การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นได้อย่างไร ?

ทุกคนรู้อยู่แล้วว่า ขวดน้ำเย็นจะอุ่นขึ้นถ้าเราวางทิ้งไว้ในที่ที่มีอากาศร้อน และถ้าเรานำขวดน้ำเย็นไปแช่ตู้เย็น น้ำก็จะเย็นขึ้น และเรายังรู้อีกว่าความร้อนจะส่งผ่านจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ปรากฏการณ์นี้ทางวิทยาศาสตร์เรียกว่า “การถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer)”

กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ (The first law of thermodynamics) รู้กันในหลักการที่ว่า “กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Conservation of energy)” กล่าวว่า “พลังงานไม่มีทางถูกสร้างหรือสูญสลายเพียงแต่เปลี่ยนไปอยู่ในรูปของพลังงานอื่นเท่านั้น”

จากคำกล่าวนี้จึงเขียนสมการได้ว่า

(E_in) – (E_out) = (ΔE_system)

• E_in  = พลังงานที่ใส่ให้กับระบบ
• E_out  = พลังงานที่ระบบปล่อยออกไป
• ΔE_system = พลังงานที่เปลี่ยนแปลงในระบบ

ระบบปิด(Close Systems) หมายถึง ระบบที่มวลไม่เปลี่ยนแปลง เช่น กระป๋องน้ำอัดอุณหภูมิ 12°C วางไว้ที่อุณหภูมิห้อง 25°C เมื่อเวลาผ่านไป กระป๋องน้ำอัดลมอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 20°C

จากตัวอย่าง กระป๋องน้ำอัดลมมีมวลของน้ำเท่าเดิมไม่เปลี่ยนไปจากตอนแรกที่ตั้งไว้ แต่ได้รับความร้อนจากภายนอกซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่า(25°C) จึงทำให้กระป๋องน้ำอัดลมอุณหภูมิสูงขึ้นเป็น 20°C (น้ำร้อนขึ้น)

เราสามารถเขียนสมการได้ว่า

(E_in) – (E_out) = (ΔE_system)

ΔU = mc_vΔT

หรือ

Q = mc_vΔT

• ΔU =  พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงไป หรือ ΔE_system
• Q =  พลังงานความร้อน (kJ)
• m =  มวลของระบบ (kg)
• c_v =  ความจุความร้อนจำเพาะ (kJ/kg.K) 
• ΔT =  อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป (K)

Steady-Flow System คือ ระบบที่มีการไหลคงที่มวลที่ไหลเข้าเท่ากับมวลที่ไหลออก เช่น ท่อน้ำประปามีน้ำไหลอยู่ภายในท่อ ซึ่งน้ำที่ไหลเข้าทางต้นท่อก็จะเท่ากับน้ำที่ไหลออกทางปลายท่อเช่นกัน ระบบนี้เรียกว่า Steady-Flow System

เราสามารถเขียนสมการได้ว่า

Q̇ = ṁc_vΔT

• ΔU =  พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงไป หรือ ΔE_system
• Q̇ =  อัตราการถ่ายเทพลังงานความร้อน (kJ/s)
• ṁ =  อัตราการไหลของมวล (kg/s)
• c_v =  ความจุความร้อนจำเพาะ (kJ/kg.K) 
• ΔT =  อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป (K)

การถ่ายเทความร้อนจากบริเวณหนึ่งสู่อีกบริเวณหนึ่ง สามารถทำได้ 3 วิธีคือ

1. การนำความร้อน (Conduction)
2. การพาคววามร้อน (Convection)
3. การแผ่รังสีความร้อน (Radiation)

เป็นการส่งผ่านความร้อนซึ่งต้องอาศัยตัวกลาง (medium) ได้แก่ ของแข็ง (Solid), ของเหลว (Liquid) และ แก๊ส (Gas) โดยตัวกลางนั้น มีลักษณะอยู่นิ่ง รูปร่างคงที่

เช่น

• การใช้ตะเกียบโลหะคีบหมูกระทะ แล้วรู้สึกร้อนที่มือ เนื่องจากตะเกียบโลหะได้รับความร้อนและส่งความร้อนมาที่มือของเรา
• อากาศนิ่ง (Static Air) ซึ่งอยู่ระหว่างกระจกอาคาร ก็ถือว่าเป็นการนำความร้อนเช่นกัน

อย่างที่เรารู้กันอยู่ว่า ถ้าจะกินหมูกระทะเราควรใช้ตะเกียบไม้แทนที่จะใช้ตะเกียบโลหะ เพราะตะเกียบไม้จะไม่ร้อน ส่วนตะเกียบโลหะจะร้อน แล้วเรารู้ไหมว่า เพราะอะไร?

