แก้กำแพงห้องร้อน ep2- 0 เข้าใจง่ายๆเบื้องต้น ต้องรู้เรื่อง การนำ การพา และการแผ่รังสีความร้อน

เกริ่น–ที่มาที่ไปของ ep2 และต่อไป

ในตอนนี้จะได้กล่าวถึง พื้นฐาน การทำความเข้าใจอย่างง่ายๆ เกี่ยวกับ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ในแง่มุมคำจำกัดความอย่างง่ายๆจากตัวอย่างของจริงที่มีกันอยู่ในโลกนี้ก่อน เพื่อนำพาเข้าสู่ความหมายเชิงลึกหรือการคำนวนในบทต่อไป ถ้าท่านผู้อ่านยังไม่เข้าใจคำจำกัดความพื้นฐาน ท่านจะไม่สามารถเลือกฉนวนได้อย่างถูกต้องและเหมาะสม เนื่องจากคนขายฉนวนมักยกหรือกล่าวอ้างว่าของเขาดีกว่าอีกแบบนึงและบอกเป็นภาษาที่มิใช่แค่คำจำกัดความ แต่เป็นภาษาเอาไว้เชิงคำนวน

เมื่อเข้าใจพื้นฐานในตอนนี้แล้ว ในตอนต่อไปก็จะแนะนำภาษาหรือคำเอาไว้ใช้ในการคำนวน ผมอยากจะข้ามๆการคำนวนไปเลยด้วยซ้ำแต่ก็ทำไม่ได้เพราะมันจะไม่มีที่มาที่ไป ส่วนในตอนต่อๆไปอีกผมจะยกตัวอย่างห้องร้อนของผมเองที่เกิดจากกำแพงร้อนและคำนวนสรุป ส่วนใครที่ไม่ได้สนใจคำนวน แต่จะเอาไปใช้ประโยชน์ก็ดูตอนสรุปของการคำนวนไปเลยก็ได้ครับ(แต่ต้องรอก่อนจะค่อยๆเขียนไล่ไป) ผมพยายามจะให้มันเอาไปใช้ประโยชน์ได้เลยเพียงแค่เปลี่ยนตัวเลขก็แค่นั้น เปลี่ยนตัวเลขการเลือกใช้ฉนวน

เมื่อคำนวนบ้าบอคอแตกมามากพอแล้วก็จะมีการทดลองทำจริง ดูเหมือนวิชาการมากไปหน่อยเนอะ จริงๆผมลองทาผนังร้อนด้วยสีสะท้อนรังสีแล้วแต่ดื้อไปทาข้างใน ผลออกมาไม่ค่อยน่าพอใจเท่าไหร่ (ไว้จะค่อยๆ เล่าให้ฟังและก็จะสรุปเป็นข้อผิดพลาดต่างๆในการใช้สีสะท้อนรังสี)  ก็เลยจะหาฉนวนเสริมก็เลยกลับมาคำนวนสักนิดนึงขุดเอาทฤษฎีมาสักหน่อยจะได้ไม่โง่เหมือนผม เรียนมาแต่ไม่ได้ใช้เพราะรู้สึกที่เรียนมันเยอะมากท่วมหัวเลยลืมเลือกเอามาใช้ประกอบกับวิชาเรียนกับการใช้จริงมันเกี่ยวข้องกับวัสดุที่ไม่เคยมีอยู่ในหนังสือเยอะแยะมากมายและเงือนไขต่างๆของจริงซึ่งไปค้นในหนังสือก็ไม่เห็นมีตัวอย่างตามที่เราต้องการและให้มันใช้ง่ายๆหน่อยก็ไม่เคยมี

จริงๆเมื่อค้นคว้าอะไรไปเยอะ จึงมีเรื่องที่น่าสนใจหรือน่าทดลองทำ ซึ่งมันก็มีนวัตกรรมใหม่ๆที่น่าจะลองทำใช้เองหรือทำขายก็ได้ ก็เลยอยากแกะออกมาให้เพื่อนๆชาว DIY ลองไปทำดูทำขายจะต่อยอดออกไป จะทำขายแล้วรวย ทำใช้แล้วดีผมก็เห็นดีเห็นงามด้วยหมดแหละครับ เพราะไม่เคยคิดว่าความรู้เป็นเรื่องลิขสิทธิ์ ความรู้ที่เป็นธรรมจริงๆคือความรู้ที่คนศึกษาแล้วทำ ทำได้ได้ประโยชน์หมดทุกคน อันหลังๆกว่าผมจะได้ทดลองทำจริงก็คงอีกหลายเดือนมั้ง แต่มีที่นึงที่ชาวโลกไซเบอร์ได้ทดลองมากันมากมายและบันทึกเอาไว้มีเยอะ เช่น เกี่ยวกับพลังแดด  www.builditsolar.com ปัญหาอย่างเดียวคือความเข้าใจพื้นฐานที่ถูกต้อง อันจะทำให้คุณเลือกวัสดุมาใช้ให้เหมาะกับการถ่ายเทความร้อนนั้นอย่างไร จึงเป็นส่วนสำคัญที่ต้องมีตอนพื้นฐานในบทความนี้ครับ

สงสัยมีอย่างน้อยสิบตอนแหะ เพราะมันเยอะมาก

 

