ความร้อนในรถยนต์

Posted on : 21-05-2013 | By : Author | In : ระบบต่าง ๆ ในรถยนต์

ความร้อน(HEAT)
ความร้อนถูกถ่ายทอดได้สามทางคือการนำความร้อน (conduction) การพาความร้อน (Convcction) และการแผ่รังสี (Radiation)
การนำความร้อน หมายความถึงการถ่ายเทความร้อนผ่านวัตถุ
จากอนูที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังอนูที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่อนุของสสารมิได้เคลื่อนที่ เช่นตะแกรงปิ้งเนื้อ เมื่อเหล็กได้รับความร้อนจากเตา การนำความร้อนที่ร้อนมากกว่ามายังที่ร้อนน้อยกว่า เช่น ที่มือจับเป็นต้น โดยที่เหล็กมิได้มีการเคลื่อนไหวแต่ประการใดเลย
การพาความร้อนหมายถึงการถ่ายเทความร้อน โดยการพาความร้อนไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ ตัวอย่างที่เห็นได้ง่ายๆ  คือระบบการหล่อเย็นในเครื่องยนต์ซึ่งเป็นตัวอย่างที่ดี ในการพาความร้อน น้ำในเครื่อง ยนต์เป็นตัวทำความเย็นในระบบหล่อเย็นของเครื่องยนต์ นํ้าพาเอาความร้อนออกจากเรือนสูบไปยังหม้อน้ำ และความร้อนออกสู่อากาศ
ที่พัดผ่านหม้อน้ำต่อไป


ภาพที่ 3.1 ดลหะต่างชนิดกันนำความร้อนไม่เท่ากัน
การแผ่รังสีความร้อน คือการที่ความร้อนเคลื่อนที่ผ่านไปได้โดยไม่ได้ทำให้ตัวกลางที่ความร้อนเคลื่อนที่ผ่านมาร้อน ตัวอย่างเช่น หลอดไฟฟ้า เมื่อดูดอากาศออกหมดกลายเป็นสูญญากาศ (vacuum) เมื่อกระแสไฟผ่านเข้าไปในหลอดเมื่อเราจับหลอดขณะเปิดไฟ หลอดไฟนั้นก็ยังร้อน ตัวอย่างเหล่านี้เป็นการแผ่รังสีความร้อนทั้งสิ้น


