อุณหภูมิ

อุณหภูมิ คือการวัดค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์ของอนุภาคในสสารใด ๆ ซึ่งสอดคล้องกับความร้อนหรือเย็นของสสารนั้น

อุณหภูมิของก๊าซอุดมคติอะตอมเดี่ยวสัมพันธ์กับค่าเฉลี่ยพลังงานจลน์ของอะตอม

ในอดีตมีแนวคิดเกี่ยวกับอุณหภูมิเกิดขึ้นเป็น 2 แนวทาง คือตามแนวทางของหลักอุณหพลศาสตร์ และตามการอธิบายเชิงจุลภาคทางฟิสิกส์เชิงสถิติ แนวคิดทางอุณหพลศาสตร์นั้น ถูกพัฒนาขึ้นโดยลอร์ด เคลวิน โดยเกี่ยวข้องกับการวัดในเชิงมหภาค ดังนั้นคำจำกัดความอุณหภูมิในเชิงอุณหพลศาสตร์ในเบื้องแรก จึงระบุเกี่ยวกับค่าตัวแปรต่าง ๆ ที่สามารถตรวจวัดได้จากการสังเกต ส่วนแนวทางของฟิสิกส์เชิงสถิติจะให้ความเข้าใจในเชิงลึกยิ่งกว่าอุณหพลศาสตร์ โดยอธิบายถึงการสะสมจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ และตีความพารามิเตอร์ต่าง ๆ ในอุณหพลศาสตร์ (เชิงมหภาค) ในฐานะค่าเฉลี่ยทางสถิติของพารามิเตอร์ของอนุภาคในเชิงจุลภาค

ในการศึกษาฟิสิกส์เชิงสถิติ สามารถตีความคำนิยามอุณหภูมิในอุณหพลศาสตร์ว่า เป็นการวัดพลังงานเฉลี่ยของอนุภาคในแต่ละองศาอิสระในระบบอุณหพลศาสตร์ โดยที่อุณหภูมินั้นสามารถมองเป็นคุณสมบัติเชิงสถิติ ดังนั้นระบบจึงต้องประกอบด้วยปริมาณอนุภาคจำนวนมากเพื่อจะสามารถบ่งบอกค่าอุณหภูมิอันมีความหมายที่นำไปใช้ประโยชน์ได้ ในของแข็ง พลังงานนี้พบในการสั่นไหวของอะตอมของสสารในสภาวะสมดุล ในแก๊สอุดมคติ พลังงานนี้พบในการเคลื่อนไหวไปมาของอนุภาคโมเลกุลของแก๊ส

ความร้อน และ อุณหภูมิ

สสารทั้งหลายประกอบด้วย อะตอมรวมตัวกันเป็นโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอะตอม หรือการสั่นของโมเลกุล ทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” (Heat) เราพิจารณาพลังงานความร้อน (Heat energy) จากพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดของสสาร

อุณหภูมิ (Temperature) หมายถึง การวัดค่าเฉลี่ยของพลังงานจลน์ซึ่งเกิดขึ้นจากอะตอมแต่ละตัว หรือแต่ละโมเลกุลของสสาร เมื่อเราใส่พลังงานความร้อนให้กับสสาร อะตอมของมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดพลังงานความร้อน อะตอมของสสารจะเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง 

หากเราต้มน้ำด้วยถ้วยและหม้อบนเตาเดียวกัน จะเห็นได้ว่าน้ำในถ้วยจะมีอุณหภูมิสูงกว่า แต่จะมีพลังงานความร้อนน้อยกว่าในหม้อ เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับมวลทั้งหมดของสสาร แต่อุณหภูมิเป็นเพียงค่าเฉลี่ยของพลังงานในแต่ละอะตอม ดังนั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก (ชั้นเทอร์โมสเฟียร์) จึงมีอุณหภูมิสูง แต่มีพลังงานความร้อนน้อย เนื่องจากมีมวลอากาศอยู่อย่างเบาบาง

มาตราส่วนอุณหภูมิ

มาตราส่วนอุณหภูมิจำเป็นต้องมีสองค่าที่ใช้ในการกำหนด คือ จุดที่ถูกเลือกให้เป็นศูนย์องศา และขนาดของหน่วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