เท้าความอีกหน่อย

สมัยเรียนผมได้เคยเรียนการคำนวนเกี่ยวกับวิชาการถ่ายเทความร้อน (Heat  transfer)มาบ้าง แต่สมัยนั้นอัดทฤษฎีเยอะตามการเรียนรู้แบบไทยๆได้แต่จินตนาการว่ามันคงมีรูปแบบเป็นอย่างนั้นอย่างนี้ เนื่องจากผมเป็นคนเชื่อตามที่เห็นจริงเท่านั้นรับได้หรือวัดได้จริง ส่วนทฤษฎีและการคำนวนผมจำไม่ค่อยได้หรือได้ลางๆ ก็เลยต้องรื้อๆค้นๆเอามาบอกเล่ากันให้ฟัง ถ้ามีตรงไหนผิดพลาดประการได้ได้โปรดตำหนิติติงกลับมาผมจะขอบพระคุณเป็นอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตามผมอยากจะค้นคว้าและนำเสนอสิ่งที่ง่ายๆในชีวิตจริงมาเป็นหลักการ ส่วนทฤษฎีและการคำนวนคงประกอบตามมาทีหลังแต่จะพยายามแยกหรือมีให้น้อยที่สุดโดยเฉพาะตอนนี้(ซึ่งถ้าท่านผู้อ่านสนใจก็คงหาอ่านได้ในวิชา Heat transfer  แต่ต้องพอเข้าใจในหลักการวิชาคณิตศาสตร์แคลคูลัสระดับป.ตรี และวิชากลศาสตร์ของไหลพอสมควร) ซึ่งถ้าท่านผู้อ่านไม่ได้สนใจเรื่องการคำนวนก็ให้อ่านสรุปเอาและนำไปใช้ประโยชน์ได้ทันที หวังว่าบทความนี้จะทำให้ผู้ที่สนใจนำความรู้ไปใช้ประโยชน์ในการประหยัดพลังงานซึ่งรวมทั้งผมด้วยครับค้นคว้าแล้วก็ลองทำเอาไปใช้งานเลย

 

การประหยัดพลังงาน คือการลดต้นทุนหรือลดค่าใช้จ่าย เมื่อจ่ายน้อยรายได้ก็จะเพิ่มมากขึ้น นั่นคือส่วนหนึ่งในหลักเศรษฐกิจพอเพียงของพ่อหลวงให้พึ่งตนเองให้ได้ครับ

ความร้อนหรืออุณหภูมิอยู่ในชีวิตประจำวันของเราทั้งหลาย ตั้งแต่ตื่นนอนยันหลับอีกรอบ  จะกินข้าวก็ต้องหุงข้าวทำข้าวให้สุกให้ร้อน ร้อนก็ต้องอาบน้ำ ปะแป้ง เปิดพัดลมหรือแอร์ หรือจะไปอยู่ใต้ต้นไม้ใกล้ๆบ่อรอลมพัดเย็นๆ ถ้าค้นคว้าเรื่องการถ่ายเทความร้อนอย่างจริงจังเราจะรู้ลึกพอเราก็จะนำมาประยุกต์ใช้งานได้ ดังเช่น คนขายไก่ย่างที่ใช้พลังแดดมาย่างไก่ที่เคยออกทีวี ใช้หลักการสะท้อนของรังสีความร้อนจากแดดหรือแสงอาทิตย์

 

 

 

ความร้อนสามารถถ่ายเทไปมาได้เมื่อวัตถุมีอุณหภูมิแตกต่างกัน มีรูปแบบทั้งหมด3ชนิด คือ การนำความร้อน การพาความร้อน และแผ่รังสีความร้อน 

 

การนำความร้อน -heat conduction คือการส่งผ่านความร้อนจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงไปต่ำด้วยการแตะติดกัน เสมือนการแตะติดกันของอะตอมหรือโมเลกุล หรือวัสดุแตะติดวัสดุ  ในของแข็งที่ด้านนึงมีความร้อนที่แตกต่างกันอะตอมในโมเลกุลจะส่งผ่านความร้อนหรือพลังงานด้วยการสั่นติดต่อกันไปอะตอมที่ติดกันไปก็มีพลังงานสูงขึ้นส่งการสั่นต่อๆไป การนำความร้อนต้องอาศัยสสารหรือตัวกลาง  ถ้าไม่มีสสารเช่นในสูญญากาศหรืออวกาศก็ไม่สามารถนำความร้อนได้  นิยามการนำความร้อนส่วนใหญ่เกิดในของแข็ง ในการนำคำนวนในระบบปิดที่ของเหลวหรือก๊าซไม่เคลื่อนที่ให้เห็นได้ในสภาวะอุณหภูมิคงตัว ของเหลวและก๊าซก็สามารถนำความร้อนได้เช่นกันเป็นการเสมือนหรือมีพฤติกรรมการนำความร้อน การคำนวนเรื่องการนำความร้อนถูกนำเสนอขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ชื่อ โจเซฟ โฟริเออร์ (Joseph Fourier) ซึ่งเขาได้ทดลองเรื่องการนำความร้อนจนเข้าใจรูปแบบของสมการทางคณิตศาสตร์

ตัวอย่างง่ายๆคือการถือแท่งเหล็กเหนือเปลวไฟ เมื่อถือไปเรื่อยๆจะรู้สึกว่าเหล็กร้อนขึ้น

 

 

การพาความร้อน – heat convection คือการส่งผ่านความร้อนด้วยการอาศัยการเคลื่อนที่ของของไหลไหลผ่านของแข็งที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน ของไหลคืออากาศหรือน้ำหรือก๊าซและของเหลวอื่นๆ  ด้วยคุณสมบัติของสสารที่เป็นของไหล เช่นความหนาแน่นของอากาศที่ต่ำลงเมื่อถูกทำให้ร้อนก็จะลอยสูงขึ้นเป็นต้น การพาความร้อนต้องอาศัยตัวกลาง การพาความร้อนมักนิยามให้เกิดกับของไหลแลกเปลี่ยนความร้อนกับของแข็งซะส่วนใหญ่ แต่ในธรรมชาติของไหล2ชนิดก็มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกันตามปรกติ เช่น การหมุนของกระแสน้ำอุ่นในมหาสมุทร Ocean conveyor belt ซึ่งพาความร้อนจากฝั่งทะเลตะวันออกไปทะเลตะวันตก(ถ้าดูเรื่องนีโม ที่เจอเต่าจอมท่องเทียววิ่งไปตามกระแสน้ำอุ่นจะเข้าใจ) น้ำที่อุ่นทำให้ประเทศตะวันตกมีอากาศที่อุ่นขึ้น ซึ่งถ้ามีการเกิดน้ำแข็งละลายมากจนเสียสมดุลย์เกลือที่ฝรั่งเขากลัวกัน กระแสน้ำวนดังกล่าวขาดหรือหดตัวหรือชำรุด จะทำให้ประเทศตะวันตกทิศเหนือๆหน่อยเป็นน้ำแข็งตลอดทั้งปี ระบบนิเวศน์ของทั้งโลกจะเปลี่ยนไปมากมายและเกิดภัยธรรมชาติที่น่ากลัวอีกมาก