ภาพที่ 3.2 การสะท้อน การส่งถ่าย และการดูดซึมรังสีความร้อน

ความร้อนไหว SENSIBEL HEAT
ความร้อนไหวหรือที่เราเรียกกันว่า Sensible Heat เป็นความร้อนที่เราสามารถรู้สึกสัมผัสได้ โดยปกติทั่วไปแล้วเราใช้เทอร์โมมิเตอร์เป็นเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง
อุณหภูมิของอากาศรอบๆ ตัวเราเป็นความร้อนไหวหรือความร้อนที่สัมผัสได้เช่น เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดลงถึง 10-15° ฟาเรนไฮท์ เรารู้สึกหนาวแต่ถ้าเราเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเรารู้สึกอบอุ่น ความรู้สึกเช่นว่านี้เป็นความร้อนที่สามารถรู้สึกสัมผัสได้ (Sensible Heat) ทั้งสิ้น
การวัดความร้อน HEAT MEASURE
เราวัดพลังงานความร้อนออกมาในเทอมของแคลอรี มีหน่วยวัดเป็นกรัมแคลอรี ซึ่งเป็นหน่วยวัดพลังงานความร้อนที่เล็กที่สุด ซึ่งเราได้มาจากการนำนํ้า 1 กรัม มาทำให้ร้อนขึ้นจากองศาหนึ่งไปยังอีกองศาหนึ่ง
ในงานเกี่ยวกับระบบทำความเย็น เราใช้วัดความร้อนในเทอมของ B.T.U. British Thermal Unit หนึ่ง บี. ที. ยู. เท่ากับ 252 แคลอรี่ “1 B.T.U.” หมายถึง อุณหภูมิที่ทำให้น้ำ 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1° ฟาเรนไฮท์
น้ำซึ่งเรารู้จักกันว่าเป็นของเหลวๆ ในช่วง 32° ฟ-212° ฟ ซึ่งช่วงนี้เท่ากับ 180° ฟ ช่วงนี้เราเรียกว่า Subcool Liquite ซึ่งความร้อนแต่ละ บี. ที. ยู. ที่ใส่เข้าไปในน้ำ 1 ปอนด์ จะให้นํ้ามีอุณหภูมิสูงขึ้น 1° ฟาเรนไฮท์
ถ้าเรานำเอาน้ำ 1 ปอนด์ที่มีอุณหภูมิ 32° ฟ และใส่ความร้อนเข้าไป 180 B.T.U. อุณหภูมิสุดท้ายจะสูงขึ้น 212° ฟ
B.T.U. + 16    =    H (Heat)
H+Temp        =    New Temp
ถ้าเราใส่ความร้อนเข้าไป 180 บี.ที.ยู.    สำหรับน้ำจำนวน 1 ปอนด์ที่ 32° ฟ อะไรจะเกิดขึ้น
180 บี. ที. ยู. + 1 ปอนด์    = 180 บี. ที. ยู.
180 บี.ที.ยู. + 32° ฟ        = 212° ฟ
ถ้านำน้ำซึ่งหนัก 10 ปอนด์ที่ 32° ฟ และเพิ่มความร้อนเข้าไปอีก 180 บี. ที. ยู เราจะได้อุณหภูมิของน้ำใหม่เป็น 50° ฟ
180 บี.ที.ยู. + 10 ปอนด์    = 18 บี.ที.ยู.
18 บี.ที.ยู. + 32° ฟ        =  50° ฟ
ถ้าใส่ความร้อนเข้าไป 180 บี.ที.ยู. ทั้งสองข้างอุณหภูมิจะสูงขึ้นด้วย จำนวนที่เท่ากัน แต่ถ้าน้ำจำนวน 10 ปอนด์ แล้วใส่ความร้อนเข้าไป 180 บี. ที. ยู. อุณหภูมิของน้ำ 10 ปอนด์จาก 32° ฟ จะเพิ่มเป็น 212° ฟ
1800 บี.ที.ยู. + 10 ปอนด์     = 180 บี.ที.ยู.
180 บี. ที.ยู. + 32° ฟ        = 212° ฟ
ความร้อนแฝง LATENT HEAT
การเปลี่ยนสถานะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงจากของแข็งมาเป็นของเหลวหรือจากของเหลวมาเป็นแกสกลับไปกลับมา หรือการเปลี่ยนสถานใดๆ โดยที่อุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิคงที่) แต่ต้องใช้ความร้อนจำนวนหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงสภาพความร้อนจำนวนนั้นเรียกว่าความร้อนแฝง Latent Heat คำว่า Latent heat เป็นภาษาลาติน แปลว่าหลบซ่อนอยู่ คำว่า Latent นี้ให้กำเนิดโดยดอกเตอร์ โจเซฟ แบลค Dr. Joseph Black ซึ่งนำความหมายนี้มาจากการสังเกตปรากฎการณ์ธรรมชาติมาตั้งชื่อ เพราะว่าความร้อนแฝงนี้จะไม่ปรากฎให้เรารู้สึกหรือสัมผัสได้ และไม่มีผลใดๆ ต่อการเปลี่ยนสภาวะอุณหภูมิของวัตถุนั้นๆ
ตัวอย่างเช่น น้ำที่ความกดดันบรรยากาศธรรมดา ณ อุณหภูมิระหว่าง 32° ฟ ถึง 212° ฟ ซึ่งเราเรียกว่า Subcool Liquid แต่น้ำที่อุณหภูมิ 212° ฟ เราเรียกว่า Subcool Liquid ซึ่งยังเป็นของเหลวอยู่ แต่ถ้าหากเราเพิ่มความร้อนเข้าไปอีกจะทำให้น้ำนั้นเดือดและกลายเป็นไอต่อไป


