ต้มน้ำยังไงไม่ให้เดือด?! กับ Leidenfrost effect

Highlights

• พื้นฐานอุณหพลศาสตร์นิดหน่อยเกี่ยวกับน้ำ
• เทคนิคการต้มน้ำให้ไม่เดือด
• การนำไปประยุกต์ใช้งาน

วันนี้เราจะมาพูดคุยกันเกี่ยวกับปรากฏการณ์อันนึงที่แปลก ๆ เกี่ยวกับน้ำ หากผู้อ่านมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ของน้ำแล้วสามารถข้ามส่วนแรกไปเพลิดเพลินกับส่วนที่เหลือได้เลยครับ และการทดลองที่จะพูดถึงต่อไปนี้ไม่แนะนำให้ทำเองที่บ้านหรือสถานที่ไหนที่ไม่มีผู้เชี่ยวชาญกำกับ เพราะอาจจะทำให้เกิดอุบัติเหตุได้

พื้นฐานอุณหพลศาสตร์นิดหน่อยเกี่ยวกับน้ำ

น้ำเป็นโมเลกุลที่ประกอบไปด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจน ซึ่งทำพันธะโควาเลนต์ (covalent bond) มีจำนวนสถานะทั้งหมด 3 สถานะ นั่นคือ น้ำแข็ง(ของแข็ง) น้ำ(ของเหลว) และไอน้ำ(ก๊าซ) ในแต่ละสถานะจะมีคุณสมบัติที่ต่างกัน เช่น ความหนาแน่น วิธีการจัดเรียงตัว เป็นต้น สิ่งที่เป็นตัวกำหนดสถานะของน้ำมี 3 ปัจจัย คือ ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ น้ำเป็นองค์ประกอบหลักของการเกิดสิ่งมีชีวิตบนโลกของเราเนื่องจากน้ำมีคุณสมบัติทางเคมีที่เอื้อต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิต เช่น การเป็นตัวทำละลาย ความสามารถในการนำไฟฟ้า การเป็นฉนวนความร้อน เป็นต้น หากร่างกายเราขาดน้ำเป็นเวลานานนั่นอาจจะทำให้เสียชีวิตได้ นอกจากนี้พื้นผิวทวีปบนโลกถูกปกคลุมด้วยน้ำมากกว่า 75 % และดูเหมือนจะมากขึ้นหากโลกยังประสบปัญหาสภาะวะเรือนกระจก

เราได้นำความรู้เกี่ยวกับสถานะของน้ำมาใช้ในชีวิตประจำวันอย่างไม่รู้ตัว หนึ่งในนั้นก็คืออุณหภูมิ ในประเทศเรามีการใช้หน่วยวัดอุณหภูมิที่เรียกว่า หน่วยเซลเซียส (Celsius unit) ซึ่งใช้น้ำเป็นเกณฑ์คือที่ 0 °C จะเป็นจุดเยือกแข็ง และ 100°C จะเป็นจุดเดือดของน้ำ โดยที่อุณหภูมิของบ้านเราจะอยู่ที่ประมาณ 30 °C โดยเฉลี่ย มีการเปลี่ยนแปลงขึ้นกับช่วงเวลาและตำแหน่งที่ตั้ง หากเราพิจารณาการเปลี่ยนสถานะจากน้ำแข็งที่เย็นมาก ๆ (อุณหภูมิติดลบ) จนกลายเป็นไอในที่สุด (อุณหภูมิ 100 °C) โดยค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิหรือใส่พลังงานเข้าไปทีละนิด จะเห็นว่าในช่วงเริ่มต้นอุณหภูมิของน้ำแข็งที่เย็นติดลบจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้นจนไปแตะที่ 0 °C ณ ตรงนี้น้ำแข็งจะมีอุณหภูมิคงที่แม้ว่าจะใส่พลังงานเพิ่มเข้าไปก็ตาม แต่หากสังเกตดี ๆ น้ำแข็งจะค่อย ๆ เปลี่ยนสถานะจากของแข็งให้กลายเป็นของเหลวทีละนิด จนกระทั่งกลายเป็นน้ำทั้งหมดที่อุณหภูมิ 0 °C และหากเพิ่มอุณหภูมิให้กับระบบไปเรื่อย ๆ น้ำที่เย็น 0 °C ก็จะร้อนขึ้นเรื่อย ๆ กลายเป็นน้ำที่ร้อน 100 °C ก่อนจะมีอุณหภูมิคงที่และค่อย ๆ เปลี่ยนสภานะกลายเป็นไอ ไปในที่สุด

