สาระสำคัญ
          1. พลังงานความร้อน เป็นพลังงานที่สามารถเคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ซึ่งเกิดจากการสั่นหรือการเคลื่อนไหวของโมเลกุลภายในวัตถุ
          2. อุณหภูมิ คือ ระดับความร้อนของสาร ซึ่งบอกให้รู้ว่าสสารนั้นร้อนหรือเย็น วัดได้โดยใช้เทอร์มอมิเตอร์สังเกตจากการขยายตัวของของเหลวเมื่อได้รับความร้อน
          3. การถ่ายโอนความร้อนมี 3 วิธี คือ
                    3.1 การนำความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยการสั่นสะเทือนของโมเลกุลภายในวัตถุ ซึ่งวัตถุไม่มีการเคลื่อนที่ วัตถุที่นำความร้อนได้ดีเรียกว่า ตัวนำความร้อน เช่น เงิน ทองแดง ทอง และเหล็ก ส่วนวัตถุที่นำความร้อนได้ไม่ดีเรียกว่า ฉนวนความร้อน เช่น ไม้ พลาสติก แก้ว น้ำ และแก๊ส
                    3.2 การพาความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนโดยตัวกลางหรือโมเลกุลของสารเคลื่อนที่ไปด้วย ซึ่งจะเกิดขึ้นในของเหลวและแก๊ส เพราะสสารสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ
                    3.3 การแผ่รังสีความร้อน เป็นการถ่ายโอนความร้อนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ซึ่งความร้อนจะถูกปล่อยออกมาทุกทิศทุกทาง
          4. วัตถุแต่ละชนิดสามารถดูดกลืนความร้อนและคายความร้อนจากรังสีได้แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับลักษณะพื้นผิวและสีของวัตถุ
          5. สมดุลความร้อน คือ วัตถุ 2 ชนิดที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน จะมีการถ่ายโอนความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง จนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน ทำให้การถ่ายโอนความร้อนสิ้นสุดลง
          6. วัตถุจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน และจะหดตัวเมื่อได้รับความเย็น จากหลักการดังกล่าวสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้มากมาย เช่น ตัวควบคุมอุณหภูมิหรือเทอร์มอสแตต การเว้นช่องว่างไว้เผื่อการขยายตัวของแผ่นคอนกรีตในการสร้างถนน การบรรจุของเหลวลงในขวดต้องเว้นที่ว่างไว้เผื่อการขยายตัวของของเหลว
 

พลังงานความร้อน
          พลังงานความร้อน เป็นพลังงานที่เคลื่อนที่จากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อวัตถุดูดพลังงานความร้อนเข้าไป ก็จะทำให้พลังงานในวัตถุเพิ่มขึ้น

อุณหภูมิและหน่วยวัด
          นักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเทอร์มอมิเตอร์ (thermometer) ขึ้น เพื่อใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของสิ่งต่าง ๆ
          การกำหนดมาตรวัดอุณหภูมิจำเป็นต้องมีจุดอ้างอิง เรียกว่า จุดคงที่ (fixed points) ซึ่งจะแบ่งเป็นจุดเยือกแข็งหรือจุดคงที่ต่ำสุด เป็นอุณหภูมิของน้ำแข็งบริสุทธิ์ขณะกำลังหลอมเหลว ณ ความดัน 1 บรรยากาศ และจุดเดือดหรือจุดคงที่สูงสุด เป็นอุณหภูมิของไอน้ำขณะที่น้ำกำลังเดือดกลายเป็นไอ ณ ความดัน 1 บรรยากาศ หน่วยที่ใช้วัดอุณหภูมิโดยทั่วไปมี 4 แบบ คือ
                   1. องศาเซลเซียส (Degree Celsius: °C) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุด โดยมีจุดเยือกแข็งของน้ำอยู่ที่ 0 °C และจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 100 °C ช่วงระหว่างจุดเยือกแข็งกับจุดเดือดของน้ำแบ่งเป็น 100 ช่องเท่า ๆ กัน แต่ละช่องกำหนดให้เป็น 1 องศาเซลเซียส (°C)




