ความร้อนแฝง (Latent heat)
จุดกำเนิดของศาสตร์แห่งความร้อน
ฟิสิกส์นั้นพัฒนาขึ้นมาจากการวัดปริมาณต่างๆออกมาเป็นตัวเลขอย่างชัดเจน แต่ปริมาณความร้อน (Heat) ที่เกิดในกระบวนการต่างๆนั้นวัดค่าได้ยาก และท้าทายนักฟิสิกส์มาทุกยุคสมัย
นักวิทยาศาสตร์คนแรกๆที่พยายามวัดค่าของความร้อนออกมาให้ชัดเจน คือ โจเซฟ แบล็ค (Joseph Black) ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ นักทดลองผู้วัดทุกสิ่งทุกอย่างที่วัดได้ด้วยความละเอียดอ่อน แม่นยำ จนน่าทึ่ง
ผลงานของเขาเป็นเหมือนต้นกำเนิดของเทอร์โมไดนาสิกส์และสร้างแรงบันดาลใจให้กับนักวิทยาศาสตร์ร่วมยุคอย่างมาก
การทดลองที่สร้างชื่อให้กับเขาคือ การเผาหินปูนจนกลายเป็นปูนควิกไลม์ (Quicklime) แล้วเกิดการปลดปล่อยแก๊สบางอย่างออกมา มวลของสารก่อนและหลังปฏิกิริยาทุกวัดอย่างละเอียด ผลปรากฏว่าปูนควิกไลม์นั้นเบากว่าหินปูนในตอนแรก นอกจากนี้เขายังลองเผาแมกนีเซียมคาร์บอเนต (Magnesium carbonate) ก็ได้ผลลัพธ์ลักษณะเดียวกัน คือ มีแก๊สอย่างเดียวกันเกิดขึ้น และสารผลิตภัณฑ์หลังจากเผาเบาลง
เมื่อเขารวบรวมแก๊สที่เกิดขึ้นจากการเผามาศึกษาก็พบว่าแก๊สดังกล่าวหนักกว่าอากาศ สามารถทำให้เปลวไฟดับ และ ทำให้สิ่งมีชีวิตตายได้ถ้าหายใจรับแก๊สนี้เข้าไประยะหนึ่ง นอกจากนี้ เขายังทำการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่าในลมหายใจออกของมนุษย์ยังมีแก๊สดังกล่าวเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย
ใช่แล้วครับ มันคือ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งการค้นพบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิชาเคมีและการศึกษาระบบหายใจของสิ่งมีชีวิต
โจเซฟ แบล็ค (Joseph Black)
หลังจาก โจเซฟ แบล็ค ค้นพบแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เขาก็หันไปศึกษาการละลายของน้ำแข็งจนค้นพบสิ่งที่เรียกว่าความร้อนแฝง (latent heat) ที่ทุกวันนี้เราเรียนกันในวิชาวิทยาศาสตร์ระดับ ม. ต้น
ในยุคนั้น ความร้อนที่ถ่ายเทได้เป็นสิ่งที่มนุษย์เรารับรู้ได้จากการสัมผัส และจากสังเกตอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปของสสาร แต่ความร้อนแฝงทำให้สสารเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะ โดยไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ มันจึงหลบซ่อนจากการสังเกตของนักวิทยาศาสตร์ยุคก่อนหน้ามาได้โดยตลอด
ในตอนแรก โจเซฟ แบล็ค สังเกตเห็นว่าหิมะและน้ำแข็งในธรรมชาตินั้นละลายช้ามาก แม้ว่าอุณหภูมิรอบๆจะสูงกว่าจุดเยือกแข็งไปมากแล้วก็ตาม จุดนี้บอกใบ้ว่าความร้อนเป็นสิ่งจำเป็นที่จะทำให้หิมะละลายกลายเป็นน้ำ