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermohaline_circulation
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermohaline_circulation

 

http://cloud.collegefashion.net/wp-content/uploads/2012/02/cohen01_findingNemo-turtles.jpg

 

atlantic conveyor belt >> http://blogs.egu.eu/4degrees/files/2013/09/Ocean_circulation_conveyor_belt.jpg

การแผ่รังสีความร้อน -heat radiation คือการส่งผ่านพลังงานในรูปแบบของคลื่นพลังงานผ่านช่องว่างที่มีอากาศหรือไม่มีอากาศ(สูญญากาศ หรือ อวกาศ)ก็ได้ คือไม่ต้องอาศัยตัวกลางก็ส่งผ่านความร้อนไปได้

ตัวอย่างง่ายๆคือ เวลาเรากระโดดขึ้นรถกระบะหลังที่มีพื้นปูกระบะท้ายที่เป็นพลาสติกสีดำที่อยู่กลางแดด มันจะร้อนมากเวลานั่งแทบจะสุก ความร้อนนั้นมาจากดวงอาทิตย์แผ่รังสีเห็นเป็นแสงแดดส่งผ่านมายังพื้นปูกระบะท้าย

เรื่องรังสีความร้อนเป็นเรื่องที่น่าสนใจมากๆครับ ซึ่งตอนท้ายๆของบทความนี้จะมีแสดงให้เห็นการประยุกต์ใช้ประโยชน์ครับ

 

 

Ex_heat_trans_conduction_convection_radiationEx_heat_trans_conduction_convection_radiation

ตัวอย่างการนำ การพา การแผ่รังสีความร้อน

 

Ex_heat_trans_conduction_convection_radiation
ที่มาของรูปประกอบ >> http://www.phs.d211.org/science/smithcw/Chemistry%20332/Quarter%201%20Unit%202/9%20Types%20of%20Heat%20Transfer.pdf

ต้องขออภัยที่เป็นรูปภาษาอังกิด ในรูปประกอบแต่ละรูปแสดงถึงการทำงานพื้นฐานของการส่งผ่านความร้อนในแต่ละรูปแบบแยกออกจากกัน ในความเป็นจริงการได้รับความร้อนในชีวิตประจำวันอาจมีตั้งแต่ 1-3 อย่างพร้อมๆกันก็ได้

เช่น

คำถามที่ว่า  ถ้าเราเอามือไปอังไฟ แล้วร้อน กระบวนการส่งผ่านความร้อนของเปลวไฟมาสู่มือเราคือการพาความร้อนใช่หรือไม่ ใช่ไหมครับ มีแค่อย่างเดียวใช่ไหมครับ??

คำถามที่ว่า ถ้าเราเอาปลายแท่งเหล็กจ่อไฟ มือเรารู้สึกร้อน ความร้อนส่งผ่านจากเปลวไฟมาสู่มือเราได้อย่างไร ถ้าตอบการนำความร้อนมันก็ถูกครับแต่ถูกแค่บางส่วนเท่านนั้น

เรามาช่วยกันตอบหน่อยครับ

การถือแท่งเหล็กจ่อเหนือเปลวไฟ ถ้าเปรียบเทียบกับเหล็กคีบเวลากินหมูกระทะ ขบวนการส่งผ่านความร้อนมีดังนี้

1. เหล็กคีบร้อนขึ้น เรารู้สึกได้ว่าร้อนที่ผิวนิ้วมือเรา นี่เป็นการนำความร้อนจากเหล็กมาสู่ผิวเรา หรือปลายเหล็กนำความร้อนมาสู่ด้ามจับ การนำความร้อนแบบนี้เป็นผลมาจากโมเลกุลมีการส่งผ่านสั่นสะเทือนเป็นทอดๆต่อกัน

2. เหล็กร้อนขึ้นที่ปลายที่กำลังคีบหมูซึ่งร้อนกว่าที่เราจับได้ ความร้อนนี้ถูกส่งผ่านโดยโมเลกุลของอากาศร้อนวิ่งจากเตามากระทบกับเหล็ก ซึ่งตามนิยามคือ การพาความร้อน และมีส่วนหนึ่งเกิดจากการแผ่รังสีที่จุดที่ถ่านกำลังเผาไหม้มากระทบกับเหล็ก(ซึ่งร้อนช้ากว่าการพาความร้อน) เรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน

3. จุดเริ่มต้นของอากาศร้อนเกิดขึ้นด้วยอาศัยปฎิกิริยาเคมีการเผาไหม้ คืออากาศร้อนเกิดขึ้นได้เองจากการเผาคาร์บอน กับอ๊อกซิเจน เกิด คาร์บอนได้อ๊อกไซด์ที่ร้อนมากหรือมีพลังงานสูง ส่งผ่านไปยัง(กระทบหรือชนกันกับ) อากาศเย็นที่วิ่งผ่านเข้ามาแต่ไม่ได้ทำการเผาไหม้ด้วยเช่นไนโตรเจนเป็นต้น มันจะทำก็แลกเปลี่ยนความร้อนกับคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ร้อนๆแล้วขยายตัววิ่งผ่านอากาศไปกระทบกับเหล็ก การแลกเปลี่ยนความร้อนนี้จัดได้ว่าเป็นการพาความร้อนตามธรรมชาติ และอีกส่วนหนึ่งเกิดจากการแผ่รังสีความร้อนจากจุดที่เผาไหม้ซึ่งมีความร้อนอย่างน้อย 300 องศาเซลเซียส ปะทะกับมวลอากาศเย็นที่อยู่รอบ เมื่ออากาศร้อนได้รับความร้อนจากการแผ่รังสีมันก็จะขยายตัวและกลับไปทำหน้าที่พาความร้อนอีกครั้ง มันทำงานสอดรับประสานกันอย่างแยกกันไม่ออก