                    2. องศาฟาเรนไฮต์ (Degree Fahrenheit: F) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุดในประเทศสหรัฐอเมริกาและประเทศจาไมกา โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 32 °F และจุดเดือดอยู่ที่ 212 °F ช่วงระหว่างจุดเยือกแข็งกับจุดเดือดของน้ำแบ่งเป็น 180 ช่องเท่า ๆ กัน
                    3. เคลวิน (Kelvin: K) เป็นหน่วยบอกอุณหภูมิในระบบเอสไอ โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 273 K และจุดเดือดอยู่ที่ 373 K
                    4. องศาโรเมอร์ (Degree Romer: °R) เป็นหน่วยที่ใช้กันมากที่สุดในประเทศฝรั่งเศส โดยมีจุดเยือกแข็งอยู่ที่ 0 °R และจุดเดือดอยู่ที่ 80 °R ช่วงอุณหภูมิ 1   R จะเท่ากับ 1.25 °C




          ส่วนประกอบและการทำงานของเทอร์มอมิเตอร์
                    เทอร์มอมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดสมบัติทางกายภาพของสารที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอตามอุณหภูมิ เทอร์มอมิเตอร์มีหลายชนิด ได้แก่ เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว เทอร์มอคัปเปิล และเทอร์มอมิเตอร์โลหะคู่
          เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้ว
                    เทอร์มอมิเตอร์ประเภทนี้ใช้หลักการขยายตัวและการหดตัวของของเหลว เช่น เทอร์มอมิเตอร์แบบปรอท




                    เทอร์มอมิเตอร์แบบของเหลวบรรจุในหลอดแก้วอีกประเภทหนึ่ง คือ เทอร์มอมิเตอร์วัดไข้  (clinical thermometer) ออกแบบมาเพื่อใช้สำหรับวัดอุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ ช่วงกว้างของมาตรวัดอยู่ระหว่าง 35 °C  ถึง 42 °C



 

การถ่ายโอนความร้อน
          การถ่ายโอนความร้อนมี 3 วิธี คือ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน
                    การนำความร้อน
                              การนำความร้อน (conduction) คือ การถ่ายโอนความร้อนจากโมเลกุลภายในวัตถุที่ที่เกิดการสั่นตัวมากขึ้นจนไปชนกับโมเลกุลอื่น ทำให้เกิดการสั่นอย่างต่อเนื่องตลอดเนื้อของวัตถุ โดยที่วัตถุนั้นไม่มีการเคลื่อนที่
                              วัตถุที่นำความร้อนหรือยอมให้ความร้อนผ่านได้ดี เรียกว่า ตัวนำความร้อน (heat conductor) ส่วนใหญ่เป็นพวกโลหะ โลหะที่นำความร้อนได้ดีที่สุด คือ เงิน ทอง และทองแดง ตามลำดับ ส่วนวัตถุที่ไม่นำความร้อนหรือยอมให้ความร้อนผ่านได้น้อยมาก เรียกว่า ฉนวนความร้อน (heat insulator) เช่น ไม้ พลาสติก แก้ว น้ำ (ของเหลว) และอากาศ (แก๊ส)
                      การพาความร้อน
                              การพาความร้อน (convection) คือ การถ่ายโอนความร้อนจากที่หนึ่งไปยังที่หนึ่ง โดยโมเลกุลของสารจะเคลื่อนที่ไปด้วย ซึ่งจะเกิดขึ้นในของเหลวและแก๊ส เนื่องจากสสารดังกล่าวสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ เช่น การนึ่งอาหาร ไอน้ำจะพาความร้อนไปสู่อาหารทำให้อาหารสุก แสดงว่า ไอน้ำเป็นตัวกลางในการพาความร้อน
          การใช้ประโยชน์จากการพาความร้อน
                    กาต้มน้ำร้อนไฟฟ้า




                    เครื่องปรับอากาศ




                    ลมทะเล (sea breeze)




                    ลมบก (land breez)

