ความร้อน (ฟิสิกส์): ความหมาย สูตร & ตัวอย่าง

ทุกคนคุ้นเคยกับแนวคิดที่ว่าร้อนเกินไปหรือหนาวเกินไปหรือรู้สึกร้อนจากแสงแดดในวันที่อากาศอบอุ่น แต่คำว่า "ความร้อน" หมายถึงอะไร มันเป็นคุณสมบัติของบางสิ่งที่ "ร้อน" หรือไม่? มันเหมือนกับอุณหภูมิหรือไม่? ปรากฎว่าความร้อนเป็นปริมาณที่วัดได้ซึ่งนักฟิสิกส์กำหนดไว้อย่างแม่นยำ

ความร้อนคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่ารูปแบบของพลังงานที่ถ่ายเทระหว่างวัสดุสองชนิดที่มีอุณหภูมิต่างกัน การถ่ายโอนพลังงานนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในวัสดุทั้งสอง ความร้อนจะไหลจากวัสดุที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นไปยังวัสดุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจนกระทั่งถึงสมดุลทางความร้อน หน่วยความร้อน SI คือจูล โดยที่ 1 จูล = 1 นิวตัน × เมตร

เพื่อให้เข้าใจดีขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีการถ่ายเทพลังงานนี้ ให้ลองนึกภาพสถานการณ์ต่อไปนี้: ภาชนะสองใบที่บรรจุลูกบอลยางเล็กๆ ที่กระเด้งไปมารอบๆ ในตู้คอนเทนเนอร์แห่งหนึ่ง ความเร็วเฉลี่ยของลูกบอล (และด้วยเหตุนี้พลังงานจลน์เฉลี่ยของลูกบอล) จึงมากกว่าความเร็วเฉลี่ยของลูกบอลในวินาที ตู้คอนเทนเนอร์ (แม้ว่าความเร็วของลูกบอลแต่ละลูกอาจเป็นอะไรก็ได้ในเวลาใดก็ได้เนื่องจากการชนกันจำนวนมากทำให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานอย่างต่อเนื่องระหว่าง ลูก.)

หากคุณวางภาชนะเหล่านี้โดยให้ด้านของภาชนะสัมผัสกัน จากนั้นจึงนำผนังที่แยกสิ่งของออกจากกัน คุณคาดว่าจะเกิดอะไรขึ้น

ลูกบอลจากภาชนะแรกจะเริ่มโต้ตอบกับลูกบอลจากภาชนะที่สอง เมื่อลูกบอลเกิดการชนกันมากขึ้นเรื่อยๆ ความเร็วเฉลี่ยของลูกบอลจากคอนเทนเนอร์ทั้งสองจะค่อยๆ เท่ากัน พลังงานบางส่วนจากลูกบอลจากภาชนะแรกจะถูกถ่ายโอนไปยังลูกบอลในภาชนะที่สองจนกว่าจะถึงสมดุลใหม่นี้

นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับจุลภาคโดยพื้นฐานแล้วเมื่อวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกัน พลังงานจากวัตถุที่อุณหภูมิสูงกว่าจะถูกถ่ายโอนในรูปของความร้อนไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า

อุณหภูมิคือการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในสาร ในการเปรียบเทียบลูกบอลในภาชนะ มันคือการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อลูกบอลในภาชนะที่กำหนด ในระดับโมเลกุล อะตอมและโมเลกุลทั้งหมดสั่นสะเทือนและกระตุกไปรอบๆ คุณไม่เห็นการเคลื่อนไหวนี้เพราะมันเกิดขึ้นในระดับเล็ก ๆ

มาตราส่วนอุณหภูมิทั่วไปคือฟาเรนไฮต์ เซลเซียส และเคลวิน โดยเคลวินเป็นมาตรฐานทางวิทยาศาสตร์ มาตราส่วนฟาเรนไฮต์เป็นเรื่องธรรมดาที่สุดในสหรัฐอเมริกา ในระดับนี้ น้ำจะเยือกแข็งที่ 32 องศาและเดือดที่ 212 องศา ในระดับเซลเซียส ซึ่งพบได้ทั่วไปในสถานที่อื่นๆ ส่วนใหญ่ในโลก น้ำจะแข็งตัวที่ 0 องศาและเดือดที่ 100 องศา

