ข้อมูลทางเทคนิค เครื่องทำความเย็น 1-1. ทำไมต้องใช้น้ำในการระบายความร้อน?

ส่วนนี้อธิบายเหตุผลว่าทำไมน้ำจึงเป็นตัวกลางในการหล่อเย็นที่มีปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องได้อย่างดีเยี่ยม

มีหลายสิ่งรอบตัวเราที่ใช้น้ำระบายความร้อน
เมื่อเราถูกไฟไหม้ เราทำให้บริเวณที่ได้รับผลกระทบเย็นลงด้วยน้ำไหล เครื่องปรับอากาศในอาคารและสิ่งอำนวยความสะดวกเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ยังใช้น้ำเป็นสื่อกลาง

น้ำยังใช้สำหรับระบายความร้อนในสถานการณ์อื่นๆ อีกมาก

น้ำเป็นตัวกลางในการทำความเย็นที่ดีเยี่ยม

นอกจากจะเป็นสารที่ง่ายต่อการรักษาความปลอดภัยเพื่อใช้เป็นตัวกลางในการทำความเย็นในทุกสถานการณ์แล้ว คุณสมบัติของน้ำยังทำให้เป็นสื่อกลางในการทำความเย็นที่ดีเยี่ยมอีกด้วย

1. มีความคงตัวทางเคมี

   น้ำเป็นสารที่มีความเสี่ยงน้อยที่จะสลายตัวเป็นสารต่างๆ เนื่องจากความร้อนภายใต้อุณหภูมิห้องหรือสารอื่นๆ กัดกร่อนอย่างรุนแรง

2. น้ำมีความร้อนจำเพาะมาก

   ความร้อนจำเพาะคือปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของสาร 1 กรัมขึ้น 1 °C (K)
   KJ/(kg/°C) ใช้เป็นหน่วย
   ความร้อนจำเพาะแสดงถึง "ระดับความยากในการเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร" ยิ่งความร้อนจำเพาะของสารสูงเท่าใดก็ยิ่งทำให้ความร้อนหรือเย็นลงได้ยากขึ้นเท่านั้น
   ความร้อนจำเพาะสูง = ต้องใช้ความร้อนมากเพื่อทำให้อุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น
   ตัวอย่างเช่น หมายความว่าถ้าคุณสาดน้ำใส่กองไฟ คุณสามารถนำความร้อนจำนวนมากออกจากวัตถุที่ไหม้ไฟได้จนกว่าน้ำจะสูงขึ้นในอุณหภูมิและเดือด
   ดังที่คุณเห็นในตารางด้านล่าง เมื่อคุณเปรียบเทียบอากาศกับน้ำ น้ำมีค่าความร้อนจำเพาะมากกว่าอากาศถึงสี่เท่า
   ลองใช้สิ่งนี้เพื่อทำให้เย็นลง ตัวอย่างเช่น สมมติว่าต้องใช้น้ำ 1 กิโลกรัมเพื่อลดอุณหภูมิของน้ำ 1 กิโลกรัมลง 1 °C เพื่อให้น้ำเย็นในปริมาณเท่ากันโดยใช้อากาศ
   คุณจะต้องการ
   1 กก. × 4.18/1.01 = 4.14 กก. หากแปลงเป็นปริมาตร อัตราส่วนของน้ำต่ออากาศจะกลายเป็น
   น้ำ 1 ลิตร ต่ออากาศ 3436 ลิตร (3.5 ม.3)
   อาจกล่าวได้ว่าน้ำมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนมากกว่าอากาศ เนื่องจากต้องใช้น้ำเพียง 1 ลิตรเพื่อให้ได้ผลการระบายความร้อนเช่นเดียวกับอากาศ 3.5 ลูกบาศก์เมตร
   ความร้อนจำเพาะของน้ำยังสูงเมื่อเทียบกับของเหลวอื่นๆ และเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัสดุที่มีความร้อนจำเพาะสูงสุดในบรรดาสารเหลวที่อุณหภูมิห้อง

    

   ชื่อของสาร	ความร้อนจำเพาะ [kJ/kg °C] /20 °C
   อากาศ	1.01
   น้ำ	4.18
   เอทานอล	2.42
   น้ำมันแร่	1.85
   เอทิลีนไกลคอล	2.38