การแผ่รังสีความร้อน
          การแผ่รังสีความร้อน (radiation) คือ การถ่ายโอนความร้อนจากที่หนึ่งไปยังที่หนึ่ง ซึ่งความร้อนจะถูกปล่อยออกมาทุกทิศทุกทาง โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง โดยรังสีที่แผ่ออกมาคือ รังสีอินฟราเรด และแหล่งกำเนิดที่ให้พลังงานแสง เช่น หลอดไฟฟ้าและกองไฟ ก็จะให้พลังงานความร้อนออกมาด้วย เมื่อวัตถุต่าง ๆ ได้รับรังสีจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน และดูดกลืนความร้อนไว้ แล้วคายความร้อนออกมา ดังนี้
                    การดูดกลืนความร้อน
                              วัตถุทุกชนิดสามารถดูดกลืนความร้อนได้ วัตถุที่มีสีและพื้นผิวแตกต่างกันจะมีสมบัติในการดูดกลืนความร้อนได้ต่างกัน กล่าวคือ วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบและไม่เรียบเป็นตัวดูดกลืนความร้อนที่ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวเป็นมันวาวและเรียบเป็นตัวดูดกลืนความร้อนที่ไม่ดี




                    การคายความร้อน
                              วัตถุทุกชนิดสามารถคายความร้อนออกมาได้ ถ้ามีการดูดกลืนความร้อน วัตถุที่มีสีและพื้นผิวแตกต่างกันจะมีสมบัติในการคายความร้อนต่างกัน กล่าวคือ วัตถุที่มีผิวนอกสีดำทึบและไม่เรียบเป็นตัวคายความร้อนที่ดี วัตถุที่มีผิวนอกสีขาวเป็นมันวาวและเรียบเป็นตัวคายความร้อนที่ไม่ดี
                              สรุปได้ว่า การดูดกลืนแสงหรือความร้อนของวัตถุขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ ดังนี้
                                        1. สีของวัตถุ วัตถุสีเข้มจะดูดกลืนแสงหรือความร้อนได้มากกว่าวัตถุสีอ่อน และวัตถุสีเข้มจะคายความร้อนได้ดีกว่าวัตถุสีอ่อนในช่วงเวลาเท่า ๆ กัน
                                        2. พื้นผิวของวัตถุ พื้นผิวที่เรียบเป็นมันวาวจะดูดกลืนความร้อนได้น้อย เพราะพื้นผิวที่เรียบเป็นมันสามารถสะท้อนแสงได้ดี
 

                   การใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนและคายความร้อน
                             เครื่องทำความร้อนด้วยระบบไหลเวียนของน้ำที่ใช้พลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ (Solar water heaters)




                   ตารางสรุปเปรียบเทียบการถ่ายโอนความร้อนในลักษณะต่าง ๆ

สมดุลความร้อน
        การถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุหนึ่งไปสู่อีกวัตถุหนึ่ง  วัตถุที่ร้อนจะเย็นลง เนื่องจากอนุภาคสูญเสียพลังงาน และวัตถุที่เย็นจะร้อนขึ้น เนื่องจากอนุภาคได้รับพลังงานเพิ่มจนกระทั่งวัตถุทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันแล้วจะหยุดการถ่ายโอนความร้อน เรียกว่า วัตถุทั้งสองชนิดอยู่ในภาวะสมดุลความร้อน (thermal equilibrium)
          เราสามารถนำความรู้เรื่องสมดุลความร้อนไปใช้ในชีวิตประจำวันได้ เช่น การผสมน้ำร้อนและน้ำเย็นอาบในวันที่อากาศหนาว การแช่ขวดนมที่ร้อนในน้ำเย็นทำให้นมมีอุณหภูมิต่ำลง และการนำไข่ต้มไปแช่ในน้ำเย็น จะทำให้ไข่เย็นเร็วขึ้น
 

ผลของพลังงานความร้อน
          การเปลี่ยนแปลงสถานะและอุณหภูมิ
                    วัตถุต่าง ๆ สามารถเปลี่ยนแปลงจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งได้ด้วยความร้อนและความเย็น เช่น ไอศกรีมละลาย ณ อุณหภูมิห้อง ต้มน้ำเดือดจนกลายเป็นไอ น้ำกลั่นตัวเป็นหยดน้ำเกาะอยู่ที่ข้างแก้ว เทียนไขที่จุดแล้วไส้เทียนไขจะลุกไหม้ ทำให้ตัวเทียนไขละลายเป็นน้ำตาเทียมและแข็งตัวเมื่อไหลลงสู่พื้น




