หากคุณเอามือเข้าใกล้สวิตช์ไฟหรือวางฝ่ามือบนเตาร้อน คุณจะสัมผัสได้ถึงการเคลื่อนไหวของกระแสลมอุ่น เอฟเฟกต์เดียวกันนี้สามารถสังเกตได้เมื่อแผ่นกระดาษแกว่งไปมาบนเปลวไฟ เอฟเฟกต์ทั้งสองอธิบายได้ด้วยการพาความร้อน
อะไรนะ
ปรากฏการณ์การพาความร้อนขึ้นอยู่กับการขยายตัวของสารที่เย็นกว่าเมื่อสัมผัสกับมวลร้อน ในสถานการณ์เช่นนี้ สารที่ให้ความร้อนจะสูญเสียความหนาแน่นและเบาลงเมื่อเปรียบเทียบกับพื้นที่เย็นที่อยู่รอบๆ ถูกต้องที่สุด ลักษณะของปรากฏการณ์นี้สอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของความร้อนที่ไหลผ่านเมื่อน้ำอุ่น
การเคลื่อนที่ของโมเลกุลในทิศทางตรงกันข้ามภายใต้อิทธิพลของความร้อนคือสิ่งที่การพาความร้อนเป็นหลัก การแผ่รังสีและการนำความร้อนเป็นกระบวนการที่คล้ายกัน แต่ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทพลังงานความร้อนในของแข็ง
ตัวอย่างที่ชัดเจนของการพาความร้อน - การเคลื่อนที่ของลมอุ่นกลางห้องพร้อมระบบทำความร้อนเครื่องใช้เมื่อกระแสน้ำอุ่นเคลื่อนตัวอยู่ใต้เพดานและอากาศเย็นลงสู่พื้น นั่นคือเหตุผลที่เมื่อเปิดเครื่องทำความร้อน อากาศที่ด้านบนของห้องจะอุ่นขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับด้านล่างของห้อง
กฎของอาร์คิมิดีสและการขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย
เพื่อให้เข้าใจว่าการพาความร้อนตามธรรมชาติคืออะไร ก็เพียงพอแล้วที่จะพิจารณากระบวนการโดยใช้ตัวอย่างกฎของอาร์คิมิดีสและปรากฏการณ์ของการขยายตัวของร่างกายภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสีความร้อน ดังนั้นตามกฎหมายแล้ว การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะทำให้ปริมาตรของของเหลวเพิ่มขึ้น ของเหลวที่ให้ความร้อนจากด้านล่างในภาชนะจะสูงขึ้น และความชื้นที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นตามลำดับจะค่อยๆ ลดลง ในกรณีของความร้อนจากเบื้องบน ของเหลวที่มีความหนาแน่นน้อยลงจะยังคงอยู่ในที่ของมัน ซึ่งในกรณีนี้จะไม่เกิดปรากฏการณ์
การเกิดขึ้นของแนวคิด
คำว่า "การพาความร้อน" ถูกเสนอครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ William Prout ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2377 ใช้เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ของมวลความร้อนในของเหลวที่เคลื่อนที่ด้วยความร้อน
การศึกษาเชิงทฤษฎีครั้งแรกของปรากฏการณ์การพาความร้อนเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2459 เท่านั้น ในระหว่างการทดลอง พบว่าการเปลี่ยนจากการแพร่กระจายเป็นการพาความร้อนในของเหลวที่ร้อนจากด้านล่างเกิดขึ้นเมื่อถึงค่าอุณหภูมิวิกฤต ต่อมา ค่านี้ถูกกำหนดเป็น "หมายเลขโรล" มันถูกตั้งชื่อตามผู้วิจัยที่ศึกษามันมาก ผลการทดลองทำให้สามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของกระแสความร้อนภายใต้อิทธิพลของพลังของอาร์คิมิดีสได้
ประเภทการพาความร้อน
ปรากฏการณ์ที่เราอธิบายมีหลายประเภท - การพาความร้อนตามธรรมชาติและการหมุนเวียนแบบบังคับ ตัวอย่างของการเคลื่อนที่ของลมร้อนและเย็นที่ไหลผ่านกลางห้องคือวิธีที่ดีที่สุดในการอธิบายลักษณะเฉพาะของกระบวนการพาความร้อนตามธรรมชาติ สำหรับการบังคับ จะสังเกตได้เมื่อผสมของเหลวด้วยช้อน ปั๊ม หรือคนผสม
