อุณหภูมิคือปริมาณที่บอกถึงความร้อนหรือเย็นของวัตถุ เทอร์โมมิเตอร์คือเครื่องมือวัดอุณหภูมิ สร้างโดย กาลิเลโอ ในปี 1602 สร้างมาจากปรอทหรือแอลกอฮอล์ผสมสี แล้วบรรจุในหลอดขนาดแก้วมีเสกลบอกตัวเลขเมื่อ มีการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุไปยังเทอร์โมมิเตอร์ปรอทจะขยายตัวขึ้นไปบนหลอด ยิ่งร้อนมากปรอทจะขยายตัวไปยังเสกลที่สูงขึ้นแสดงว่าอุณหภูมิสูง
หน่วยของอุณหภูมิหนึ่งที่นิยมคือองศาเซลเซียส นับ 0 องศาเซลเซียสที่จุดเยือกแข็งของน้ำและ 100 องศาเซลเซียสที่จุดเดือดของน้ำ แล้วแบ่งอุณหภูมิเป็นร้อยส่วน
รูปที่ 1 ความรู้สึกของคนเราแยกแยะความร้อนได้ไม่ดี
หน่วยที่นิยมในวงการวิทยาศาสตร์คือเคลวิน โดยที่ 0 องศาเคลวินคืออุณหถูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้ ซึ่งเท่ากับ -273 ํC องศาเซลเซียสและองศาเคลวินมีขนาดเท่ากัน จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งมีค่าเป็น 273 ํK
จุดเดือดของน้ำ 373 ํK
กราฟที่ 1 เปรียบเทียบมาตรวัดอุณหภูมิแต่ละหน่วย
อุณหภูมิเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมและโมเลกุลในสสาร โมเลกุลมีการการหมุนและการสั่นระหว่างการเคลื่อนที่ได้แต่การหมุนและการสั่นนั้นไม่มีผลต่ออุณหภูมิ ตัวอย่างที่เห็นชัดเจนคือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำในอาหารซึ่งหุงต้มด้วยเตาไมโครเวฟ คลื่นไมโครเวฟทำให้โมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่จนเกิดความร้อน การหมุนและการสั่นของโมเลกุลน้ำไม่มีผลต่อความร้อนของน้ำ
การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำ เทียบได้กับการเคลื่อนที่ของเศษกระดาษชิ้นเล็กชิ้นน้อย ปลิวว่อนเนื่องจากโดนพัดลมเป่า เมื่อโมเลกุลแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่มาชนกันมันจะถ่ายเทพลังงานต่อกันทำให้เกิดความร้อนขึ้น
อย่าลืมครับว่าอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์คืออุณหภูมิของตัวมันเอง การที่สสารสองอันมาอยู่ติดกันมันจะถ่ายเทความร้อนไปถึงกันจนกระทั่งความร้อนเท่ากันจึงหยุดถ่ายเทความร้อน ดังนั้นสสารที่เราวัดอุณหภูมิต้องเสียความร้อนส่วนหนึ่งไปให้เทอร์โมมิเตอร์ อุณหภูมิที่วัดได้จึงไม่ใช่อุณหภูมิที่แท้จริงของสสารที่เราวัดแต่เป็นอุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์ เราจึงควรเลือกเทอร์โมมิเตอร์ที่มีขนาดไม่ใหญ่เกินกว่าสสารที่วัดมากเกินไป อย่างเช่น เทอร์โมมิเตอร์ขนาดปกติพอดีกับการวัดอุณหภูมิห้อง แต่มันใหญ่เกินไปที่จะวัดอุณหภูมิของหยดน้ำ เป็นต้น
ความร้อน
ถ้าเราจับถังน้ำร้อนจะมีความร้อนแผ่มายังมือเนื่องจากถังน้ำร้อนอุณหภูมิสูงกว่ามือ เมื่อเราจับก้อนน้ำแข็งความร้อนของเราจะถูกถ่ายทอดไปยังก้อนน้ำแข็งเราจึงรู้สึกเย็น การถ่ายทอดพลังงานลักษณะนี้เกิดขึ้นโดยตรงระหว่างวัตถุอุณหภูมิต่างกันที่อยู่ติดกัน
อุณหภูมิที่ต่างกันนี้เรียกว่าความร้อน
สิ่งสำคัญอย่างหนึ่งคือต้องคิดไว้เสมอว่าวัตถุไม่ได้เก็บความร้อน แต่มันเก็บพลังงานจลน์และพลังงานศักดิ์ของโมเลกุล ความร้อนคือพลังงานของการส่งผ่านความร้อนจากที่อุณหภูมิสูงไปยังที่อุณหภูมิต่ำ
ความร้อนนอกจากขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างวัตถุแล้วยังขึ้นอยู่กับปริมาณด้วย เช่น น้ำร้อน 1 ถังร้อนกว่า น้ำร้อน 1 แก้ว เป็นต้น
ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity)
บางทีเรากินอาหารบางอย่างเรารู้สึกว่ามันร้อนนานมาก อย่างเช่นมันเผาแต่บางอย่างก็เย็นเร็วเช่น เนื้อย่าง เนื่องจากวัตถุแต่ละอย่างมีความจุความร้อนจำเพาะแตกต่างกัน เราพบว่าเราใช้เวลาต้มน้ำให้เดือด 15 นาที แต่ใช้เวลาแค่ 2 นาทีที่เตาเดียวกันทำให้เหล็กปริมาณเท่าน้ำอุณหภูมิสูงขึ้นเท่าน้ำและ 1 นาทีสำหรับโลหะเงิน