อย่างไรก็ตาม มาตรฐานทางวิทยาศาสตร์คือมาตราส่วนเคลวิน แม้ว่าขนาดที่เพิ่มขึ้นในระดับเคลวินจะเท่ากับขนาดขององศาในสเกลเซลเซียส ค่า 0 จะถูกตั้งค่าไว้ที่อื่น 0 เคลวิน เท่ากับ -273.15 องศาเซลเซียส

ทำไมตัวเลือกแปลก ๆ สำหรับ 0? ปรากฎว่านี่เป็นทางเลือกที่แปลกน้อยกว่าค่าศูนย์ของสเกลเซลเซียส 0 เคลวินคืออุณหภูมิที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมดหยุดลง เป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุดในทางทฤษฎี

ในแง่นี้ มาตราส่วนเคลวินเหมาะสมกว่ามาตราส่วนเซลเซียสมาก ลองนึกถึงวิธีการวัดระยะทาง เช่น คงจะแปลกที่จะสร้างมาตราส่วนระยะทางโดยที่ค่า 0 เท่ากับเครื่องหมาย 1 ม. ในระดับดังกล่าว บางสิ่งบางอย่างที่มีความยาวเป็นสองเท่าของสิ่งอื่นหมายความว่าอย่างไร

พลังงานภายในทั้งหมดของสารคือพลังงานจลน์ของโมเลกุลทั้งหมด ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสาร (พลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล) และปริมาณรวมของสาร (จำนวนโมเลกุล)

เป็นไปได้ที่วัตถุสองชิ้นจะมีพลังงานภายในเท่ากันในขณะที่อุณหภูมิต่างกันโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น วัตถุที่เย็นกว่าจะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลต่ำกว่า แต่ถ้าจำนวน โมเลกุลมีขนาดใหญ่ แต่ก็ยังสามารถจบลงด้วยพลังงานภายในทั้งหมดเท่าเดิมของวัตถุที่อุ่นกว่าโดยมีน้อยกว่า with โมเลกุล

ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจของความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานภายในทั้งหมดกับอุณหภูมินี้คือความจริงที่ว่า ก้อนน้ำแข็งสามารถจบลงด้วยพลังงานมากกว่าหัวไม้ขีดไฟแม้ว่าหัวไม้ขีดจะร้อนมากก็ตาม ไฟ!

มีสามวิธีหลักที่พลังงานความร้อนถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง คือการนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี

​การนำเกิดขึ้นเมื่อพลังงานถ่ายเทโดยตรงระหว่างวัสดุสองชนิดที่สัมผัสกันทางความร้อนซึ่งกันและกัน นี่คือประเภทของการถ่ายโอนที่เกิดขึ้นในการเปรียบเทียบลูกยางที่อธิบายไว้ก่อนหน้าในบทความนี้ เมื่อวัตถุสองชิ้นสัมผัสกันโดยตรง พลังงานจะถูกถ่ายโอนผ่านการชนกันระหว่างโมเลกุลของพวกมัน พลังงานนี้จะค่อยๆ เคลื่อนตัวจากจุดที่สัมผัสไปยังส่วนที่เหลือของวัตถุที่เย็นกว่าในตอนแรกจนกว่าจะถึงจุดสมดุลทางความร้อน

อย่างไรก็ตาม วัตถุหรือสารบางชนิดไม่นำพลังงานในลักษณะนี้ได้ดีเท่ากัน วัสดุบางชนิดที่เรียกว่าตัวนำความร้อนที่ดี สามารถถ่ายเทพลังงานความร้อนได้ง่ายกว่าวัสดุอื่นๆ ที่เรียกว่าฉนวนความร้อนที่ดี