สิ่งที่ทำให้ตะเกียบทั้ง 2 ชนิดนี้แตกต่างกันคือค่าการนำความร้อน (K-Value) ซึ่งจะบอกว่าความร้อนสามารถส่งผ่านไปที่อีกฝั่งหนึ่งได้มากขนาดไหน ซึ่งจะขึ้นกับชนิดของวัสดุ

• ถ้ามีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสูง หมายความว่า สามารถส่งความร้อนไปได้มาก
• ถ้าค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนต่ำ หมายความว่า สามารถส่งผ่านความร้อนไปได้น้อย

จากตัวอย่างจึงสามารถบอกได้ว่า ตะเกียบ “โลหะ” มีค่าการนำความร้อนสูง ตะเกียบ “ไม้” มีค่าการนำความร้อนต่ำ

ซึ่งเราสามารถคำนวณหาอัตราการนำความร้อนได้จาก

Q̇_cond = k_cond x A x (T₁ -T₂) /Δx

• Q̇_cond = อัตราการนำความร้อน (kJ/s)
• k_cond = สัมประสิทธิ์การนำความร้อน
• A = พื้นที่ส่วนที่ถ่ายเทความร้อน (m²)
• T₁ = อุณหภูมิที่ 1 (K)
• T₂ = อุณหภูมิที่ 2 (K)
• Δx = ความหนาของตัวกลาง (m)

จากตัวอย่างนี้ เราจะเห็นได้ว่า ถ้าค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนยิ่งต่ำ อุณหภูมิอีกฝั่งก็จะต่ำลง เราจึงมีตัวแปรอีกค่าหนึ่งที่เรียกว่า “สัมประสิทธิ์การต้านทานความร้อน (R-Value)”

ตัวแปรที่ตรงข้ามกับค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน (K-Value)

• ถ้าสัมประสิทธิ์การต้านทานความร้อนสูง หมายถึง ตัวกลางนั้นยอมให้ความร้อนผ่านได้น้อย
• ถ้าสัมประสิทธิ์การต้านทานความร้อนต่ำ หมายถึง ตัวกลางนั้นยอมให้ความร้อนผ่านได้มาก

กระบวนการพาความร้อนเป็นกระบวนการที่อาศัยตัวกลางที่มีการเคลื่อนที่ ได้แก่ ของเหลว (Liquid) และ แก๊ส (Gas) โดยส่วนที่มีอุณหภูมิสูงจะลอยตัวขึ้นด้านบน และส่วนที่อุณหภูมิต่ำลดตัวลงด้านล่างดั่งที่เคยได้ยินติดหูว่า “อากาศร้อนลอยตัวสูงขึ้น อากาศเย็นลอยตัวต่ำลง”

เช่น

• น้ำชาซึ่งต้มอยู่ภายในแก้ว เราจะเห็นใบชาหมุนวนในแนวดิ่ง
• ลมจากคอมเพรสเซอร์แอร์ ซึ่งค่อนข้างร้อน

ซึ่งการพาความร้อนนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของการพาความร้อน ถ้าเป็นอากาศเย็น เราจะจำแนกได้เป็น

1. Free Convection (Natural Convection)
2. Force Convection

ตัวอย่าง ในวันที่อากาศร้อนมากและเราได้ไปออกกำลังกายมา ถ้าหากเราอยู่เฉยๆ เราเรียกว่า “Free Convection” แต่ถ้าเราบอกร้อน ไม่ไหวแล้วต้องเปิดพัดลมช่วย เราเรียกว่า “Force Convection”

ตัวแปรค่านี้เป็นส่วนที่บอกเราว่า สภาพแวดล้อม ณ ขณะนั้นสามารถพาความร้อนออกไปได้เท่าไหร่

• ถ้าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนมีค่ามาก หมายความว่า ของไหลพาความร้อนออกไปได้มาก
• ถ้าสถ้าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนมีค่าน้อย หมายความว่า ของไหลพาความร้อนออกไปได้น้อย

เราสามารถคำนวณอัตราความร้อนจากการพาความร้อนได้จาก Newton’s law of cooling

Q̇_conv = h_conv A_s (T_s -T_∞)