วัตถุแต่ละอย่างดูดกลืนความร้อนต่างกัน เช่นน้ำ 1 g ดูดกลืนพลังงานความร้อน 1 แคโรรี่ เพื่อที่จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 ํC สำหรับเหล็ก 1 g ดูดกลืนพลังงานความร้อน 1/8 แคโรรี่ เพื่อที่จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 ํC
สรุปได้ว่าน้ำดูดกลืนความร้อนมากกว่า หรือจะเรียกอีกอย่างว่าน้ำมีความจุความร้อนมากกว่า
ความจุความร้อนจำเพราะสูงของน้ำ (The High Specific Heat Capacity of Water)
น้ำมีความจุความร้อนสูง จึงใช้เป็นตัวหล่อเย็นได้ดี เช่นหล่อเย็นเครื่องยนต์ เครื่องจักร เป็นต้น นอกจากนั้นนำยังจุความร้อนได้ยาวนาน ทวีปยุโรปได้รับแสงแดดเท่าๆกับแคนนาดา แต่แคนาดาหนาวกว่ามากเพราะกระแสน้ำกอร์ฟซึ่งไหลมาจากตะวันออกเหนือแถบทะเลแคริเบียนพาความอบอุ่นมากับกระแสน้ำ ทำให้ยุโรปมีความอบอุ่นไม่หนาวเย็นเกินไป
รูปที่ 2 กระแสน้ำร้อนและน้ำเย็นหมุนวนในโลก
การกระจายความร้อน (Thermal Expansion)
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นโมเลกุลของสสารก็เคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้วัตถุนั้นขยายตัวออก และถ้าอุณหภูมิลดลงวัตถุก็จะหดตัวเข้า การขยายตัวและหดตัวของของแข็งสังเกตได้ไม่ชัดเจนนัก และถ้าเป็นแก้วการหดและขยายตัวของแก้วทำให้แก้วแตก โดยเฉพาะแก้วหนาๆ
การใช้วัสดุต่างๆต้องคำนึงถึงการขยายและหดตัวเนื่องจากความร้อน เช่น หมอฟันใช้วัสดุที่มีอัตราการขยายและหดตัวเท่ากับฟันมาใช้อุดฟัน ลูกสูบอลูมิเนียมในเครื่องยนต์มีขนาดเล็กกว่าท่อเครื่องยนต์เพื่อรองรับการขยายตัวของลูกสูบอลูมิเนียม ถนนทุกสายมีอัตราการขยายตัวเท่ากับอัตราการขยายตัวของเหล็กเส้นที่นำมาทำถนน สะพานเหล็กมีช่องว่างเผื่อตอนสะพานขยายตัว ในฤดูร้อน พื้นคอนกรีตแต่ละบล็อกมีช่องวางเผื่อการขยายตัวในฤดูร้อน ช่องว่างนี้ถูกสมานไว้ด้วยน้ำมันดิบ
a.
b.
รูปที่ 3 a. ช่องว่างเพื่อรองรับการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของถนน
b. รางรถไฟขยายตัวเนื่องจากความร้อน
อุปกรณ์ไฟฟ้าเทอร์โมสเตตใช้งานสำหรับอุปกรณ์หลายอย่าง เช่นหม้อหุงข้าว เตารีด ใช้วัสดุสองชนิดที่มีการขยายตัวต่างกันมาประกบกันอันบนทำจากทองเหลืองซึ่งขยายและหดตัวได้เร็วกว่าเหล็ก ในอุณหภูมิห้องวัตถุทั้งสองนี้จะอยู่ปกติไม่มีการหดหรือขยาย แต่เมื่อมีความร้อนสูงเช่น เตารีดที่กำลังร้อนจัด ทองเหลืองจะขยายตัวดันให้เหล็กไปผลักสวิสให้หยุดจ่ายไฟฟ้า จากนั้นเตารีดก็จะเย็นตัวลง แต่ถ้าเย็นลงมากทองเหลืองซึ่งหดตัวได้ดีกว่าเหล็กจะหดตัวไปกดสวิสให้เริ่มจ่ายไฟอีก การทำงานกลับไปกลับมาดังที่กล่าวมานี้ทำให้เราควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงที่ต้องการได้ในที่สุด
a.
b.
รูปที่ 4 a. ภาพจำลองการทำงานเทอร์โมสเตต
b. ลูกปิงปองที่บุบกลับมากลมใหม่เมื่อเอาไปต้ม
การขยายตัวของน้ำ (Expansion of Water)
น้ำจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนแต่สิ่งที่น่าสนใจคือ น้ำจะไม่ขยายตัวถ้าอุณหภูมิอยู่ในช่วง 0 ํC
ถึง 4 ํC มีบางสิ่งน่าแปลกใจในช่วงอุณหภูมิที่ว่านี้ โครงสร้างผลึกของน้ำจะเป็นโครงสร้างแบบหลวม
ทำให้มีปริมาตรมากกว่าน้ำในสถานะของเหลว ผลคือน้ำแข็งมีความหนาแน่น้อยกว่าน้ำในสถานะของเหลวทำให้น้ำแข็งลอยในน้ำ
เมื่อน้ำแข็งละลาย โครงสร้างผลึกจะถูกทำลาย ไปรวมกันในน้ำทำให้น้ำมีปริมาตรมากขึ้น
ที่อุณหภูมิ 0 ํC น้ำมีทั้งละลายและก็ถึงจุดเยือกแข็งไปพร้อมๆกัน เมื่ออุณหภูมิถึง 4 ํC น้ำส่วนใหญ่ละลาย
รูปที่ 5 น้ำในสถานะของเหลว ของแข็ง และผลึกน้ำแข็ง ตามลำดับ
Home