          การขยายตัวและการหดตัว
                    กรณีของแข็ง
                              เมื่อของแข็งได้รับความร้อน อนุภาคของของแข็งจะเกิดการสั่นอย่างรวดเร็วและมากขึ้นตามลำดับ อุณหภูมิของของแข็งจึงเพิ่มขึ้น พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะช่วยสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค เกิดเป็นอนุภาคอิสระเคลื่อนที่รอบ ๆ อนุภาคอื่น ๆ ทำให้ของแข็งหลอมละลายกลายเป็นของเหลว เราเรียกอุณหภูมิที่ทำให้ของแข็งหลอมเหลวนี้ว่า จุดหลอมเหลว (melting point)




                              เมื่อของเหลวเย็นตัวลง พลังงานของอนุภาคของของเหลวหายไป อนุภาคจะเคลื่อนที่ช้าลงและเข้าใกล้กับอนุภาคอื่น ๆ อุณหภูมิของของเหลวลดลง และเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงจุดเยือกแข็ง จะเริ่มมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของของเหลว และอนุภาคจะเริ่มสั่นพร้อมกับเรียงตัว ณ จุดคงที่จุดหนึ่ง ทำให้ของเหลวแข็งตัวก่อรูปเป็นของแข็ง เราเรียกอุณหภูมิ ณ จุดที่ของเหลวก่อรูปเป็นของแข็งนี้ว่า จุดเยือกแข็ง (freezing point)
                              เมื่อให้ความร้อนกับของเหลว ของเหลวจะขยายตัว และจะขยายตัวได้มากกว่าของแข็ง โดยเมื่อของเหลวได้รับความร้อน อนุภาคของของเหลวจะได้รับพลังงานมากขึ้นและเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว อนุภาคต่าง ๆ จะเคลื่อนที่ชนกัน มีพลังงานมากขึ้น และเคลื่อนที่ไปคนละทิศละทาง เมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มสูงขึ้นจนถึงจุดที่ทำให้เดือด พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะช่วยสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคจึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ทำให้ของเหลวเดือดกลายเป็นไอน้ำ เราเรียกอุณหภูมิที่จุดนี้ว่า จุดเดือด (boiling point)




                              เมื่อไอน้ำเย็นตัวลง พลังงานของอนุภาคของไอน้ำจะหายไป อนุภาคจะเคลื่อนที่ช้าลง และเข้าใกล้อนุภาคอื่น ๆ อุณหภูมิของไอน้ำลดลง และเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงจุดที่ทำให้เกิดการควบแน่น จะเริ่มมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคจะหยุดการเคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่จะเริ่มเคลื่อนที่รอบอนุภาคอื่น ๆ ทำให้ไอน้ำก่อตัวแน่นขึ้นกลายเป็นของเหลว เราเรียกอุณหภูมิที่จุดนี้ว่า จุดควบแน่น (condensation point)
                              ของเหลวต่างชนิดกันจะมีปริมาณการขยายตัวแตกต่างกัน ณ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเท่า ๆ กัน โดยอีเทอร์ขยายตัวได้มากที่สุด รองลงมา ได้แก่ เบนซิน แอลกอฮอล์ และน้ำ ตามลำดับ
                              นอกจากนี้ของเหลวยังสามารถหดตัวได้ เมื่อนำหลอดทดลองแช่อยู่ในบีกเกอร์ที่บรรจุน้ำแข็งระยะเวลาหนึ่ง ระดับน้ำในหลอดนำแก๊สจะลดลง เนื่องจากน้ำเมื่อได้รับความเย็นจะหดตัวนั่นเอง

                   กรณีของแก๊ส
                              แก๊สเมื่อได้รับความร้อน อนุภาคของแก๊สจะมีพลังงานเพิ่มขึ้นและเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้ระยะห่างระหว่างอนุภาคมากขึ้น ปริมาตรของแก๊สจะมากขึ้นด้วย
                              ลูกโป่งหรือลูกบอลลูนที่บรรจุแก๊สจะลอยขึ้นหรือตกลงมาก็เนื่องมาจากความหนาแน่นของแก๊สที่บรรจุอยู่ภายใน แล้วอะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้ความหนาแน่นของอากาศในลูกโป่งหรือลูกบอลลูนเปลี่ยนแปลงไป ถ้าความหนาแน่นของอากาศในลูกโป่งลดลง อากาศที่บรรจุนั้นควรจะร้อนหรือเย็น




