ความจุความร้อนจําเพาะ (Specific heat capacity) คืออะไร?

ช่วงก่อนหน้านี้ มีน้องคนนึงที่เรียนป.โทสถาปัตย์เกี่ยวกับอาคารประหยัดพลังงาน ถามผมว่า ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific heat capacity) คืออะไร ก็อธิบายอยู่สักระยะหนึ่ง จึงทำให้ผมทราบว่า จริงๆแล้วความเข้าใจในเรื่องนี้ไม่ยาก แต่จะเริ่มงงเมื่อต้องเอาไปใช้งาน เช่นต้องเปรียบเทียบร่วมกับเรื่องอื่นๆ หรือเมื่อวัสดุมีความหนาแตกต่างกัน เป็นต้น ผมเลยอยากเขียนอธิบายเรื่องของความจุความร้อนจำเพาะสั้นๆนี้ขึ้นมา

ก่อนที่จะบอกว่าความจุความร้อนจำเพาะคืออะไร เราต้องรู้ก่อนว่า วัสดุต่างๆ แม้ว่าจะมีมวลเท่ากัน แต่สามารถเก็บความร้อน หรือ พลังงาน ในปริมาณที่แตกต่างกันได้ โดยความจุความร้อนจำเพาะ คือค่าที่บอกว่า จะต้องใช้พลังงานเท่าไหร่ ถ้าจะเปลี่ยนอุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียสของวัสดุนั้นๆที่หนัก 1 กิโลกรัม (หน่วยเป็น J/kg K หรือ J/kg°C)

ค่าความจุความร้อนจำเพาะ (Specific heat capacity)

เพื่อให้เห็นภาพ เรามาดูตารางข้างล่างนี้

วัสดุ	ความจุความร้อนจำเพาะ (cP) หน่วย kJ/kg°C
อิฐมอญไม่ฉาบ	0.79
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	0.84
คอนกรีตสแลป	0.92
แผ่นยิปซั่ม	1.09

ตารางตัวอย่างค่าความจำความร้อนจำเพาะจาก ประกาศกระทรวงพลังงาน หน้าที่ 6-8

ถ้าดูกันแค่ตรงนี้ เราก็จะเห็นได้ว่า อิฐมอญนั้นร้อน/เย็น ไวที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆในตาราง และถ้าเทียบคอนกรีตมวลเบากับอิฐมอญก็จะเห็นว่าคอนกรีตมวลเบาสามารถหน่วงความร้อนได้มากกว่า และดูเหมือนแผ่นยิปซั่มจะหน่วงความร้อนได้ดีที่สุด ดีกว่าคอนกรีตเสียอีก แต่! แต่! แต่! แต่เวลาเราเลือกใช้วัสดุใดๆ เราไม่ได้เลือกเป็นกิโลกรัมถูกไหมครับ เราเลือกเป็นความหนา เช่น ผนังนี้เราจะใช้คอนกรีตมวลเบาหนา 10cm หรืออิฐมอญหน้า 20cm ดี

ฉะนั้นแล้ว เราควรจะเอาข้อมูลอีกอย่างหนึ่งเพิ่มเข้ามาคิดด้วย นั่นก็คือความหนาแน่น ความหนาแน่นคือตัวที่บอกว่า วัสดุนี้หนักกี่กิโลกรัม ถ้าวัสดุนี้กว้าง 1 เมตร ยาว 1 เมตร สูง 1 เมตร ผมได้อัพเดทตารางข้างบนเป็นแบบข้างล่างนี้ โดยข้อมูลมาจากประกาศกระทรวงพลังงานเหมือนเดิม

คำนึงถึงความหนาแน่น

วัสดุ	ความหนาแน่น (ρ) หน่วย kg/m3	ความจุความร้อนจำเพาะ (cP) หน่วย kJ/kg°C
อิฐมอญไม่ฉาบ	1,600	0.79
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	620	0.84
คอนกรีตสแลป	2,400	0.92
แผ่นยิปซั่ม	800	1.09

ตารางตัวอย่างค่าความจุความร้อนจำเพาะและความหนาแน่นจาก ประกาศกระทรวงพลังงาน หน้าที่ 6-8

เอาละ ตัวเลขเริ่มเยอะ แต่ไม่ยากแน่นอน เรามาดูกันทีละตัว

ความหนาแน่นนี้คือ น้ำหนัก (kg) ต่อ 1m * 1m *1m ใช่ไหมครับ แล้วถ้ามันหนา 10cm หรือ 0.1m และกว้างกับยาว 1m ละ มันจะหนักเท่าไหร่? เราก็เอามันไปคูณ (*) ด้วย 0.1 ถูกไหมครับ? เราก็จะได้น้ำหนักต่อตารางเมตรมา ถ้าเกิดหนา 20cm เราก็คูณด้วย 0.2 ตรงนี้ไม่งงนะครับ

วัสดุ	น้ำหนักเมื่อหนา 10cm หน่วย kg/m2	น้ำหนักเมื่อหนา 20cm หน่วย kg/m2
อิฐมอญไม่ฉาบ	160	320
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	62	124
คอนกรีตสแลป	240	480
แผ่นยิปซั่ม (หนา 9mm หรือ 0.009m)	7.2	-

ตารางแสดงน้ำหนักของวัสดุต่อตารางเมตรในกรณีที่หนา 10cm และ 20cm

Note: ที่ผมให้ยิปซั่มหนา 9mm เพราะคิดว่าไม่น่ามีใครใช้ยิปซั่มหนา 10cm นะครับ

ทีนี้เราก็จะเริ่มเห็นภาพแล้วว่าวัสดุต่างชนิดกัน แม้ว่ามีความหนาเท่ากัน ก็มีน้ำหนักไม่เท่ากัน

