การพาความร้อน: มันคืออะไรและทำงานอย่างไร?

ความร้อนในระดับพื้นฐานที่สุดคือพลังงานจลน์ของอะตอมและโมเลกุล การพาความร้อนส่งผลต่อทุกอย่างตั้งแต่ความร้อนในบ้านไปจนถึงกระบวนการถ่ายเทความร้อนภายในดวงอาทิตย์

ในขณะที่ของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สถูกทำให้ร้อน อะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบรวมด้วยจะสั่นสะเทือนมากขึ้นเรื่อยๆ การสั่นสะเทือนที่เพิ่มขึ้นเหล่านี้ต้องการปริมาตรเพิ่มขึ้นสำหรับแต่ละอะตอม/โมเลกุล

ในก๊าซ สิ่งนี้ไม่ได้แสดงเป็น "การสั่นสะเทือน" แต่แสดงเป็นความเร็วที่เพิ่มขึ้นสำหรับอนุภาค ดังนั้นจึงเพิ่มแรงกดดันต่อถังบรรจุก๊าซ ด้วยเหตุนี้วัสดุส่วนใหญ่ ขยาย ขณะที่พวกเขาถูกทำให้ร้อนขึ้น สิ่งนี้เกิดขึ้นในระดับสูงสุดในก๊าซ แต่ในระดับที่น้อยกว่าในของเหลวและของแข็งเช่นกัน

เมื่อบางสิ่งขยายตัว มันก็จะหนาแน่นน้อยลง มีอนุภาคน้อยกว่า ดังนั้นจึงมีมวลต่อหน่วยปริมาตรน้อยกว่าที่เคยมีมา แต่ในของเหลวและก๊าซ (ของเหลว) บริเวณที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าจะลอยขึ้นและลอยอยู่เหนือบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงกว่าเนื่องจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง แนวคิดทั้งสองนี้ ความร้อนทำให้ความหนาแน่นลดลง และของไหลขึ้นลงตามความหนาแน่น รวมกันเพื่อสร้าง ปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อน ของการพาความร้อน

การพาความร้อนเป็นวิธีการถ่ายโอนพลังงานความร้อนที่การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นผ่านการเคลื่อนที่ของของไหล การเคลื่อนที่ของของไหลนี้เกิดจากความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างบริเวณที่ร้อนกว่าของของเหลวและบริเวณที่เย็นกว่า การเคลื่อนไหวเหล่านี้เรียกว่า กระแสพาและการหมุนเวียนของของไหลจะดำเนินต่อไปตราบเท่าที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภูมิภาค

ความแตกต่างของอุณหภูมินี้จะรุนแรงเป็นพิเศษเมื่อมีแหล่งความร้อนที่ด้านหนึ่งของของเหลว เช่น เครื่องทำความร้อนใกล้พื้นห้อง ลมอุ่นที่ด้านล่างจะเคลื่อนขึ้นด้านบนอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่อากาศเย็นจะเคลื่อนลงด้านล่างเพื่อให้ความร้อนและจากนั้นจะเคลื่อนขึ้นด้านบนด้วย การเคลื่อนที่ของอากาศทำให้เกิดกระแสเป็นวงกลมซึ่งจะดำเนินต่อไปเว้นแต่อากาศจะมีอุณหภูมิสมดุล น้ำหนึ่งแก้วที่อุณหภูมิห้องโดยทั่วไปจะไม่มีกระแสหมุนเวียน ในขณะที่น้ำหนึ่งแก้วที่มีน้ำแข็งอยู่ภายในจะมีกระแสหมุนเวียน

การพาความร้อนมักถูกอธิบายว่าเป็นการรวมกันของสองกระบวนการทางกายภาพ: การพาความร้อนและการแพร่ Advection คือ การขนส่งสสารโดยการเคลื่อนที่แบบเทกอง เช่น การเคลื่อนตัวของตะกอนก้นแม่น้ำโดยการไหลของแม่น้ำ การแพร่กระจาย คือ การขนส่งสสารโดยการเคลื่อนที่ของอนุภาคจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ เช่น การเคลื่อนที่ของอนุภาคสีย้อมที่กระจายผ่านแก้วน้ำ

ในขณะที่การพาความร้อนทำให้สสารที่ร้อนสูงขึ้นและวัตถุที่เย็นลงก็ลดระดับลง การพาความร้อนจะทำเช่นนั้นโดยการย้ายมวลสาร (การเคลื่อนตัว) และในลักษณะอนุภาค (การแพร่กระจาย)

การพาความร้อนตามคำนิยามไม่สามารถเกิดขึ้นในของแข็งได้เนื่องจากไม่สามารถสร้างการไหลของของไหลในสสารที่เป็นของแข็งได้ (อนุภาคไม่สามารถเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน แต่สามารถสั่นสะเทือนได้เท่านั้น) การถ่ายเทความร้อนในของแข็งเกิดขึ้นแทนโดยการนำ หรือการถ่ายโอนพลังงานการสั่นสะเทือนจากอะตอมหรือโมเลกุลหนึ่งตัวในผลึกที่เป็นของแข็งไปยังเพื่อนบ้าน มีข้อยกเว้นบางประการในของแข็งอ่อนซึ่งอนุภาคสามารถเคลื่อนที่ผ่านกันและกันได้

การคำนึงถึงการพาความร้อนจะช่วยให้บ้านของคุณร้อนหรือเย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เนื่องจากลมร้อนมีแนวโน้มที่จะสูงขึ้น และลมเย็นมักจะจมลง การวางเครื่องทำความร้อนให้ชิดพื้นและเครื่องปรับอากาศสูงขึ้นจะช่วยให้

