ถ้าคุณนั่งบนเก้าอี้ไม้ พื้นผิวของเก้าอี้ไม้จะอุ่นขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าคุณนั่งบนเก้าอี้ที่ทำจากพลาสติกหรือโลหะ พื้นผิวของเก้าอี้โลหะหรือพลาสติกจะไม่รู้สึกอุ่นหลังจากนั่งลงไป ทำไมพื้นผิวของเก้าอี้ไม้จึงอุ่น ในขณะที่พื้นผิวของเก้าอี้โลหะไม่อุ่น? ทำไมการนอนบนพื้นเย็นๆ โดยไม่มีที่นอนจึงทำให้ปวดเมื่อย? คุณเคยใส่เสื้อแจ็กเก็ตกันหนาวไหม? ทำไมเสื้อแจ็กเก็ตกันหนาวส่วนใหญ่จึงทำจากขนสัตว์? ยังมีอีกหลายสิ่งหลายอย่างที่ต้องคิดและถามเกี่ยวกับเรื่องการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
เตรียมเทียนและลวดเส้นเล็กๆ จับปลายด้านหนึ่งของลวดไว้ แล้วนำปลายอีกด้านหนึ่งไปแตะกับเปลวเทียน รอสักครู่จนกว่ามือของคุณจะรู้สึกร้อน ทำไมมือของคุณถึงรู้สึกร้อน? เมื่อปลายด้านหนึ่งของลวดแตะกับเปลวเทียน ความร้อนจะถ่ายเทจากเปลวเทียน (อุณหภูมิสูง) ไปยังปลายอีกด้านหนึ่งของลวด (อุณหภูมิต่ำ) การถ่ายเทความร้อนนี้ทำให้อุณหภูมิของปลายลวดที่แตะกับเปลวเทียนสูงขึ้น ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายลวดที่แตะกับเปลวเทียนและปลายอีกด้านหนึ่งของลวด ทำให้ความร้อนถ่ายเทจากปลายลวดที่แตะกับเปลวเทียนไปยังปลายลวดที่มือของคุณแตะการถ่ายเทความร้อน นี้ ทำให้อุณหภูมิของปลายลวดที่มือของคุณแตะสูงขึ้น จากนั้นความร้อนจะถ่ายเทไปยังมือของคุณที่เย็นกว่า ส่งผลให้มือของคุณรู้สึกร้อน
เมื่อส่วนหนึ่งของวัตถุที่มีอุณหภูมิ สูง สัมผัสกับวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำความร้อนจะเคลื่อนที่จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานที่เพิ่มขึ้นทำให้โมเลกุลและอะตอมที่ประกอบขึ้นเป็นวัตถุเคลื่อนที่เร็วขึ้น ขณะที่เคลื่อนที่ โมเลกุลจะมีพลังงานจลน์ (EK = ½ mv² )โมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วขึ้น (มีพลังงานจลน์มากกว่า) จะชนกับโมเลกุลที่อยู่ข้างๆ จากนั้นโมเลกุลเหล่านั้นก็จะชนกับโมเลกุลอื่นๆ ที่อยู่ข้างๆ ต่อไปเรื่อยๆ ดังนั้นโมเลกุลจึงชนกันและถ่ายโอนพลังงาน การถ่ายโอนความร้อนที่เกิดขึ้นผ่านการชนกันระหว่างโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นวัตถุเรียกว่า การถ่ายโอนความร้อนโดยการนำความร้อน
สูตรสำหรับการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
วัตถุทางด้านซ้ายมีอุณหภูมิสูงกว่า (T)1) ในขณะที่วัตถุทางด้านขวามีอุณหภูมิต่ำกว่า (T)2เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ (T)1 - ท2ความร้อนเคลื่อนที่จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ (ทิศทางการไหลของความร้อนคือไปทางขวา) วัตถุที่ความร้อนไหลผ่านมีพื้นที่หน้าตัด (A) และความยาว (l)
จากผลการทดลอง พบว่าความร้อนที่ถ่ายเทในช่วงเวลาหนึ่ง (Q/t) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิ (T 1 – T 2 ) พื้นที่หน้าตัด (A) คุณสมบัติของวัตถุ (k = ค่าการนำความร้อน) และเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาวของวัตถุ สูตรสำหรับอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนคือ:
คำอธิบาย: Q/t = อัตราการถ่ายเทความร้อน, k = ค่าการนำความร้อน, A = พื้นที่หน้าตัด, T1 = อุณหภูมิสูง, T2 = อุณหภูมิต่ำ, l = ความยาวของวัตถุ
การประยุกต์ใช้การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
ทำไมกระเบื้องถึงรู้สึกเย็นกว่าพรม? กระเบื้องมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าพรม ดังนั้นกระเบื้องจึงเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ในขณะที่พรมเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี เมื่อเราเหยียบลงบนพรม ความร้อนจะไหลจากเท้าของเราไปยังพรม เนื่องจากอุณหภูมิร่างกายของเราสูงกว่าอุณหภูมิของพรม พรมเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นความร้อนที่ไหลจากเท้าของเราจึงสะสมอยู่บนพื้นผิวของพรม ทำให้พรมอุ่นขึ้น เมื่อเราเหยียบลงบนกระเบื้องหรือเซรามิก ความร้อนจะไหลจากเท้าของเราไปยังกระเบื้องหรือเซรามิก เนื่องจากกระเบื้องเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ความร้อนจึงไม่ถูกกักเก็บไว้บนพื้นผิวของกระเบื้อง ความร้อนไหลได้อย่างราบรื่น ทำให้เท้าของเรารู้สึกเย็น หากบ้านของคุณอยู่ในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวเย็น คุณควรปูพื้นห้องนอนด้วยพรมเพื่อไม่ให้ร่างกายสูญเสียความร้อน ในทางกลับกัน หากบ้านของคุณอยู่ในพื้นที่ที่มีอากาศร้อน คุณไม่ควรปูพื้นห้องนอนด้วยพรม เพราะคุณจะไม่รู้สึกเย็น แต่จะรู้สึกร้อน 😉
การนอนบนพื้นโดยไม่มีที่นอนอาจทำให้เกิดอาการเจ็บป่วยได้ เพราะเหตุใด? เนื่องจากความร้อนจำนวนมากจะถ่ายเทจากร่างกายไปยังพื้น ความร้อนคือพลังงานที่เคลื่อนที่ เมื่อร่างกายสูญเสียความร้อนไปมาก ระดับพลังงานก็จะลดลง หากขาดพลังงาน ก็อาจทำให้เจ็บป่วยได้!
