สูตรคำนวณความร้อนคือสูตรใด

ความร้อนจำเพาะ (Specific Heat) : หมายถึง ปริมาณความร้อนที่พอดี ทำให้วัตถุมีมวล 1 กรัมมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 1 องศาเซลเซียส กล่าวคือ ค่าความร้อนจำเพาะของน้ำนั้นมีค่าเท่กับ 1 แคลอรี ส่วนค่าจำเพาะของวัตถุอื่นๆ จะบอกเป็นตัวเลขที่แสดงให้ทราบว่าวัตถุนั้นมีความจุความร้อนเป็นกี่เท่าของน้ำ ถ้าหากวัตถุมีการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสาถนะหนึ่ง ค่าความร้อนจำเพาะของวัตถุนั้นในสถานะของแข็ง จะมีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของวัตถุเดียวกันในสภาพของเหลว เช่น ค่าความร้อนจำเพาะของน้ำแข็งมีค่า 0.5 cal หมายถึง ค่าความร้อนของน้ำ(ในสถานะของเหลว) มีค่า 1 cal

ความจุความร้อนจำเพาะ (ยังสามารถเรียกว่า “ความร้อนจำเพาะ”) หมายถึงปริมาณของพลังงานที่จำเป็นในการทำให้หนึ่งหน่วยของมวลของสารเพิ่มขึ้นหนึ่งองศาเซลเซียส ซึ่งหมายถึงความจุของสารโดยเฉพาะอย่างยิ่งการเก็บความร้อน; ความจุความร้อนของวัสดุมาก จะมีความสามารถในการเก็บความร้อนได้ดี ซึ่งเป็นคุณสมบัติตามธรรมชาติของสารและไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลหรืออุณหภูมิ ดังสมการต่อไปนี้

Q=(m)x(c)x(dT), เมื่อ

Q = จำนวนความร้อนที่ให้แก่วัตถุ, ในจูล (J) หรือแคลอรี่ (cal)
m = มวลของสาร, ในกิโลกรัม (kg) หรือกรัม (g)
c = ความจุความร้อนจำเพาะของสาร, ในจูลหรือเคลวินกิโลกรัม (J/(kg.K)) หรือ  จูล ต่อเคลวิน ต่อกิโลกรัม (J/(g.K))
dT = อุณหภูมิที่เปลี่ยนไป, T2-T1, ในเซลเซียส (C) หรือเคลวิน (K)

สมการนี้ใช้ได้กับของแข็งและของเหลวเท่านั้น; ก๊าซจะใช้สมการต่างจากนี้ มวลของวัตถุแข็งมีหน่วยเป็น kg แต่อาจใช้เป็น กรัมได้

สมการนี้ไม่สามารถใช้ได้กับวัตถุที่มีการเปลี่ยนสถานะ (เช่น จากของเหลวเป็นก๊าซ), เพราะว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในช่วงการเปลี่ยนสถานะ

ตัวอย่างที่ 1

วัตถุมีมวล m = 2 kg และความร้อนจำเพาะ c = 2 J/(kg.K) เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจาก 300 K ไปที่ 280 K. หาค่า Q, พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนอุณหภูมิ ?

อันดับแรกคือการใช้สมการ Q=(m)x(c)x(dT), และใส่ตัวเลขลงไป เราทราบว่า m = 2 kg, c = 2 J/(kg.K), และอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปคือ dT=T2-T1=280 K – 300 K = -20 K อุณหภูมิตั้งต้นคือ T1 และอุณหภูมิสุดท้ายคือ T2, และสมกาคือ dT=T2-T1 ผลลัพธ์สามารถเป็นเลขจำนวนลบได้ เพราะว่าหมายถึง อุณหภูมิตั้งต้นมากกว่าอุณหภูมิสุดท้าย เมื่อเราใส่ตัวเลขที่ได้คือ Q = (2 kg)(2 J/(kg.K))(-20 K) = -80 J เพราะว่าคำตอบเป็นลบ หมายถึงได้มีการดึงพลังงานออกจากวัตถุทำให้อุณหภูมิลดลง

ตัวอย่างที่ 2

ต้องมีการใช้ 16,720 จูล ของพลังงานความร้อนในการทำให้น้ำ 100 g จาก 20 oC เป็น 60 oC ค่าความจุความร้อนจำเพาะของน้ำคือเท่าใด?