การพาความร้อนเป็นไปไม่ได้เมื่อของแข็งถูกทำให้ร้อน นี่เป็นเพราะแรงดึงดูดซึ่งกันและกันที่ค่อนข้างแรงระหว่างการสั่นสะเทือนของอนุภาคของแข็ง อันเป็นผลมาจากความร้อนของโครงสร้างที่เป็นของแข็ง การพาความร้อนและการแผ่รังสีจะไม่เกิดขึ้น การนำความร้อนเข้ามาแทนที่ปรากฏการณ์เหล่านี้ในร่างกายดังกล่าวและก่อให้เกิดการถ่ายเทพลังงานความร้อน
การหมุนเวียนของเส้นเลือดฝอยที่เรียกว่าเป็นชนิดที่แยกจากกัน กระบวนการนี้เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงระหว่างการเคลื่อนที่ของของไหลผ่านท่อ ภายใต้สภาพธรรมชาติ ความสำคัญของการพาความร้อนดังกล่าว ควบคู่กับการพาความร้อนแบบธรรมชาติและแบบบังคับนั้นไม่มีนัยสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม ในเทคโนโลยีอวกาศ การพาความร้อนของเส้นเลือดฝอย การแผ่รังสี และการนำความร้อนของวัสดุกลายเป็นปัจจัยที่สำคัญมาก แม้แต่การพาความร้อนที่อ่อนที่สุดภายใต้สภาวะไร้น้ำหนักก็ยังทำให้ใช้งานด้านเทคนิคบางอย่างได้ยาก
การพาความร้อนในชั้นเปลือกโลก
กระบวนการพาความร้อนเชื่อมโยงกับการก่อตัวตามธรรมชาติของก๊าซในความหนาของเปลือกโลกอย่างแยกไม่ออก โลกถือได้ว่าเป็นทรงกลมที่ประกอบด้วยชั้นที่มีศูนย์กลางหลายชั้น ที่จุดศูนย์กลางคือแกนร้อนขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นมวลของเหลวที่มีความหนาแน่นสูงประกอบด้วยธาตุเหล็กนิกเกิล เช่นเดียวกับโลหะอื่นๆ
ชั้นบรรยากาศของแกนโลกคือเปลือกโลกและเปลือกโลกกึ่งของเหลว ชั้นบนสุดของโลกคือเปลือกโลกโดยตรง เปลือกโลกก่อตัวขึ้นจากแผ่นเปลือกโลกแต่ละแผ่นที่เคลื่อนที่อย่างอิสระซึ่งเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวของเสื้อคลุมของเหลว ในระหว่างการให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของส่วนต่าง ๆ ของเสื้อคลุมและหินซึ่งมีองค์ประกอบและความหนาแน่นต่างกันจะทำให้เกิดกระแสหมุนเวียน มันอยู่ภายใต้อิทธิพลของกระแสดังกล่าวที่การเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของพื้นมหาสมุทรและการเคลื่อนไหวของทวีปแบริ่งเกิดขึ้น
ความแตกต่างระหว่างการพาความร้อนและการนำความร้อน
การนำความร้อนควรเข้าใจว่าเป็นความสามารถของวัตถุทางกายภาพในการถ่ายเทความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของสารประกอบอะตอมและโมเลกุล โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดีเยี่ยม เนื่องจากโมเลกุลของโลหะนั้นสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด ในทางกลับกัน สารที่เป็นก๊าซและสารระเหยทำหน้าที่เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี
การพาความร้อนเกิดขึ้นได้อย่างไร? ฟิสิกส์ของกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากการเคลื่อนที่ของมวลโมเลกุลของสารอย่างอิสระ ในทางกลับกัน การนำความร้อนประกอบด้วยการถ่ายเทพลังงานระหว่างอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของร่างกายเท่านั้น อย่างไรก็ตาม กระบวนการทั้งสองจะเป็นไปไม่ได้หากไม่มีอนุภาคของสสาร
ตัวอย่างปรากฏการณ์
ตัวอย่างการพาความร้อนที่ง่ายและเข้าใจได้มากที่สุดคือกระบวนการของตู้เย็นธรรมดา การไหลเวียนก๊าซฟรีออนที่ระบายความร้อนด้วยท่อของห้องเย็นทำให้อุณหภูมิของอากาศชั้นบนลดลง ดังนั้น กระแสน้ำอุ่นจึงถูกแทนที่ กระแสที่เย็นจะจมลง ทำให้ผลิตภัณฑ์เย็นลง