ท้ายที่สุด

เรายังจำค่าความจุความร้อนจำเพาะได้ไหมครับ ว่าหน่วยของมันคือ kJ/kg°C และตอนนี้เราก็มีน้ำหนัก (kg) ของวัสดุที่ความหนา 10cm และ 20cm (9mm สำหรับยิปซั่ม) แล้ว เรามาดูกันดีกว่ากว่าความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุที่ความหนาดังกล่าวนั้นเป็นอย่างไรบ้าง โดยเอาค่าความจุความร้อนจำเพาะมาคูณ (*) กับน้ำหนัก (kg) ของวัสดุนั้นๆ

วัสดุ	cP เมื่อหนา 10cm หน่วย kJ/m2°C	cP เมื่อหนา 20cm หน่วย kJ/m2°C
อิฐมอญไม่ฉาบ	126.4	252.8
คอนกรีตมวลเบา ความหนาแน่น 620 kg/m3	52.08	104.16
คอนกรีตสแลป	220.8	441.6
แผ่นยิปซั่ม (หนา 9mm หรือ 0.009m)	7.848	-

ตารางแสดงค่าความจุความร้อนจำเพาะของวัสดุในกรณีที่หนา 10cm และ 20cm (9mm สำหรับยิปซั่ม)

เราเห็นอะไรบ้างครับ? จำตอนแรกได้ไหมครับที่บอกว่ายิปซั่มมีค่าความจุความร้อนจำเพาะสูงสุด และอิฐมอญต่ำสุด แต่เมื่อเอามาคิดในแบบที่ละเอียดขึ้นแล้ว ก็จะเห็นได้ว่าคอนกรีตมวลเบาแม้ว่าหนา 20cm ก็ยังมีค่าความจุความร้อนจำเพาะต่ำกว่าอิฐมอญที่หนาเพียง 10cm เลย

ในความหนาที่เท่ากัน อิฐมอญมีค่าความจุความร้อนจำเพาะมากกว่าอิฐมวลเบาถึงประมาณ 2.5เท่า แต่ยังน้อยกว่าคอนกรีตสแลปเกือบ 2 เท่าด้วยกัน

มันบอกอะไรกับเรา?

จากทั้งหมดที่ยกตัวอย่างมา สรุปแล้วมันบอกอะไรกับเรา? จริงๆมันก็บอกตามที่มันบอกนะ ส่วนแต่ละคนจะไปทำความเข้าใจหรือตีความยังไงก็แล้วแต่ แต่สิ่งที่ผมคิดว่าควรจะชี้ให้สังเกตคือ

1. อย่าเอาเรื่องนี้ไปปนกับเรื่องของ conductivity - แปลว่า นี่มันเป็นเรื่องของการหน่วงความร้อนของวัสดุ การที่วัสดุจะมีอุณหภูมิสูงขึ้นหรือน้อยลงได้ด้วยพลังงานมากน้อยแค่ไหน อย่าเอาไปปนกับเรื่องการถ่ายเทความร้อน คือเราจะอธิบายมันร่วมกันก็ได้ แต่ต้องทำความเข้าใจแยกกัน
2. อย่ามองว่าเป็นเรื่องของภายนอกสู่ภายในอย่างเดียว ลองนึกถึงว่าถ้าเรามีวัสดุที่มีความจุความร้อนจำเพาะมากอยู่ในห้องหรือในพื้นที่ ถ้ามันโดนแดดนานๆ หรือได้ทำการกักเก็บพลังงานไว้มาก มันก็จะต้องใช้พลังงานมากที่จะทำให้มันเย็น หรือต้องใช้เวลามากกว่าพลังงานในนั้นจะถ่ายเทออกไปจนอุณหภูมิเย็นลง หรือแม้แต่การเป็นผนังห้องก็ตาม เราอาจจะต้องเปิดแอร์นานมากๆกว่ามันจะเย็น
3. ควรรู้ไว้อีกอย่างว่า ค่า k หรือ conductivity ที่ปกติใช้กันนั้น เป็นค่า k เมื่อวัสดุมีอุณหภูมิ 25°C และเมื่ออุณหภูมิของวัสดุสูงขึ้น ค่า k ก็มักจะต่ำลงด้วยแปลว่าพลังงานถ่ายเทผ่านไปได้มากขึ้น หรือประสิทธิภาพการป้องกันความร้อนลดลงนั่นเอง และตัวที่จะบอกว่าอุณหภูมิของวัสดุจะเพิ่มขึ้นกี่องศานั้น ก็คือค่าความจุความร้อนจำเพาะนี่แหละ
4. ไม่ควรมองว่านี่คือค่าที่สมบูรณ์บอกความจริงได้ทั้งหมดแล้ว เพราะจริงๆแล้วนี่เป็นเพียงค่าหยาบๆ วัสดุมันไม่ได้ร้อนขึ้นแบบทั้งชิ้นพร้อมๆกัน จริงๆแล้วมันเป็นโมเลกุลที่เล็กมากๆและส่งผ่านความร้อนต่อๆกันมา ดั่งที่จะเห็นได้จาก U-Value คืออะไร? ว่ามันค่อยๆมีอุณหภูมิสูงขึ้นและต่ำลงแล้วแต่ทิศทางของแหล่งพลังงาน หรือแหล่งความร้อน

สรุป

สรุปว่า ค่าความจุความร้อนจำเพาะ ควรดูควบคู่กับการเรื่องของความหนาแน่น และความหนาของวัสดุที่เราต้องการจะทดสอบด้วย เพื่อให้เห็นภาพในหลายๆมุม ไม่ควรใช้ค่าความจุความร้อนจำเพาะแบบโดดๆ