องศาเซลเซียส

ในปี ค.ศ.1742 อันเดิช เซ็ลซิอุส (Anders Celsius) นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ได้ออกแบบสเกลเทอร์มอมิเตอร์ให้อ่านได้ง่ายขึ้น โดยมีจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 0°C และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100°C สองจุดถูกวัดที่ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล เดิมทีเรียกว่ามาตราเซนติเกรดเพราะช่วงระหว่างจุดทั้งสองคือ 100 องศา แต่หลังจากการมาตรฐานของเคลวินในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ มาตราส่วนเซลเซียสจึงถูกนิยามใหม่ในแง่ของจุดอ้างอิงในมาตราส่วนเคลวิน ทำให้การเพิ่มขึ้นของหนึ่งองศาเซลเซียสเท่ากับการเพิ่มขึ้นของหนึ่งเคลวิน แม้จะมีค่าตัวเลขต่างกันโดยมีส่วนต่างคงที่ 273.15

องศาฟาเรนไฮต์

ในปี ค.ศ.1714 กาเบรียล ฟาเรนไฮต์ (Gabrial Fahrenheit) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ประดิษฐ์เทอร์มอมิเตอร์ซึ่งบรรจุปรอทไว้ในหลอดแก้ว เขาพยายามทำให้ปรอทลดต่ำสุด (0°F) โดยใช้น้ำแข็งและเกลือผสมน้ำ เขาพิจารณาจุดหลอมละลายของน้ำแข็งเท่ากับ 32°F และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 212°F มาตราฟาเรนไฮต์ ใช้กันอย่างแพร่หลายในสหรัฐอเมริกา

ศูนย์สัมบูรณ์

ศูนย์สัมบูรณ์ คืออุณหภูมิที่ไม่สามารถดึงพลังงานออกจากวัตถุในรูปของความร้อนได้ ซึ่งเป็นหลักการที่ถูกอธิบายไว้ในกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ ที่อุณหภูมินี้ วัตถุจะไม่มีพลังงานความร้อนเชิงมหภาค แต่ยังคงมีพลังงานศูนย์จุดตามควอนตัมกลศาสตร์ ซึ่งคาดการณ์โดยหลักการความไม่แน่นอน อย่างไรก็ตาม พลังงานนี้ไม่ถูกนำมาใช้ในการกำหนดอุณหภูมิสัมบูรณ์ โดยเชิงทฤษฎี วัตถุที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์จะไม่มีการเคลื่อนที่แบบคลาสสิกของอนุภาคอีกต่อไป ค่าศูนย์สัมบูรณ์เท่ากับ 0 K หรือ −273.15 °C หรือ −459.67 °F

มาตราส่วนอุณหภูมิสัมบูรณ์

โดยอ้างอิงอิงจากค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ (Boltzmann constant) และการกระจายของแมกซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์ (Maxwell-Boltzmann distribution) มีการตกลงกันในระดับสากลว่ามาตราส่วนนี้เป็นมาตราส่วนสัมบูรณ์ เพราะไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสารเทอร์โมเมตริกหรือตัววัดอุณหภูมิใด ๆ มาตราส่วนนี้เรียกว่ามาตราส่วนเคลวิน (Kelvin scale) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี โดยหน่วยเคลวิน (ชื่อหน่วยสะกดด้วย "k" ตัวเล็ก; kelvin) เป็นหน่วยอุณหภูมิในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ อุณหภูมิของวัตถุในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์จะมีค่าเป็นบวกเสมอเมื่อเทียบกับศูนย์สัมบูรณ์

เคลวิน (องศาสัมบูรณ์)

ต่อมาในคริสศตวรรษที่ 19 ลอร์ด เคลวิน นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและอุณหภูมิว่า ณ อุณหภูมิ -273.15°C อะตอมของสสารจะไม่มีการเคลื่อนที่ และจะไม่มีสิ่งใดหนาวเย็นไปกว่านี้ได้อีก เขาจึงกำหนดให้ 0 K = -273.15°C (ไม่ต้องใช้เครื่องหมาย ° กำกับหน้าอักษร K) สเกลองศาสัมบูรณ์หรือเคลวิน เช่นเดียวกับองศาเซลเซียสทุกประการ เพียงแต่ +273.15 เข้าไปเมื่อต้องการเปลี่ยนเซลเซียสเป็นเคลวิน ตั้งแต่เดือนพฤษภาคม 2019 หน่วยเคลวินถูกกำหนดผ่านทฤษฎีจลน์ของอนุภาค (particle kinetic theory) และกลศาสตร์สถิติ ในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ

อ้างอิง

• Chang, Hasok (2004). Inventing Temperature: Measurement and Scientific Progress. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-517127-3.
• Kittel, Charles; Kroemer, Herbert (1980). Thermal Physics (2nd ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.
• Zemansky, Mark Waldo (1964). Temperatures Very Low and Very High. Princeton, N.J.: Van Nostrand.

แหล่งข้อมูลอื่น

• An elementary introduction to temperature aimed at a middle school audience
• What is Temperature? เก็บถาวร 2008-09-12 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน An introductory discussion of temperature as a manifestation of kinetic theory.