คำถามคือถ้าเป็นตะเกียบเราเอาอังไฟ ปลายอังไฟแต่ด้ามตะเกียบเราถือในแนวระนาบที่มือเราไม่ร้อนอังนานเท่าไหร่ก็ไม่ร้อนแต่ตะเกียบจะเริ่มดำและไหม้แทน แสดงว่าค่าคุณสมบัติในการนำความร้อนของเหล็กและไม้ต่างกันนั่นเอง  ส่วนการเอามือแตะแท่งเหล็กร้อนๆเป็นการนำความร้อนแน่นอนครับและมีอย่างเดียว

การนำความร้อนจากที่คีบที่ทำด้วยเหล็ก ขอขอบคุณรูปจาก http://don-jai.com/uchi-yakiniku/
การอังไฟ ขอขอบคุณรูปภาพจาก http://www.kukai.ac.th/Thai/activities_2013/C2/AC_update_18-01-2013-light_and_shadow.php

การอังไฟ ถ้าเราร้อนจะพบว่ามีขบวนการดังนี้

โมเลกุลอากาศกระทบกับมือ เป็นการพาความร้อน แต่ถ้ามองย้อนไปจะพบกระบวนการต่างๆสอดรับประสานกันหลายขั้นตอนเพียงเปลี่ยนจากที่คีบหมูกระทะเป็นมือ ก็จะพบว่ามีการแผ่รังสีมาที่มืออีกเช่นกัน

ขบวนการแผ่รังสีความร้อนผ่านอากาศ ความเป็นจริงแล้วอากาศที่ได้รับความร้อนจริงจะเป็นส่วนน้อยเพราะเสมือนรังสีจะวิ่งทะลุผ่านอากาศเพราะช่องว่างมีมากกว่าอากาศ แต่ถ้ามีการกระทบกันอย่างจริงจังเช่นคลื่นรังสีความร้อนชนกับโมเลกุลของไนโตรเจน ไนโตรเจนก็จะได้รับพลังงานสูงขึ้น และบางส่วนของคลื่นรังสีก็จะทะลุผ่านไนโตรเจนออกไปและเดินทางเบี่ยงเบนของจากเส้นเดิม พลังงานของคลื่นหรือรังสีก็จะลดลง

แต่ถ้าเราเอามือผิงไฟด้านข้างให้อยู่ในระยะที่ร้อนพอเหมาะจะรู้สึกร้อนอุ่นๆหรือร้อนที่ผิว ทั้งนี้ถ้าอยู่ไกลพอการพาความร้อนและการนำความร้อนจะถือว่าน้อยมาก ความที่รู้สึกร้อนอย่างนี้เรียกว่าการส่งผ่านความร้อนด้วยการแผ่รังสี ฉะนั้น ถ้าเราอังไฟเราย่อมได้รับรังสีความร้อนด้วยเสมอ เหมือนกับที่หน้าหนาวถ้าแดดออกทันทีและมากระทบผิวเราเราจะรู้สึกอุ่นที่ผิวโดยไม่ต้องอังไฟ ความรู้สึกเมือเราได้รับการแผ่รังสีความร้อนก็เหมือนกับที่เราร้อนที่ผิวเวลาถูกแดดนั่นเอง

นอกเรื่องนิดนึง

เคยดูหนังญี่ปุ่นเรื่องกาลิเลโอ พระเอกถูกคลื่นไมโครเวฟที่มีการปรับแต่งทำให้รู้สึกอุ่นจากข้างในหรือของเหลวภายในร่างกายอุ่น จนพระเอกรู้สึกทราบซึ้งถึงพลังของเจ้าลัทธิ หลังๆพระเอกรู้ทันแต่พระเอกต้องใส่แว่นสะท้อนรังสีไม่งั้นตาจะสุกเป็นไข่ต้มก่อน เพราะเจ้าลัทธิต้องการทำร้ายพระเอก

อีกอันเป็นอาวุธต้องเรียกว่าอาวุธน่าจะเหมาะกว่าที่เมื่อยิงคลื่นที่คล้ายๆไมโครเวฟที่ปรับแต่งให้มีความถี่สูงขึ้นจะทำให้รู้สึกผิวหนังร้อนขึ้นๆ อยู่นานผิวไหม้แน่ครับ เท่าที่อ่านดูมันได้ใจความอย่างนั้น ถ้าสนใจลองดู ลิงค์ที่นี่ 

มีหนังฝรั่งเรื่องนึงที่พวกทหารใช้ดาวเทียมยิงคลื่นไมโครเวฟมาที่คนบนโลกตามตำแหน่งที่ถูกชี้เป้าเมื่อโดนคนคนก็จะสลบทันที พระเอกแก้ไขได้ด้วยการใส่หมวกที่ทำจากฟลอย ให้สะท้อนคลื่นรังสีออกไปจึงไม่สลบ ตอนแรกก็รู้สึกฮาๆ ทำหมวกบ้าอะไรก็ไม่รู้กันคลื่นไมโครเวฟได้จริงหรือ ถ้ามาศึกษากันจริงๆคลื่นรังสีความร้อนจะถูกสะท้อนได้จริงด้วยฟลอยซึงเป็นเทคโนโลยีจากอวกาศ หมวกฟลอยอาจกันคลื่นไมโครเวฟได้จริงก็ได้

http://en.wikipedia.org/wiki/Tin_foil_hat
การผิงไฟ ขอขอบคุณรูปจาก http://dpc9.ddc.moph.go.th/crd/news/tv/2554_12_02_c6.html