คุณคงเคยมีประสบการณ์กับตัวนำไฟฟ้าและฉนวนดังกล่าวในชีวิตประจำวันของคุณ ในเช้าวันที่หนาวเหน็บ การเหยียบเท้าเปล่าบนพื้นกระเบื้องเป็นอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับการเหยียบเท้าเปล่าบนพรม ดูเหมือนว่าพรมจะอุ่นขึ้น แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น ทั้งสองชั้นมีอุณหภูมิเท่ากัน แต่กระเบื้องเป็นตัวนำความร้อนได้ดีกว่ามาก ด้วยเหตุนี้จึงทำให้พลังงานความร้อนออกจากร่างกายเร็วขึ้นมาก

​การพาความร้อนเป็นรูปแบบการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นในก๊าซหรือของเหลว ก๊าซและของเหลวในระดับที่น้อยกว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นตามอุณหภูมิ โดยปกติยิ่งร้อนมากเท่าไรก็ยิ่งหนาแน่นน้อยลงเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ และเนื่องจากโมเลกุลในก๊าซและของเหลวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ หากส่วนล่างอุ่นขึ้น มันจะขยายตัวและสูงขึ้นไปด้านบนเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำกว่า

หากคุณวางกระทะใส่น้ำไว้บนเตา เช่น น้ำที่ด้านล่างของกระทะจะอุ่นขึ้น ขยายตัวและสูงขึ้นไปด้านบนเมื่อน้ำเย็นลง จากนั้นน้ำเย็นจะอุ่น ขยายตัว และเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทำให้เกิดกระแสหมุนเวียนที่ทำให้พลังงานความร้อนกระจายไปทั่วระบบโดยการผสม ของโมเลกุลภายในระบบ (ต่างจากโมเลกุลทั้งหมดจะอยู่ในที่เดียวกับที่พวกมันกระตุกไปมา กระเด้งเข้าหากัน อื่นๆ)

การพาความร้อนเป็นสาเหตุที่ทำให้เครื่องทำความร้อนทำงานได้ดีที่สุดในการอุ่นบ้านหากวางไว้ใกล้พื้น เครื่องทำความร้อนที่วางอยู่ใกล้เพดานจะทำให้อากาศอุ่นขึ้นใกล้เพดาน แต่อากาศนั้นก็จะคงอยู่

รูปแบบที่สามของการถ่ายเทความร้อนคือรังสี. การแผ่รังสีคือการถ่ายเทพลังงานผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า วัตถุที่อบอุ่นสามารถให้พลังงานในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือวิธีที่พลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์มาถึงโลกเป็นต้น เมื่อรังสีนั้นสัมผัสกับวัตถุอื่น อะตอมในวัตถุนั้นจะได้รับพลังงานจากการดูดซับ

วัสดุสองชนิดที่มีมวลเท่ากันจะได้รับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ต่างกัน แม้ว่าจะมีการเพิ่มพลังงานทั้งหมดเท่ากันเนื่องจากความแตกต่างของปริมาณที่เรียกว่าความจุความร้อนจำเพาะ. ความจุความร้อนจำเพาะขึ้นอยู่กับวัสดุที่เป็นปัญหา โดยทั่วไป คุณจะค้นหาค่าความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุในตาราง

อย่างเป็นทางการมากขึ้นความจุความร้อนจำเพาะถูกกำหนดให้เป็นปริมาณของพลังงานความร้อนที่ต้องเพิ่มต่อหน่วยมวลเพื่อเพิ่มอุณหภูมิโดยองศาเซลเซียส หน่วย SI สำหรับความจุความร้อนจำเพาะ มักเขียนแทนด้วยคคือ J/kgK

