สถานที่ใกล้เคียง

อธิบายหลักการทำความเย็น กฎการถ่ายเทความร้อน และสถานะทั้งสามของสสาร

เพื่อให้บรรลุผลตามข้อกำหนดในหัวข้อ "1-2. เครื่องปรับอากาศคืออะไร" จำเป็นต้องทำความร้อนหรือทำความเย็นอากาศ
เราให้ความร้อนและความเย็นแก่สิ่งของต่างๆ ในชีวิตประจำวัน ดังนั้นรู้สึกเหมือนว่าเราสามารถเปลี่ยนอุณหภูมิได้อย่างง่ายดาย แต่หลักการเบื้องหลังนี้คืออะไร?
เราจะอธิบายหลักการทำความเย็นซึ่งเกี่ยวข้องกับกลไกของเครื่องปรับอากาศและเครื่องทำความเย็นด้วย

(1) "cool" แปลว่าอะไร?

มีเครื่องมือและอุปกรณ์มากมายรอบตัวเราที่ให้ความรู้สึกเย็นสบาย ยกตัวอย่างเช่น ลองมองไปรอบๆ บ้าน คุณจะเห็นพัดลม พัดลมไฟฟ้า เครื่องปรับอากาศ ตู้เย็น และอื่นๆ อีกมากมาย
แม้ว่าเครื่องมือและอุปกรณ์เหล่านี้จะมีกลไกที่แตกต่างกัน แต่ทั้งหมดก็มีหลักการพื้นฐานเดียวกันในการทำความเย็นสิ่งของต่างๆ
เมื่อคุณพัดตัวเองในห้องที่ร้อน ลมที่คุณสร้างขึ้นจะพัดพาความร้อนรอบตัวคุณออกไป และเหงื่อที่ระเหยไปจะพัดพาความร้อนออกจากผิวหนังของคุณ ทำให้คุณรู้สึกเย็นสบายมากขึ้น

จากนี้เราสามารถเข้าใจได้ว่า การทำความเย็นหมายถึงการเอาความร้อนออกไป​
จะเห็นได้ว่า เมื่อของเหลว (เหงื่อในตัวอย่างนี้) ระเหยออกไป ความร้อนก็จะถูกกำจัดออกไปด้วย (ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ซึ่งจะอธิบายในภายหลัง) การพรมน้ำบนพื้นดินในช่วงพลบค่ำของฤดูร้อนก็ใช้ประโยชน์จากความร้อนในช่วงท้ายของการกลายเป็นไอนี้เช่นกัน

พัดลมและพัดลมไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานง่ายและเข้าใจง่าย แต่เครื่องปรับอากาศในห้องและตู้เย็นก็ทำงานตามหลักการทำงานเช่นเดียวกัน

เครื่องปรับอากาศและตู้เย็นใช้คุณสมบัติของ สารทำความเย็น เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบอย่างมาก

(2) การถ่ายเทความร้อน (การแลกเปลี่ยนความร้อน)

เมื่อวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน ความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุที่ “ร้อน” ไปยังวัตถุที่ “เย็น” เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น จากมุมมองของวัตถุที่ “ร้อน” ความร้อนจะถูกดึงออกไปและทำให้วัตถุเย็นลง ในทางกลับกัน จากมุมมองของวัตถุที่ “เย็น” ความร้อนจะถูกรับเข้ามาและอุณหภูมิของวัตถุจะสูงขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ วัตถุนั้นได้รับความร้อน สิ่งนี้เรียกว่าการแลกเปลี่ยนความร้อน และหลักการพื้นฐานคือความร้อนจะถ่ายเทจากความร้อนไปยังความเย็นเสมอ

มีกฎสามข้อเกี่ยวกับอัตราและปริมาณการแลกเปลี่ยนความร้อน:

1. พื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่

2. การถ่ายเทความร้อนระหว่างวัสดุที่นำความร้อนได้ดีราบรื่นยิ่งขึ้น

ตามชื่อที่บ่งบอก วัสดุที่นำความร้อนได้ดี (มีค่าการนำความร้อนสูง) นำความร้อนได้เร็ว
ด้วยเหตุนี้จึงใช้วัสดุที่มีคุณสมบัตินำความร้อนได้ดี เช่น ทองแดงและอลูมิเนียม ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องปรับอากาศ
ในทางกลับกัน วัสดุที่ไม่นำความร้อนได้ดี เช่น ใยแก้ว จะถูกนำมาใช้เป็นฉนวนกันความร้อน

3. มีความแตกต่างของอุณหภูมิมากระหว่างวัสดุที่ถูกแลกเปลี่ยนความร้อน

ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสารสองชนิดมากขึ้น การถ่ายเทความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่อการแลกเปลี่ยนความร้อนดำเนินต่อไป การถ่ายเทความร้อนจะลดลงจนกระทั่งความแตกต่างของอุณหภูมิหายไป (สภาวะสมดุล)

ตามกฎการแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้ เครื่องปรับอากาศ เช่น เครื่องปรับอากาศแบบห้อง มักใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบและท่อ ซึ่งสารทำความเย็นที่เย็นจะไหลผ่านท่อทองแดง และถูกบังคับให้ผ่านช่องว่างระหว่างครีบอลูมิเนียมที่ยึดแน่นกับท่อทองแดง ทำให้สารทำความเย็นสัมผัสกับครีบอลูมิเนียมที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบและท่อ

นอกเหนือจากเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลวและก๊าซ เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบและท่อแล้ว ยังมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทอื่นที่แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างของเหลว เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

(3) สามสถานะของสสารและความร้อน

เกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณเพิ่มความร้อนลงในน้ำ? แน่นอนว่าอุณหภูมิจะสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม เรารู้อุณหภูมิที่น้ำจะหยุดสูงขึ้น ไม่ว่าคุณจะให้ความร้อนมากแค่ไหนก็ตาม
เมื่ออุณหภูมิของน้ำถึง 100°C น้ำจะไม่สูงขึ้นอีก แต่จะเดือดและระเหยกลายเป็นไอน้ำ เช่นเดียวกัน เมื่อให้ความร้อนกับน้ำแข็ง อุณหภูมิจะไม่สูงเกิน 0°C และจะไม่สูงขึ้นจนกว่าน้ำแข็งจะละลายหมดและกลายเป็นน้ำ
สิ่งเดียวกันนี้เป็นจริงเมื่อความร้อนถูกกำจัดออกไป โดยจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเกิดขึ้นจนกว่าไอน้ำ 100°C ทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำ และน้ำ 0°C ทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง
ความร้อนที่ใช้เปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำโดยไม่ทำให้สถานะเปลี่ยนแปลง เรียกว่า ความร้อนสัมผัส และความร้อนที่ใช้เปลี่ยนสถานะโดยไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เรียกว่า ความร้อนแฝง​

เมื่อเปรียบเทียบปริมาณความร้อนแฝงและความร้อนสัมผัสของน้ำ หากกำหนดปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำจาก 0°C ถึง 100°C ไว้ที่ 100 ความร้อนแฝงของการแข็งตัวและการละลาย (การเปลี่ยนแปลงสถานะระหว่างน้ำแข็งและน้ำ) จะเท่ากับ 80 และความร้อนแฝงของการระเหยและการควบแน่น (น้ำและไอน้ำ) จะ เท่ากับ 540​

เราจะเห็นได้ว่าความร้อนแฝงของการระเหยและการควบแน่น (น้ำ ⇔ ไอ) มีค่าสูงกว่าความร้อนแฝงอื่นๆ อย่างมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อสารระเหย สารจะดูดซับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมรอบข้างในปริมาณมาก และ เมื่อสารควบแน่น สารจะปล่อยความร้อนปริมาณมากออกสู่สิ่งแวดล้อมรอบข้าง​
วัฏจักรการทำความเย็นที่ใช้ในเครื่องปรับอากาศใช้หลักการนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพในการทำความเย็นห้อง เราจะอธิบายกลไกนี้ในหัวข้อถัดไป

รายการก่อนหน้า: 1-2.เครื่องปรับอากาศคืออะไร?
รายการถัดไป: 2-1. วงจรทำความเย็น