ภาพที่ 3.3 ผลของความร้อนแฝง
จำนวนความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 ปอนด์ที่ 212° ฟ เปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอ 1 ปอนด์ที่ 212° ฟ ต้องใช้ความร้อนถึง 970 บี.ที.ยู.ความร้อนที่ทำให้น้ำกลายเป็นไอที่ 212°ฟ นี้เราเรียกว่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ(Latent Heat of Vaporization)
ความร้อนแฝงนี้ไม่สามารถวัดได้ด้วยเทอโมมิเตอร์ และถ้าสังเกตให้ดีอุณหภูมิจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลยในการเปลี่ยนสถานะดังกล่าวข้างต้น
ในทางตรงกันข้าม กับไอน้ำ (steam) หนัก 1 ปอนด์ อุณหภูมิ 212° ฟ ใช้ความร้อน 970 บี.ที.ยู. จะกลั่นตัวกลายเป็นหยดน้ำที่ 212° ฟ ความร้อนที่คลายออกมา ในกรรมวิธีนี้เป็นความร้อนแฝงของการกลั่นตัว

ถ้าเราเอาความร้อนที่ใส่เข้าไป 180 บี.ที.ยู. ต่อน้ำ 1 ปอนด์ออก อุณหภูมิของน้ำจะลดลงและถ้าเอาเทอโมมิเตอร์วัดจะได้ 32° ฟ
น้ำที่อุณหภูมิ 32° ฟ ซึ่งถูกคลายความร้อนออกไปแล้วจะไม่มีการเปลี่ยนสถานะใดๆ ทั้งสิ้น จำนวนความร้อนที่ต้องคลายออกเพื่อให้น้ำหนึ่งปอนด์ที่ 32° ฟ กลายเป็นน้ำแข็งที่ 32° ฟ ต้องคลายความร้อนออกถึง 144 บี.ที.ยู ซึ่งวิธีการเช่นนี้เราเรียกว่าความร้อนแฝงของการหลอมละลาย (Latent Heat of Fusion)


