ต้มน้ำแข็งยังไงไม่ให้เดือด

Highlights

ทวนความรู้เรื่อง Leidenfrost effect
การใช้น้ำแข็งทำให้เกิด Leidenfrost effect ได้หรือไม่
การกประยุกต์ใช้งาน

วันนี้กลับมาอีกครั้งเกี่ยวกับความรู้ทางฟิสิกส์ที่ยังคงวนเวียนกับน้ำนะครับ คราวก่อนเราได้พูดกันเรื่อง Leidenfrost effect ไปละ แต่คราวนี้เราเพิ่มอะไรใหม่ๆ เข้าไปนิดหน่อย มาดูว่าในทางฟิสิกส์จะเจออะไรใหม่ และนำไปใช้งานได้ไหมครับ

ทวนความรู้เรื่อง Leidenfrost effect

*หากอยากอ่านเรื่อง Leidenfrost effect อย่างละเอียด เราแนะนำให้ลองกลับไปอ่านในบทความก่อนหน้าที่ได้เขียนไป ที่นี่ มีทั้งหลักการพื้นฐาน และการประยุกต์ใช้งาน*

น้ำเป็นสสารที่มี 3 สถานะ นั่นคือ น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะขึ้นกับ ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ อะไรแปลกๆ เกิดขึ้นเมื่อเราหยดน้ำที่อุณหภูมิห้องลงบนภาชนะที่อุณหภูมิร้อนมากๆ ตั้งแต่ 150 ถึง 500 องศาเซลเซียส แทนที่หยดน้ำจะระเหยทันทีจากสามัญสำนึก เราจะพบว่าหยดน้ำสามารถกลิ้งบนภาชนะ เนื่องจากบริเวณพื้นผิวของน้ำที่สัมผัสกับภาชนะร้อนๆ จะระเหยกลายเป็นไอทันทีและดันให้หยดน้ำทั้งก้อนลอยอยู่เหนือจากภาชนะ และไม่ได้รับการถ่ายเทความร้อนจากภาชนะโดยสัมผัส จึงไม่เกิดการระเหยทันที ทั้งนี้ก็เพราะความแตกต่างของอุณหภูมิทั้งสองวัตถุนั่นเอง

การใช้น้ำแข็งทำให้เกิด Leidenfrost effect ได้หรือไม่

จากปรากฏการณ์ Leidenfrost effect ที่เราได้เกริ่นนำมา มันคือการที่น้ำ (ของเหลว) ถูกยกโดยไอน้ำ (ก๊าซ) จึงเกิดเป็นคำถามว่ามันสามารถเป็นไปได้หรือไหมที่ปรากฏการณ์ Leidenfrost effect จะมีสถานะที่สามหรือ น้ำแข็ง (ของแข็ง) เข้าไปด้วย

หากลองเริ่มทำการทดลองโดยเอาน้ำแข็งไปใส่บนภาชนะร้อน ที่มีอุณหภูมิตั้งแต่ 150 ถึง 500 องศาเซลเซียส ปรากฎว่าไม่เกิด Leidenfrost effect แต่เมื่อเริ่มทดลองที่ภาชนะมีอุณหภูมิ 550 องศาเซลเซียส เป็นต้นไป สามารถเกิดปรากฏการณ์ดังกล่าวขึ้นมาได้

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

ทีนี้เรามาดูกันก่อนว่าที่ภาชนะอุณหภูมิตั้งแต่ 150 ถึง 500 องศาเซลเซียส ทำไมน้ำแข็งจึงไม่เกิดการยกตัวแต่น้ำสามารถยกตัวได้กันก่อนนะครับ อยากให้ทุกคนลองพิจารณาแผนภาพการเปลี่ยนสถานะของน้ำแข็ง-น้ำ-ไอน้ำ ตามภาพด้านบนนี้เลยนะ มาพิจารณากรณีน้ำแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส (จุด B) ให้กลายเป็น ไอน้ำที่ 100 องศาเซลเซียส (จุด E) จะต้องใช้พลังงานในหน่วยแคลอรี (Calorie) มากกว่าการเปลี่ยนน้ำที่อุณหภูมิห้องหรือประมาณ 20 – 30 องศาเซลเซียส (จุดที่อยู่บนเส้นตรงระหว่างจุด C กับ จุด D) ให้กลายเป็น ไอนน้ำที่ 100 องศาเซลเซียส (จุด E) ดังนั้นหากอุณหภูมิของภาชนะไม่สูงพอ จะทำให้ความเร็วในการเปลี่ยนสถานะจากน้ำแข็งไปเป็นไอน้ำเกิดได้ช้า และส่งผลให้เกิดการละลายเป็นน้ำที่ 0 องศาเซลเซียส ท่วมบริเวณดังกล่าว ซึ่งกว่าจะเกิดการเป็นไอมายกทั้งระบบแบบใน Leidenfrost effect น้ำแข็งก็ละลายเป็นน้ำไปเป็นที่เรียบร้อยแล้ว

