การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี

ด้ามช้อนอุ่นขึ้นเมื่อจุ่มในชา อากาศเคลื่อนที่เหนือเครื่องทำความร้อน และแสงอาทิตย์ผ่านอวกาศที่เกือบว่างเปล่ามาถึงเรา พลังงานเดินทางผ่านเส้นทางที่ต่างกันทั้งสามนี้ได้อย่างไร?

แช่ปลายช้อนโลหะด้านหนึ่งไว้ในชาร้อน สักพักด้ามช้อนก็อุ่นขึ้น ทั้งที่โลหะไม่ได้ไหลจากถ้วยไปถึงนิ้ว อนุภาคถ่ายโอนพลังงานเมื่อมีอันตรกิริยากับอนุภาคข้างเคียง และในโลหะอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ก็มีบทบาทสำคัญ การถ่ายโอนพลังงานโดยไม่มีการไหลของสารทั้งก้อนนี้เรียกว่าการนำความร้อน บริเวณที่เย็นกว่ารับพลังงานจากบริเวณที่ร้อนกว่า ผลต่างอุณหภูมิจึงค่อย ๆ ลดลง

ทำไมด้ามไม้จึงป้องกันความร้อนถึงนิ้วได้ดีกว่าด้ามโลหะรูปร่างเดียวกัน? พลังงานผ่านวัสดุแต่ละชนิดได้เร็วต่างกัน โลหะมักนำความร้อนได้ดี แต่อากาศที่อยู่นิ่งนำความร้อนได้ไม่ดี รูพรุนของฉนวนกักอากาศไว้และขัดขวางการไหล ลองนึกภาพหุ้มน้ำแข็งด้วยฉนวน น้ำแข็งจะละลายช้าลง การทดลองในใจนี้แสดงว่าฉนวนชะลอการถ่ายโอนทั้งสองทิศ ไม่ได้สร้างความร้อนขึ้นมา

ทีนี้ติดตามสายน้ำที่เติมสีไว้ในภาชนะที่กำลังให้ความร้อน สีนั้นเคลื่อนตามน้ำอุ่น พลังงานจึงไปกับน้ำส่วนนั้น การถ่ายโอนพลังงานภายในด้วยการไหลของของเหลวหรือแก๊สเรียกว่าการพาความร้อน ซึ่งต่างจากการส่งต่อพลังงานตามช้อนที่อยู่นิ่ง ในของแข็งทั่วไป อนุภาคไม่สามารถไหลอย่างอิสระเช่นนี้ได้ ความร้อนยังแพร่ผ่านของแข็งได้ แต่ใช้กลไกอื่น

ทำไมอากาศเหนือเครื่องทำความร้อนจึงมักลอยขึ้น? เมื่อร้อนขึ้น อากาศขยายตัว มวลเท่าเดิมจึงกินปริมาตรมากขึ้นและมีความหนาแน่นลดลง ตัวกลางรอบ ๆ ที่หนาแน่นกว่าในสนามโน้มถ่วงดันอากาศส่วนนี้ขึ้น คล้ายกับน้ำดันวัตถุที่หนาแน่นน้อยกว่าให้ลอย อากาศเย็นกว่าเข้ามาแทนที่ นี่คือการพาความร้อนแบบธรรมชาติ หากไม่มีแรงโน้มถ่วง การลอยขึ้นแบบนี้จะไม่เกิด คำอธิบายนี้ยังต้องมีเงื่อนไขว่าการให้ความร้อนทำให้ความหนาแน่นลดลงด้วย

ถ้าต้องการให้อากาศร้อนเคลื่อนลงล่างล่ะ? พัดลมสร้างกระแสให้สวนทางกับการลอยขึ้นตามธรรมชาติได้ ปั๊มก็ทำเช่นเดียวกันกับน้ำในระบบทำความร้อน นี่คือการพาความร้อนแบบบังคับ อุปกรณ์ภายนอกทำให้ตัวกลางเคลื่อนที่ ทั้งแบบธรรมชาติและแบบบังคับต่างพาพลังงานไปกับสาร แต่สาเหตุที่เกิดการไหลต่างกัน ดังนั้น อากาศไม่ได้เคลื่อนที่เพราะร้อนกว่ารอบข้างเสมอไป

ระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกไม่มีสารต่อเนื่องที่จะส่งพลังงานจากอนุภาคหนึ่งสู่อีกอนุภาคหนึ่ง จึงต้องมีกลไกที่สาม การแผ่รังสีความร้อนพาพลังงานไปด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเดินทางผ่านสุญญากาศได้ วัตถุทั้งปล่อยและดูดกลืนรังสี เมื่อสมดุล การถ่ายโอนทั้งสองทางหักล้างกัน ตอนนี้คำว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” ใช้เรียกวิธีส่งพลังงานนี้ก่อน เราจะเรียนกลไกโดยละเอียดภายหลัง

วางพื้นผิวสีอ่อนและสีเข้มที่เหมือนกันในด้านอื่นไว้กลางแดด ถ้าผิวสีเข้มดูดกลืนแสงที่ตกกระทบมากกว่า โดยเงื่อนไขอื่นเท่ากัน ผิวนั้นจะร้อนขึ้นมากกว่า พลังงานที่สะท้อนออกไปไม่ได้เข้าสู่วัตถุ ผิวมันวาวมักสะท้อนได้ดี แต่สีที่ตามองเห็นเกี่ยวกับแสงที่มองเห็นเท่านั้น ไม่ได้บอกโดยอัตโนมัติว่าวัสดุดูดกลืนรังสีความร้อนที่มองไม่เห็นอย่างไร จึงต้องพิจารณาสมบัติผิวให้ตรงกับรังสีที่กำลังเปรียบเทียบ

จะเปรียบเทียบฉนวนสองชนิดอย่างยุติธรรมได้อย่างไร? ใช้ภาชนะเหมือนกัน น้ำปริมาณเท่ากัน อุณหภูมิเริ่มต้นเท่ากัน และสภาพแวดล้อมเดียวกัน เปลี่ยนเฉพาะฉนวนแล้วเทียบการเย็นลงในเวลา t เท่ากันซึ่งวัดเป็นวินาที น้ำปริมาณเท่ากันที่อุณหภูมิลดลงน้อยกว่าสูญเสียพลังงานน้อยกว่า ในภาชนะจริง การนำ การพา และการแผ่รังสีอาจเกิดพร้อมกัน ชั้นฉนวนที่ดีเพียงชั้นเดียวจึงอาจปิดทุกเส้นทางไม่ได้

ทำไมกระติกจึงต้องมีช่องสุญญากาศ ผนังสะท้อนรังสี และจุกปิดแน่น?

เริ่มจากแจกแจงเส้นทางพลังงาน: ผ่านแก๊สระหว่างผนัง แผ่รังสีระหว่างพื้นผิว และผ่านคอกระติกกับส่วนเชื่อมต่อที่เป็นของแข็ง

ช่องสุญญากาศมีอนุภาคน้อยมาก จึงลดการนำความร้อนผ่านแก๊สและการพาความร้อนได้มาก แต่รังสีผ่านสุญญากาศได้ จึงต้องมีผนังสะท้อนรังสีด้วย

จุกที่ปิดแน่นจำกัดการถ่ายโอนผ่านคอกระติก แต่ส่วนเชื่อมต่อที่เป็นของแข็งยังนำพลังงานได้ เมื่อเวลาผ่านไปนาน อุณหภูมิภายในจึงเปลี่ยน

ส่วนต่าง ๆ ของกระติกลดการถ่ายโอนความร้อนคนละเส้นทาง จึงรักษาได้ทั้งความร้อนและความเย็น แต่ไม่ได้ตัดการถ่ายโอนได้ตลอดไป

ในการนำความร้อน พลังงานส่งต่อระหว่างอนุภาค ส่วนการพาความร้อน ตัวของเหลวหรือแก๊สเคลื่อนที่ไปด้วย

การลอยขึ้นเองของตัวกลางที่ร้อนขึ้นเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นและแรงโน้มถ่วง ส่วนปั๊มหรือพัดลมสร้างการไหลด้วยอีกวิธี

รังสีผ่านสุญญากาศได้ การเอาอากาศออกจึงยังไม่ใช่ฉนวนความร้อนที่สมบูรณ์

ต่อไปเราจะคำนวณพลังงานที่ต้องใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิตามที่กำหนด