ภาพที่ 3.4 การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว
หลักการเบื้องต้นเหล่านี้เป็นพื้นฐานของระบบเครื่องปรับอากาศ สารทำความเย็นที่ถูกเลือกนำมาใช้ในระบบเครื่องปรับอากาศนี้มีคุณสมบัติที่พิเศษคือ มีความสามารถที่จะดูดและพาความร้อนออกไปได้รวดเร็ว จากการที่สารทำความเย็นมีคุณสมบัติดังกล่าวเราจึงนำมาใช้กับเครื่องปรับอากาศรถยนต์ สารทำความเย็นดูดความร้อนแฝง และพาความร้อนจากภายในรถยนต์ออกไป และกระจายความร้อนที่พาออกมาจากในรถยนต์ออกสู่อากาศภายนอกรถยนต์ผ่านทางคอนเดนเซอร์
ความร้อนจำเพาะ SPECIFIC I1EAT
ทุกธาตุหรือสารประกอบซึ่งมีอยู่โดยธรรมชาติ มีคุณลักษณะพิเศษทางเก็บและคลายความร้อน สารทุกชนิดมีความแตกต่างในการรับและคลายความร้อนต่างกัน (ดูได้จากตาราง ซึ่งสารแต่ละชนิดจะมีค่าความร้อนจำเพาะแตกต่างกัน)
ความสามารถในการดูดและคลายความร้อนของสารต่างๆ เราเรียกว่าความร้อนจำเพาะ
ธาตุหรือสารประกอบทั้งหลายที่มีอยู่ตามธรรมชาติและมีมนุษย์ผลิตขึ้นมามีคุณสมบัติในการดูดและกระจายความร้อนเฉพาะตัวของมันเองซึ่งสามารถพิสูจน์ได้ภายในห้องทำการทดลอง และผลจากการทดลองก็จะพบว่าจำนวนความร้อนที่วัดได้มีค่าต่างๆ กันซึ่งเขาเรียกว่าค่าความร้อนจำเพาะของวัตถุแต่ละชนิดนั่นเอง ดังนั้นจากข้อความดังกล่าวเราจึงอาจสรุปคำจำกัดความของคำว่าความร้อนจำเพาะได้ดังนี้ “ความร้อนจำเพาะ” Specific Heat ของวัตถุใดๆ ก็คือปริมาณความร้อนที่ทำให้วัตถุหนัก 1 ปอนด์ มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 °ฟาเรนไฮท์
จากการทดลองโดยการนำเอาวัตถุทรงกลม Ball สามชนิด ซึ่งเป็นวัสดุต่างชนิดกันคือ ทองแดง เหล็ก และแก้ว นำวัตถุทั้งสามชนิดนั้นต้มในน้ำมันร้อนจนกระทั่งถึงจุดๆ หนึ่งที่อุณหภูมิของวัสดุทั้งสามชนิดนี้เท่ากัน แล้วหย่อนลูกบอลล์ วัสดุทั้งสามชนิดลงในพาราฟิน (Paraffin) และคอยดูผลที่เกิดขึ้น จะสังเกตเห็นได้ว่า วัตถุทั้งสามอย่างจมลงไปในพาราฟินไม่เท่ากัน ซึ่งทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการกระจายความร้อนออกมาจาก วัสดุทั้งสามชนิดจากการทคลองดังกล่าวนี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิเดียวกันแต่วัสดุต่างชนิดกัน จะมีการดูดและกระจายปริมาณความร้อนที่แตกต่างกัน
ตารางข้างล่างนี้เป็นการแสดงความสัมพันธ์ในการดูดและการกระจายความร้อนจำเพาะของวัตถุชนิดต่างๆ กัน น้ำซึ่งเป็นธาตุโดยทั่วไปซึ่งใช้เป็นความร้อนจำเพาะ มาตรฐานสำหรับเปรียบเทียบกับวัตถุชนิดอื่นๆ ในปริมาณที่เท่ากันว่าจะมีความร้อนจำเพาะเท่าใดค่าความร้อนจำเพาะของน้ำเท่ากับ 1 หรือ 1.00 ค่าความร้อนจำเพาะของ แอมโมเนีย 1.10 และค่าความร้อนจำเพาะของไฮโดรเจน 3.41


