1. นิยามของการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
ถ้าคุณนั่งบนเก้าอี้ไม้ พื้นผิวของเก้าอี้ไม้จะอุ่นขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าคุณนั่งบนเก้าอี้ที่ทำจากพลาสติกหรือโลหะ พื้นผิวของเก้าอี้โลหะหรือพลาสติกจะไม่รู้สึกอุ่นหลังจากนั่ง ทำไมพื้นผิวของเก้าอี้ไม้จึงอุ่นขึ้น ในขณะที่พื้นผิวของเก้าอี้โลหะไม่อุ่น? ทำไมการนอนบนพื้นเย็นๆ โดยไม่มีที่นอนจึงทำให้ปวดเมื่อย? คุณเคยสวมเสื้อกันหนาวไหม? ทำไมเสื้อกันหนาวส่วนใหญ่จึงทำจากขนสัตว์? ยังมีอีกหลายสิ่งหลายอย่างที่สามารถพิจารณาและตั้งคำถามได้เกี่ยวกับเรื่องการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
เมื่อส่วนหนึ่งของวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงสัมผัสกับวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ พลังงานจะเคลื่อนที่จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังส่วนที่มีอุณหภูมิต่ำของวัตถุนั้น การเพิ่มขึ้นของพลังงานทำให้โมเลกุลและอะตอมเคลื่อนที่เร็วขึ้น เมื่อเคลื่อนที่ โมเลกุลจะมีพลังงานจลน์ (KE = 1/2 mv² )โมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วกว่า (มีพลังงานจลน์มากกว่า) จะชนกับโมเลกุลที่อยู่ข้างๆ โมเลกุลนั้นจะชนกับโมเลกุลอื่นที่อยู่ข้างๆ ต่อไปเรื่อยๆ ดังนั้น โมเลกุลจึงชนกันในขณะที่เคลื่อนย้ายพลังงาน การถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจากการชนกันระหว่างโมเลกุลของวัตถุเรียกว่า การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
2. สมการการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
วัตถุที่อยู่ทางด้านซ้ายมีอุณหภูมิสูงกว่า (T)1) ในขณะที่วัตถุที่อยู่ทางด้านขวามีอุณหภูมิต่ำกว่า (T)2เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ (T)1 - T2ความร้อนเคลื่อนที่จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ (ทิศทางการไหลของความร้อนไปทางขวา) วัตถุที่ความร้อนไหลผ่านมีพื้นที่หน้าตัด (A) และความยาว (l)
จากผลการทดลอง พบว่าความร้อนที่เคลื่อนที่ในช่วงเวลาหนึ่ง (Q/t) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิ (T 1 – T 2 )
พื้นที่หน้าตัด (A) คุณสมบัติของวัตถุ (k = ค่าการนำความร้อน) และแปรผกผันกับความยาวของวัตถุ สูตรสำหรับการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนคือ:
คำอธิบาย: Q/t = อัตราการถ่ายเทความร้อน, k = ค่าการนำความร้อน, A = พื้นที่หน้าตัด, T 1 = อุณหภูมิสูง, T 2 = อุณหภูมิต่ำ, l = ความยาวของวัตถุ
3. ค่าการนำความร้อน (k)
ทำไมเครื่องครัวส่วนใหญ่จึงทำจากอะลูมิเนียม? ถ้ามือซ้ายของคุณจับเหล็ก มือขวาของคุณจับแก้ว แล้วเหล็กกับแก้วสัมผัสกับไฟ มือซ้ายหรือมือขวาจะรู้สึกเร็วกว่ากัน? คำถามเหล่านี้และอาจมีคำถามอื่นๆ ที่คุณอาจถามนั้นเกี่ยวข้องกับค่าการนำความร้อนของวัตถุ ค่าการนำความร้อนของวัตถุคือความสามารถของวัตถุในการถ่ายเทความร้อนผ่านวัตถุนั้น วัตถุที่มีค่าการนำความร้อนสูง (k) คือตัวนำความร้อนที่ดี (ตัวนำความร้อนที่ดี) ในทางกลับกัน วัตถุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำคือตัวนำความร้อนที่ไม่ดี (ตัวนำความร้อนที่ไม่ดี)