เขาจึงออกแบบการชุดทดลองอันละเอียดอ่อนขึ้นหลายการทดลอง การทดลองแต่ละอย่างนั้นเรียบง่าย แต่อาศัยกระบวนการคิดที่ซับซ้อนพอสมควร* จนได้ข้อสรุปว่า เมื่อให้ความร้อนกับก้อนน้ำแข็งที่ 0 องศาเซลเซียสจะทำให้ก้อนน้ำแข็งละลายเป็นน้ำโดยระหว่างนี้อุณหภูมิของก้อนน้ำแข็งไม่ได้เปลี่ยนแปลงไป อีกทั้งเขายังทดลองต่อจนจบว่าเมื่อให้ความร้อนกับน้ำที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียสจะทำให้น้ำระเหยเป็นไอน้ำ โดยที่น้ำไม่ได้มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเลย
เขาเป็นคนแรกที่เรียกความร้อนที่ทำให้สสารเปลี่ยนสถานะว่า latent heat หรือความร้อนแฝง ซึ่งแตกต่างไปตามแต่ละสสารและในสสารอย่างเดียวกัน ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวและกลายเป็นไอก็มีค่าไม่เท่ากัน
แน่นอนว่าเขาวัดความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะออกมาได้อย่างชัดเจน นอกจากนี้เขายังทำการทดลองจนพบว่าจะต้องใส่ความร้อนเข้าไปในสสารต่างๆแค่ไหนเพื่อให้สสารนั้นอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส ซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวเรียกว่า ความจุความร้อนจำเพาะ ( Specific heat capacity) ของสสาร
การค้นพบเชิงความร้อนของโจเซฟ แบล็ค ส่งผลต่อบุคคลสำคัญระดับโลกอย่างน้อยๆสองคน
- คนแรกคือ นักเคมีชาวฝรั่งเศส อ็องตวน ลาวัวซีเย (Antoine Lavoisier) ผู้ศึกษาการเผาไหม้และความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเคมี จนเกิดการค้นพบมากมายในโลกเคมี
- ส่วนอีกคนเป็นช่างซ่อมและประดิษฐ์อุปกรณ์ของมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ เพื่อนของโจเซฟ แบล็ค ผู้ที่ซึมซับความรู้เรื่องนี้ไปพัฒนาการออกแบบและปรับปรุงเครื่องจักรไอน้ำ ผลักดันโลกเข้าสู่ยุคอุตสาหกรรม ชายผู้นั้นมีชื่อว่า เจมส์ วัตต์ นั่นเอง
อ้างอิง
*ตัวอย่างการทดลองที่เกี่ยวกับความร้อนของ โจเซฟ แบล็ค
[การทดลองที่ 1]
เอาน้ำเย็นใส่ไว้ในตู้ใบหนึ่ง แล้วเอาน้ำแข็งมวลเท่ากันใส่ไว้ในตู้อีกใบ
- ตู้ทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากันและมีอุณหภูมิสูงสูงกว่าน้ำเย็น
- เขาจับเวลาที่น้ำเย็นอุ่นขึ้นจนเป็นอุณหภูมิค่าหนึ่ง และจับเวลาที่น้ำแข็งใช้ในการละลายเป็นน้ำแล้วน้ำนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้นมาเท่าน้ำอีกตู้
- เวลาที่น้ำแข็งละลายจนหมดแล้วเพิ่มอุณหภูมิจนเท่าน้ำอีกตู้ ย่อมมีค่ามากกว่า
เขาวิเคราะห์ได้ว่าทั้งสองระบบมีความร้อนถ่ายเทต่างกันกี่เท่า
[การทดลองที่ 2] นำน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0 องศาเซียลเซียสมาผสมกับน้ำที่วัดอุณหภูมิไว้แล้ว กุญแจสำคัญอยู่ที่ทั้งหมดต้องอยู่ภายในภาชนะปิดที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนใดๆกับภายนอก แน่นอนว่าเขาได้ชั่งน้ำแข็งและน้ำก่อนจะนำมาผสมกันเพื่อวัดมวลอย่างชัดเจน จากนั้นรอให้น้ำแข็งละลายจนหมด (หรือละลายมากที่สุด)แล้ววัดอุณหภูมิน้ำอีกครั้ง เขาสามารถวิเคราะห์ได้ว่าความร้อนที่ต้องใช้ในการละลายน้ำแข็งมีค่าเป็นเท่าใด
- 13
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
