การถ่ายโอนความร้อน

1. การนำความร้อน ( Heat Conduction )

หากเราเทน้ำร้อนใส่แก้วที่ทำจากวัสดุที่เป็นโลหะ แล้วนำไปวางไว้ในแก้วอีกใบที่ใหญ่กว่าซึ่งมีน้ำเย็นอยู่ เมื่อเวลาผ่านไปสักครู่  น้ำในแก้วทั้งสองจะมีอุณหภูมิเท่ากัน หรือขณะที่เราต้มน้ำในกา หากมือของเราบังเอิญไปสัมผัสกับกาต้มน้ำ จะทำให้เรารู้สึกถึงความร้อนจากกา ซึ่งความร้อนนั้นก็อาจทำให้ผิวหนังของเราไหม้พองได้อีกด้วย สิ่งที่เกิดขึ้นเหล่านี้เป็นการถ่ายโอนความร้อนในรูปแบบของการนำความร้อน การนำความร้อนเกิดขึ้นโดยมีวัตถุที่เป็นของแข็งเป็นตัวกลาง จากการสั่นของอนุภาคที่เรียงตัวกันอยู่อย่างหนาแน่นในวัตถุที่เป็นของแข็งนั้น และส่งพลังงานอย่างต่อเนื่องกันไป โดยไม่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรือสสารจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง มีเพียงพลังงานเท่านั้นที่ถูกถ่ายโอนไป เช่น จากน้ำร้อนไปสู่น้ำเย็นหรือจากกาต้มน้ำสู่มือของเรา

วัตถุที่นำความร้อนได้ดี เราเรียกว่า “ตัวนำความร้อน (Conductor)” ได้แก่ โลหะ เช่น เงิน ทองแดง เหล็ก ส่วนวัตถุที่นำความร้อนได้ไม่ดีเราเรียกว่า “ฉนวนความร้อน (Insulators)” ได้แก่ อโลหะและก๊าซ เช่น ไม้ พลาสติก อากาศ ซึ่งความรู้ในเรื่องนี้เราสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับสร้างบ้านเพื่อระบายความร้อนได้อีกด้วย โดยบ้านที่สร้างจากฉนวนใยหินหรือไฟเบอร์กลาส จะมีความเย็นภายในเพราะวัสดุดังกล่าวเป็นฉนวนความร้อน จึงมีการนำความร้อนจากนอกบ้านเข้าสู่ภายในบ้านได้น้อยกว่าวัสดุอื่น ๆ อย่างไรก็ตามฉนวนความร้อนไม่ได้หยุดการถ่ายโอนความร้อนอย่างสิ้นเชิง เพียงแต่ทำให้การถ่ายโอนความร้อนเป็นไปได้ช้าลงเท่านั้น

2. การพาความร้อน (Heat Convection)
ตัวอย่างของการพาความร้อนที่เห็นได้อย่างชัดเจน คือ การถ่ายโอนความร้อนผ่านน้ำซึ่งต้มอยู่ในหม้อ ขณะที่น้ำเดือดเราจะเห็นได้ว่า มีการเคลื่อนที่ของน้ำในหม้อเกิดขึ้น นั่นคือการถ่ายโอนความร้อนโดยการพาความร้อนซึ่งมีน้ำเป็นตัวกลาง 

เมื่อเราให้ความร้อนแก่น้ำ น้ำที่อยู่ก้นหม้อจะได้รับความร้อน มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น และเกิดการขยายตัว เนื่องจากอนุภาคของน้ำที่ได้รับความร้อนมีการเคลื่อนที่ ช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำจะเพิ่มขึ้น ขณะที่อนุภาคมีขนาดเท่าเดิม ทำให้น้ำบริเวณก้นหม้อมีความหนาแน่นน้อยลง ดังนั้น มันจึงลอยตัวสู่ผิวน้ำด้านบน ส่วนผิวน้ำด้านบนที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าแต่ความหนาแน่นมากกว่าก็จะเคลื่อนลงมาอยู่ที่ก้นหม้อแทน เหตุการณ์นี้จะเกิดขึ้นซ้ำ ๆ กันไปเรื่อย ๆ จนกว่าเราจะหยุดให้ความร้อนแก่น้ำ และการพาความร้อนในลักษณะนี้ก็เกิดขึ้นกับก๊าซได้เช่นกัน เช่น การย่างเนื้อสัตว์ที่วางอยู่บนตะแกรงเหนือกองไฟ

เนื่องจากของเหลวและก๊าซถือว่าเป็นของไหล อนุภาคในของไหลสามารถเคลื่อนที่จากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่งได้ ดังนั้น เมื่ออนุภาคของของเหลวหรือก๊าซได้รับพลังงานความร้อน มันจึงเคลื่อนที่ไปสู่ที่ที่มีพลังงานความร้อนน้อยกว่า เป็นการถ่ายโอนความร้อนในลักษณะของการพาความร้อนด้วยตัวกลางอย่างของเหลวและก๊าซนั่นเอง ทั้งนี้เราสามารถนำความรู้เกี่ยวกับการพาความร้อนมาประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันได้อย่างการสร้างช่องระบายอากาศภายในบ้าน เป็นต้น

3. การแผ่รังสีความร้อน ( Heat Radiation)
วัตถุทุกชนิดมีการแผ่และดูดซับรังสีความร้อนหรือที่เรียกว่า “รังสีอินฟราเรด (Infrared Radiation, IR)” โดยรังสีอินฟราเรดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องผ่านตัวกลาง จึงแตกต่างจากการนำความร้อนและการพาความร้อนที่ต้องอาศัยอนุภาคของตัวกลางในการถ่ายโอนความร้อน

การแผ่รังสีความร้อนจะมีลักษณะการแผ่ออกไปในทุกทิศทุกทางรอบจุดกำเนิดหรือวัตถุ โดยวัตถุที่มีความร้อนมากกว่าจะแผ่รังสีได้มากกว่า เช่น ดวงอาทิตย์แผ่รังสีความร้อนได้มากกว่ากาแฟร้อนในแก้ว ส่วนความสามารถในการดูดซับความร้อนก็จะแตกต่างกันออกไปขึ้นกับลักษณะและสมบัติของวัตถุนั้น ๆ เช่น วัตถุสีเข้ม ด้าน จะสามารถแผ่และดูดซับความร้อนได้ดีกว่าวัตถุที่มีสีอ่อนและมันวาว หรือหากวัตถุสองชิ้นทำจากวัสดุชนิดเดียวกัน ปริมาณเท่ากัน วัตถุที่มีลักษณะแบนและบาง จะสามารถแผ่รังสีความร้อนได้เร็วกว่าวัตถุที่อ้วนหนา