วิชาวิทยาศาสตร์

กลไกการถ่ายเทความร้อน

พลังงานความร้อนสามารถถ่ายเทจากสสารหนึ่งไปยังอีกสสารหนึ่ง โดยมีสื่อตัวกลางหรือไม่มีก็ได้ เราแบ่งกลไกการถ่ายเทความร้อนออกเป็น 3 ประเภท ดังนี้  การนำความร้อน (Conduction) เป็นการถ่ายเทความร้อนจากโมเลกุลไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่งที่อยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จากอุณหภูมิสูงไปสู่อุณหภูมิต่ำ ยกตัวอย่างเช่น หากเราจับทัพพีในหม้อหุงข้าว ความร้อนจะเคลื่อนที่ผ่านทัพพีมายังมือของเรา ทำให้เรารู้สึกร้อน โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดี อโลหะและอากาศเป็นตัวนำความร้อนที่เลว การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนด้วยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสสาร ซึ่งมีสถานะเป็นของเหลวและแก๊ส  ส่วนของแข็งมีการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อนและการแผ่รังสีเท่านั้น การพาความร้อนส่วนมากมักเกิดขึ้นในบรรยากาศและมหาสมุทร รวมทั้งแมกมาและโลหะเหลวภายในโลก และแก๊สร้อนในดวงอาทิตย์ การแผ่รังสี (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงานดังเช่นการนำความร้อนและการพาความร้อน  การแผ่รังสีจึงสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้  วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273°C หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาวตามกฎของวีน  ภาพที่ 1 การถ่ายเทความร้อน         ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของวัฏจักรการพาความร้อน การแผ่รังสีจากกองไฟทำให้เกิดความร้อนที่ก้นหม้อน้ำด้านนอก โลหะทำให้เกิดการนำความร้อนเข้าสู่ภายในหม้อ ทำให้น้ำที่อยู่เบื้องล่างร้อนและขยายตัว มีความหนาแน่นต่ำจึงลอยขึ้นสู่ข้างบน ส่วนน้ำเย็นความหนาแน่นสูงซึ่งอยู่ด้านบนเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ เมื่อน้ำเย็นที่เคลื่อนลงมาได้รับความร้อนเบื้องล่าง ก็จะลอยขึ้นหมุนวนเป็นวัฏจักรต่อเนื่องกันไป ซึ่งเรียกว่า “เซลล์การพาความร้อน” (Convection cell)  เซลล์การพาความร้อนที่เกิดขึ้นในธรรมชาติได้แก่ การหมุนเวียนของเหล็กเหลวในแก่นชั้นนอกของโลก กระบวนการธรณีแปรสัณฐาน  สายพานยักษ์ของกระแสน้ำลึกในมหาสมุทร  วัฏจักรน้ำบนพื้นผิวโลก  กระแสลมและความกดอากาศ  กระแสอากาศในเมฆคิวมูโลนิมบัส  บรรยากาศชั้นโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์  แถบเข็มขัดเมฆบนดาวพฤหัสบดี เป็นต้น   ภาพที่ 2 เซลล์การพาความร้อนในบรรยากาศโลก         ในการศึกษาระบบโลกและอุตุนิยมวิทยาจะเน้นเรื่องกลไกการแผ่รังสีและการพาความร้อน ทั้งนี้เนื่องจากดวงอาทิตย์ถ่ายเทพลังงานจากดวงอาทิตย์มาสู่โลกโดยการแผ่รังสี  พื้นผิวโลกและบรรยากาศแต่ละชั้นดูดกลืนรังสีคลื่นสั้นแต่ละชนิดแล้วแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นมากกว่าออกมา เมื่อน้ำและอากาศได้รับพลังงานความร้อน ก็จะเคลื่อนที่ด้วยการพาความร้อน ทำให้เกิดหมุนเวียนของอากาศในภาพที่ 2