ส่วนกรณีที่ภาชนะมีอุณหภูมิตั้งแต่ 550 องศาเซลเซียสเป็นต้นไป เมื่อน้ำแข็งสัมผัสกับภาชนะ จะเกิดเป็นแผ่นน้ำบางๆ (meltwater layer) ที่ละลายออกมา โดยแผ่นดังกล่าวจะมาค่าต่างของอุณหภูมิอย่างมหาศาล โดยด้านบนที่สัมผัสกับน้ำแข็งจะมีอุณหภูมิอยู่ที่ 0 องศาเซลเซียส ในขณะที่ด้านล่างที่รับความร้อนจากภาชนะจะมีความร้อนอยู่ที่ 100 องศาเซลเซียส และทำการผลิตไอน้ำมายกทั้งระบบไว้แบบเดียวกับที่เกิดขึ้นใน Leidenfrost effect เราจะสังเกตได้ว่าความร้อนที่มาจากภาชนะร้อนๆ ดังกล่าว ไม่เพียงแต่ต้องเปลี่ยนน้ำให้กลายเป็นไอเพื่อยกระบบไว้ แต่ยังต้องไปเปลี่ยนน้ำแข็งให้กลายเป็นแผ่นน้ำบางๆ ซึ่งใช้พลังงานมากกว่ากรณี Leidenfrost effect ที่เปลี่ยนน้ำเป็นไออย่างเดียว ดังนั้นเพื่อคงสภาวะของระบบไว้เป็นแบบนี้จึงทำให้อุณหภูมิเริ่มต้นของการทำให้เกิด Leidenfrost effect ของน้ำทั้งสามสถานะอยู่ที่ 550 องศาเซลเซียสนั่นเอง

อยากจะฝากเกร็ดเล็กเกร็ดน้อยเรื่องการถ่ายเทความร้อนไว้นิดนึง เริ่มแรกเดิมทีน้ำแข็งสัมผัสกับภาชนะเกิดการถ่ายเทความร้อนโดยตรงจากภาชนะเราเรียกว่าการนำความร้อน เพราะว่าตัวกลางการถ่ายเทคือภาชนะ และตัวกลางไม่ได้เคลื่อนที่ จากนั้นเกิดกระบวนตามที่ได้อธิบายมา น้ำแข็งได้ลอยเหนือภาชนะไม่ได้ติดอีกต่อไป แต่การที่ได้ยังคงสภาวะที่ว่าต่อไปได้ ก็เพราะว่าเกิดไอน้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน เราเรียกว่าการพาความร้อน เนื่องจากตัวกลางอย่างไอน้ำเคลื่อนที่จากพื้นภาชนะไปส่งพลังงานาให้กับแผ่นนำบางๆ ที่อยู่ด้านบนก่อนจะสูญเสียพลังงานและลดระดับลงไป วนเป็นลักษณะแบบนี้ไปเรื่อยๆ

ตัวอย่างการทดลองเรื่อง Leidenfrost ที่ทำให้เกิดน้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ แต่จากการทดลองนั้นระบบจะมี 3 สถานะได้ในเวลาจำกัด เนื่องจากการทั้งระบบยังไม่เสถียรนั่นเอง

https://video.vt.edu/media/t/1_6tuw2oft

การประยุกต์ใช้งาน Leidenfrost effect ที่ใช้สถานะทั้ง 3 ของน้ำ

มีการประยุกต์ใช้งานที่น่าสนใจอันนึงนั่นก็คือการนำนำแข็งไปใช้ในการป้องกันความเสียหายที่เกิดจากความร้อนได้ นั่นคือเราจะทำการประยุกต์ใช้น้ำแข็งวางลงบนวัตถุที่รับความร้อนมาอีกที หากความร้อนมีการดีดตัวเพิ่มขึ้นแบบทันทีทันใด ปรากฏการณ์ Leidenfrost effect ก้อนน้ำแข็งจะทำให้เกิดการยกตัวของวัตถุที่อยู่เหนือแหล่งจ่ายความร้อนทันทีเป็นกระบวนการป้องกันในระดับต้น ซึ่งมีการประยุกต์ใช้งานนี้ในระบบ sensor ตรวจจับการเพิ่มขึ้นของความร้อนอย่างฉับพลันในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ ที่สำคัญคือระบบนี้เป็นระบบที่ไม่ต้องการระบบไฟฟ้าทำให้มันสามารถทำงานได้เองแม้ระบบไฟฟ้าจะถูกตัด

พูดคุยกันท้ายบทความ

หากได้อ่านเรื่อง Leidenfrost effect จากบทความก่อนหน้า เราจะเห็นว่า ปรากฏการณ์นี้เหมือนกับตัวร้ายต่อระบบการระบายความร้อนในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่มาในบทความนี้กลับกลายเป็นพระเอกชูโรงช่วยป้องกันความเสียหายในระดับต้นได้ หากเราเข้าใจในระบบอย่างถ่องแท้ เราก็สามารถนำไปประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์สูงสุดต่อไปได้ ในฐานะนักฟิสิกส์ก็จะขอมาแลกเปลี่ยนเรื่องราวแปลก ๆ แบบนี้ไปเรื่อย ๆ หวังว่าจะชอบกันนะครับ หากใครมีเรื่องราวทางฟิสิกส์หรือวิทยาศาสตร์ด้านต่าง ๆ ที่อยากจะถามหรืออยากแชร์ ก็ส่งกันเข้ามาได้เรื่อย ๆ แล้วพวกเราจะไปหาความรู้มาเล่าให้ท่านได้อ่านต่อในเพจ The Principia กันครับ