การถ่ายเทความร้อน

การถ่ายเทความร้อน (อังกฤษ: heat transfer) คือการถ่ายเทของพลังงานความร้อน

การถ่ายเทความร้อนจะมี3รูปแบบดังที่เห็นในรูปซึ่งทั้ง3แบบจะมีความสัมพันธ์กัน

ประโยชน์

การถ่ายเทความร้อน มีความสำคัญในชีวิตประจำวันและอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร ไม่ว่าจะเป็น การใช้ความร้อนในการหุงต้มอาหาร กระบวนการแปรรูปที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและความเย็นในโรงงานแปรรูปอาหาร เช่น กระบวนการแช่เย็น การแช่แข็ง การฆ่าเชื้อโดยใช้ความร้อนการอบแห้ง และการระเหย กระบวนการเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนความร้อนระหว่างผลิตภัณฑ์และตัวกลางให้ความร้อน หรือความเย็นการถ่ายโอนความร้อนเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิระหว่างตำแหน่งสองตำแหน่งในมีค่าแตกต่างกันโดยความร้อนจะถ่ายเทจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปที่มีอุณหภูมิต่ำเสมอ ในตัวกลางหรือระหว่างตัวกลางการถ่ายโอนความร้อน

ชนิด

การถ่ายเทความร้อน สามารถจำแนก ได้ออกเป็น 3 แบบ ดังนี้

การนำความร้อน

การนำความร้อน (อังกฤษ: heat conduction) คือ ปรากฏการณ์ที่พลังงานความร้อนถ่ายเทภายในวัตถุหนึ่ง ๆ หรือระหว่างวัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกัน โดยมีทิศทางของการเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่ตัวกลางไม่มีการเคลื่อนที่ การนำความร้อนเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นบนชั้นอะตอมของอนุภาค เป็นหนึ่งในกระบวนการถ่ายเทความร้อน ในโลหะ การนำความร้อนเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ(คล้ายการนำไฟฟ้า)ในของเหลวและของแข็งที่มีสภาพการนำความร้อนต่ำเป็นผลมาจากการสั่นของโมเลกุลข้างเคียง ในก๊าซ การนำความร้อนเกิดขึ้นผ่านการสั่นสะเทือนระหว่างโมเลกุลหรือกล่าวคือการนำความร้อนเป็นลักษณะการถ่ายเทความร้อนผ่าน โดยตรงจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งโดยการสัมผัสกัน เช่น การเอามือไปจับกาน้ำร้อน จะทำให้ความร้อนจากกาน้ำถ่ายเทไปยังมือ จึงทำให้รู้สึกร้อน เป็นต้น วัสดุใดจะนำความร้อนดีหรือไม่ดี ขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์การนำความร้อน (k)

การพาความร้อน

การพาความร้อน (อังกฤษ: heat convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นได้ ในสสารสองสถานะคือ ของเหลวและก๊าซ เนื่องจากเป็นสิ่งที่สามารถเคลื่อนที่ได้โดยจะมีทิศทางลอยขึ้นเท่านั้น เนื่องจาก เมื่อสสารได้รับความร้อนจะมีการขยายตัว ทำให้ความหนาแน่นต่ำลง และสสารที่มีอุณหภูมิ ต่ำกว่า (ความหนาแน่นสูงกว่า) ก็จะลงมาแทนที่ ปรากฏการณนี้มีตัวอย่างคือ การเกิดลมบก ลมทะเล เป็นต้น การนำความร้อนเป็นการถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลผ่านของแข็งหรือผ่านของไหลที่อยู่กับที่ อันเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่แตกต่างกัน การนำความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ ต่อหน่วยเวลา

 

รูปนี้แสดงให้เห็นถึงการคำนวณการพาความร้อนที่ปกคลุมบนโลก สีใกล้เคียงกับสีแดงเป็นพื้นที่บริเวณร้อนและสีที่ใกล้เคียงกับสีฟ้าเป็นพื้นที่บริเวณที่เย็น

ประเภทของการพาความร้อน

การพาความร้อนแบบธรรมชาติหรือแบบอิสระ (Natural or Free Convection)

-การเคลื่อนที่ของความร้อนระหว่างผิวของของแข็งและของไหล โดยไม่มีกลไกใดๆทำให้ของไหลเคลื่อนที่แต่เกิดจากแรงลอยตัวของของไหลเอง

-แรงลอยตัวเกิดจากผลการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่น ที่มีอุณหภูมิของของไหล แตกต่างกัน ใน 2 บริเวณ

การพาความร้อนแบบบังคับ (Forced Convection)

การเคลื่อนที่ของความร้อนระหว่างผิวของของแข็งและของไหล โดยของ ไหลถูกบังคับให้เคลื่อนที่ไปสัมผัสกับผิวของของแข็งโดยกลไกภายนอก เช่น พัดลม เครื่องสูบ

