สสารซึ่งเป็นส่วนประกอบของวัตถุทางกายภาพทั้งหมด แสดงให้เห็นคุณสมบัติทางความร้อนที่หลากหลายซึ่งมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจโลกรอบตัวเรา คุณสมบัติเหล่านี้ เช่น อุณหภูมิ ความร้อน และการขยายตัวทางความร้อน อยู่ภายใต้หลักการถ่ายโอนพลังงานและกฎฟิสิกส์
อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในสาร ซึ่งมักวัดเป็นองศาเซลเซียส (°C) ฟาเรนไฮต์ (°F) หรือเคลวิน (K) ในทางกลับกัน ความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของการถ่ายโอนพลังงานระหว่างวัตถุหรือระบบสองชิ้นเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ หน่วยความร้อนในระบบหน่วยสากล (SI) คือ จูล (J) ความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน ( \(Q\) ) มวล ( \(m\) ) ความจุความร้อนจำเพาะ ( \(c\) ) และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ( \(\Delta T\) ) อธิบายได้ด้วยสมการ: \(Q = mc\Delta T\) ความจุความร้อนจำเพาะคือการวัดปริมาณพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนอุณหภูมิของสารหนึ่งกิโลกรัมขึ้นหนึ่งองศาเซลเซียส
เมื่อวัสดุได้รับความร้อน วัสดุมักจะขยายตัว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการขยายตัวเนื่องจากความร้อน และสามารถสังเกตได้ในของแข็ง ของเหลว และก๊าซ การขยายตัวทางความร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิส่งผลให้พลังงานจลน์ของอนุภาคเพิ่มขึ้น ส่งผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ออกจากกัน ขอบเขตของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนสามารถอธิบายได้ด้วยสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงเส้น ( \(\alpha\) ) สำหรับของแข็ง ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงของความยาว ( \(\Delta L\) ) ต่อความยาวหน่วย ( \(L\) ) ต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหนึ่งองศา ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) สำหรับของเหลวและก๊าซ การขยายปริมาตรมีความเกี่ยวข้องมากกว่าการขยายตัวเชิงเส้น และอธิบายได้ด้วยสัมประสิทธิ์ ของการขยายตัวเชิงปริมาตร
การเปลี่ยนแปลงเฟสคือการเปลี่ยนแปลงระหว่างเฟสของแข็ง ของเหลว และก๊าซของสาร และเกี่ยวข้องกับการดูดซับหรือการปลดปล่อยพลังงานโดยไม่เปลี่ยนอุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงเฟสประเภทหลัก ได้แก่ การหลอม การแช่แข็ง การกลายเป็นไอ การควบแน่น การระเหิด และการสะสม ความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนเฟสเรียกว่าความร้อนแฝง ตัวอย่างเช่น พลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนน้ำแข็ง 1 กิโลกรัมเป็นน้ำโดยไม่เปลี่ยนอุณหภูมิเรียกว่าความร้อนแฝงของการหลอมรวม ( \(L f\) ) ในขณะที่พลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนน้ำ 1 กิโลกรัมเป็นไอน้ำโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเรียกว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) สำหรับการหลอมหรือการแช่แข็ง \(Q = mL_v\) สำหรับการกลายเป็นไอหรือการควบแน่น
พลังงานความร้อนสามารถถ่ายโอนผ่านสสารได้โดยการนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนระหว่างสารที่สัมผัสกันโดยตรง ค่าการนำความร้อน ( \(k\) ) ของวัสดุเป็นตัววัดความสามารถในการนำความร้อน กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการถ่ายเทความร้อน ( \(Q/t\) ) การนำความร้อน ( \(k\) ) พื้นที่ ( \(A\) ) การไล่ระดับอุณหภูมิ ( \(\Delta T/L\) ) และความหนาของวัสดุ ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของของเหลว (ของเหลวหรือก๊าซ ) เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ มันเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่จำนวนมากของของไหล การแผ่รังสีคือการถ่ายโอนพลังงานผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและไม่ต้องใช้ตัวกลางในการแพร่กระจาย วัตถุทั้งหมดปล่อยรังสีความร้อน และปริมาณรังสีที่ปล่อยออกมาจะเพิ่มขึ้นด้วยกำลังสี่ของอุณหภูมิของวัตถุ ตามที่อธิบายไว้ในกฎสเตฟาน-โบลต์ซมันน์: \(P = \sigma AT^4\) โดยที่ \(P\) คือกำลังที่ปล่อยออกมา \(\sigma\) คือค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์ \(A\) คือพื้นที่ผิว และ \(T\) คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน
น้ำมีคุณสมบัติพิเศษบางประการที่เกี่ยวข้องกับความจุความร้อนจำเพาะและพฤติกรรมที่อุณหภูมิใกล้ 4°C ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำสูงอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งหมายความว่าจะต้องใช้พลังงานความร้อนจำนวนมากเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ ซึ่งมีส่วนทำให้น้ำมีบทบาทเป็นบัฟเฟอร์ความร้อนในระบบนิเวศ นอกจากนี้ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4°C; เมื่อเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมินี้ มันก็จะขยายตัว การขยายตัวที่ผิดปกตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิตในน้ำในสภาพอากาศหนาวเย็น เนื่องจากน้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนผิวน้ำซึ่งเป็นฉนวนของน้ำด้านล่าง
สมบัติทางความร้อนของสสารมีการใช้งานที่หลากหลายในชีวิตประจำวันและในอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น การขยายตัวทางความร้อนถือเป็นการออกแบบสะพานและทางรถไฟเพื่อให้สามารถขยายและหดตัวตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความจุความร้อนจำเพาะสูงของน้ำทำให้เป็นสารหล่อเย็นที่ดีเยี่ยมในกระบวนการทางอุตสาหกรรมและโรงไฟฟ้า
ในการทดลองเพื่อแสดงความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ เครื่องทำความร้อนจะใช้ในการถ่ายโอนพลังงานจำนวนหนึ่งที่ทราบไปยังปริมาณน้ำที่วัดได้ เมื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ นักเรียนสามารถคำนวณความจุความร้อนจำเพาะของน้ำได้โดยใช้สูตร \(Q = mc\Delta T\)
การสาธิตทั่วไปอีกประการหนึ่งคือการวางลูกโป่งไว้เหนือขวดที่มีน้ำ เมื่อน้ำร้อนขึ้นและกลายเป็นไอน้ำ บอลลูนจะพองตัวเนื่องจากไอน้ำดันอากาศ สิ่งนี้แสดงให้เห็นการขยายตัวของน้ำเมื่อมันกลายเป็นก๊าซ ซึ่งเป็นผลกระทบที่มองเห็นได้จากการขยายตัวทางความร้อนของสสาร
การทำความเข้าใจคุณสมบัติทางความร้อนของสสารไม่เพียงช่วยเพิ่มความเข้าใจในฟิสิกส์พื้นฐานของเราเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความสามารถของเราในการสร้างโซลูชันทางวิศวกรรมสำหรับความท้าทายในทางปฏิบัติที่หลากหลายอีกด้วย