การผิงไฟ อาศัยการแผ่รังสีความร้อนเป็นส่วนใหญ่ และการพาความร้อนเป็นส่วนน้อย คำถามที่น่าสนใจคือการแผ่รังสีมันส่งผ่านความร้อนในที่มีอากาศก็ได้หรือไม่มีอากาศก็ได้ แต่ทำไมเมื่อไปผิงไฟไกลๆมันจะอุ่นน้อยลงหรือไม่อุ่นเลย แสดงว่าอากาศมันเล่นตลกทำให้พลังงานมันลดลงตามระยะทาง หรือในที่ๆไม่มีอากาศ(อวกาศหรือสุญญากาศ)พลังงานจากการแผ่รังสีก็ลดลงไปตามระยะทางได้ ในความเป็นจริงการแผ่รังสีของกองไฟเมื่อรังสีวิ่งมาที่ตัวเราที่อยู่ไกลออกไปเมื่อเจออากาศยิ่งมีมาก(ระยะทางไกลขึ้น)รังสีจะแพร่กระจายโดยทิศทางวิ่งจะไม่เป็นเส้นตรง ทำให้เมื่อเราอยู่ไกลก็ทำให้ความร้อนลดลงนั่นเอง

กลับมาเข้าเรื่องของการแก้กำแพงร้อนสักนิดนึงถ้าคิดง่ายๆ ถ้าเรากักความร้อนไว้ไม่ให้เข้ามาหรือไม่ให้ออกไปเป็นต้นก็จะสามารถแก้กำแพงร้อนได้ แต่ก่อนอื่นเรามาสนใจการกักเก็บความร้อนหรือฉนวนที่ดีที่สุดในอุดมคติก่อนคือกระติกน้ำร้อนชนิดขวดสูญญากาศ หรือกระติกน้ำร้อนโบราณดังรูปครับ

ขอขอบคุณภาพจาก http://board.trekkingthai.com/board/show.php?forum_id=79&topic_no=322915&topic_id=327654

ซึ่งสมัยเก่อนที่ยังไม่มีกระติกน้ำร้อนไฟฟ้าก็น่าจะมีใช้กันเกือบทุกบ้านถ้าต้องการใช้น้ำร้อนบ่อยๆ รูปทรงโบราณมากแต่มีฉนวนที่เก็บความร้อนได้ดีมากชนิดที่เป็นเกือบเป็นแบบอุดมคติคือความร้อนส่งผ่านออกไปได้น้อยมาก  เข้าใจว่าเป็นการออกแบบคิดค้นมาจากเยอรมัน พอมันถูกผลิตไปทั่วโลก โรงงานประเทศต่างๆหลายประเทศก็เลียนแบบสร้างมาขายเพราะมันมีประโยชน์มาก ฝรั่งเขาเรียก Thermos Flask  หรือขวดของThermos มาดูประวัติกันก่อน

 

ส่วนประกอบภายในดังรูป ที่มา >>http://home.howstuffworks.com/thermos2.htm

 

ภาพจาก thank pic >>http://www.explainthatstuff.com/vacuumflasks.html

 

 

ในรูปเป็นสิทธิบัตรที่ผลิตกระติกน้ำร้อน Thermos ขอขอบคุณภาพจาก wiki >> http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Vacuum_flasks

 

ภายในกระติกเก็บความร้อนThermos_description
ที่มา>>http://www.phs.d211.org/science/smithcw/Chemistry%20332/Quarter%201%20Unit%202/9%20Types%20of%20Heat%20Transfer.pdf

 

หลายคนรวมทั้งผมด้วยเข้าใจว่ากระจกเงาหรือกระติกน้ำร้อนมีการเคลือบด้วยปรอท แต่จริงๆเขาเคลือบด้วยเงินฉะนั้นตอนเด็กๆถ้าใครถามว่ากระจกทำไมเงาถ้ามีคนตอบว่ามันฉาบปรอทจะไม่ถูกต้องทำให้เด็กๆได้รับความรู้แบบผิดๆมานาน(ผมก็รู้มาจากผู้ใหญ่)

 

ดูเป็นภาษาอังกิดก็ดีภาพชัดมาก

 

รังสีความร้อนจะถูกสะท้อนได้ 80-90% ด้วยกระจกเงา หรือแผ่นอะไรก็ได้ที่เงาๆ แต่ผลการสะท้อนจะมากน้อยต่างกันไป เช่น แผ่นฟลอยด์ , พื้นน้ำ ,วัสดุสีขาวผิวเรียบ ผิวมัน

เรื่องของวัสดุกับรังสีความร้อน

เรื่องรังสีความร้อนที่เกิดขึ้นบนวัสดุต่างๆจะอธิบายให้เห็นเป็นรูปธรรมยากหน่อย แต่เข้าใจง่ายมากเพราะเกิดขึ้นในชีวิตจริงเยอะ ในตอนนี้คงอธิบายให้เห็นลักษณะใหญ่และประโยชน์ก่อน ส่วนที่มีรายละเอียดเยอะลงลึกๆคงเป็นตอนต่อๆไป

 

ปรกติวัตถุที่มีอุณหภูมิมากกว่า 0 เคลวิน จะมีการแผ่รังสีหลายชนิดหรือหลายความยาวคลื่นรังสีตลอดเวลาในที่นี้รวมถึงรังสีความร้อนด้วย รังสีความร้อนเป็นรังสีซึ่งมีความยาวช่วงคลื่นอยู่ที่ 0.1-100 ไมโครเมตร และช่วงหนึ่งที่เรียกว่าอินฟราเรดซึ่งเป็นรังสีความร้อนส่วนใหญ่  การแผ่รังสีความร้อนจะเกิดขี้นในวัตถุที่มีอุณหภูมิมากกว่า -273.15 องศาเซลเซียส  หรือ มากว่า 0 องศาเคลวิน แต่จะมีการแผ่รังสีความร้อนให้แก่กันหรือมีการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยการแผ่รังสีระหว่างสองวัตถุต้องมีอุณหภูมิแตกต่างกัน

วัตถุต่างๆมีคุณสมบัติที่เกียวกับรังสีที่น่าสนใจ ซึ่งแต่ละวัสดุก็มีค่าต่างๆกันไป วัดได้จากการทดลอง เช่น