การนำความรู้เกี่ยวกับการขยายตัวและการหดตัวของวัตถุไปใช้ประโยชน์
          ตัวควบคุมอุณหภูมิหรือเทอร์มอสแตต (thermostat) เป็นเครื่องควบคุมความร้อนให้คงที่ โดยการนำหลักการการขยายตัวของวัตถุมาใช้ เพื่อรักษาอุณหภูมิให้สม่ำเสมอ เครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เทอร์มอสแตตมีอยู่หลายชนิด เช่น เตาอบ เตารีด ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ กาต้มน้ำ หม้อหุงข้าวไฟฟ้า เครื่องคอมพิวเตอร์




          ท่อส่งของเหลวหรือแก๊ส จะทำการโค้งงอให้มีขนาดใหญ่ เพื่อป้องกันการแตกหักของท่อเมื่อเกิดการขยายตัวหรือหดตัว
          การตีหมุดย้ำ หมุดย้ำเป็นเข็มหมุดโลหะที่ใช้เชื่อมต่อชิ้นส่วนโลหะบาง ๆ 2 ชิ้นเข้าด้วยกัน การตีหมุดย้ำใช้หลักการการขยายตัวของของแข็งเมื่อได้รับความร้อน
          ถนนคอนกรีต วันที่อากาศร้อนถนนที่สร้างด้วยคอนกรีตจะขยายตัวและแตกร้าวได้ ดังนั้นผู้ก่อสร้างถนนจะแก้ปัญหาโดยเผื่อช่องว่างระหว่างคอนกรีตไว้หรืออัดด้วยยางมะตอย
          รางรถไฟ ในวันที่อากาศร้อน รางรถไฟที่ทำจากเหล็กจะเกิดการขยายตัวและเกิดการคดงอได้ ดังนั้นการวางรางรถไฟจะต้องเว้นช่องว่างไว้เผื่อการขยายตัวของรางรถไฟ และที่ปลายของรางที่เชื่อมต่อกันจะต้องมีหมุดยึด เพื่อป้องกันอุบัติเหตุที่จะเกิดขึ้นกับรถไฟถ้าต้องวิ่งบนรางที่คดงอ
          สะพาน สะพานคอนกรีตหรือโลหะจะถูกสร้างให้สามารถรองรับการขยายตัวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมได้ โดยมีล้อเลื่อนและจุดเชื่อมต่อที่เลื่อนไปมาได้ไว้สำหรับการเคลื่อนตัวของสะพาน เนื่องจากการขยายตัวและหดตัวของวัสดุที่ใช้สร้างสะพาน
          สายโทรศัพท์และสายไฟฟ้าแรงสูง สายโทรศัพท์และสายไฟฟ้าแรงสูงจะขยายตัวและหย่อนลงในวันที่อากาศร้อน ดังนั้นฝ่ายเทคนิคจะติดตั้งสายเหล่านี้ให้มีความตึงพอเหมาะ
          ขวดบรรจุของเหลว การบรรจุของเหลวลงในขวด เช่น น้ำปลา น้ำอัดลม และน้ำดื่ม จะไม่บรรจุน้ำจนเต็มปากขวด แต่จะเว้นที่ว่างไว้เผื่อการขยายตัวของของเหลวเมื่ออุณหภูมิของสภาพแวดล้อมสูงขึ้น
          กระป๋องสเปรย์ ต้องเก็บไว้ในบริเวณอากาศเย็น เนื่องจากกระป๋องสเปรย์บรรจุแก๊สที่มีความดันสูง ถ้าเก็บไว้ในที่ที่มีอุณหภูมิสูง แก๊สจะขยายตัวอย่างรวดเร็ว และทำให้ภาชนะที่ใช้บรรจุเกิดการระเบิดได้


แหล่งที่มาของเนื้อหา : สำนักพิมพ์วัฒนาพานิช www.wpp.co.th