พัดลมเพดาน สามารถทำงานได้ทั้งสองทิศทาง: เป่าลมจากด้านบน หรือเป่าลมจากด้านล่าง การเป่าลมมักจะมีประโยชน์ในฤดูร้อน ดังนั้นคุณจึงรู้สึกว่าลมที่พัดพามาทำให้ผิวหนังเย็นลง การดึงลมขึ้นจะเป็นประโยชน์ในฤดูหนาว เพราะช่วยดันลมร้อนที่อยู่สูงลงมาและออกไปทางผนัง โดยไม่เป่าลมใส่ตัวคุณโดยตรง

เมื่อน้ำเย็นลง น้ำจะหดตัวและมีความหนาแน่นมากขึ้นเหมือนกับสารอื่นๆ ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิเย็นลงเหลือประมาณ 4 องศาเซลเซียส จริงๆ แล้วจะเริ่มขยายตัวเล็กน้อย น้ำมีลักษณะเฉพาะตรงที่รูปร่างของแข็ง น้ำแข็ง มีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว ดังนั้น แม้ว่าโดยทั่วไปจะมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเย็นลง แต่ ณ จุดหนึ่ง แนวโน้มนี้กลับด้าน และเริ่มขยายตัวจนถึงจุดเยือกแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส สิ่งนี้มีผลต่อการพาความร้อนในทะเลสาบเยือกแข็ง

เมื่อน้ำในทะเลสาบเย็นตัวลง ก็จะจมลงเมื่อน้ำอุ่นขึ้นแต่จนกว่าทั้งทะเลสาบจะมีอุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ณ จุดนี้การพาความร้อนกลับ: น้ำที่เย็นกว่า 4 องศาเซลเซียสมีความหนาแน่นน้อยกว่า น้ำอุ่นหมายถึงส่วนบนของทะเลสาบจะเย็นกว่าด้านล่างและน้ำแข็ง แบบฟอร์ม นี่คือสาเหตุที่ทะเลสาบกลายเป็นน้ำแข็งที่ด้านบนก่อน

ดวงอาทิตย์ (เช่นเดียวกับดาวฤกษ์ส่วนใหญ่) ผ่านการพาความร้อนภายในด้วยพลาสมาที่ร้อนกว่าและพลาสมาที่เย็นกว่า ภายในเขตพาความร้อนของดวงอาทิตย์ซึ่งทอดตัวเข้าด้านในจากพื้นผิวด้านนอก พลังงานความร้อนจะถูกส่งจากภายในดวงอาทิตย์ที่ร้อนไปยังบริเวณด้านนอกที่เย็นกว่าด้วยกระแสพาความร้อน

สิ่งนี้สร้าง "เซลล์พา," ซึ่งเป็นรอยด่างที่มืดและสว่างที่คุณเห็นบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ จุดไฟเป็นเซลล์พาความร้อนของพลาสมาที่เพิ่งเพิ่มขึ้นจากภายใน จุดด่างดำเป็นเซลล์พาของพลาสม่าที่เย็นลงและจะค่อยๆ ถอยกลับผ่านโซนพาความร้อน

จุดมืดและสว่างเหล่านี้บางครั้งเรียกว่าเม็ดสุริยะ พวกมันมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 1,000 กม. (ประมาณความยาวของรัฐแคลิฟอร์เนีย) และอยู่ที่พื้นผิวประมาณแปดถึง 20 นาทีเท่านั้น พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีประมาณสี่ล้านเม็ด ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง!

การพาความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตุนิยมวิทยาหรือการศึกษาสภาพอากาศ การไหลของอากาศที่อบอุ่นและเย็นผ่านชั้นบรรยากาศคือสิ่งที่สร้างรูปทรงต่างๆ ของเมฆ ตลอดจนพายุฝนฟ้าคะนอง พายุทอร์นาโด และสภาพอากาศ

บาง เตาอบ สามารถอบได้โดยการพาความร้อน เตาอบพาความร้อนใช้พัดลมและระบบระบายอากาศที่หมุนเวียนอากาศภายในเตาอบขณะอบ โดยเป่าลมร้อนผ่านอาหารโดยตรง วิธีนี้ช่วยให้อาหารปรุงได้เร็วและสม่ำเสมอมากกว่าที่จะวางไว้ใกล้กับองค์ประกอบความร้อนของเตาอบ นอกจากนี้ยังทำให้ภายในของเตาอบแห้งและมีความชื้นน้อยลง ซึ่งเหมาะสำหรับอาหารที่มีสีน้ำตาล

สนามแม่เหล็กของโลกเกิดจากกระแสพาความร้อนในแกนนอก ที่ศูนย์กลางของโลกมีแกนชั้นในที่เป็นของแข็ง ล้อมรอบด้วยแกนนอกที่เป็นของเหลวซึ่งประกอบด้วยเหล็กและนิกเกิลเป็นส่วนใหญ่ โลหะทั้งสองนี้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี กระแสพาในชั้นของเหลวนี้สร้างกระแสไฟฟ้าภายในโลหะเหลว ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็ก ผลรวมของสนามแม่เหล็กเหล่านี้คือสนามแม่เหล็กของโลก ซึ่งชี้วงเวียนทั้งหมดไปที่ขั้วโลกเหนือและปกป้องโลกจากรังสีคอสมิก