   น้ำมักใช้ในงานทำความเย็นเนื่องจากคุณสมบัติดังกล่าว

3. ความร้อนระเหยสูง

   ความร้อนจากการระเหยคือความร้อนที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนของเหลวให้เป็นก๊าซ ความร้อนจากการระเหยเป็นความร้อนแฝงชนิดหนึ่งซึ่งเรียกอีกอย่างว่าความร้อนแฝงของการระเหย ดังที่คุณเห็นในตารางด้านล่าง ความร้อนระเหยของน้ำนั้นสูงเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ

    

   ชื่อของสาร	จุดเดือด [°C]	ความร้อนระเหย [kJ/kg]
   น้ำ	100	2250
   เอทานอล	80	393
   ปรอท	357	285
   ออกซิเจนเหลว	-183	213
   ไนโตรเจนเหลว	-196	199

   ยิ่งความร้อนระเหยมากเท่าไร ของเหลวก็จะยิ่งระเหยได้ยากเท่านั้น เนื่องจากสารต้องใช้ความร้อนจำนวนมากในการระเหย ในทางกลับกัน ยิ่งความร้อนระเหยสูงขึ้นเท่าใด ความสามารถในการทำความเย็นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากสารจะดึงความร้อนจำนวนมากจากสภาพแวดล้อมเมื่อมันระเหยออกไป หลักการนี้ใช้เพื่อทำให้เย็นลงเมื่อมีการสาดน้ำบนเฉลียงในช่วงเย็นของฤดูร้อน

    

   
   รูปที่ 3: น้ำกระเซ็น

    

   นอกจากนี้ เครื่องทำความเย็นที่ใช้หลักการนี้ในการค้าและอุตสาหกรรมก็มีหอทำความเย็น หอหล่อเย็นเป็นระบบทำความเย็นที่ใช้ในการทำความเย็นตู้เย็นและน้ำอุตสาหกรรมที่ใช้ในการสร้างเครื่องปรับอากาศและอุปกรณ์ปรับอากาศในท้องถิ่น น้ำหล่อเย็นที่เหลือจะถูกทำให้เย็นโดยปล่อยให้น้ำหล่อเย็นสัมผัสโดยตรงกับอากาศภายนอกเพื่อระเหยส่วนหนึ่งของน้ำหล่อเย็น ที่อุณหภูมิห้อง น้ำมีความร้อนแฝงของการระเหยอยู่ที่ประมาณ 2,250 kJ/kg และความร้อนจำเพาะ 4.2 kJ/kg °C ดังนั้นอุณหภูมิของน้ำที่เหลือจะลดลงประมาณ 6 °C เนื่องจากการระเหยของไอระเหย 1% ของน้ำหล่อเย็น

คอลัมน์ที่เกี่ยวข้อง - ทำไมฤดูร้อนที่เกียวโตถึงร้อนระอุ?