• Q̇_conv = อัตราการพาความร้อน (kJ/s)
• _hconv = สัมประสิทธิ์การพาความร้อน
• A_s = พื้นที่ผิวส่วนที่เกิดการพาความร้อน (m²)
• T_s = อุณหภูมิผิววัตถุ (K)
• T_∞ = อุณหภูมิของไหล (K)

จากตัวอย่างนี้เราสามารถบอกได้ว่า ปริมาณของความร้อนผ่านการพาความร้อนขึ้นอยู่กับค่าของ

1. _hconv ค่าสัมประสิทธิ์ของการพาความร้อน
2. A_s พื้นที่ผิว
3. T_∞ อุณหภูมิของของไหล

การแผ่รังสีความร้อนเป็นการปล่อยพลังงานในรูปแบบของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่ต้องอาศัยตัวกลาง สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

เช่น

• การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์มาที่โลกผ่านอวกาศซึ่งเป็นสุญญากาศ

วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 เคลวิล (K) จะมีการปล่อยรังสีความร้อนและดูดซับรังสีความร้อน เราสามารถคำนวณค่าการแผ่รังสีความร้อนได้จาก Stefan-Boltzmann law (กฎของสเตฟาน-โบลทซ์มานน์)

Q̇_rad = εσA_s T⁴_s

• Q̇_rad = อัตราการแผ่ความร้อน
• ε = สัมประสิทธิ์การแผ่ความร้อน
• σ = พื้นที่ผิวส่วนที่เกิดการพาความร้อน (m²)
• A_s = พื้นที่ผิวการแผ่รังสีความร้อน
• T_s = อุณหภูมิผิววัตถุ (K)

โดยปกติ ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อนจะมีค่าน้อยกว่า 1 ส่วนวัตถุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อนเท่ากับ 1 เราจะเรียกวัตถุนั้นว่า “วัตถุดำ หรือ Blackbody” และจะเป็นวัตถุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อนมากที่สุด

การแผ่รังสีความร้อนเป็นการปล่อยพลังงานในรูปแบบของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งไม่ต้องอาศัยตัวกลาง สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้

เช่น

• การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์มาที่โลกผ่านอวกาศซึ่งเป็นสุญญากาศ

วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 เคลวิล (K) จะมีการปล่อยรังสีความร้อนและดูดซับรังสีความร้อน เราสามารถคำนวณค่าการแผ่รังสีความร้อนได้จาก Stefan-Boltzmann law (กฎของสเตฟาน-โบลทซ์มานน์)

Q̇_rad = εσA_s T⁴_s

• Q̇_rad = อัตราการแผ่ความร้อน
• ε = สัมประสิทธิ์การแผ่ความร้อน
• σ = พื้นที่ผิวส่วนที่เกิดการพาความร้อน (m²)
• A_s = พื้นที่ผิวการแผ่รังสีความร้อน
• T_s = อุณหภูมิผิววัตถุ (K)

โดยปกติ ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อนจะมีค่าน้อยกว่า 1 ส่วนวัตถุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อนเท่ากับ 1 เราจะเรียกวัตถุนั้นว่า “วัตถุดำ หรือ Blackbody” และจะเป็นวัตถุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อนมากที่สุด

การส่งผ่านความร้อน (Heat Transfer) เป็นการส่งผ่านความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยทำได้ 3 วิธี คือ

1. การนำความร้อน
2. การพาความร้อน
3. การแผ่รังสีความร้อน

โดยที่การนำความร้อนและการพาความร้อนต้องอาศัยตัวกลางเพื่อส่งผ่านความร้อน ส่วนการแผ่รังสีความร้อนนั้นไม่ต้องใช้ตัวกลาง

การคำนวณเพื่อนำไปวิเคราะห์ข้อมูลทางความร้อนนั้นไม่สามารถใช้อย่างใดอย่างหนึ่งได้ เพราะในความเป็นจริงการถ่ายเทความร้อน เกิดทั้ง 3 รูปแบบพร้อมกัน และอยู่ในรูปแบบของ 3 มิติ (ทุกทิศทาง) ซึ่งเป็นเรื่องที่ท้ายทายอย่างมาก

แต่การมีความรู้พื้นฐานที่ถูกต้องก็สามารถนำไปวิเคราะห์และ คาดการณ์ได้อย่างเป็นเหตุเป็นผลนับว่ามีประโยชน์อย่างมาก

Source : Heat and Mass Transfer fundamentals & Application fifth edition Book

ติดตามข่าวสาร

• Facebook : https://www.facebook.com/3tinsulation/
• Website : https://3t-insulation.com/