นช่วงฤดูร้อน เราก็คงอยากพกน้ำดื่มเย็น ๆ สักแก้วเพื่อเอาไว้ดื่มคลายร้อน ส่วนในหน้าหนาวเราก็คงอยากได้น้ำดื่มอุ่น ๆ สักแก้วเพื่อรักษาความอบอุ่นในร่างกาย และคงจะดีไม่น้อยถ้าจะมีอุปกรณ์อะไรสักอย่างที่สามารถรักษาน้ำดื่มให้เย็นท่ามกลางอากาศร้อนและรักษาน้ำดื่มให้ร้อนท่ามกลางอากาศเย็น แต่ไม่ต้องเป็นห่วงไปเพราะอุปกรณ์ที่มีความสามารถทำในสิ่งที่ตรงข้ามแบบนี้ได้นั้นมีอยู่แล้วในปัจจุบันและยังสามารถหาซื้อได้อย่างง่ายดายอีกด้วย ใช่แล้ว เรากำลังพูดถึง “แก้วเก็บอุณหภูมิ” ที่มีคุณสมบัติรักษาอุณหภูมิของของเหลวภายในไว้ได้เป็นอย่างดี แต่ก่อนที่เราจะมารู้ว่าทำไมแก้วเหล่านั้นถึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่น้อยมาก เรามาดูกันก่อนดีกว่าว่าเบื้องหลังของกลไกนี้มีอะไรอยู่บ้าง
อุณหภูมิ คืออะไร?
อุณหภูมิคือดัชนีตัวเลขที่ชี้วัดถึง ความสัมพันธ์กับระดับพลังงานจลน์ภายในอะตอม เนื่องจากภายในอะตอมต่าง ๆ นั้นไม่ได้เป็นสิ่งที่หยุดนิ่ง มันมีทั้ง Electron, Proton, Neutron และเมื่ออนุภาคต่าง ๆ ภายในอะตอมนั้นเกิดการเคลื่อนที่ก็ย่อมจะทำให้เกิดพลังงานจลน์ซึ่งเป็นพลังงานที่เกิดกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ โดยการเคลื่อนที่จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่ออะตอมได้รับพลังงาน อิเล็กตรอนก็จะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสและยกระดับชั้นวงโคจรสูงขึ้น ถ้าหากอะตอมได้รับพลังงานจนมีระดับอุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก อิเล็กตรอนอาจจะยกตัวหลุดจากวงโคจรกลายเป็นประจุ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในความเป็นจริงแล้วอะตอมจะไม่อยู่อย่างโดดเดี่ยวแต่จะเกาะกันจนเป็นโมเลกุล ซึ่งการเคลื่อนที่ของโมเลกุลทำให้เกิดรูปแบบของพลังงานจลน์ซึ่งเรียกว่า “ความร้อน” ดังนั้นเมื่อเราให้พลังงานความร้อนให้กับวัตถุใดก็ตาม โมเลกุลของมันจะเกิดการสั่นสะเทือนและเคลื่อนที่เร็วขึ้นจากเดิมจนทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น แต่เมื่อเราลดระดับพลังงานความร้อนที่ให้แก่วัตถุ โมเลกุลของวัตถุนั้นจะสั่นสะเทือนหรือเคลื่อนที่ช้าลงทำให้อุณหภูมิลดลง
ความร้อน เกี่ยวกับแก้วรักษาอุณหภูมิยังไง?