3.การแผ่รังสีความร้อน (Radiation)

การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) เป็นการถ่ายเทความร้อนออกรอบตัวทุกทิศทุกทาง โดยมิต้องอาศัยตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงาน ดังเช่น การนำความร้อน และการพาความร้อน การแผ่รังสีสามารถถ่ายเทความร้อนผ่านอวกาศได้ วัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า -273 ํC หรือ 0 K (เคลวิน) ย่อมมีการแผ่รังสี วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว เช่น การตากปลาแห้ง ตากเสื่อผ้ากลางแจ้ง ทั้งนี้การแผ่รังสี คือการถ่ายโอนความร้อนโดยไม่ต้องผ่านตัวกลางใดๆ เช่น ความร้อนที่เกิดจากดวงอาทิตย์ถือเป็นความร้อนที่เกิดจากการถ่ายโอนความร้อนโดยการแผ่รังสี โดยที่วัตถุแต่ละชนิดสามารถดูดกลืนความร้อนจากการแผ่รังสีได้ไม่เท่ากัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ

1. สีของวัตถุ วัตถุสีดำหรือสีเข้มดูดกลืนความร้อนได้ดีกว่าวัตถุสีขาวหรือสีอ่อน

2. ผิววัตถุ วัตถุผิวขรุขระดูดกลืนความร้อนได้ดีกว่าวัตถุผิวเรียบและขัดมัน

คุณสมบัติของการแผ่รังสี

เมื่อการแผ่พลังงานไปกระทบกับพื้นผิวของวัตถุ ส่วนหนึ่งเกิดการสะท้อน ส่วนหนึ่งถูกดูดกลืนไว้ และอีกส่วนหนึ่งถูกส่งผ่านวัตถุ

กลไกทางกายภาพ

ประเภทของการแผ่รังสีของคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีอยู่หลายประเภท แต่ในที่นี้จะพูดถึงการแผ่รังสีความร้อนเท่านั้น ซึ่งจะกล่าวได้ว่าผลที่เกิดจากแพร่ด้วยค่าความเร็วของแสง ${\displaystyle 299792458}$  เมตรต่อวินาที ความเร็วนี้เท่ากับผลที่ได้จากความยาวคลื่นและความถี่ของการแผ่รังสี

${\displaystyle C=f\lambda }$ 

เมื่อ C คือความเร็วแสง ซึ่งอยู่ที่ ${\displaystyle 299792458}$  เมตรต่อวินาที, ${\displaystyle \lambda }$  และ ${\displaystyle f}$  คือความยาวคลื่นและความถี่คลื่นตามลำดับ

การถ่ายเทความร้อนในร่างกายมนุษย์

หลักการของการถ่ายเทความร้อนในระบบวิศวกรรมสามารถนำไปใช้กับร่างกายมนุษย์เพื่อที่จะกำหนดวิธีการที่ร่างกายถ่ายโอนความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นในร่างกายโดยการเผาผลาญอย่างต่อเนื่องของสารอาหารที่ให้พลังงานสำหรับระบบของร่างกาย ร่างกายมนุษย์จะต้องรักษาอุณหภูมิภายในที่สอดคล้องกันในการที่จะรักษาการทำงานของร่างกายให้มีสุขภาพดี ดังนั้นความร้อนส่วนเกินจะต้องกระจายออกจากร่างกายเพื่อให้อุณหภูมิภายในร่างกายมีความสมดุล เมื่อมีการออกกำลังกายจะทำให้อัตราการเผาผลาญและอัตราการผลิดความร้อนในร่างกายก็จะเพิ่มขึ้น ร่างกายก็จะมีการถ่ายเทความร้อน ออกจากร่างกายเพื่อปรับสมดุลจึงทำให้ร่างกายมีสุขภาพดี

อ้างอิง

1. เทอร์โม-ความร้อนประยุกต์,รศ.มนตรี พิรุณเกษตร,กรุงเทพ-ซีเอ็ดเคยูชั่น,2539
2. http://mte.kmutt.ac.th/elearning/Internal%20Combustion%20Engine%20Part%20II/page_12_2.htm
3. การถ่ายโอนความร้อนบทที่20 โดยคุณอรอุมา
4. http://physicsworld.nanacity.com/physicsworld/lesson/tran3.htm
5. หนังสือเรื่อง การถ่ายเทความร้อน JACK P.HOLMAN แปลและเรียบเรียงโดย ผศ.ดร.ธนาคม สุนทรชัยนาคแสง บทที่8 หน้า 291
6. หนังสือเรื่อง การถ่ายเทความร้อน JACK P.HOLMAN แปลและเรียบเรียงโดย ผศ.ดร.ธนาคม สุนทรชัยนาคแสง บทที่8 หน้า 289