ค่าการดูดกลืนรังสี (Absorptivity) มีมากในวัสดุสีดำด้าน

ค่าการแผ่รังสี (Emissivity)   คือประสิทธิภาพการแผ่รังสีของวัสดุ

ค่าการสะท้อนกลับรังสี (Reflectivity)   มีมากในอลูมิเนียมและโลหะขัดมัน

ค่าการส่งผ่านรังสี(Transmitivity)    มีมากในกระจกและวัสดุโปร่งแสงส่วนใหญ่

คุณสมบัติทั่วไปของวัสดุ สะท้อนรังสี ดูดรังสี และส่งผ่านรังสี ภาพจาก http://www.engineeringtoolbox.com/radiation-heat-transfer-d_431.html

 

ค่าการดูดกลืนรังสี (Absorptivity) เป็นค่าการดูดกลืนรังสีเมื่อเทียบกับค่าการดูดกลืนของวัตถุดำ โดยธรรมชาติวัตถุใดมีค่าดูดกลืนรังสีมาก วัตถุนั้นก็จะมีพลังงาน (อุณหภูมิ)สูงกว่าพวกที่ดูดกลืนได้ต่ำ มีมากในวัสดุสีดำด้าน เป็นต้น ปัจจุบันวัสดุพวกท่อนาโนคาร์บอนจะมีค่าการดูดกลืนรังสีมากที่สุด วัตถุดำ(Black body) เป็นวัตถุสมมติในเรื่องการถ่ายเทความร้อนว่ามีค่าการดูดกลืนมากที่สุด=1  ไม่มีการสะท้อนรังสีกลับ ค่าการสะท้อน=0 และไม่มีการส่งผ่านรังสี ค่าส่งผ่านรังสี=0 ตัวอย่างข้างล่างเป็นค่าการดูดกลืนรังสีของวัตถุโดยประมาณ
การทดลองง่ายๆในเว็ปไซด์ของNASA เรื่อง ค่าการดูดกลืนความร้อน

ใช้หลอดไฟส่องไปที่กีะป็องหุ้มด้วยกระดาษดำหรือทาสีดำ อีกกระป๋องหุ้มด้วยฟลอย เป็นต้น แล้วดูที่เทอร์โมมิเตอร์ วัดอุณหภูมิ  http://quest.arc.nasa.gov/space/teachers/suited/9d4absor.html

 

การประยุกต์ใช้ ในเรื่องค่าการดูดกลืนรังสี เช่นเครื่องทำน้ำร้อนพลังแสงอาทิตย์ อาศัยวัตถุสีดำคือสีดำที่ทาในกะบะที่ปิดด้วยกระจกเป็นหลัก เดินท่อผ่านกะบะสีดำดังกล่าว ท่อก็ถูกทาด้วยสีดำ น้ำร้อนที่ทำได้อุณหภูมิ 55-60 องศาเซลเซียส ตัวถังก็มีฉนวนหุ้มกันความร้อนรั่วไหลเป็นต้น เหมาะกับใช้งานในสปา ร้านทำผม หรือใช้งานอื่นๆตามต้องการ

เครื่องทำน้ำร้อนพลังแสงอาทิตย์ ที่มา >>http://www.watertech.rankadd.com/product5

 

ส่วนประกอบของเครื่องทำน้ำร้อนพลังแสงอาทิตย์ ที่มา>> http://www3.egat.co.th/re/egat_business/egat_heater/heater_section.htm

 

หาอ่านเพิ่มเติมได้ที่ http://www.eakaphatenergy.com/?ProductID=Product-110504153784064

ในรูปมีกระจกทำหน้าที่ให้รังสีผ่านจึงมีค่าการดูดกลืนรังสีต่ำ เมื่อรังสีกระทบไปยังแผ่นสีดำๆมันก็จะดูดกลืนรังสีทำให้เกิดความร้อนที่ผิววัสดุและเกิดการนำความร้อนกระจายตัวไปทั่วทั้งวัสดุโดยเฉพาะท่อท่อแดงที่ถูกทาทับด้วยสีดำก็จะร้อนขึ้นๆ  กระบะและกระจกด้านบนเป็นทรงปิดยังทำหน้าทีอีกอย่างคือไม่ให้ความร้อนที่เกิดขี้นบนแผ่นสี่ดำในกระบะไหลออกทำให้เกิดประสิทธิภาพมากขึ้น

ภาพการถ่ายเทความร้อนของชุดทำน้ำร้อนพลังแดด thk pic >> http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4/index_e.php

แต่ถ้าต้องการจะทดลองทำเอง จะใช้ทอpvc มาทาสีดำก็ได้ประสิทธิภาพก็ไม่ได้ต่างกันมาก(ไม่ต้องใช้ท่อทองแดง) ถ้าไม่มีกระจกก็หาพลาสติกใสๆ หลังคาPVCใสๆ หลังคาไฟเบอร์กลาสใส่ หลังคาพลาสติกใสๆ(แผ่นลอนโพลีคาร์บอร์เนท-ราคาสูงเอาเรื่อง) หรือ แร๊พหลาสติกก็ได้ง่ายดี หาดูรายะเอียดที่เขาได้ทดลองดูได้ที่ www.builditsolar.com/Projects/WaterHeating/CPVCCollector/CPVCCollectorTest.htm

 

เป็นการทดลองประสิทธิภาพการทำความร้อนของน้ำร้อนที่ใช้ท่อPVC เปรีบเทียบกับท่อทองแดง thank pic >> www.builditsolar.com/Projects/WaterHeating/CPVCCollector/CPVCCollectorTest.htm

 

ถ้าต้องการเครื่องทำน้ำร้อนพลังแดดที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นคือทำน้ำร้อนได้80-90 องศาแนะนำให้ใช้พวกเครื่องทำน้ำร้อนพลังแสงอาทิตย์ชนิดหลอดสูญญากาศ หรือ ชนิด Solar Heat Pipe  ลองดูที่นี่ของจีนขายในไทย มีบอกราคาด้วย