สิ่งหนึ่งที่คิดว่าทุกท่านน่าจะทราบกันเป็นอย่างดีนั่นคือ ความร้อน ไม่อยู่กับที่! แต่มันสามารถเดินทางได้ มันสามารถถ่ายโอนหรือส่งผ่านจากวัตถุหนึ่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่อีกวัตถุหนึ่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้ และตามหลักการของการถ่ายโอนความร้อนนั้นจะแบ่งเป็น 3 แบบด้วยกัน อันได้แก่
- การนำความร้อน (Conduction)
- การพาความร้อน (Convection)
- การแผ่รังสีความร้อน (Radiation)
ซึ่งหมายความว่ามีแค่ 3 ทางเท่านั้น ที่จะทำให้น้ำดื่มของเรามีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม ดังนั้นถ้าเราสามารถป้องกันทั้ง 3 ทางได้ ก็จะสามารถมีน้ำดื่มเย็น ๆ ในหน้าร้อน และมีน้ำดื่มร้อน ๆ ในหน้าหนาวได้
ซึ่งแก้วเก็บอุณหภูมิก็ได้ถูกออกแบบมาอย่างชาญฉลาดเพื่อให้สามารถป้องกันการถ่ายโอนความร้อนทั้งสามทาง โดยถูกออกแบบให้มีความบางของผนังของแก้วเพื่อไม่ให้ความร้อนเข้าหรือออกผ่านการนำความร้อนได้ เพราะการนำความร้อนนั้นจะต้องมีตัวกลางเป็นของแข็งและต้องเกิดการสั่นของอนุภาคที่เรียงตัวกันอยู่อย่างหนาแน่นในวัตถุที่เป็นของแข็ง ต่อมาคือการป้องกันการพาความร้อน โดยการออกแบบให้แก้วมีผนังสองชั้นและคั่นกลางด้วยสุญญากาศเพื่อป้องกันการพาความร้อนที่ต้องมีตัวกลางเป็นของเหลวและก๊าซ สุดท้ายคือการป้องกันการแผ่นรังสีความร้อน วัตถุทุกชนิดมีการแผ่และดูดซับรังสีความร้อนหรือที่เรียกว่า “รังสีอินฟราเรด (Infrared Radiation, IR)” โดยรังสีอินฟราเรดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งซึ่งสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องผ่านตัวกลาง จึงแตกต่างจากการนำความร้อนและการพาความร้อนที่ต้องอาศัยอนุภาคของตัวกลางในการถ่ายโอนความร้อน การแผ่รังสีความร้อนจะมีลักษณะการแผ่ออกไปในทุกทิศทุกทางรอบจุดกำเนิดหรือวัตถุ โดยวัตถุที่มีความร้อนมากกว่าจะแผ่รังสีได้มากกว่า ส่วนความสามารถในการดูดซับความร้อนก็จะแตกต่างกันออกไปขึ้นกับลักษณะและสมบัติของวัตถุนั้น ๆเช่น วัตถุสีเข้ม ด้าน จะสามารถแผ่และดูดซับความร้อนได้ดีกว่าวัตถุที่มีสีอ่อนและมันวาว ดังนั้นแก้วเก็บอุณหภูมิจึงนิยมเคลือบภายในแบบ Silver coating เพื่อให้เกิดการแผ่รังสีความร้อนน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
จะเห็นได้ว่าวิทยาศาสตร์นั้นอยู่ใกล้ตัวเรามากกว่าที่เราคิด สิ่งต่าง ๆ รอบตัวเรามีเรื่องให้เรารู้และศึกษาได้อย่างไม่รู้จบ หากเราเป็นคนช่างสังเกตและหมั่นตั้งคำถามแม้แต่กับอุปกรณ์หาซื้อง่ายดายอย่างแก้วเก็บอุณหภูมิก็จะค้นพบความรู้ใหม่ ๆ ได้อย่างมากมายไม่รู้จบ
แหล่งที่มา
Grid Club. (Unknown). How does a vacuum flask work?. Retrieved May 07, 2020 from https://gridclub.com/subscribers/info/fact_gadget_2009/1001/science_and_technology/heat_and_light/863.html
The Physics Classroom . (Unknown). Methods of Heat Transfer. Retrieved May 07, 2020 from https://www.physicsclassroom.com/class/thermalP/Lesson-1/Methods-of-Heat-Transfer
BBC . (Unknown). Energy and heating. Retrieved May 07, 2020 from https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z2gjtv4/revision/1
https://www.scimath.org/
