การนำความร้อน: ความหมาย หน่วย สมการและตัวอย่าง

เมื่อคุณเดินบนพรมในวันที่อากาศหนาว เท้าของคุณจะไม่รู้สึกหนาว อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณเหยียบพื้นกระเบื้องในห้องน้ำ เท้าของคุณจะรู้สึกเย็นทันที ทั้งสองชั้นมีอุณหภูมิแตกต่างกันอย่างไร?

คุณคงคาดไม่ถึงอย่างแน่นอน เมื่อพิจารณาจากสิ่งที่คุณรู้เกี่ยวกับสมดุลทางความร้อน ทำไมพวกเขาถึงรู้สึกแตกต่างกันมาก? เหตุผลเกี่ยวข้องกับการนำความร้อน

ความร้อนคือพลังงานที่ถ่ายเทระหว่างวัสดุสองชนิดเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ความร้อนจะไหลจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจนกระทั่งได้สมดุลทางความร้อน วิธีการถ่ายเทความร้อน ได้แก่ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี

ความร้อนการนำเป็นโหมดที่กล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในบทความนี้ แต่สั้น ๆ เป็นการถ่ายเทความร้อนผ่านการสัมผัสโดยตรง โดยพื้นฐานแล้ว โมเลกุลในวัตถุที่อุ่นกว่าจะถ่ายเทพลังงานของพวกมันไปยังโมเลกุลในวัตถุที่เย็นกว่าผ่านการชนกันจนกว่าวัตถุทั้งสองจะมีอุณหภูมิเท่ากัน

ในการพาความร้อน, ความร้อนถูกถ่ายเทโดยการเคลื่อนที่ ลองนึกภาพอากาศในบ้านของคุณในวันที่อากาศหนาวเย็น คุณสังเกตไหมว่าเครื่องทำความร้อนส่วนใหญ่มักจะตั้งอยู่ใกล้กับพื้น? เมื่อเครื่องทำความร้อนอุ่นอากาศ อากาศนั้นก็จะขยายตัว เมื่อมันขยายตัว มันจะมีความหนาแน่นน้อยลง และมันก็ลอยขึ้นเหนืออากาศที่เย็นกว่า อากาศที่เย็นกว่าจะอยู่ใกล้เครื่องทำความร้อน เพื่อให้อากาศอุ่น ขยายตัว และอื่นๆ วัฏจักรนี้สร้างกระแสการพาความร้อนและทำให้พลังงานความร้อนกระจายตัวผ่านอากาศในห้องโดยการผสมอากาศในขณะที่ได้รับความร้อน

อะตอมและโมเลกุลปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารังสีซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศของอวกาศได้ นี่คือวิธีที่พลังงานความร้อนจากไฟอุ่นมาถึงคุณ และวิธีที่พลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ส่งมายังโลก

ค่าการนำความร้อนคือการวัดว่าพลังงานความร้อนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใด หรือวัสดุนั้นสามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีเพียงใด การนำความร้อนจะเกิดขึ้นได้ดีเพียงใดนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุ

พิจารณาพื้นกระเบื้องในตัวอย่างในตอนเริ่มต้น มันเป็นตัวนำที่ดีกว่าพรม บอกได้ด้วยความรู้สึก เมื่อเท้าของคุณอยู่บนพื้นกระเบื้อง ความร้อนจะทำให้คุณเร็วกว่าเมื่อคุณอยู่บนพรม เนื่องจากกระเบื้องช่วยให้ความร้อนจากเท้าของคุณเคลื่อนผ่านได้เร็วกว่ามาก

เช่นเดียวกับความจุความร้อนจำเพาะและความร้อนแฝง การนำไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุที่อยู่ในมือ มันเขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก κ (คัปปา) และมักจะมองขึ้นไปในตาราง หน่วยการนำไฟฟ้า SI คือ วัตต์/เมตร × เคลวิน (W/mK)

วัตถุที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะเป็นตัวนำที่ดี ในขณะที่วัตถุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำจะเป็นฉนวนที่ดี ตารางค่าการนำความร้อนแสดงไว้ที่นี่

อย่างที่คุณเห็น วัตถุที่มักจะรู้สึก "เย็น" เมื่อสัมผัส เช่น โลหะ เป็นตัวนำที่ดี สังเกตด้วยว่าอากาศที่เป็นฉนวนความร้อนนั้นดีเพียงใด นี่คือเหตุผลที่เสื้อแจ็คเก็ตขนปุยขนาดใหญ่ช่วยให้คุณอบอุ่นในฤดูหนาว โดยจะกักเก็บอากาศขนาดใหญ่ไว้รอบตัวคุณ โฟมยังเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้อาหารและเครื่องดื่มร้อนหรือเย็น

เมื่อความร้อนกระจายไปทั่ววัสดุ การไล่ระดับอุณหภูมิจะมีขึ้นทั่วทั้งวัสดุจากปลายที่ใกล้กับแหล่งความร้อนที่สุดจนถึงปลายที่ไกลที่สุด