หน้าที่ของหน้าต่างและประตูคืออะไร? ทำไมประตูและหน้าต่างควรทำจากไม้? ในเวลากลางคืน อุณหภูมิอากาศภายนอกบ้านจะต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศภายในบ้าน ความแตกต่างของอุณหภูมินี้ทำให้ความร้อนเคลื่อนตัวจากภายในบ้านไปสู่ภายนอก ดังนั้นในเวลากลางคืนเราจึงมักปิดประตูหรือหน้าต่าง นอกจากการป้องกันอาชญากรแล้ว หน้าที่อย่างหนึ่งของหน้าต่างหรือประตูคือการป้องกันความร้อนไม่ให้หนีออกจากบ้าน โดยปกติแล้วประตูหรือหน้าต่างจะทำจากไม้ ค่าการนำความร้อนของไม้นั้นต่ำพอที่จะทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนได้ อีกหน้าที่หนึ่งของหน้าต่างหรือประตูคือการกักเก็บอากาศ อากาศที่ถูกกักอยู่ภายในหน้าต่างหรือประตูทำหน้าที่เป็นฉนวนที่ดี (ป้องกันความร้อนไม่ให้หนีออกไป) ค่าการนำความร้อนของอากาศนั้นต่ำมาก ยิ่งค่าการนำความร้อนของวัตถุต่ำเท่าไหร่ การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนผ่านวัตถุนั้นก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น
นอกจากจะช่วยรักษาความเป็นมนุษย์ที่เจริญแล้วและปกติแล้ว 🙂 เสื้อผ้ายังช่วยรักษาระดับอุณหภูมิร่างกายให้คงที่อีกด้วย โดยปกติแล้วเสื้อผ้าที่เราสวมใส่จะปรับให้เข้ากับอุณหภูมิอากาศ เมื่ออุณหภูมิอากาศค่อนข้างต่ำ เสื้อผ้าที่เราสวมใส่จะหนาขึ้น ผ้าห่มหรือเสื้อผ้าหนาๆ (เช่น เสื้อแจ็กเก็ต) จะขัดขวางการไหลเวียนของอากาศ อากาศจะถูกกักอยู่ระหว่างผิวหนังกับเสื้อแจ็กเก็ตหรือผ้าห่ม เนื่องจากมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายกับอากาศที่ถูกกักไว้ ความร้อนจึงเคลื่อนจากร่างกายไปยังอากาศ ความร้อนเพิ่มเติมจากร่างกายทำให้อุณหภูมิของอากาศที่ถูกกักเพิ่มขึ้น (อากาศอุ่นขึ้น) ลองดูตารางค่าการนำความร้อนด้านบน ค่าการนำความร้อนของอากาศนั้นต่ำมาก ดังนั้นความร้อนจึงไม่สามารถหนีออกจากร่างกายได้ อุณหภูมิร่างกายของเราจึงคงที่ หากเราไม่สวมเสื้อแจ็กเก็ตเมื่ออากาศค่อนข้างเย็น ความร้อนจะหนีออกจากร่างกายของเรา ยิ่งความร้อนหนีออกจากร่างกายมากเท่าไหร่ ร่างกายก็จะยิ่งสูญเสียพลังงานมากขึ้นเท่านั้น
ตัวอย่างคำถาม
1. ข้อสอบระดับชาติ ปี 2011/2012 ข้อ A81 ข้อ 10
โปรดให้ความสนใจกับข้อความต่อไปนี้!
(1) การนำไฟฟ้าของโลหะ
(2) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายโลหะ
(3) ความยาวของโลหะ
(4) มวลโลหะ
ปัจจัยที่กำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อนในโลหะ ได้แก่...
ก. (1), (2) และ (3)
B. (1) และ (4)
C. (2) และ (4)
ง. (3) และ (4)
E. (4) เท่านั้น
การอภิปราย
จากสูตรอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน ปัจจัยที่กำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อน ได้แก่ ค่าการนำความร้อนของโลหะ (k) ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองของโลหะ (T) และความยาวของโลหะ (l) มวลของโลหะไม่มีผลกระทบ
คำตอบที่ถูกต้องคือ A.
