อุณหภูมิคืออะไร

อุณหภูมิคือเป็นตัวชี้วัดความร้อนหรือความเย็น ซึ่งเป็นการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในวัตถุซึ่งเป็นพลังงานประเภทหนึ่ง คำว่าร้อนและเย็นไม่ใช่ศัพท์ทางวิทยาศาสตร์มากนัก

ถ้าเราต้องการระบุว่าของร้อนหรือเย็นจริงๆ เราต้องใช้คำว่า “อุณหภูมิ” ตัวอย่างเช่นเหล็กละลายร้อนแค่ไหน? เพื่อตอบคำถามนี้นักวิทยาศาสตร์จะวัดโลหะเหลว การใช้อุณหภูมิแทนคำเช่นร้อนหรือเย็นจะช่วยลดความสับสน

คำจำกัดความของอุณหภูมิคือ:

• ระดับความร้อนหรือความเย็นของวัตถุ ร่างกายหรือสิ่งแวดล้อม
• ระดับพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคของสสารซึ่งแสดงในรูปของหน่วยองศาที่กำหนดในมาตรฐาน
• การวัดความสามารถของสารหรือโดยทั่วไปของระบบทางกายภาพใดๆ ในการถ่ายโอนพลังงานความร้อนไปยังระบบทางกายภาพอื่น

ความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานที่สามารถถ่ายโอนระหว่างระบบหรือวัตถุอันเป็นผลมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิ เป็นการรวมตัวกันของพลังงานภายในของสารที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรืออนุภาคของมัน พูดง่ายๆ ก็คือ ความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า หากสนใจอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความร้อนคืออะไร

การถ่ายเทความร้อน (Heat Transfer)

การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นผ่านกลไกหลักสามประการ ได้แก่ การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี แต่ละกลไกเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า แต่กลไกเหล่านั้นมีการดำเนินการในลักษณะที่แตกต่างกัน

1. การนำ (Conduction):

การนำความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนโดยการสัมผัสอนุภาคภายในสารโดยตรง โดยหลักแล้วจะเกิดขึ้นในของแข็งซึ่งมีอนุภาครวมตัวกันอย่างใกล้ชิด

• กระบวนการ: เมื่อส่วนหนึ่งของวัสดุแข็งได้รับความร้อน อนุภาคของวัสดุจะได้รับพลังงานจลน์และสั่นสะเทือนเร็วขึ้น อนุภาคที่สั่นเหล่านี้ชนกับอนุภาคข้างเคียง และถ่ายเทพลังงานไปตามวัสดุ
• ตัวอย่าง: หากคุณให้ความร้อนปลายด้านหนึ่งของแท่งโลหะ ปลายอีกด้านหนึ่งจะอุ่นขึ้นในที่สุดเมื่อความร้อนถูกพาผ่านโลหะ

2. การพาความร้อน (Convection):

การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคของไหลนั่นเอง

• กระบวนการ: เมื่อของเหลวได้รับความร้อน อนุภาคของของเหลวจะได้รับพลังงานและเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้ของเหลวขยายตัวและมีความหนาแน่นน้อยลง ของเหลวที่อุ่นกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่าจะเพิ่มขึ้น และของเหลวที่เย็นกว่าและมีความหนาแน่นมากขึ้นจะลงมา ทำให้เกิดการไหลเวียนอย่างต่อเนื่องที่เรียกว่ากระแสการพาความร้อน
• ตัวอย่าง: น้ำเดือดในหม้อแสดงให้เห็นถึงการพาความร้อนเมื่อน้ำร้อนเพิ่มขึ้นและน้ำเย็นลงใกล้พื้นผิวจม

3. การแผ่รังสี (Radiation):

การแผ่รังสีคือการถ่ายเทความร้อนผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ต่างจากการนำและการพาความร้อน รังสีไม่ต้องการตัวกลาง (เช่น อากาศหรือน้ำ) และสามารถเกิดขึ้นในสุญญากาศได้

• กระบวนการ: วัตถุทั้งหมดที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์จะปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ปริมาณและชนิดของรังสีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุ เมื่อรังสีนี้สัมผัสกับวัตถุอื่น รังสีนั้นสามารถถูกดูดซับ สะท้อน หรือส่งผ่าน ซึ่งนำไปสู่การถ่ายเทความร้อน
• ตัวอย่าง: พลังงานของดวงอาทิตย์ที่มาถึงโลกผ่านอวกาศเป็นตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี

กลไกเหล่านี้มักจะทำงานร่วมกันในสถานการณ์จริง ตัวอย่างเช่นการถ่ายโอนความร้อนจากเครื่องดื่มร้อน (การนำ) ไปยังอากาศโดยรอบ (การพาความร้อน) อาจเกี่ยวข้องกับการปล่อยรังสีอินฟราเรดด้วย