ภาพที่ 3.5 การเปรียบเทียบค่าความร้อนจำเพาะวัสดุชนิดต่างๆ
ตัวอย่างการเปรียบเทียบความร้อนจำเพาะ
เรารู้ว่าความร้อนจำเพาะของน้ำเท่ากับ 1.00 และใช้ความร้อน 1 บี.ที.ยู. ในการทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น 1°F (น้ำ 1 ปอนด์) เรานำความร้อนจำเพาะของน้ำไปเปรียบเทียบกับวัสดุอย่างอื่นได้โดยใช้ปริมาณวัสดุที่เท่ากันในการเปรียบเทียบคือ 1 ปอนด์ โดยเปรียบเทียบกับความร้อนจำเพาะของน้ำ 1 ปอนด์ ว่าวัสดุชนิดอื่นที่นำมาเปรียบเทียบจะให้
ความร้อนกี่องศาฟาเรนไฮท์
ตารางค่าความร้อนว่าเพราะสารชนิดต่างๆ
ค่าความร้อนว่าเบาะของ ของแข็ง ของเหลวและแกส
อากาศ.240    ไนโตรเจน .245
แอลกอฮอล.600    ออกซิเจน .220
อลูมิเนียม .230    ยาง .481
ทองเหลือง.086    เงิน .055
คาบอนไดออกไซด์ .220    เหล็กเหนียว .168
คาร์บอนเตทตร้าคลอไรด์ .200    กรดกำมะถัน .336
แกสโซลิน .700    ดีบุก .045
ตะกั่ว .031    น้ำ และน้ำทะเล .940
การหาค่าความร้อนจำเพาะ
ตัวอย่างเช่น อลูมิเนียมมีความร้อนจำเพาะ 230 หมายความว่า ความร้อน ทำให้อลูมิเนียม 1 ปอนค์ มีอุณหภูมิสูงขึ้น 4.35° ฟ โดยหาได้ดังนี้
1.000 / 230 = 4.37° ฟ (4.35° ฟ)
อีกตัวอย่างหนึ่ง ความร้อนจำเพาะของตะกั่ว .031 หมายความว่าความร้อน 1 บี.ที.ยู. จะทำให้ตะกั่ว 1 ปอนด์มีอุณหภูมิสูงขึ้น 32.25° ฟ
1.000/ .031 = 32.254° ฟ (32.25° ฟ)
ความร้อนจำเพาะอื่นๆ ก็มีวิธีทำเช่นเดียวกัน ความร้อนจำเพาะต่างๆ เป็นองค์ประกอบของโหลดของความร้อน (Heat Load) โหลดของความร้อน (Heat Load ในรถยนต์ได้แก่สีของรถยนต์ จำนวนพื้นที่หน้าต่างกระจกที่ความร้อนจากภายนอกเข้ามาในรถจำนวนของผู้โดยสาร ความร้อนจากดวงอาทิตย์ ความร้อนจากพื้นถนนและจากเครื่องยนต์เป็นต้น
การขาดความร้อน ทำให้เกิดความเย็น COLD THE ABSENCE OF HEAT
ความเย็นคืออะไร อะไรคือความหมายของคำว่าความเย็น ความเย็นคือ การขาดความร้อนนั่นเอง เมื่อไม่มีความร้อนก็เกิดความเย็นขึ้นเพื่อที่จะให้เข้าใจความหมายของคำว่าความเย็นดีขึ้น ก่อนอื่นเราต้องทำความเข้าใจเสียก่อนว่าความร้อนคืออะไร
ความร้อนคือพลังงาน ความร้อนไม่มีตัวตน เราไม่สามารถจับความร้อนได้ โครงสร้างของอนูของทุกสิ่งสามารถเปลี่ยนสภาวะได้ด้วยความร้อน
ความร้อนเป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ตัวอย่างเช่น น้ำซึ่งเป็นของเหลวระหว่างอุณหภูมิ 32° ฟ-212° ฟ ถ้าเราเพิ่มความร้อนให้น้ำที่อุณหภูมิ 212° ฟ ก็เท่ากับว่าเป็นการเพิ่มการเคลื่อนที่โมเลกึลของน้ำ น้ำก็จะเดือดและระเหยกลายเป็นไอแต่ถ้าหากนำความร้อนออกจากน้ำที่ 32° ฟ ก็เท่ากับว่าเราลดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลลงไปน้ำก็จะกลายเป็นของแข็งคือเป็นน้ำแข็ง
ตอนนี้เราหันมาดูกันว่าอะไรคือความเย็น ความเย็นคือการที่ไม่มีความร้อน ซึ่งเป็นความจริงเพราะว่าเมื่อไม่มีความร้อนก็ไม่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุล โมเลกุลจะหยุดการเคลื่อนที่ ณ อุณหภูมิ-459.67° ฟ ซึ่งถือว่าเป็นองศาสมบูรณ์ (หรือ 0° R)
สรุปแล้วความเย็นคือการขาดพลังงานความร้อน ณ. ที่ 0 องศาสมบูรณ์ (Absolute Zero) โมเลกุลทุกโมเลกุลจะหยุดการเคลื่อนที่ ถ้ามีการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ก็เป็นเหตุให้เกิดพลังงานความร้อน

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.