ฟิสิกส์ความร้อน: ภาพรวม

คุณน่าจะคุ้นเคยกับเทอร์โมมิเตอร์และวัดอุณหภูมิ รู้สึกร้อนและเย็น และต้องต้มน้ำอย่างไร ตอนนี้ถึงเวลาที่จะขยายความเข้าใจโดยสัญชาตญาณของคุณเกี่ยวกับความร้อนและอุณหภูมิ และเรียนรู้ว่านักฟิสิกส์ทำอย่างไร

ในบทนำเกี่ยวกับฟิสิกส์เชิงความร้อนนี้ คุณจะได้เรียนรู้ว่าความร้อนและอุณหภูมิเป็นอย่างไร รวมถึงปรากฏการณ์ฟิสิกส์สาขานี้ด้วย

ฟิสิกส์ความร้อนคือการศึกษาของ ความร้อนและอุณหภูมิ. ความร้อนถูกกำหนดให้เป็นพลังงานที่ถ่ายเทระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกัน – เคลื่อนที่จากวัตถุที่อุ่นกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่า

ความร้อน เป็นพลังงานความร้อนชนิดหนึ่ง พลังงานความร้อนคือพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลภายในวัตถุ ภายในวัตถุใด ๆ โมเลกุลไม่เพียงแค่ยืนนิ่ง แม้ว่าคุณจะมองไม่เห็นการเคลื่อนไหวอย่างเห็นได้ชัด แต่พวกมันทั้งหมดก็กระตุกไปมาและกระเด้งเข้าหากัน

อุณหภูมิ เป็นการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล คุณอาจคุ้นเคยกับการวัดเป็นองศาฟาเรนไฮต์หรือแม้แต่เซลเซียส แต่หน่วย SI ที่นักวิทยาศาสตร์ชอบคือเคลวิน

ยอดรวม กำลังภายใน วัตถุขึ้นอยู่กับมวล อุณหภูมิ และ ความจุความร้อนจำเพาะ. ความจุความร้อนจำเพาะคือการวัดว่าต้องใช้พลังงานความร้อนเท่าใดในการทำให้อุณหภูมิของมวลหน่วยเพิ่มขึ้น 1 องศา วัสดุที่แตกต่างกันมีความจุความร้อนจำเพาะแตกต่างกัน และความจุความร้อนของวัสดุชนิดใดชนิดหนึ่งมักจะถูกค้นหาในตาราง

ความร้อนสามารถถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งได้สามวิธีหลัก เหล่านี้คือ:

• การนำ
• การพาความร้อน
• รังสี

ในการนำไฟฟ้า วัตถุทั้งสองจะสัมผัสกันทางกายภาพ และพลังงานความร้อนจะเคลื่อนที่จากวัตถุที่อุ่นกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าโดยการชนกันโดยตรงระหว่างโมเลกุลในวัตถุ

ในการพาความร้อนจะถูกถ่ายเทโดยกระแสพาความร้อน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อคุณต้มน้ำบนเตา น้ำที่ด้านล่างของกระทะจะอุ่นขึ้นก่อน และเมื่อมันอุ่นขึ้น มันจะขยายตัวและมีความหนาแน่นน้อยลง เนื่องจากความหนาแน่นน้อยกว่าจึงลอยขึ้นไปบนกระทะเมื่อน้ำเย็นลงและอุ่นขึ้น

ในการแผ่รังสี พลังงานความร้อนจะถูกส่งผ่านรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือวิธีที่คุณได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ พลังงานนั้นเดินทางผ่านสุญญากาศของอวกาศในรูปของรังสี จากนั้นทำให้โลกอบอุ่นเมื่อมาถึงเรา

เมื่อพลังงานความร้อนถูกเติมลงในวัสดุ อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น ในบางจุดเรียกว่า การเปลี่ยนเฟส, วัสดุเปลี่ยนเฟส. วัสดุสามารถเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวและจากของเหลวเป็นก๊าซ และแม้กระทั่งจากก๊าซเป็นพลาสมา

อุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสขึ้นอยู่กับตัววัสดุและสภาวะของแรงดัน ศึกษาโดยใช้แผนภาพเฟส

ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการเปลี่ยนเฟสของวัสดุขึ้นอยู่กับความร้อนแฝงของวัสดุนั้น ความร้อนแฝงของการหลอมรวมของวัสดุคือปริมาณพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนมวลหน่วยของสารนั้นจากของแข็งเป็นของเหลว ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของวัสดุคือปริมาณพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซ

ฟิสิกส์เชิงความร้อนนำไปสู่การศึกษาอุณหพลศาสตร์ซึ่งเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่ศึกษาการเปลี่ยนแปลงระบบความร้อนโดยใช้ทฤษฎีจลนศาสตร์และกลศาสตร์สถิติ

มีกฎสามข้อของอุณหพลศาสตร์ที่ควบคุมกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ สิ่งเหล่านี้เรียกว่า กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ และกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ เมื่อคุณเรียนรู้เกี่ยวกับกฎเหล่านี้เป็นครั้งแรก คุณจะได้เรียนรู้วิธีนำไปใช้กับแก๊สในอุดมคติและใช้ประโยชน์จากกฎของแก๊สในอุดมคติ

อุณหพลศาสตร์สามารถช่วยให้คุณเข้าใจว่าเครื่องยนต์ไอน้ำ ตู้เย็น ปั๊มความร้อน และรายการอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันทำงานอย่างไร