แนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนความร้อน

การถ่ายเทพลังงานความร้อนเป็นแหล่งพลังงานหลักของโลก

พลังงานความร้อนสำหรับดาวเคราะห์ดวงนี้มาจากดวงอาทิตย์ ความร้อนถูกดูดซับโดยพื้นผิวโลกผ่านการแผ่รังสีและผ่านอวกาศสู่ชั้นบรรยากาศด้านล่าง

การแผ่รังสีคือการถ่ายเทพลังงานโดยตรงจากวัตถุท้องฟ้าไปยังพื้นผิวของมัน โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ รวมถึงแสงที่มาจากดวงดาวและจากวัตถุอื่นๆ เช่น ยานอวกาศและดาวเทียมอื่นๆ โลกดูดกลืนรังสีได้สามวิธี: การสะท้อน การดูดกลืนโดยก๊าซ การดูดกลืนรังสีเป็นวัฏจักรที่สมบูรณ์และเกิดขึ้นตลอดความยาวทั้งหมดของคลื่นแสง

วิธีที่สองที่รังสีถูกดูดซับบนพื้นผิวโลกคือการดูดกลืนโดยก๊าซ การดูดกลืนนี้เรียกว่าการดูดกลืน "ทุติยภูมิ" เพราะไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับแสง การดูดซับนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อก๊าซสองชนิดสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด ในกระบวนการนี้ โมเลกุลระหว่างก๊าซทั้งสองจะเข้าใกล้กันมากขึ้น เมื่อพวกมันเข้าใกล้ โมเลกุลก็สามารถดูดซับพลังงานของคลื่นแสงที่เข้ามา

การดูดซึมโดยก๊าซทำได้โดยโฟตอน โฟตอนเป็นอนุภาคแม่เหล็กไฟฟ้า และเมื่อพวกมันเข้าใกล้โมเลกุลของแก๊ส พลังงานของคลื่นแสงจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน รังสีวิธีที่สามที่พื้นผิวโลกดูดกลืนคือการดูดกลืนโดยโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำดูดซับพลังงานของคลื่นแสงที่ผ่านเข้ามาใกล้พวกมัน โมเลกุลของน้ำมีพื้นที่ผิวที่ใหญ่มาก ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการดูดซับพลังงานของคลื่นแสงที่ผ่านเข้ามาใกล้

วิธีที่สี่ที่ความร้อนถูกดูดซับโดยพื้นผิวโลกคือการดูดกลืนรังสี นี่เป็นแหล่งพลังงานความร้อนหลักสำหรับแหล่งพลังงานความร้อนอื่นๆ ทั้งหมด เมื่อคลื่นแสงเคลื่อนตัวเข้าใกล้โมเลกุลเหล่านี้ รังสีของแสงจะถูกดูดกลืนและสร้างพลังงานความร้อนขึ้น

การดูดซึมโดยก๊าซเรียกว่า "การแผ่รังสี" เมื่อคลื่นแสงเคลื่อนตัวเข้าใกล้โมเลกุลเหล่านี้ แสงของพวกมันจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งจะทำให้เกิดความร้อนขึ้น รังสีของแสงมาจากดวงดาวหรือจากวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ ที่มีอุณหภูมิสูงมาก ความยาวคลื่นของรังสีแสงใช้เพื่อกำหนดอุณหภูมิที่รังสีผ่าน

การดูดซึมโดยโมเลกุลของน้ำเรียกว่า "การส่งสัญญาณ" เมื่อคลื่นแสงเคลื่อนตัวเข้าใกล้โมเลกุลเหล่านี้ แสงของพวกมันจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน และความแตกต่างของอุณหภูมิของคลื่นแสงส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานไปยังโมเลกุลอื่น ความถี่และความยาวคลื่นของรังสีแสงเพื่อกำหนดปริมาณพลังงานความร้อนที่ผลิต นี่เป็นหนึ่งในกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนที่สำคัญที่สุด กระบวนการนี้เรียกกันทั่วไปว่าการนำ

เมื่อพลังงานความร้อนถูกปลดปล่อยออกจากพื้นผิวโลก

กระบวนการนี้เรียกว่าการระบายความร้อนด้วยรังสี กระบวนการระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีจะถ่ายเทพลังงานความร้อนไปสู่อวกาศ

กระบวนการทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนมีความสำคัญต่ออุณหพลศาสตร์โดยรวมของระบบ กระบวนการเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากรูปแบบต่างๆ ของพลังงาน เช่น พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานกล พลังงานเคมี พลังงานนิวเคลียร์ และพลังงานความร้อน

กระบวนการที่ใช้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่าการแผ่รังสี กระบวนการของการแผ่รังสีใช้การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผ่านใกล้พื้นผิวโลกเพื่อแปลงพลังงานความร้อนของรังสีเป็นพลังงานความร้อน กระบวนการที่ใช้พลังงานกลเรียกว่าการนำไฟฟ้า

กระบวนการนำพลังงานความร้อนจากวัตถุที่เคลื่อนที่เข้าหาวัตถุเพื่อแปลงพลังงานความร้อนของวัตถุที่เคลื่อนที่ให้อยู่ในรูปเฉื่อย จากนั้นรังสีจะถูกใช้เพื่อถ่ายเทพลังงานความร้อนจากร่างกาย เมื่อพลังงานความร้อนถูกถ่ายเทจากร่างกายไปยังรูปแบบเฉื่อย การแปลงจากความร้อนเป็นพลังงานจะเกิดขึ้น นี่เรียกว่าการถ่ายเทความร้อน

กระบวนการดูดซับใช้รังสีที่ดูดกลืนใกล้ร่างกายเพื่อแปลงรังสีเป็นพลังงานความร้อน นี้เรียกว่าการดูดซึมโดยก๊าซและกระบวนการของการส่งผ่านเรียกว่าการส่งผ่านน้ำ