ความรู้เรื่องพลังงานความร้อน

พลังงานความร้อน เป็นพลังงานที่เคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อวัตถุดูดพลังงานความร้อนเข้าไป ก็จะทำให้พลังงานในวัตถุเพิ่มขึ้น

อุณหภูมิและหน่วยวัด
นักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเทอร์มอมิเตอร์ (thermometer) ขึ้น เพื่อใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของสิ่งต่าง ๆ
การกำหนดมาตรวัดอุณหภูมิจำเป็นต้องมีจุดอ้างอิง เรียกว่า จุดคงที่ (fixed points) ซึ่งจะแบ่งเป็นจุดเยือกแข็งหรือจุดคงที่ต่ำสุด เป็นอุณหภูมิของน้ำแข็งบริสุทธิ์ขณะกำลังหลอมเหลว ณ ความดัน 1 บรรยากาศ และจุดเดือดหรือจุดคงที่สูงสุด เป็นอุณหภูมิของไอน้ำขณะที่น้ำกำลังเดือดกลายเป็นไอ ณ ความดัน 1 บรรยากาศ หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิโดยทั่วไปมี 4 แบบ คือ

1. องศาเซลเซียส (Degree Celsius: °C) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุด โดยมีจุดเยือกแข็งของน้ำอยู่ที่ 0 °C และจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 100 °C ช่วงระหว่างจุดเยือกแข็งกับจุดเดือดของน้ำแบ่งเป็น 100 ช่องเท่า ๆ กัน แต่ละช่องกำหนดให้เป็น 1 องศาเซลเซียส (°C)

2. องศาฟาเรนไฮต์ (Degree Fahrenheit: F) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุดในประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศจาไมกา โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 32 °F และจุดเดือดอยู่ที่ 212 °F ช่วงระหว่างจุดเยือกแข็งกับจุดเดือดของน้ำแบ่งเป็น 180 ช่องเท่า ๆ กัน
3. เคลวิน (Kelvin: K) เป็นหน่วยบอกอุณหภูมิในระบบเอสไอ โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 273 K และจุดเดือดอยู่ที่ 373 K
4. องศาโรเมอร์ (Degree Romer: °R) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุดในประเทศฝรั่งเศส โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 0 °R และจุดเดือดอยู่ที่ 80 °R ช่วงอุณหภูมิ 1 R จะเท่ากับ 1.25 °C

ส่วนประกอบและการทำงานของเทอร์มอมิเตอร์
เทอร์มอมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดสมบัติทางกายภาพของสารที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอตามอุณหภูมิ เทอร์มอมิเตอร์มีหลายชนิด ได้แก่ เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว เทอร์มอคัปเปิล และเทอร์มอมิเตอร์โลหะคู่
เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว
เทอร์มอมิเตอร์ประเภทนี้ใช้หลักการขยายตัวและการหดตัวของของเหลว เช่น เทอร์มอมิเตอร์แบบปรอท

เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้วอีกประเภทหนึ่ง คือ เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้ (clinical thermometer) ออกแบบมาเพื่อใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ ช่วงกว้างของมาตรวัดอยู่ระหว่าง 35 °C ถึง 42 °C

การคายความร้อน
วัตถุทุกชนิดสามารถคายความร้อนออกมาได้ ถ้ามีการดูดกลืนความร้อน วัตถุที่มีสีและพื้นผิวแตกต่างกันจะมีสมบัติในการคายความร้อนต่างกัน กล่าวคือ วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบและไม่เรียบเป็นตัวคายความร้อนที่ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวเป็นมันวาวและเรียบเป็นตัวคายความร้อนที่ไม่ดี
สรุปได้ว่า การดูดกลืนแสงหรือความร้อนของวัตถุขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ ดังนี้
1. สีของวัตถุ วัตถุสีเข้มจะดูดกลืนแสงหรือความร้อนได้มากกว่าวัตถุสีอ่อน และวัตถุสีเข้มจะคายความร้อนได้ดีกว่าวัตถุสีอ่อนในช่วงเวลาเท่า ๆ กัน
2. พื้นผิวของวัตถุ พื้นผิวที่เรียบเป็นมันวาวจะดูดกลืนความร้อนได้น้อย เพราะพื้นผิวที่เรียบเป็นมันสามารถสะท้อนแสงได้ดี

การใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนและคายความร้อน
เครื่องทำความร้อนด้วยระบบไหลเวียนของน้ำที่ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Solar water heaters)

สมดุลความร้อน
การถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุหนึ่งไปสู่อีกวัตถุหนึ่ง วัตถุที่ร้อนจะเย็นลง เนื่องจากอนุภาคสูญเสียพลังงาน และวัตถุที่เย็นจะร้อนขึ้น เนื่องจากอนุภาคได้รับพลังงานเพิ่มจนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันแล้วจะหยุดการถ่ายโอนความร้อน เรียกว่า วัตถุทั้งสองชนิดอยู่ในภาวะสมดุลความร้อน (thermal equilibrium)
เราสามารถนำความรู้เรื่องสมดุลความร้อนไปใช้ในชีวิตประจำวันได้ เช่น การผสมน้ำร้อนและน้ำเย็นอาบในวันที่อากาศหนาว การแช่ขวดนมที่ร้อนในน้ำเย็นทำให้นมมีอุณหภูมิต่ำลง และการนำไข่ต้มไปแช่ในน้ำเย็น จะทำให้ไข่เย็นเร็วขึ้น

