แนวคิดเรื่องความร้อนมีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจโลกทางกายภาพรอบตัวเรา ในบทนี้ เราจะสำรวจว่าความร้อนคืออะไร การวัด และผลกระทบต่อสสาร ปริมาณความร้อนสามารถเข้าใจได้ในบริบทของคำจำกัดความ หน่วยวัด ความจุความร้อนจำเพาะ และการประยุกต์ในการคำนวณการถ่ายเทความร้อน
ความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานที่ถูกถ่ายโอนระหว่างระบบหรือวัตถุที่มีอุณหภูมิต่างกัน การถ่ายโอนพลังงานนี้เกิดขึ้นจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าจนกระทั่งบรรลุสมดุลทางความร้อน การถ่ายเทความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้สามวิธี: การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี
หน่วยความร้อนในระบบหน่วยสากล (SI) คือ จูล (J) ในอดีต ความร้อนวัดเป็นแคลอรี่ (cal) โดยที่ 1 แคลอรี่หมายถึงปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้อุณหภูมิของน้ำ 1 กรัมสูงขึ้น 1°C ที่ความดันบรรยากาศ ความสัมพันธ์ระหว่างจูลและแคลอรี่แสดงโดย: \( 1\, \textrm{แคลอรี่} = 4.184\, \textrm{เจ} \) หน่วยพลังงานความร้อนทั่วไปอีกหน่วยหนึ่งในระบบอังกฤษคือหน่วยความร้อนบริติช (BTU) โดยที่ 1 BTU คือปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้อุณหภูมิของน้ำ 1 ปอนด์สูงขึ้น 1°F
ความจุความร้อนจำเพาะ ( \(c\) ) เป็นคุณสมบัติของสารที่กำหนดปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร 1 กิโลกรัมขึ้น 1 เคลวิน (K) หรือ 1°C มีหน่วยเป็นจูลต่อกิโลกรัมเคลวิน ( \(J/(kg\cdot K)\) ) สูตรคำนวณปริมาณความร้อน ( \(Q\) ) โดยใช้ความจุความร้อนจำเพาะคือ: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) โดยที่: - \(Q\) คือปริมาณความร้อนใน จูล - \(m\) คือมวลของสารเป็นกิโลกรัม - \(c\) คือความจุความร้อนจำเพาะของสาร และ - \(\Delta T\) คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในหน่วยเคลวินหรือ°C .
การคำนวณการถ่ายเทความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ต่างๆ รวมถึงการทำความเข้าใจรูปแบบสภาพอากาศ การออกแบบระบบทำความร้อนและความเย็น และการอธิบายการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของสาร ลองสำรวจตัวอย่างเพื่อแสดงวิธีคำนวณปริมาณความร้อน:
ตัวอย่าง: คำนวณปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 2 กิโลกรัมจาก 20°C เป็น 50°C ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำคือ \(4184 J/(kg\cdot K)\)
เราใช้สูตรสำหรับปริมาณความร้อน: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) การแทนที่ค่าที่กำหนด: \( Q = 2\, \textrm{กิโลกรัม} \cdot 4184\, \textrm{เจ/(กก}\cdot \textrm{เค)} \cdot (50 - 20)\, \textrm{องศาเซลเซียส} \) การคำนวณค่าของ \(Q\) จะทำให้เราได้ปริมาณความร้อนที่ต้องการ
การทดลองเป็นวิธีการเชิงปฏิบัติในการทำความเข้าใจแนวคิดเรื่องความร้อนและผลกระทบที่มีต่อสารต่างๆ ต่อไปนี้เป็นการทดลองง่ายๆ สองการทดลองที่อธิบายแนวคิดเรื่องการถ่ายเทความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะ:
การทดลองที่ 1: การวัดอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงในน้ำ
การทดลองนี้เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนน้ำตามปริมาณที่ทราบและการวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การใช้เครื่องทำความร้อนไฟฟ้าเพื่อจ่ายพลังงานให้กับน้ำตามปริมาณที่ทราบ นักเรียนสามารถวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและคำนวณความจุความร้อนจำเพาะของน้ำโดยใช้สูตรที่ให้ไว้ก่อนหน้านี้
การทดลองที่ 2: การเปรียบเทียบการดูดซับความร้อน
ในการทดลองนี้ ให้มวลเท่ากันของสสารต่างๆ เช่น น้ำและน้ำมัน ถูกวางไว้ในสภาวะที่เหมือนกันและให้ความร้อนในช่วงเวลาเดียวกัน ด้วยการวัดอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของสารแต่ละชนิด นักเรียนสามารถสังเกตความแตกต่างในการดูดซับความร้อนและเชื่อมโยงกับแนวคิดเรื่องความจุความร้อนจำเพาะ
ปริมาณความร้อนเป็นส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจการถ่ายเทพลังงานในโลกทางกายภาพ ด้วยคำจำกัดความของความร้อน หน่วยการวัด และความจุความร้อนจำเพาะ ทำให้เราสามารถหาปริมาณและคำนวณการถ่ายเทความร้อนในกระบวนการและระบบต่างๆ ได้ การทำการทดลองจะให้ข้อมูลเชิงลึกเชิงปฏิบัติว่าความร้อนส่งผลต่อสสารต่างๆ อย่างไร และช่วยเสริมแนวคิดทางทฤษฎีที่กล่าวถึงในบทเรียนนี้