ลองคิดแบบนี้: สมมติว่าคุณมีสารสองชนิดที่มีน้ำหนักเท่ากันทุกประการและมีอุณหภูมิเท่ากันทุกประการ สารแรกมีความจุความร้อนจำเพาะสูงและสารที่สองมีความจุความร้อนจำเพาะต่ำ ตอนนี้ สมมติว่าคุณเพิ่มพลังงานความร้อนในปริมาณเท่ากันทุกประการกับทั้งสองอย่าง สารแรก – สารที่มีความจุความร้อนสูงกว่า – จะไม่เพิ่มอุณหภูมิมากเท่ากับสารที่สอง

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่ออุณหภูมิของสารที่จะเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการถ่ายเทพลังงานความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังสารนั้น ปัจจัยเหล่านี้รวมถึงมวลของวัสดุ (มวลที่น้อยกว่าจะได้รับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มากขึ้นสำหรับปริมาณความร้อนที่เพิ่มขึ้นที่กำหนด) และความจุความร้อนจำเพาะค​.

หากมีแหล่งความร้อนจ่ายพลังงานพี, จากนั้นความร้อนทั้งหมดที่เพิ่มขึ้นจะขึ้นอยู่กับ dependsพีและเวลาt. นั่นคือพลังงานความร้อนคิวจะเท่ากับพี​ × ​t​.

อัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่น่าสนใจที่ควรพิจารณา วัตถุเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในอัตราคงที่หรือไม่? ปรากฎว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัตถุกับสภาพแวดล้อม กฎการระบายความร้อนของนิวตันอธิบายการเปลี่ยนแปลงนี้ ยิ่งวัตถุอยู่ใกล้อุณหภูมิโดยรอบมากเท่าไร วัตถุก็จะยิ่งเข้าใกล้สมดุลช้าลงเท่านั้น

สูตรที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิกับมวลของวัตถุ ความจุความร้อนจำเพาะ และพลังงานความร้อนที่เพิ่มหรือนำออกมีดังนี้

สูตรนี้ใช้ได้เฉพาะในกรณีที่สารไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงเฟส เมื่อสารเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลวหรือเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซ ความร้อนที่เติมเข้าไปจะถูกใส่ เพื่อใช้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสนี้และจะไม่ส่งผลให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปจนกว่าเฟสจะเปลี่ยนเป็น เสร็จสมบูรณ์

ปริมาณที่เรียกว่าความร้อนแฝงของการหลอมเหลว แสดงว่าหลี่_ฉอธิบายว่าต้องใช้พลังงานความร้อนต่อหน่วยมวลเท่าใดในการเปลี่ยนสารจากของแข็งเป็นของเหลว เช่นเดียวกับความจุความร้อนจำเพาะ ค่าของมันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุที่เป็นปัญหาและมักจะค้นหาในตาราง สมการที่เกี่ยวข้องกับพลังงานความร้อนคิวต่อมวลของวัสดุมและความร้อนแฝงของการหลอมรวมคือ:

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นเมื่อเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซ ในสถานการณ์เช่นนี้ ปริมาณที่เรียกว่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ แสดงว่าหลี่_วีอธิบายว่าต้องเติมพลังงานต่อหน่วยมวลเท่าใดจึงจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟส สมการที่ได้จะเหมือนกันยกเว้นตัวห้อย:

กำลังภายในอีคือพลังงานจลน์ภายในทั้งหมดหรือพลังงานความร้อนในวัสดุ สมมติว่าก๊าซในอุดมคติซึ่งพลังงานศักย์ใด ๆ ระหว่างโมเลกุลมีเพียงเล็กน้อย ถูกกำหนดโดยสูตร:

ที่ไหนนคือจำนวนโมลตู่คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวินและค่าคงที่แก๊สสากล universalR= 8.3145 J/molK. พลังงานภายในกลายเป็น 0 J ที่ 0 K สัมบูรณ์

ในอุณหพลศาสตร์ ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน การถ่ายเทความร้อน และงานที่ทำในหรือโดยระบบมีความสัมพันธ์กันโดยผ่าน:

ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ โดยพื้นฐานแล้วมันคือคำแถลงการอนุรักษ์พลังงาน