คุณรู้อะไรบ้างเกี่ยวกับอุณหภูมิ?
มีอะไรอีกที่ทำให้รู้สึกผ่อนคลายได้ดีไปกว่าการอาบน้ำอุ่นในวันที่อากาศเย็น ๆ? แต่ถ้าน้ำร้อนไปหรือเย็นไปคุณอาจรู้สึกไม่สุขสบายและรีบอาบให้เร็วที่สุดเท่าที่ทำได้. อะไรทำให้การอาบน้ำเป็นที่น่าเพลิดเพลินแทนที่จะรู้สึกสะดุ้ง? แน่นอน มันคืออุณหภูมิของน้ำนั่นเอง.
อุณหภูมิของอากาศภายนอกเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันด้วยเช่นกัน. การรู้อุณหภูมิช่วยเราตัดสินใจได้ว่าจะแต่งกายแบบไหน จะวางแผนกิจกรรมในแต่ละวันอย่างไร. เนื่องจากตระหนักดีว่าการรู้อุณหภูมิก่อประโยชน์อย่างมากมายทีเดียว ตึกสาธารณะหลายแห่งจึงมักแสดงอุณหภูมิไว้ด้วยกันกับเวลา.
อย่างไรก็ตาม ตัวเลขที่แสดงไว้อาจสะท้อนถึงสถานการณ์ซึ่งแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ขึ้นอยู่กับว่าคุณอาศัยอยู่ ณ ที่ใด. ยกตัวอย่าง ทำไมการอ่านอุณหภูมิ 40 องศาที่สหรัฐเรียกร้องให้คุณสวมเสื้อผ้าหนา ๆ ขณะที่ 40 องศาในยุโรป แสดงให้คุณรู้ว่าควรสวมเสื้อผ้าให้เบาบางที่สุดเท่าที่เป็นได้?
มาตราวัดอุณหภูมิ
พูดอย่างง่าย ๆ ที่ใดก็ตามที่มีการใช้มาตราฟาเรนไฮต์ เช่น ในสหรัฐ 40 องศาถือว่าเย็น ไม่ห่างเท่าไรจากจุดเยือกแข็งของน้ำ. แต่ในยุโรปซึ่งใช้มาตราวัดอุณหภูมิเซลเซียส 40 องศานั้นร้อนอบอ้าว. ในบทความเรื่องนี้เราจะพิจารณาเฉพาะการวัดอุณหภูมิสองมาตราเท่านั้นซึ่งนิยมใช้กันโดยทั่วไป. มาตราวัดอุณหภูมิแบบเซลเซียสและฟาเรนไฮต์กำเนิดมาจากที่ใด?
ในปี ส.ศ. 1714 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ การ์เบรียล แดเนียล ฟาเรนไฮต์ ใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบปรอทเพื่อตั้งมาตราอุณหภูมิ. เขากำหนดจุดคงที่ไว้สามจุด. เขาต้องการให้จุด 0 บนมาตราวัดอยู่ต่ำสุดเท่าที่เป็นได้. เขาจึงผสมน้ำแข็ง น้ำและเกลือชนิดหนึ่งเข้าด้วยกัน และอุณหภูมิของสิ่งผสมนี้ลดต่ำลงจนถึงขีดต่ำสุดที่เขาสามารถทำได้ในตอนนั้น. อุณหภูมินั้นจึงกลายเป็น 0 องศาบนมาตราวัดของเขา. หลังจากนั้น ฟาเรนไฮต์เลือกเอาอุณหภูมิของร่างกายคนเราขณะที่สุขภาพดีไว้เป็นจุดกำหนดด้านสูงในมาตรของเขา. เขาตั้งอุณหภูมินี้ที่ 96 องศา (อย่างไรก็ตาม มีการค้นพบในเวลาต่อมาว่าร่างกายคนที่สุขภาพดีมีอุณหภูมิสูงกว่าที่ตั้งไว้โดยความคิดเห็นของเขาเองประมาณ 2.5 องศา.) เพื่อให้ได้จุดกำหนดที่สาม ฟาเรนไฮต์วัดจุดเยือกแข็งของน้ำและพบว่ามีอุณหภูมิ 32 องศา. ต่อมาก็ได้ใช้มาตรนี้มาวัดจุดน้ำเดือด. ปรากฏว่าอุณหภูมิเป็น 212 องศาที่ระดับน้ำทะเล ซึ่งฟาเรนไฮต์เสนอเป็นจุดที่สูงสุดบนมาตรวัดใหม่ของเขา.
นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดนผู้หนึ่งซึ่งอยู่ร่วมสมัยเดียวกับการ์เบรียล ฟาเรนไฮต์ คือแอนเดอร์ส เซลเซียส เขามีชีวิตอยู่ระหว่าง ส.ศ. 1701 ถึง 1744. ในปี 1742 เซลเซียสได้ประดิษฐ์มาตรวัดอุณหภูมิซึ่งได้ชื่อตามนามของเขานั่นเอง. มาตรวัดนี้มีจุดคงที่สองจุด: 0 องศาเป็นจุดเยือกแข็งของน้ำ และ 100 องศาเป็นจุดเดือดของน้ำที่ระดับน้ำทะเล. เนื่องจากเซลเซียสได้แบ่งเทอร์โมมิเตอร์ของเขาออกเป็น 100 ส่วนเท่า ๆ กัน จึงเป็นที่รู้จักเช่นกันว่าเป็นมาตรวัดอุณหภูมิแบบเซนติเกรด. การวัดแบบเซลเซียสนิยมใช้ในที่ ๆ มาตราเมตริกเป็นที่ยอมรับ.
เนื่องจากมาตรวัดทั้งแบบฟาเรนไฮต์และเซลเซียสนิยมใช้กันในปัจจุบัน บ่อยครั้งจึงจำเป็นต้องแปลงค่าหนึ่งให้เป็นอีกค่าหนึ่ง ทำเช่นนั้นได้อย่างไร? เอาละ ขอให้สังเกตว่าผลต่างระหว่างจุดเดือดและจุดเยือกแข็งของน้ำในฟาเรนไฮต์มีค่าเท่ากับ 180 องศา (212 องศาลบ 32 องศา). แต่ผลต่างนี้ในมาตราเซลเซียสมีค่าเท่ากับ 100 องศา. ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างมาตราทั้งสองนี้คือ 180/100 หรือ 9/5.
ดังนั้น ที่จะเปลี่ยนฟาเรนไฮต์ให้เป็นเซลเซียส ก่อนอื่นต้องเอาองศาฟาเรนไฮต์ลบออกด้วย 32 แล้วที่เหลือคูณด้วย 5/9. ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิแบบฟาเรนไฮต์อันร้อนอบอ้าวที่ 104 องศาเปลี่ยนให้เป็นเซลเซียส โดยลบ 32 จาก 104 จึงได้ 72. หลังจากนั้นคูณ 72 ด้วย 5/9. ผลลัพธ์คือ 40 ซึ่งเป็นอุณหภูมิแบบเซลเซียส. ที่จริงแล้ว 40 องศาเซลเซียสเป็นอุณหภูมิที่ร้อนมากทีเดียว!
อีกนัยหนึ่ง ที่จะเปลี่ยนเซลเซียสให้เป็นฟาเรนไฮต์ คุณต้องคูณองศาเซลเซียสด้วย 9/5 แล้วบวก 32. ตัวอย่างเช่น สมมุติอุณหภูมิคือ 20 องศาเซลเซียส. จะเท่ากับกี่องศาในมาตราฟาเรนไฮต์? คูณ 20 ด้วย 9/5 คุณจะได้ 36. แล้วบวกด้วย 32 คุณก็จะได้ 68 องศาฟาเรนไฮต์.
อุณหภูมิคืออะไร?
อุณหภูมิคือระดับการวัดความร้อนและความเย็น. แต่อะไรทำให้สสารร้อนหรือเย็น? ถ้าคุณสามารถมองลึกเข้าไปในโมเลกุลและโครงสร้างทางอะตอมของวัตถุต่าง ๆ เมื่อมันได้รับความร้อน คุณจะเห็นความเปลี่ยนแปลงหลายอย่างที่เกิดขึ้น. ลองพิจารณาดูหม้อน้ำขณะที่รับความร้อนจากเตาไฟ.
โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเรื่อย ๆ ในไม่ช้าน้ำก็เดือด. การเดือดนี้เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่เร็วมากจนกระทั่งกระเด้งออกจากกันและกัน และไม่เกาะกันอยู่ในสถานะของของเหลวอีกต่อไป. น้ำนั้นจึงเปลี่ยนสถานะไปเป็นก๊าซซึ่งเราเห็นในรูปของไอน้ำ.