เทคนิคการต้มน้ำให้ไม่เดือด

ลองนึกภาพในขณะกำลังทำต้มอะไรสักอย่าง เราก็เพียงแค่ใส่น้ำลงในภาชนะหุงต้มแล้วก็เปิดเตาแก๊สหรืออาจจะเข้าเตาไมโครเวฟไปเลย ยิ่งต้มน้ำนานก็ยิ่งเดือดมาก คงไม่มีครั้งไหนที่ต้มแล้วไม่ร้อนสักครั้งจริงไหมครับ แต่วันนี้เราจะมาหักมุมกันหน่อยเพราะที่ผ่านมามันคือการค่อย ๆ เพิ่มอุณหภูมิเรื่อย ๆ ให้กับน้ำปริมาณเยอะ ๆ ไม่ว่าจะทำกี่ครั้งมันก็เดือดปุด ๆ ทีนี้ลองให้ภาชนะที่ใส่น้ำมีอุณหภูมิสูงมาก ๆ แล้วหยดน้ำที่อุณหภูมิห้องลงไปหยดหนึ่ง สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือแทนที่หยดน้ำจะระเหยกลายเป็นไอทันที หยดน้ำกลับเกิดการวิ่งเต้นบนภาชนะนั้นไป ๆ มา ๆ ไม่ติดภาชนะ เราเรียกปรากฏารณ์นี้ว่า “ไลเด็นฟรอสต์ เอฟเฟ็กต์” หรือ “Leidenfrost effect”

https://www.youtube.com/watch?v=f5bcFoWbNoc

หากลองดูในคลิปวิดีโอสาธิตดังกล่าวเราจะเห็นว่านอกจากน้ำไม่ได้ระเหยเป็นไอไปในทันทีแล้ว หยดน้ำยังไม่ติดกระทะหรือเกิดการเปียกขึ้นแต่อย่างใด แต่หยดน้ำกลับวิ่งวนไปรอบ ๆ ภาชนะที่ร้อนมาก ๆ ทีนี้เรามาดูว่าทำไมมันถึงเกิดปรากฏการณ์นี้ขึ้นกันครับ เราเริ่มต้นจากการทำให้ภาชนะที่จะใส่มีอุณหภูมิตั้งแต่ 150 °C ถึง 500 °C แล้วนำน้ำที่อยู่ในอุณหภูมิห้องประมาณ 20 °C มาหยด สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ ทันที่ที่หยดน้ำแตะบนภาชนะ ความร้อนจากภาชนะจะถูกถ่ายเทไปยังพื้นผิวด้านล่างของหยดน้ำ แต่ด้วยอุณหภูมิที่ต่างกันมาก ๆ ส่งผลให้โมเลกุลของน้ำที่แตะกับพื้นผิวภาชนะเกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำพลังงานสูงทันที สูงพอที่จะยกทั้งหยดน้ำให้ลอยสูงจากกระทะขึ้นมา ไม่ให้สัมผัสกันโดยตรง โดยไอน้ำนั้นจะถูกกักเก็บไว้ ณ บริเวณที่ด้านล่างของหยดน้ำ นั่นจึงเป็นสาเหตุที่ทำให้เราเห็นว่าหยดน้ำมีการวิ่งพล่านรอบ ๆ ภาชนะตามวิดีโอด้านบน แต่เมื่อทิ้งเอาไว้นาน ๆ ก็จะเกิดการระเหยไปในที่สุด แต่จะใช้เวลามากหรือน้อยขึ้นกับขนาดของหยดน้ำที่ใส่ลงไป จริง ๆ แล้วหลาย ๆ คนน่าจะเคยเห็นปรากฏการณ์นี้มาแล้วเวลามองดูกระทะตอนทำเครป ทำแพนเค้ก ฯลฯ เวลาหยดน้ำลงบนกระทะร้อน ๆ น้ำจะวิ่งเป็นหยด ๆ ออกจากเตานั่นเอง