เมื่อพูดถึงงานอีเว้นท์ในเกียวโตในฤดูร้อน เทศกาล Gion และ Gozan no Okuribi (Daimonjitaki) ก็เป็นที่รู้จักกันดี มีนักท่องเที่ยวหนาแน่นทุกปี แต่เกียวโตยังมีชื่อเสียงในเรื่องฤดูร้อนและฤดูหนาวที่รุนแรงอีกด้วย ในเดือนสิงหาคม 2017 อุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ที่ 28.7 °C ตั้งอยู่ที่ละติจูดใกล้เคียงกัน อุณหภูมิใน Chosi จังหวัดชิบะคือต่ำกว่า 3.1 °Cที่อุณหภูมิ 25.6 °C ในขณะที่อุณหภูมิเฉลี่ยในเดือนมกราคมอยู่ที่ 4.8 °C ในเกียวโต ซึ่งก็คือต่ำกว่า 2.2 °Cกว่า 7.0 °C ใน Choshi (อิงจากอุตุนิยมวิทยา 2017 (รายเดือน) อุณหภูมิอากาศ) แต่ทำไมความแตกต่างดังกล่าวจึงปรากฏขึ้น?
คุณสมบัติของน้ำก็มีความเกี่ยวข้องเช่นกัน
นอกจากความหนาแน่นของน้ำแล้ว น้ำยังมีความจุความร้อนจำเพาะที่มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับสารอื่นๆ กล่าวคือ ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของสาร 1 กรัมขึ้น 1 °C
ตัวอย่างเช่น ที่ 4.18 kJ/kg °C ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 1.7 เท่าของความจุความร้อนจำเพาะของเอทานอล ซึ่งเท่ากับ 2.42 kJ/kg °C และประมาณ 9 เท่าของความจุความร้อนจำเพาะของเหล็กซึ่งเท่ากับ 0.46 kJ /กก. องศาเซลเซียส
น้ำมักกล่าวกันว่าอุ่นและเย็นได้ยาก แต่เป็นเพราะความจุความร้อนจำเพาะของน้ำมีมาก ซึ่งต้องใช้ความร้อนจำนวนมากในการอุ่นน้ำ ในทางกลับกัน เมื่อน้ำอุ่นสามารถเก็บความร้อนได้ในระดับหนึ่ง
เนื่องจากความจุความร้อนจำเพาะที่มากนี้ น้ำ (หรือสารละลายที่เป็นน้ำของสารป้องกันการแข็งตัว) จึงถูกใช้เพื่อทำให้เครื่องยนต์เย็นลงในเครื่องยนต์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ
สาเหตุที่อุณหภูมิร่างกายของบุคคลไม่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในฤดูร้อน และเหตุใดอุณหภูมิร่างกายจึงไม่สูงขึ้นในทันทีเมื่อออกกำลังกาย เป็นเพราะร่างกายมากกว่าร้อยละ 60 ประกอบด้วยน้ำ
นอกจากนี้ ที่ 2,257 kJ/kg ความร้อนจากการระเหยของน้ำจะสูงขึ้นเกือบสามเท่าเมื่อเทียบกับเอธานอลที่ 838 kJ/kg ทำให้บุคคลสามารถปรับอุณหภูมิร่างกายได้โดยการขับเหงื่อเนื่องจากเหงื่อจะกำจัดส่วนใหญ่ของ การกลายเป็นไอนี้จะร้อนเมื่อระเหย
นอกจากนี้ เมื่อน้ำแข็งละลาย ความร้อนหลอมเหลวขนาดใหญ่ 334 kJ/kg จะถูกลบออกจากสภาพแวดล้อม ในทางกลับกัน ปริมาณความร้อนควบแน่นที่เท่ากันจะถูกปล่อยออกมาเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง เหตุผลที่น้ำจะเย็นลงเมื่อน้ำแข็งถูกใส่ลงไปในน้ำ เป็นเพราะความร้อนที่หลอมละลายจะถูกลบออกเมื่อน้ำแข็งละลาย ค่านี้เทียบเท่ากับความจุความร้อนจำเพาะ 80 เท่าของน้ำปริมาณเท่ากัน
ในต้นฤดูใบไม้ผลิ น้ำจะโปรยลงบนไร่ชาในตอนกลางคืนเพื่อให้ตาชาอยู่ที่ประมาณ 0 °C เนื่องจากความร้อนควบแน่นที่ปล่อยออกมาเมื่อน้ำเกาะติดกับชากลายเป็นน้ำแข็ง เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำแข็งโดนน้ำค้างแข็งเมื่ออุณหภูมิ ลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง
สำหรับที่ดินที่ล้อมรอบด้วยทะเลทั้งสามด้าน เช่น โชชิในจังหวัดชิบะ น้ำจำนวนมากในทะเลช่วยลดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของอากาศ ดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างฤดูหนาวและฤดูร้อนจึงค่อนข้างน้อย
อย่างไรก็ตาม ในแอ่งน้ำจืดที่ไม่มีทะเลอย่างเกียวโต อากาศจะร้อนมากเพราะความร้อนไม่ได้ไหลลงสู่ทะเล ฯลฯ เมื่อแผ่นดินได้รับความอบอุ่นจากความร้อนจากแสงอาทิตย์ในฤดูร้อน และจะหนาวในฤดูหนาวเนื่องจากไม่มีอุปทาน ความร้อนจากทะเล
แม้ว่าเมืองต่างๆ จะตั้งอยู่ในละติจูดเดียวกัน แต่อุณหภูมิของอากาศตลอดทั้งปีก็ได้รับผลกระทบเนื่องจากสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับน้ำแตกต่างกันมาก

ที่มา: “บทที่ 1 คุณสมบัติและบทบาทของน้ำ 1-2 ทำไมฤดูร้อนในเกียวโตจึงร้อนมาก?” (กระทรวงศึกษาธิการ วัฒนธรรม กีฬา วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี)
(http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu0/shiryo/attach/1331537.htm)

รายการถัดไป: 1-2 ของเหลวเฉื่อยที่ใช้ฟลูออรีน