เมื่อความร้อนเคลื่อนผ่านวัสดุและก่อนที่จะถึงจุดสมดุล จุดสิ้นสุดจะอยู่ใกล้ความร้อนมากที่สุด แหล่งจะร้อนที่สุดและอุณหภูมิจะลดลงเป็นเส้นตรงจนถึงระดับต่ำสุดที่ไกล จบ. เมื่อวัสดุเข้าใกล้สมดุล อย่างไรก็ตาม การไล่ระดับสีนี้จะแบนออก

ความร้อนสามารถเคลื่อนที่ได้ดีเพียงใดแม้ว่าวัตถุจะขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าของวัตถุนั้นเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับขนาดและรูปร่างของวัตถุด้วย ลองนึกภาพแท่งโลหะยาวนำความร้อนจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ปริมาณพลังงานความร้อนที่สามารถผ่านไปได้ต่อหน่วยเวลาจะขึ้นอยู่กับความยาวของแท่งและขนาดของแท่ง นี่คือที่มาของแนวคิดเรื่องการนำความร้อน

ค่าการนำความร้อนของวัสดุ เช่น แท่งเหล็ก ถูกกำหนดโดยสูตร:

ที่ไหนอาคือ พื้นที่หน้าตัดของวัสดุหลี่คือความยาวและ κ คือค่าการนำความร้อน หน่วยการนำไฟฟ้า SI คือ W/K (วัตต์ต่อเคลวิน) ซึ่งช่วยให้สามารถตีความ κ เป็นค่าการนำความร้อนของพื้นที่หนึ่งหน่วยต่อความหนาของหน่วย

ในทางกลับกัน ความต้านทานความร้อนได้มาจาก:

นี่เป็นเพียงการผกผันของการนำไฟฟ้า การต่อต้านเป็นตัวชี้วัดว่าพลังงานความร้อนที่ส่งผ่านมีความขัดแย้งมากน้อยเพียงใด ค่าความต้านทานความร้อนถูกกำหนดเป็น 1/κ เช่นเดียวกัน

อัตราพลังงานความร้อนคิวเคลื่อนที่ไปตามความยาวหลี่ของวัสดุเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายคือΔTถูกกำหนดโดยสูตร:

นอกจากนี้ยังสามารถเขียนเป็น:

โปรดทราบว่าสิ่งนี้จะคล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับกระแสไฟฟ้าในการนำไฟฟ้าโดยตรง ในการนำไฟฟ้า กระแสจะเท่ากับแรงดันหารด้วยความต้านทานไฟฟ้า การนำไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้านั้นคล้ายคลึงกับการนำความร้อนและกระแส แรงดันเทียบเคียงกับความต่างของอุณหภูมิ และความต้านทานไฟฟ้าเทียบได้กับความร้อน ความต้านทาน ใช้คณิตศาสตร์เดียวกันทั้งหมด

​ตัวอย่าง:กระท่อมน้ำแข็งครึ่งวงกลมที่ทำจากน้ำแข็งมีรัศมีภายใน 3 ม. และความหนา 0.4 ม. ความร้อนหนีออกจากกระท่อมน้ำแข็งในอัตราที่ขึ้นอยู่กับการนำความร้อนของน้ำแข็ง κ = 1.6 W/mK จะต้องสร้างพลังงานความร้อนอย่างต่อเนื่องภายในกระท่อมน้ำแข็งในอัตราเท่าใดจึงจะรักษาอุณหภูมิภายในกระท่อมน้ำแข็งได้ 5 องศาเซลเซียสเมื่ออยู่ภายนอก -30 C

​สารละลาย:สมการที่ถูกต้องที่จะใช้ในสถานการณ์นี้คือสมการก่อนหน้านี้:

คุณได้รับ κ,ΔTเป็นเพียงความแตกต่างของช่วงอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกกับหลี่คือความหนาของน้ำแข็งอายากกว่าเล็กน้อย การค้นหาอาคุณต้องหาพื้นที่ผิวของซีกโลก นี่จะเป็นครึ่งหนึ่งของพื้นที่ผิวของทรงกลมซึ่งก็คือ4πr​². สำหรับrคุณสามารถเลือกรัศมีเฉลี่ยได้ (รัศมีภายในกระท่อมน้ำแข็ง + ความหนาของน้ำแข็งครึ่งหนึ่ง = 3.2 ม.) ดังนั้นพื้นที่จึงเป็นดังนี้:

เสียบทุกอย่างลงในสมการแล้วให้:

​ใบสมัคร:แผ่นระบายความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ถ่ายเทความร้อนจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังอากาศหรือไปยังของเหลวที่นำพลังงานความร้อนส่วนเกินออกไป คอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่มีแผ่นระบายความร้อนติดอยู่กับ CPU

ฮีตซิงก์ทำจากโลหะซึ่งนำความร้อนออกจากซีพียู จากนั้นพัดลมขนาดเล็กจะหมุนเวียนอากาศไปรอบๆ ฮีตซิงก์ ทำให้พลังงานความร้อนกระจายตัว หากทำถูกต้อง ตัวระบายความร้อนจะช่วยให้ CPU ทำงานในสภาวะคงที่ ฮีตซิงก์ทำงานได้ดีเพียงใดนั้นขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าของโลหะ พื้นที่ผิว ความหนา และการไล่ระดับอุณหภูมิที่สามารถรักษาได้