ฟองก๊าซจะก่อตัวขึ้นก่อนที่ก้นหม้อ เนื่องจากอุณหภูมิบริเวณนั้นร้อนที่สุด. ถึงแม้ว่าความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในการเปลี่ยนน้ำเป็นไอน้ำก็ตาม แต่อุณหภูมิของน้ำนั้นยังคงที่. ทั้งนี้เป็นเพราะว่าจำต้องใช้พลังงานเพื่อเข้าไปทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้ำในสถานะของเหลว และเปลี่ยนให้อยู่ในสถานะก๊าซ. พลังงานส่วนนั้นได้จากความร้อนที่เพิ่มเข้าไปนั่นเอง. ดังนั้นแทนที่จะทำให้น้ำร้อนขึ้น ก็เพียงแต่ทำให้โมเลกุลของน้ำจำนวนมากขึ้นเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะก๊าซ.
โมเลกุลของน้ำในสถานะก๊าซจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเรื่อย ๆ สั่นสะเทือนและเคลื่อนย้ายตำแหน่งเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น. ถ้าอุณหภูมิของไอน้ำจะมีการเพิ่มขึ้นจนถึงหลายหมื่นหรือหลายแสนล้านองศา แม้แต่อีเลคตรอนก็จะหลุดออกจากอะตอม. ในอุณหภูมิเช่นนั้น นิวคลีไอ แกนเล็ก ๆ ใจกลางอะตอม จะกระทบกันและกันอย่างรุนแรงจนเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขึ้นได้. แท้จริง ความคิดนี้อยู่เบื้องหลังเป้าหมายการผนึกนิวเคลียร์เพื่อให้กำเนิดพลังงาน.
ระดับของอุณหภูมิ
เท่าที่ทราบกันในปัจจุบัน ไม่มีขีดจำกัดสำหรับอุณหภูมิสูง. ในอีกด้านหนึ่ง ดูเหมือนว่ามีขีดจำกัดสำหรับอุณหภูมิต่ำ. จุดศูนย์สัมบูรณ์คือ -459.67 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ -273.15 องศาเซลเซียส. นี้คือจุดซึ่งโมเลกุลและอะตอมของสสารมีพลังงานน้อยที่สุด.
พื้นผิวดาวพลูโตมีอุณหภูมิประมาณ -350 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ -210 องศาเซลเซียส. ในปี ส.ศ. 1965 นักดาราศาสตร์เรียนรู้ว่า ความมืดของอวกาศชั้นนอกมีอุณหภูมิประมาณ -455 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ -270 องศาเซลเซียส สูงกว่าจุดศูนย์สัมบูรณ์เพียง 3 องศาตามมาตราเซลเซียส. สุดโต่งอีกด้านหนึ่ง เชื่อกันว่าจุดศูนย์กลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิประมาณ 15 ล้านองศาเซลเซียส. ส่วนดาวที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์—และก็มีหลายดวงที่ใหญ่กว่าเป็นพัน ๆ เท่า—อาจมีอุณหภูมิสูงกว่านั้นอีกมาก.
ระดับอุณหภูมิบนโลกเราล่ะ? มันขึ้น ๆ ลง ๆ ในขอบเขตค่อนข้างแคบ. ในแอนตาร์กติกา วัดอุณหภูมิได้-128.6 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ -89.2 องศาเซลเซียส เมื่อวันที่ 21 กรกฎาคม 1983. และอุณหภูมิที่สูงถึง 136 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ 58 องศาเซลเซียส ถูกบันทึกไว้ที่ เอล อซิเซีย ทริโปลิตาเนีย ตอนเหนือของแอฟริกาในวันที่ 13 กันยายน ส.ศ. 1922. อย่างไรก็ตาม มนุษย์ส่วนใหญ่ไม่เคยประสบแม้แต่อุณหภูมิที่ใกล้เคียงความรุนแรงขนาดนั้น. เราน่าจะขอบพระคุณพระยะโฮวาพระผู้สร้างของเราที่ทำให้ขอบเขตอุณหภูมิบนโลกอยู่ในระดับค่อนข้างแคบ. ยังผลให้สามารถเพลิดเพลินกับชีวิตความเป็นอยู่บนโลกได้.
[แผนภูมิหน้า 15]
(รายละเอียดดูจากวารสาร)
ฟาเรนไฮต์ เซลเซียส
212 100 จุดเดือดของน้ำที่ระดับน้ำทะเล
98.6 37 อุณหภูมิปกติของร่างกาย
32 0 จุดเยือกแข็ง
-40 -40 จุดที่ฟาเรนไฮต์และเซลเซียส
มีระดับเท่ากัน
-460 -273 จุดศูนย์สัมบูรณ์