การนำความร้อนของวัสดุscimath

อออออในชีวิตประจำวัน เราคงคุ้นเคยกับการต้มน้ำด้วยภาชนะโลหะหรือแก้วนะครับ ภาพที่เห็นในรูปด้านบนคงไม่แปลกอะไร แต่จะเป็นอย่างไรถ้าภาชนะที่เราใช้ต้มน้ำเปลี่ยนเป็นแก้วกระดาษ มันจะเป็นไปได้หรือไม่ มันจะเป็นไปได้อย่างไร

อออออจะด้วยมายากลหรือมนต์ดำแห่งไสยศาสตร์ สิ่งนั้นได้เกิดขึ้นแล้วครับ (รับชมเพิ่มเติมได้ในส่วนวิดีโอนะครับ) การต้มน้ำด้วยแก้วกระดาษเป็นสิ่งที่เป็นไปได้ ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางความร้อนของน้ำ นั่นคือ ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ ในองค์ความรู้นี้เราจะศึกษาเกี่ยวกับความจุความร้อนและความจุความร้อนำเพาะของสารนะครับ

อออออจากการศึกษาผลของพลังงานความร้อนที่มีต่อสาร พบว่า เมื่อสารได้รับหรือคายพลังงานความร้อน จะทำให้สมบัติด้านต่างๆ ของสารนั้นเปลี่ยนไป เช่น อุณหภูมิ สถานะ รูปร่าง ปริมาตร ความหนาแน่น ความต้านทาน เป็นต้น สำหรับองค์ความรู้นี้ เราจะกล่าวถึงเฉพาะพลังงานความร้อนกับการเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับปริมาณทางฟิสิกส์ที่สำคัญ 2 ปริมาณ ได้แก่ ความจุความร้อน(heat capacity, C) และความจุความร้อนจำเพาะ (specific heat capacity, c)

1. ความจุความร้อน (heat capacity) สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ “C”

อออออความจุความร้อน คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้สารทั้งหมดที่กำลังพิจารณามีอุณหภูมิเปลี่ยนไปหนึ่งหน่วย พิจารณาง่ายๆ จากรูปต่อไปนี้นะครับ

อออออหากต้องการทราบค่าความจุความร้อนของน้ำ ก็ทำได้โดยนำน้ำปริมาณที่เราสนใจใส่หม้อแล้วนำไปตั้งไฟ โดยใส่เทอรโมมิเตอร์วัดอุณหภูมิเริ่มต้นและบันทึกค่าไว้ ปริมาณความร้อนที่เข้าไปและทำให้น้ำทั้งหมดมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°C ก็คือ ค่าความจุความร้อนนั่นเอง หรือกล่าวในเชิงสัญลักษณ์ได้ว่า เมื่อวัตถุมวล m ได้รับพลังงานความร้อนเข้าไป ΔQ และมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT ดังนั้น ถ้าต้องการให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไป 1 หน่วย ต้องใช้ความร้อน ΔQ/ΔT นั่นคือ ความจุความร้อน;

vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv

ความจุความร้อนเป็นปริมาณสเกลาร์มีหน่วยเป็น J/K หรือ cal/°C

vvvvvแต่หากสังเกตจะพบว่า หากเราต้องการให้น้ำมวล 1 kg และ 10 kg มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C ย่อมจะต้องให้พลังงานความร้อนแก่น้ำทั้งสองปริมาณแตกต่างกัน เพราะฉะนั้น ความจุความร้อนจึงไม่ใช่สมบัติเฉพาะตัวสำหรับสารใดๆ เพราะค่าความจุความร้อนนั้นขึ้นอยู่กับมวลของสาร สารชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันก็ย่อมมีค่าความจุความร้อนต่างกัน

2. ความจุความร้อนจำเพาะ (specific heat capacity) สัญลักษณ์ที่ใช้ คือ “c”

vvvvvความจุความร้อนจำเพาะ คือ ปริมาณความร้อนที่ทำให้สารมวล 1 หน่วย มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 หน่วย หากจะเทียบกับตัวอย่างที่กล่าวไปแล้ว เราจำเป็นจะต้องนำน้ำมวล 1 kg ไปตั้งไฟ โดยปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำมวล 1 kg มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C ก็คือ ค่าความจุความร้อนจำเพาะนั่นเอง กล่าวในเชิงสัญลักษณ์ได้ว่า เมื่อวัตถุมวล m ได้รับพลังงานความร้อนเข้าไป ΔQ และมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT ดังนั้น ถ้าต้องการให้วัตถุมวล 1 หน่วย มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 หน่วย ต้องใช้ความร้อน ΔQ/mΔT นั่นคือ ความจุความร้อนจำเพาะ;

vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv

ความจุความร้อนเป็นปริมาณสเกลาร์มีหน่วยเป็น J/kg.K หรือ cal/g°C

ตารางแสดงค่าความจุความร้อนจำเพาะของสารบางชนิด

อออออคงเป็นเรื่องธรรมดามากๆนะครับ หากมีใครสักคนถามว่าจะทำอย่างไรให้น้ำเดือด???

คนตอบ : “ง่ายนิดเดียว ก็เอาไปต้มสิ”

แต่หากเขาถามเพิ่มว่าแล้วจะต้องตั้งไฟนานเท่าไหร่ น้ำกานี้จึงจะเดือด???

คนตอบ : “อ๋อ…ก็ประมาณ 5-10 นาที มั้ง” ก็ตอบโดยใช้ เวิบ-ทู-เดา กันไป

แต่…หากเขาถามเพิ่มอีกล่ะว่า แล้วต้องใช้ปริมาณความร้อนเท่าไหร่ล่ะ น้ำกาเดิมนั้นจึงจะเดือด???

คนตอบ : “อืม…ก็….เอ่อ….&%&^$#%@%#$^%#” เจอคำถามนี้ สิ่งที่จะเดือดก่อนคงเป็นคนตอบคำถาม จริงมั้ยครับ แล้วเราจะตอบคำถามนี้ได้อย่างไรล่ะ ลองมาศึกษาจากองค์ความรู้นี้กันครับ

อออออการจะคำนวณหาปริมาณความร้อนที่ทำให้อุณหภูมิของสารเปลี่ยนแปลงนั้น เราจำเป็นต้องรู้สมบัติเชิงความร้อนของสสารก่อนเป็นเบื้องต้น ได้แก่ ความจุความร้อน (C) และความจุความร้อนจำเพาะ (c) ซึ่งสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ในองค์ความรู้ก่อนหน้านี้

อออออการหาพลังงานความร้อนที่ทำให้อุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนไปนั้น เกี่ยวข้องกับมวลของวัตถุ (m) ความจุความร้อน (C) หรือความจุความร้อนจำเพาะ (c) และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป (ΔT) ดังนี้