เครื่องคำนวณการถ่ายเทความร้อน

เครื่องคำนวณการถ่ายเทความร้อน นี้ใช้สำหรับคำนวณอัตราการเคลื่อนที่ของความร้อนผ่านระบบด้วยการ นำความร้อน การ พาความร้อน หรือการ แผ่รังสีความร้อน เพียงกรอกข้อมูลคุณสมบัติของวัสดุหรือพื้นผิว พื้นที่ และอุณหภูมิฝั่งร้อนและฝั่งเย็น เครื่องมือนี้จะแสดงอัตราการถ่ายเทความร้อนในหน่วยวัตต์ ฟลักซ์ความร้อน ความต้านทานความร้อน และพลังงานทั้งหมดที่เคลื่อนที่ตามระยะเวลาที่กำหนด พร้อมด้วยแผนภาพการไหลของความร้อนแบบเคลื่อนไหวและการแสดงสูตรคำนวณทีละขั้นตอน เครื่องมือนี้สร้างขึ้นเพื่อนักเรียน นักศึกษา วิศวกร ช่างก่อสร้าง และผู้ที่สนใจใคร่รู้เกี่ยวกับความเร็วในการเดินทางของความร้อน

โหมดการถ่ายเทความร้อน 3 รูปแบบ

ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเสมอ แต่จะเดินทางไปใน 3 รูปแบบที่แตกต่างกัน เครื่องคำนวณนี้จะจัดการแต่ละรูปแบบด้วยกฎทางฟิสิกส์เฉพาะตัว

สูตรการถ่ายเทความร้อน

โดยที่:

• \(Q\) — อัตราการถ่ายเทความร้อน ในหน่วยวัตต์ (W)
• \(k\) — ค่าการนำความร้อนของวัสดุ ในหน่วย W/m·K
• \(h\) — ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้วยการพา ในหน่วย W/m²·K
• \(\varepsilon\) — ค่าการแผ่รังสีความร้อนของพื้นผิว (0 ถึง 1, ไม่มีหน่วย)
• \(\sigma\) — ค่าคงตัวสเตฟาน-โบลตซ์มันน์, \(5.67\times10^{-8}\) W/m²·K⁴
• \(A\) — พื้นที่ผิว ในหน่วย m²
• \(\Delta T\) — ความต่างของอุณหภูมิระหว่างสองฝั่ง
• \(d\) — ความหนาของวัสดุ ในหน่วยเมตร
• \(T_h, T_c\) — อุณหภูมิสัมบูรณ์ฝั่งร้อนและฝั่งเย็น ในหน่วยเคลวิน

ค่าการนำความร้อนมาตรฐาน (k)

ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อนมาตรฐาน (h) และค่าการแผ่รังสีความร้อน (ε)

ค่าการแผ่รังสีความร้อนมีตั้งแต่ประมาณ 0.05 สำหรับโลหะขัดเงา ไปจนถึง 0.90–0.98 สำหรับสี อิฐ น้ำ ผิวหนัง และพื้นผิวด้านอื่นๆ โดยวัตถุดำในอุดมคติจะมีค่าเท่ากับ 1.0 พอดี

ฟลักซ์ความร้อน, ความต้านทานความร้อน และ R-value คืออะไร?

ฟลักซ์ความร้อน คือ อัตราการถ่ายเทความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ (\(Q/A\)) มีหน่วยเป็น W/m² ซึ่งจะบอกให้ทราบว่าการไหลของความร้อนมีความเข้มข้นเพียงใด โดยไม่ขึ้นกับขนาดของพื้นผิว ความต้านทานความร้อน คือ การต้านทานการไหลของความร้อน (หน่วยเป็น K/W) ความต้านทานที่สูงขึ้นหมายความว่าความร้อนจะเคลื่อนที่น้อยลงภายใต้ความต่างอุณหภูมิที่เท่ากัน สำหรับวัสดุก่อสร้างจะแสดงในรูปของ R-value ยิ่งค่า R-value สูง แสดงว่าเป็นฉนวนความร้อนที่ดีขึ้น เครื่องคำนวณนี้จะรายงานทั้งค่า R-value ในระบบ SI (RSI ในหน่วย m²·K/W) และค่า R-value ของสหรัฐอเมริกาที่ใช้บนบรรจุภัณฑ์ฉนวนกันความร้อน

ทำไมการแผ่รังสีความร้อนจึงต้องใชุณหภูมิสัมบูรณ์

การนำความร้อนและการพาความร้อนขึ้นอยู่กับ ความแตกต่าง ของอุณหภูมิเท่านั้น และผลต่าง 10° จะเท่ากันเสมอไม่ว่าคุณจะวัดด้วยหน่วยเซลเซียสหรือเคลวิน แต่การแผ่รังสีความร้อนนั้นแตกต่างออกไป เพราะมันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสัมบูรณ์ยกกำลัง สี่ ดังนั้นจึงต้องคำนวณในหน่วยเคลวิน ซึ่งเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ (−273.15 °C) ความสัมพันธ์แบบยกกำลังสี่นี้เป็นเหตุผลว่าทำไมพื้นผิวที่ร้อนเป็นสองเท่าในแง่สัมบูรณ์จึงแผ่รังสีความร้อนออกมามากกว่าเดิมถึง สิบหกเท่า และเป็นสาเหตุที่การแผ่รังสีมีความสำคัญอย่างมากในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เปลวไฟและเตาหลอม