4. การประยุกต์ใช้การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อน
ทำไมกระเบื้องถึงรู้สึกเย็นกว่าพรม? กระเบื้องมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าพรม ดังนั้นกระเบื้องจึงเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ในขณะที่พรมเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี เมื่อเราเดินบนพรม ความร้อนจะไหลจากเท้าไปยังพรม เนื่องจากอุณหภูมิร่างกายของเราสูงกว่าอุณหภูมิของพรม พรมเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นความร้อนที่ไหลจากเท้าของเราจึงสะสมอยู่บนพื้นผิวของพรม ทำให้พรมอุ่นขึ้น เมื่อเราเดินบนกระเบื้องหรือเซรามิก ความร้อนจะไหลจากเท้าไปยังกระเบื้องหรือเซรามิก เนื่องจากกระเบื้องเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ความร้อนจึงไม่ติดอยู่บนพื้นผิวของกระเบื้อง ความร้อนไหลได้อย่างราบรื่น ทำให้เท้าของเรารู้สึกเย็น
การนอนบนพื้นบ้านโดยไม่มีฐานรองอาจทำให้ปวดเมื่อยได้ ทำไม? เพราะความร้อนจากร่างกายจะถ่ายเทไปยังพื้น ความร้อนคือพลังงานที่เคลื่อนที่ เมื่อร่างกายสูญเสียความร้อนไปมาก พลังงานในร่างกายก็จะลดลง หากขาดพลังงาน ก็อาจทำให้เจ็บป่วยได้!
หน้าที่ของหน้าต่างและประตูคืออะไร? ทำไมประตูและหน้าต่างควรทำจากไม้? ในเวลากลางคืน อุณหภูมิภายนอกบ้านจะต่ำกว่าอุณหภูมิภายในบ้าน ความแตกต่างของอุณหภูมินี้ทำให้ความร้อนเคลื่อนตัวจากภายในบ้านไปยังภายนอกบ้าน ดังนั้น โดยปกติแล้วในเวลากลางคืน เราจึงปิดประตูหรือหน้าต่าง อากาศที่ถูกกักอยู่ด้านในของหน้าต่างหรือประตูทำหน้าที่เป็นฉนวนที่ดี ยิ่งค่าการนำความร้อนของวัตถุต่ำเท่าไร การถ่ายเทความร้อนโดยการนำผ่านวัตถุนั้นก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น
นอกจากจะช่วยรักษาความเป็นมนุษย์ที่เจริญแล้วและปกติแล้ว เสื้อผ้ายังมีหน้าที่ช่วยรักษาระดับอุณหภูมิร่างกายให้คงที่อีกด้วย โดยทั่วไปแล้ว เสื้อผ้าที่เราใช้จะปรับให้เข้ากับอุณหภูมิอากาศ เมื่ออุณหภูมิอากาศต่ำลง เสื้อผ้าที่เราใช้ก็จะหนาขึ้น ผ้าห่มหรือเสื้อผ้าหนาๆ (เช่น เสื้อแจ็กเก็ต) จะทำให้ลมไม่สามารถไหลเวียนได้ อากาศจะถูกกักอยู่ระหว่างผิวหนังกับเสื้อแจ็กเก็ตหรือผ้าห่ม เนื่องจากมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายกับอากาศที่ถูกกักไว้ ความร้อนจึงเคลื่อนจากร่างกายไปยังอากาศ ความร้อนที่เพิ่มขึ้นจากร่างกายทำให้อุณหภูมิของอากาศที่ถูกกักเพิ่มขึ้น (อากาศอุ่นขึ้น) ค่าการนำความร้อนของอากาศนั้นต่ำมาก ดังนั้น ความร้อนจึงไม่สามารถออกจากร่างกายได้ อุณหภูมิร่างกายของเราจึงคงที่เช่นกัน หากเราไม่สวมเสื้อแจ็กเก็ตเมื่ออากาศเย็นลง ความร้อนก็จะออกจากร่างกาย ยิ่งความร้อนออกจากร่างกายมากเท่าไหร่ ร่างกายก็จะสูญเสียพลังงานมากขึ้นเท่านั้น!