 

solar heat pipe , thk pic >>http://www.tssolarpowersystem.com/solarevc.htm

 

ท่อแก้วสูญกาศ และ ที่เห็นเป็นท่อทองแดงคือ ฮีทไปป์ ภาพจาก http://www.hurrassolar.com/en/technical.asp

 

โซล่าฮีทไปป์ ประกอบด้วยชิ้นส่วนสำคัญสองส่วนคือ ท่อแก้วสูญญาการศและฮีทไปป์  ท่อแก้วใช้หลักการของท่อแก้วสองชั้นที่ข้างในไม่มีอากาศหรือสูญญากาศในการกักเก็บรังสีความร้อนโดยที่ไม่ให้มีการนำความร้อนออกไปสู่ภายนอก โดยชั้นในมีฟิล์มของวัตถุที่ดูดรังสีความร้อนได้ดี ความร้อนจึงยู่ภายในทำให้สามารถทำอุณหภูมิได้สูงขึ้นกว่าเดิม ประกอบกับสามารถป้องกันรังสีสะท้อนออกเขาว่างั้นนะ(อันนี้ผมยังไม่ค่อยเข้าใจเท่าไหร่ว่า เป็นเพราะฟิล์มสะท้อนภายในที่เคลือบด้วยโลหะ หรือเป็นเพราะกระจกมันมีสองชั้น)

หลักการทำงานของ ฮีทไปป์ใน ท่อแก้วสูญญากาศ แต่ในรูปผมว่าไม่ถูกนะ จุดที่เกิดความร้อนเขาบอกว่าเป็นข้างล่างตรงลูกศรแดงๆ แต่ความจริงแล้วจุดที่สะสมความร้อนเกิดจากฟิล์มสีดำๆในท่อแด้วแผ่รังสีมาที่ฮีทไปป์ คือตรงไหนมีสีดำแล้วโดนแดดมันก็จะแผ่รังสีไปที่ท่อฮีทไปป์ แต่จุดที่ร้อนที่สุดคือ ส่วนหัวตุ้มๆ เพราะมีไอร้อนของสารในท่อฮีทไปป์ไปสะสมอยู่มากที่สุด thk pic >>http://www.evosol.co.uk/solar-energy-thermal.htm

และชิ้นส่วนฮีทไปป์ทำหน้าที่เป็นท่อโลหะปิดที่ผิวท่อภายในทั้งหมดเป็นรูพรุนบางๆสามารถซับของเหลวที่สามารถกลายเป็นไอได้ดีโดยช้หลักการถ่ายเทความร้อนสองสถานะทำให้ท่อนำความร้อนได้ดีมากเรียกว่านำความร้อนได้ดีมากๆๆ ดีกว่าทองแดงประมาณ 100 เท่า  ถ้าเทียบกันกับสเตนเลสที่คีบหมูกระทะพอเราเอาจ่อที่หน้าเตาปุ๊บไม่กี่วินาทีที่คีบหมูกระทะที่ทำจากอีทไปป์ปลายที่จับจะร้อนพอๆกับที่เตาจนเราจับไม่ได้ต้องโยนทิ้ง  ฮีทไปป์ในปัจจุบันจะพบได้ในงานอิเล็กทรอนิกส์เช่นการระบายความร้อนในซีพียูเป็นต้น

ผิวภายในของท่อทองแดงชนิด Coppper powder sintering เป็นการหล่อด้วยเม็ดผงทองแดงแล้วกดอัดด้วยความร้อนให้ติดกับท่อจึงเป็นรูพรุนและดูดซับสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวได้ดีมาก ปัจจุบันจะมีเป็นแบบmeshและอื่นๆ ซึ่งมีข้อดึข้อเสียต่างๆกัน ภาพจาก >>http://odm.coolermaster.com/manufacture.php?page_id=8#!prettyPhoto
ท่อทองแดงคือ ฮีทไปป์ มีสารทำความเย็นที่น่าจะใช้ๆกันอยู่ 3 ตัว คือ อะซิโตน(-93 ,50) เมทานอล(-97.6 ,66) หรือ น้ำ(0 ,100 องศาC- จุดแข็ง, จุดเดือด) ขึ้นกับว่าซีพียูหรือ อิเล็กทรอนิกส์กำลังนั้นทำงานที่อุณหภูมิเท่าไหร่ การเลือกสารที่ใช้ต้องให้เหมาะกับอุณหภูมิที่ต้องการใช้ไม่งั้นจะเกิดแรงดันไอในท่อมากเกินไปจนระเบิดออก เช่นที่อุณหภูมิ112C methanol มีความดันไอถึง 5 bar  138c,10bar เป็นต้น ภาพจาก >>http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pipe

 

ข้อได้เปรียบอีกอย่างของฮีทไปป์คือ ทำเป็นท่อแบนบางๆก็ได้ให้วิ่งไปทิศไหนก็ได้จะบนหรือลงล่างก็แล้วแต่ขอให้ไอภายในท่อวิ่งไปได้ก็จะสามารถถ่ายเทความร้อน จุดถ่ายเทออกจะเป็นพัดลมและฮีทซิงค์ ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pipe

 

ฮีทไปป์ขนาดต่างๆ ภาพจาก coolermaster แปลว่าผู้เชียวชาญเรื่องการระบายความร้อน >> http://odm.coolermaster.com/manufacture.php?page_id=8#!prettyPhoto

 

หลักการทำงานของ ฮีทไปป์ ซี่งผิวภายในท่อเหมือนไส้ตะเกียงจะดูดซับของเหลวทำความเย็นหรือทำความร้อนเอาไว้ทำให้ผิวภายในท่อเปียกอยู่เสมอเมื่อผิวท่อภายนอกส่วนได้รับความร้อนก็จะมีการกลายเป็นไอร้อนทันที ที่ใดมีความเย็นไอร้อนก็จะกลับกลายเป็นของเหลว การกลายเป็นไอร้อนและการเป็นของเหลวเป็นวิทยาศาสตร์ง่ายๆตอนมัธยมต้นที่เราเรียนกันจะมีการถ่ายความร้อนและดูดความร้อน เรียกว่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอซึ่งจะมีการพลังในการถ่ายเทความร้อนสูงมากในการเปลี่ยนสถานะ ภาพจาก >>http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pipe