วิธีใช้งานเครื่องคำนวณนี้

1. เลือกโหมดการถ่ายเทความร้อน: เลือกการนำความร้อน การพาความร้อน หรือการแผ่รังสีความร้อน โดยใช้แท็บที่อยู่ด้านบนสุดของฟอร์ม
2. กรอกข้อมูลวัสดุและรูปทรง: เลือกวัสดุ สภาวะ หรือพื้นผิวจากคลังข้อมูลที่มีให้ (หรือเลือก "ค่าที่กำหนดเอง" เพื่อพิมพ์ค่าของคุณเอง) จากนั้นกรอกพื้นที่ผิว และความหนาสำหรับการนำความร้อน
3. กรอกอุณหภูมิ: พิมพ์อุณหภูมิฝั่งร้อนและฝั่งเย็น แล้วเลือกหน่วย °C, °F หรือ K สามารถเพิ่มระยะเวลาในหน่วยชั่วโมงได้หากต้องการดูพลังงานทั้งหมดที่ถ่ายเท
4. คลิก คำนวณ: ตรวจสอบอัตราการถ่ายเทความร้อนในหน่วยวัตต์ ฟลักซ์ความร้อน ความต้านทานความร้อน พลังงานตามเวลา แผนภาพการไหลของความร้อนแบบเคลื่อนไหว และวิธีคำนวณอย่างละเอียดทีละขั้นตอน

คำถามที่พบบ่อย

โหมดการถ่ายเทความร้อน 3 รูปแบบมีอะไรบ้าง?

ความร้อนเคลื่อนที่ได้ 3 วิธี การนำความร้อน คือ ความร้อนที่ไหลผ่านวัตถุแข็งโดยการสัมผัสโดยตรง เช่น ความร้อนที่ผ่านผนัง การพาความร้อน คือ ความร้อนที่ถูกพัดพาไปโดยของไหลที่เคลื่อนที่ เช่น อากาศหรือน้ำ ตัวอย่างเช่น พัดลมที่ระบายความร้อนจากพื้นผิวที่ร้อน การแผ่รังสีความร้อน คือ ความร้อนที่ปล่อยออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอินฟราเรด เช่น ความอบอุ่นที่คุณรู้สึกได้จากกองไฟหรือดวงอาทิตย์ และไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางเลย

คำนวณการถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อนอย่างไร?

การนำความร้อนใช้กฎของฟูริเยร์: Q = k × A × ΔT / d โดยที่ k คือค่าการนำความร้อนของวัสดุในหน่วยวัตต์ต่อเมตร-เคลวิน, A คือพื้นที่ในหน่วยตารางเมตร, ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิ และ d คือความหนาในหน่วยเมตร ผลลัพธ์ Q คืออัตราการถ่ายเทความร้อนในหน่วยวัตต์

คำนวณการถ่ายเทความร้อนด้วยการพาความร้อนอย่างไร?

การพาความร้อนใช้กฎการทำให้เย็นลงของนิวตัน: Q = h × A × ΔT โดยที่ h คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้วยการพาในหน่วยวัตต์ต่อตารางเมตร-เคลวิน, A คือพื้นที่ผิว และ ΔT คือความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิพื้นผิวและอุณหภูมิของไหล ค่า h ที่มากกว่าหมายถึงของไหลที่เคลื่อนที่เร็วกว่าซึ่งพัดพาความร้อนออกไปได้เร็วกว่า

คำนวณการถ่ายเทความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อนอย่างไร?

การแผ่รังสีความร้อนใช้กฎของสเตฟาน-โบลตซ์มันน์: Q = ε × σ × A × (Th⁴ − Tc⁴) โดยที่ ε คือค่าการแผ่รังสีความร้อนระหว่าง 0 ถึง 1, σ คือ 5.67 × 10⁻⁸ วัตต์ต่อตารางเมตร-เคลวินยกกำลังสี่, A คือพื้นที่ และ Th กับ Tc คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวิน เนื่องจากอุณหภูมิถูกยกกำลังสี่ การแผ่รังสีจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมากเมื่อวัตถุร้อนขึ้น

อัตราการถ่ายเทความร้อนใช้หน่วยอะไร?

อัตราการถ่ายเทความร้อน Q คือกำลังไฟฟ้า วัดในหน่วยวัตต์ (จูลต่อวินาที) หนึ่งวัตต์หมายถึงความร้อนหนึ่งจูลเคลื่อนที่ในทุกๆ วินาที เครื่องคำนวณยังแสดงฟลักซ์ความร้อนในหน่วยวัตต์ต่อตารางเมตร และพลังงานทั้งหมดที่ถ่ายเทในช่วงเวลาที่เลือกในหน่วยกิโลวัตต์-ชั่วโมงและจูล

ทำไมต้องแปลงอุณหภูมิเป็นเคลวินสำหรับการแผ่รังสีความร้อน?

กฎของสเตฟาน-โบลตซ์มันน์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสัมบูรณ์ยกกำลังสี่ ดังนั้นจึงใช้งานได้เฉพาะกับหน่วยเคลวิน ซึ่งเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์ สำหรับการนำความร้อนและการพาความร้อน จะพิจารณาเฉพาะความแตกต่างของอุณหภูมิเท่านั้น และผลต่างในหน่วยองศาเซลเซียสจะเท่ากับผลต่างในหน่วยเคลวิน ดังนั้นโหมดเหล่านั้นจึงไม่ได้รับผลกระทบจากการเลือกใช้ระหว่างเซลเซียสและเคลวิน

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

• Heat Transfer - Wikipedia
• Thermal Conduction - Wikipedia
• Stefan–Boltzmann Law - Wikipedia