ลำดับแรกคือการหากตัวแปรต่างๆและหาว่าเราต้องการหาอะไร เราทราบว่า มีการใช้ความร้อน 16,720 จูล ซึ่งจะมีการใช้สมการ Q=(m)x(c)x(dT), Q คือ 16,720 J. เราทราบว่ามวลของน้ำคือ 100 g, ดังนั้น m= 100 g. สำหรับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ dT, เราทราบว่าอุณหภูมิตั้งต้นคือ 20 oC และอุณหภูมิสุดท้ายคือ 60 oC  so dT=T2-T1 = 60 – 20 oC = 40 oC or 40 K. ตัวแปรที่เหลือคือ “c”, และเราต้องการหา, “c” ในการหา “c” เราจะต้องจัดสมการให้”c” แยกออกมาด้านหนึ่ง โดยการหารด้วยมวล m และโดย dT ในการได้ c=Q/[(m)x(dT)]. แล้วใส่ตัวเลขที่มีลงไป : c = (16,720  J)/[(100 g)x(40 K)] = 4.18 J/(g.K) คือความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ

ค่าความจุ ความร้อนจำเพาะ (Specific heat capacity)

เพื่อให้เห็นภาพ เรามาดูตารางข้างล่างนี้

ตารางตัวอย่างค่าความจำความร้อนจำเพาะจากประกาศกระทรวงพลังงานหน้าที่ 6-8ถ้าดูกันแค่ตรงนี้ เราก็จะเห็นได้ว่า อิฐมอญนั้นร้อน/เย็น ไวที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆในตาราง และถ้าเทียบคอนกรีตมวลเบากับอิฐมอญก็จะเห็นว่าคอนกรีตมวลเบาสามารถหน่วงความร้อนได้มากกว่า และดูเหมือนแผ่นยิปซั่มจะหน่วงความร้อนได้ดีที่สุด ดีกว่าคอนกรีตเสียอีก แต่! แต่! แต่! แต่เวลาเราเลือกใช้วัสดุใดๆ เราไม่ได้เลือกเป็นกิโลกรัมถูกไหมครับ เราเลือกเป็นความหนา เช่น ผนังนี้เราจะใช้คอนกรีตมวลเบาหนา 10cm หรืออิฐมอญหน้า 20cm ดี

ฉะนั้นแล้ว เราควรจะเอาข้อมูลอีกอย่างหนึ่งเพิ่มเข้ามาคิดด้วย นั่นก็คือความหนาแน่น ความหนาแน่นคือตัวที่บอกว่า วัสดุนี้หนักกี่กิโลกรัม ถ้าวัสดุนี้กว้าง 1 เมตร ยาว 1 เมตร สูง 1 เมตร ผมได้อัพเดทตารางข้างบนเป็นแบบข้างล่างนี้ โดยข้อมูลมาจากประกาศกระทรวงพลังงานเหมือนเดิม

คำนึงถึงความหนาแน่น

ความหนาแน่นนี้คือ น้ำหนัก (kg) ต่อ 1m * 1m *1m ใช่ไหมครับ แล้วถ้ามันหนา 10cm หรือ 0.1m และกว้างกับยาว 1m ละ มันจะหนักเท่าไหร่? เราก็เอามันไปคูณ (*) ด้วย 0.1 ถูกไหมครับ? เราก็จะได้น้ำหนักต่อตารางเมตรมา ถ้าเกิดหนา 20cm เราก็คูณด้วย 0.2 ตรงนี้ไม่งงนะครับ

ท้ายที่สุด

เรายังจำค่าความจุความร้อนจำเพาะได้ไหมครับ ว่าหน่วยของมันคือ kJ/kg°C และตอนนี้เราก็มีน้ำหนัก (kg) ของวัสดุที่ความหนา 10cm และ 20cm (9mm สำหรับยิปซั่ม) แล้ว เรามาดูกันดีกว่ากว่าความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุที่ความหนาดังกล่าวนั้นเป็นอย่างไรบ้าง โดยเอาค่าความจุความร้อนจำเพาะมาคูณ (*) กับน้ำหนัก (kg) ของวัสดุนั้นๆ

ในความหนาที่เท่ากัน อิฐมอญมีค่าความจุความร้อนจำเพาะมากกว่าอิฐมวลเบาถึงประมาณ 2.5เท่า แต่ยังน้อยกว่าคอนกรีตสแลปเกือบ 2 เท่าด้วยกัน

มันบอกอะไรกับเรา?