 

vdo ข้างบนเป็นการสาธิตเรื่องฮีทไปป์ จะเห็นว่ามีการพ่นไฟที่ด้านล่าง พบว่าอุณหภูมิที่ด้านล่างขึ้นไปราวๆ 120 องศาF (49องศาC) แต่ ด้านบนกลับมีอุณหภูมิถึง 180F (82C) เนื่องจากท่อทองแดงนั้นมีสารทำความเย็นที่เป็นของเหลวค่อนข้างมากที่ด้านล่างจึงเต็มไปด้วยของเหลวที่พร้อมรับอุณหภูมิจากภายนอก ส่วนด้านบนที่ร้อนกว่ามากเป็นเพราะมีไอร้อนไปสะสมอยู่มากโดยที่มีการระบายความร้อนแบบพาความร้อนตามธรรมชาติ ตอนแรกดูก็งงเต็กเหมือนกันว่า ฮีทไปป์ทำไมมันแปลกมากๆ  อีกอย่างที่เขาเผานานเพราะแท่งมันใหญ่ กว่าทองแดงจะสะสมความร้อนได้มากพอให้ของเหลวเริ่มระเหยต้องใช้เวลาสักพักหนึ่ง มีข้อน่าสังเกตอีกอย่างคือผมคิดว่าฮีทไปป์ของเขาภายในอาจไม่ใช่ชนิดที่ดูดซับของเหลวไว้ที่ผิวในท่ออย่างดี อาจมีไส้อยู่ข้างในและไม่ได้แนบกับผิว เพราะอุณหภูมิไม่ควรต่างกันมากขนาดนั้น น่าจะต่างกันไม่เกิน4-5 องศาC ในตอนวัด หรือไม่ก็สารทำความเย็นอาจไม่เหมาะกับการทดลองเป็นต้น

 

ช่วงแรกเป็นการอธิบายหลักการทำงานของฮีทไปป์ ในตอนท้ายของvdo ข้างบนก็มีการเทสแท่งฮีทไปป์แต่มันเล็กเท่าไม้เสียบลูกชิ้นอยู่อันขวามือ ส่วนอันตรงกลางเป็นท่อทองแดงธรรมดา อันขวามือใส่ปุ๊ปอุณหภูมิหรือสีที่เปลี่ยนไปเหมือนกันหรือเท่ากันทั้งแท่ง แต่อันตรงกลางไม่ใช่

 

อะครับรู้สึกนอกเรื่องไปไกลมากแล้วแหะ ไหนๆแล้วก็ขอนอกเรื่องต่ออีกหน่อย สมมติว่า

ถ้าต้องการทำน้ำเดือดตลอดเวลา เราจะทำอย่างไรครับ ต้องใช้คุณสมบัติสะท้อนกลับ เพื่อรวมแสงพลังส่องให้กับตัวสะสมพลังแสงอาทิตย์ทำน้ำให้เดือดได้ สมมติว่าเราต่อยอดจาก กระบอกแก้วสูญญากาศชนิดโซ่ล่าฮีทไปป์

ในวีดีโอเขาใช้ขวดเบียร์ทาสีเทาๆขังเอาไว้ในท่อสูญญากาศเขาต้องการกักเก็บความร้อนโดยไม่ให้มีการนำความร้อนออกสู่ภายนอก ทดสอบเปรียบเทียบกับ ขวดเบียร์ทาสีธรรมดา ได้อุณหภูมิสูงสุดคือ 146องศาF(63c) กับ 106 องศาF(41C)   สุดท้ายก็เอากระจกมาส่องก็ทำให้น้ำในขวดสูญญากาศเดือดจนได้ น่าสนใจไหมครับ ผมสนใจมากๆเพราะอยากทำให้อุณหภูมิในขวดสูงสัก 150-200 องศา เพราะอยากทำเครื่องย่อยโฟมพลังแสงอาทิตย์ มีกระจกสะท้อนแสงมาเพิ่มพลังความร้อน มีกล่องรอบๆถูกแวคคั่มเอาไว้ป้องกันการระบายความร้อนออกสู้ภายนอกไว้ว่างๆจะลองออกแบบและทำดู ก็ได้ไอเดียจากเพื่อนไซเบอร์ทั่วโลกนี่แหละครับเอามาต่อยอดอีกหน่อย

 

การสะท้อนพลังงานแสงอาทิตย์เท่ากับดวงอาทิตย์5000 ดวงเขาว่างั้นนะ

 

การรวมแสงด้วยเลนส์นูนชนิดบางจ๋อยที่ชื่อ Fresnel Lens ไม่รู้เมืองไทยมีขายเปล่าหว่าอยากได้จัง

 

ขอจบก่อนดีกว่าแล้วจะได้ต่อตอนต่อไป เพราะเรื่องพลังแสงอาทิตย์ โดยเฉพาะเรื่องรังสีความร้อนมีเรื่องที่น่าสนใจอีกเยอะมากล้วนน่าสนุกทั้งนั้นครับ แค่ดูก็เพลินแล้วครับ แล้วก็ออกทะเลไปไกลมากแล้วครับ

 

 

 10,449 total views,  1 views today

Comments

comments

เผยแพร่โดย

pui

เรียน อนุบาลวัฒนา อัสสัมชัญ พระจอมเกล้าลาดกระบัง ทำงาน ซ่อมบำรุงเครื่องจักร ออกแบบโรงงาน ทีปรึกษาซ่อมเครื่องจักร อดิเรก ทำเว็บ ทำงานประดิษฐ์ ปลูกต้นไม้ เขียนบล็อก ทำสมาธิวิปัสสนา อนาคต ขายของ บวช เข้าถึงธรรมะ

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องข้อมูลจำเป็นถูกทำเครื่องหมาย *