ผลของ พลังงานความร้อน
การเปลี่ยนแปลงสถานะและอุณหภูมิ
วัตถุต่าง ๆ สามารถเปลี่ยนแปลงจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งได้ด้วยความร้อนและความเย็น เช่น ไอศกรีมละลาย ณ อุณหภูมิห้อง ต้มน้ำเดือดจนกลายเป็นไอ น้ำกลั่นตัวเป็นหยดน้ำเกาะอยู่ที่ข้างแก้ว เทียนไขที่จุดแล้วไส้เทียนไขจะลุกไหม้ ทำให้ตัวเทียนไขละลายเป็นน้ำตาเทียมและแข็งตัวเมื่อไหลลงสู่พื้น

การขยายตัวและการหดตัว
กรณีของแข็ง
เมื่อของแข็งได้รับความร้อน อนุภาคของของแข็งจะเกิดการสั่นอย่างรวดเร็วและมากขึ้นตามลำดับ อุณหภูมิของของแข็งจึงเพิ่มขึ้น พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะช่วยสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค เกิดเป็นอนุภาคอิสระเคลื่อนที่รอบ ๆ อนุภาคอื่น ๆ ทำให้ของแข็งหลอมละลายกลายเป็นของเหลว เราเรียกอุณหภูมิที่ทำให้ของแข็งหลอมเหลวนี้ว่า จุดหลอมเหลว (melting point)

เมื่อของเหลวเย็นตัวลง พลังงานของอนุภาคของของเหลวหายไป อนุภาคจะเคลื่อนที่ช้าลงและเข้าใกล้กับอนุภาคอื่น ๆ อุณหภูมิของของเหลวลดลง และเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงจุดเยือกแข็ง จะเริ่มมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของของเหลว และอนุภาคจะเริ่มสั่นพร้อมกับเรียงตัว ณ จุดคงที่จุดหนึ่ง ทำให้ของเหลวแข็งตัวก่อรูปเป็นของแข็ง เราเรียกอุณหภูมิ ณ จุดที่ของเหลวก่อรูปเป็นของแข็งนี้ว่า จุดเยือกแข็ง (freezing point)
เมื่อให้ความร้อนกับของเหลว ของเหลวจะขยายตัว และจะขยายตัวได้มากกว่าของแข็ง โดยเมื่อของเหลวได้รับความร้อน อนุภาคของของเหลวจะได้รับพลังงานมากขึ้นและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว อนุภาคต่าง ๆ จะเคลื่อนที่ชนกัน มีพลังงานมากขึ้น และเคลื่อนที่ไปคนละทิศละทาง เมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มสูงขึ้นจนถึงจุดที่ทำให้เดือด พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะช่วยสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคจึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ทำให้ของเหลวเดือดกลายเป็นไอน้ำ เราเรียกอุณหภูมิที่จุดนี้ว่า จุดเดือด (boiling point)

เมื่อไอน้ำเย็นตัวลง พลังงานของอนุภาคของไอน้ำจะหายไป อนุภาคจะเคลื่อนที่ช้าลง และเข้าใกล้อนุภาคอื่น ๆ อุณหภูมิของไอน้ำลดลง และเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงจุดที่ทำให้เกิดการควบแน่น จะเริ่มมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคจะหยุดการเคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่จะเริ่มเคลื่อนที่รอบอนุภาคอื่น ๆ ทำให้ไอน้ำก่อตัวแน่นขึ้นกลายเป็นของเหลว เราเรียกอุณหภูมิที่จุดนี้ว่า จุดควบแน่น (condensation point)
ของเหลวต่างชนิดกันจะมีปริมาณการขยายตัวแตกต่างกัน ณ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเท่า ๆ กัน โดยอีเทอร์ขยายตัวได้มากที่สุด รองลงมา ได้แก่ เบนซิน แอลกอฮอล์ และน้ำ ตามลำดับ
นอกจากนี้ของเหลวยังสามารถหดตัวได้ เมื่อนำหลอดทดลองแช่อยู่ในบีกเกอร์ที่บรรจุน้ำแข็งระยะเวลาหนึ่ง ระดับน้ำในหลอดนำแก๊สจะลดลง เนื่องจากน้ำเมื่อได้รับความเย็นจะหดตัวนั่นเอง

กรณีของแก๊ส
แก๊สเมื่อได้รับความร้อน อนุภาคของแก๊สจะมีพลังงานเพิ่มขึ้นและเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้ระยะห่างระหว่างอนุภาคมากขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะมากขึ้นด้วย
ลูกโป่งหรือลูกบอลลูนที่บรรจุแก๊สจะลอยขึ้นหรือตกลงมาก็เนื่องมาจากความหนาแน่นของแก๊สที่บรรจุอยู่ภายใน แล้วอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้ความหนาแน่นของอากาศในลูกโป่งหรือลูกบอลลูนเปลี่ยนแปลงไป ถ้าความหนาแน่นของอากาศในลูกโป่งลดลง อากาศที่บรรจุนั้นควรจะร้อนหรือเย็น