ตะแกรงที่แผงด้านหลังของตู้เย็นทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการขจัดอากาศอุ่นที่เกิดขึ้นในคอมเพรสเซอร์ของเครื่องในระหว่างการอัดแก๊ส การระบายความร้อนด้วยกริดยังขึ้นอยู่กับกลไกการพาความร้อนอีกด้วย ด้วยเหตุนี้จึงไม่แนะนำให้วางที่ว่างด้านหลังตู้เย็น เพราะในกรณีนี้เท่านั้น การระบายความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ยาก
ตัวอย่างอื่นๆ ของการพาความร้อนสามารถเห็นได้จากการสังเกตปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น การเคลื่อนที่ของลม อากาศร้อนในทวีปที่แห้งแล้งและเย็นลงเหนือภูมิประเทศที่รุนแรง กระแสอากาศเริ่มเคลื่อนตัวออกจากกัน ทำให้พวกมันเคลื่อนตัว รวมทั้งความชื้นและพลังงานเคลื่อนตัว
ความเป็นไปได้ของนกและเครื่องร่อนที่บินทะยานนั้นผูกติดอยู่กับการพาความร้อน มวลอากาศที่หนาแน่นน้อยกว่าและอุ่นกว่าด้วยความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอใกล้พื้นผิวโลก นำไปสู่การก่อตัวของกระแสน้ำขึ้นซึ่งก่อให้เกิดกระบวนการทะยาน ในการเอาชนะระยะทางสูงสุดโดยไม่ต้องใช้กำลังและพลังงาน นกต้องการความสามารถในการค้นหาลำธารดังกล่าว
ตัวอย่างที่ดีของการพาความร้อนคือการก่อตัวของควันในปล่องไฟและปล่องภูเขาไฟ การเคลื่อนตัวของควันขึ้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่สูงขึ้นและความหนาแน่นต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ เมื่อควันเย็นตัวลง มันก็จะค่อยๆ ตกลงสู่ชั้นล่างของบรรยากาศ เพราะเหตุนี้นั่นเองท่ออุตสาหกรรมซึ่งปล่อยสารอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศถูกสร้างให้สูงที่สุด
ตัวอย่างทั่วไปของการพาความร้อนในธรรมชาติและเทคโนโลยี
ในบรรดาตัวอย่างที่เข้าใจง่ายที่สุดที่สามารถสังเกตได้ในธรรมชาติ ชีวิตประจำวัน และเทคโนโลยี เราควรเน้น:
- การไหลของอากาศระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ทำความร้อนในครัวเรือน
- การก่อตัวและการเคลื่อนที่ของเมฆ
- กระบวนการเคลื่อนที่ของลม มรสุม และลม
- เปลี่ยนแผ่นเปลือกโลก;
- กระบวนการที่ก่อให้เกิดก๊าซอิสระ
ทำอาหาร
ปรากฏการณ์การพาความร้อนเกิดขึ้นจริงในเครื่องใช้ในครัวเรือนสมัยใหม่มากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะในเตาอบ ตู้แก๊สที่มีการพาความร้อนช่วยให้คุณปรุงอาหารได้หลายจานพร้อมกันในระดับต่างๆ ที่อุณหภูมิต่างกัน วิธีนี้จะช่วยขจัดกลิ่นและรสชาติที่ผสมปนเปกัน
เตาอบแบบดั้งเดิมใช้หัวเตาเพียงตัวเดียวในการทำความร้อนในอากาศ ส่งผลให้มีการกระจายความร้อนไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากการไหลเวียนของลมร้อนอย่างมีจุดมุ่งหมายโดยใช้พัดลมแบบพิเศษ ทำให้อาหารในเตาอบพาจะดูชุ่มฉ่ำและอบได้ดีกว่า อุปกรณ์ดังกล่าวร้อนเร็วขึ้นซึ่งช่วยลดเวลาในการปรุงอาหาร
แน่นอน สำหรับแม่บ้านที่ทำอาหารในเตาอบเพียงไม่กี่ครั้งต่อปีหน้าที่ของการพาความร้อนไม่สามารถเรียกได้ว่าเป็นเทคนิคความจำเป็นอันดับแรก อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้ที่ไม่สามารถอยู่ได้โดยปราศจากการทดลองทำอาหาร อุปกรณ์ดังกล่าวจะกลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้เลยในครัว
เราหวังว่าเอกสารที่นำเสนอจะเป็นประโยชน์กับคุณ ขอให้โชคดี!