การนำไปประยุกต์ใช้งาน

น้ำได้ถูกนำมาใช้ในการระบายความร้อน จึงได้มีการศึกษา Leidenfrost effect เพื่อที่จะได้ไม่เกิดปรากฏการณ์ดังกล่าวขึ้น เนื่องจากหากน้ำลอยตัวเหนือภาชนะที่เราต้องการระบาย นั่นจะทำให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเครื่องจักรแย่ลงและส่งผลให้เกิดความขัดข้องขึ้นในที่สุด ซึ่งโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบฟิชชั่นที่ใช้น้ำเป็นตัวระบายความร้อนก็ให้ความสำคัญกับปรากฏการณ์นี้เพื่อป้องกันการเกิดมหันตภัยอันตรายนั่นเอง

มาดูในแง่ดีกันหน่อยนะครับ จริง ๆ แล้ว ปรากฏการณ์ Leidenfrost effect ไม่ได้จำกัดเอาไว้เพียงแค่น้ำเพียงอย่างเดียว ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) ก็สามารถเกิดปรากฏการณ์นี้ได้เช่นกัน ซึ่งหากเราออกแบบระบบดี ๆ เราสามารถทำให้หยดของเหลวดังกล่าววิ่งพล่านไปในทิศทางที่กำหนดได้ และหากเราสามารถบังคับให้มันเคลื่อนที่เป็นวงกลมได้ มันก็สามารถผลักดันให้เกิดการปั่นไฟ หรือการหมุนของเครื่องยนต์ได้อีกด้วย

https://www.youtube.com/watch?v=9tlIWlGvkRc

พูดคุยหลังบทความ

ขอขอบคุณที่ทุกคนได้ติดตามอ่านมากันถึงตรงนี้หวังว่าความรู้วันนี้จะช่วยให้หลาย ๆ ท่านเห็นปรากฏการณ์ที่เราอาจจะมองข้ามไปแม้ว่าจะอยู่ใกล้ตัวเราก็ตาม แต่ก็ต้องขอย้ำอีกครั้งนะครับว่าอย่าทำการทดลองเรื่องนี้โดยไม่มีผู้เชี่ยวชาญและอุปกรณ์ที่เหมาะสมอยู่ด้วย เพราะมันง่ายต่อการเกิดข้อผิดพลาดและอาจะทำให้เกิดอุบัติเหตุที่ไม่คาดฝันได้ ในฐานะนักฟิสิกส์ก็จะขอมาแลกเปลี่ยนเรื่องราวแปลก ๆ แบบนี้ไปเรื่อย ๆ หวังว่าจะชอบกันนะครับ หากใครมีเรื่องราวทางฟิสิกส์หรือวิทยาศาสตร์ด้านต่าง ๆ ที่อยากจะถามหรืออยากแชร์ ก็ส่งกันเข้ามาได้เรื่อย ๆ แล้วพวกเราจะไปหาความรู้มาเล่าให้ท่านได้อ่านต่อในเพจ The Principia กันครับ

อ้างอิง :

https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_transition#/media/File:Phase-diag2.svg

https://www.physicstutorials.org/home/heat-temperature-and-thermal-expansion/phase-transition-of-water