป

สรุปว่า ค่าความจุความร้อนจำเพาะ ควรดูควบคู่กับการเรื่องของความหนาแน่น และความหนาของวัสดุที่เราต้องการจะทดสอบด้วย เพื่อให้เห็นภาพในหลายๆมุม ไม่ควรใช้ค่าความจุความร้อนจำเพาะแบบโดดๆ

---

ที่มา https://maipatana.me/

สามารเข้าชมสินค้า S A J I ได้ที่ https://sa-thai.com/shop/