การทำความเข้าใจกลไกเหล่านี้มีความสำคัญในสาขาต่างๆ รวมถึงฟิสิกส์ วิศวกรรมศาสตร์ และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม เนื่องจากกลไกเหล่านี้มีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของวัสดุและระบบในสถานการณ์ต่างๆ

ผลกระทบ

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิร่างกายในแต่ละวันโดยเฉลี่ย กระบวนการทางกายภาพหลายอย่างเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ บางส่วนได้รับด้านล่าง:

คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุรวมถึงเฟส (ของแข็ง ของเหลว ก๊าซหรือพลาสมา) ความหนาแน่น ความสามารถในการละลาย ความดันไอ การนำไฟฟ้า ความแข็ง ความต้านทานการสึกหรอ การนำความร้อน ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรง

• อัตราและขอบเขตของการเกิดปฏิกิริยาเคมี
• ปริมาณและคุณสมบัติของรังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวของวัตถุ
• อุณหภูมิของอากาศส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
• ความเร็วของเสียงซึ่งเป็นฟังก์ชันของรากที่สองของอุณหภูมิสัมบูรณ์

การวัดอุณหภูมิ

อุณหภูมิจะวัดโดยเครื่องวัดอุณหภูมิหรือเทอร์โมมิเตอร์ หน่วยการวัดอุณหภูมิที่พบมากที่สุดคือองศาเซลเซียส (° C) และฟาเรนไฮต์ (เขียนย่อ ° F) และเคลวิน (เขียนย่อเป็น K) ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้เพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์

ปัจจุบันเครื่องวัดอุณหภูมิมีหลากหลายประเภท เครื่องวัดรุ่นเก่าใช้ปรอทเหลว ในขณะที่เครื่องมือยุคใหม่ใช้เซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับตรวจวัดอุณหภูมิ ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในเครื่องวัดอุณหภูมิความร้อน

หน่วยการวัดอุณหภูมิ

มาตราส่วนเซลเซียส (°C)

ใช้สำหรับวัดอุณหภูมิทั่วไปในส่วนใหญ่ของโลกที่พัฒนาขึ้นโดยความก้าวหน้าทางประวัติศาสตร์ จุดศูนย์ 0 °C ซึ่งกำหนดโดยจุดเยือกแข็งของน้ำและ 100 °C เป็นจุดเดือดของน้ำ จึงเรียกว่ามาตราส่วนเซนติเกรด

ศูนย์สัมบูรณ์

ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ไม่มีพลังงานใดสามารถออกจากสสารในรูปของความร้อนได้ ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่แสดงไว้ในกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ ที่อุณหภูมินี้ สสารไม่มีพลังงานความร้อน แต่ยังคงมีพลังงานจุดศูนย์ควอนตัม

จากการทดลองไม่สามารถเข้าถึงศูนย์สัมบูรณ์ได้ทำได้เพียงเข้าไปใกล้ได้เท่านั้น ศูนย์สัมบูรณ์ที่กำหนดเป็น 0 K เท่ากับ −273.15 °C หรือ −459.67 °F

หน่วยเคลวิน (Kelvin)

การวัดทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากใช้มาตราส่วนอุณหภูมิเคลวิน (สัญลักษณ์หน่วย: K) ซึ่งตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์คนแรกที่นิยาม เป็นมาตราส่วนสัมบูรณ์ จุดศูนย์ที่เป็นตัวเลขคือ 0 K อยู่ที่ศูนย์สัมบูรณ์ของอุณหภูมิ ในระบบหน่วยสากล (SI) เคลวินถูกกำหนดโดยการวัดแบบต่างๆ

ปัจจุบันหน่วยวัดอุณหภูมิที่นิยมคือเรียกว่าองศาเซลเซียสซึ่งตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์ชาวสวีเดนแอนเดอร์สเซลเซียสซึ่งได้รับการยกย่องในการพัฒนา

มาตราส่วนเซลเซียสเป็นระดับอุณหภูมิที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดที่ใช้กันทั่วโลก เป็นหน่วยวัดอุณหภูมิมาตรฐานในเกือบทุกประเทศยกเว้นสหรัฐอเมริกาและอังกฤษนิยมใช้ฟาเรนไฮต์มากกว่า

การเปลี่ยนหน่วยอุณหภูมิจาก “ฟาเรนไฮต์” ไปเป็น .”องศาเซลเซียส” โดยใช้สมการด้านล่าง:

° C = (° F – 32 °) /1.8

ในทำนองเดียวกันอุณหภูมิที่แสดงโดยเซลเซียสสามารถแปลงเป็นสเกลฟาเรนไฮต์ได้โดยใช้สมการด้านล่าง:

° F = 1.8 •° C + 32 °