จากทั้งหมดที่ยกตัวอย่างมา สรุปแล้วมันบอกอะไรกับเรา? จริงๆมันก็บอกตามที่มันบอกนะ ส่วนแต่ละคนจะไปทำความเข้าใจหรือตีความยังไงก็แล้วแต่ แต่สิ่งที่ผมคิดว่าควรจะชี้ให้สังเกตคือ

1. อย่าเอาเรื่องนี้ไปปนกับเรื่องของ conductivity – แปลว่า นี่มันเป็นเรื่องของการหน่วงความร้อนของวัสดุ การที่วัสดุจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือน้อยลงได้ด้วยพลังงานมากน้อยแค่ไหน อย่าเอาไปปนกับเรื่องการถ่ายเทความร้อน คือเราจะอธิบายมันร่วมกันก็ได้ แต่ต้องทำความเข้าใจแยกกัน
2. อย่ามองว่าเป็นเรื่องของภายนอกสู่ภายในอย่างเดียว ลองนึกถึงว่าถ้าเรามีวัสดุที่มีความจุความร้อนจำเพาะมากอยู่ในห้องหรือในพื้นที่ ถ้ามันโดนแดดนานๆ หรือได้ทำการกักเก็บพลังงานไว้มาก มันก็จะต้องใช้พลังงานมากที่จะทำให้มันเย็น หรือต้องใช้เวลามากกว่าพลังงานในนั้นจะถ่ายเทออกไปจนอุณหภูมิเย็นลง หรือแม้แต่การเป็นผนังห้องก็ตาม เราอาจจะต้องเปิดแอร์นานมากๆกว่ามันจะเย็น
3. ควรรู้ไว้อีกอย่างว่า ค่า k หรือ conductivity ที่ปกติใช้กันนั้น เป็นค่า k เมื่อวัสดุมีอุณหภูมิ 25°C และเมื่ออุณหภูมิของวัสดุสูงขึ้น ค่า k ก็มักจะต่ำลงด้วยแปลว่าพลังงานถ่ายเทผ่านไปได้มากขึ้น หรือประสิทธิภาพการป้องกันความร้อนลดลงนั่นเอง และตัวที่จะบอกว่าอุณหภูมิของวัสดุจะเพิ่มขึ้นกี่องศานั้น ก็คือค่าความจุความร้อนจำเพาะนี่แหละ
4. ไม่ควรมองว่านี่คือค่าที่สมบูรณ์บอกความจริงได้ทั้งหมดแล้ว เพราะจริงๆแล้วนี่เป็นเพียงค่าหยาบๆ วัสดุมันไม่ได้ร้อนขึ้นแบบทั้งชิ้นพร้อมๆกัน จริงๆแล้วมันเป็นโมเลกุลที่เล็กมากๆและส่งผ่านความร้อนต่อๆกันมา ว่ามันค่อยๆมีอุณหภูมิสูงขึ้นและต่ำลงแล้วแต่ทิศทางของแหล่งพลังงาน หรือแหล่งความร้อน

สรุป

สรุปว่า ค่าความจุความร้อนจำเพาะ ควรดูควบคู่กับการเรื่องของความหนาแน่น และความหนาของวัสดุที่เราต้องการจะทดสอบด้วย เพื่อให้เห็นภาพในหลายๆมุม ไม่ควรใช้ค่าความจุความร้อนจำเพาะแบบโดดๆ

Q=Mc∆t หาอะไร

การคำนวณความร้อนแฝงมีสูตรอย่างไร

สูตร Q = mL คืออะไร

Q คืออะไร ความร้อน