ท่านผู้อ่านเคยสังเกตหรือไม่ว่า หากเราตั้งกาแฟร้อน ๆ ไว้บนโต๊ะจะเกิดอะไรขึ้นกับกาแฟของเราบ้าง?  ท่านสังเกตไหมว่าสักพักกาแฟจะเริ่มเย็นลงจนใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง นั่นก็เป็นเพราะว่า เมื่อใดก็ตามที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิเกิดขึ้น ก็จะมีการส่งผ่านความร้อนเกิดขึ้น โดยอุณหภูมิที่ร้อนกว่าจะถ่ายเทไปที่ที่เย็นกว่าเสมอ เพื่อให้อุณหภูมิเท่ากัน ความร้อนจากกาแฟจึงถูกถ่ายเทไปยังบริเวณโดยรอบหรือวัสดุที่มันสัมผัสอยู่ เช่น พื้นโต๊ะ เป็นต้น

ภาพที่ 1 กระบอกน้ำสุญญากาศหรือกระบอกน้ำเก็บอุณหภูมิ
ที่มา https://www.piqsels.com/th/public-domain-photo-sdqep

          ด้วยเหตุนี้เองจึงมีการนำเอากระบอกสุญญากาศเข้ามาช่วยเก็บความร้อนไว้ให้ได้นาน นั่นเป็นเพราะด้านในของกระบอกสุญญากาศจะมีผนังแยกเป็น 2 ส่วน และช่องระหว่างสองส่วนนี้ จะถูกทำให้เป็นพื้นที่สุญญากาศ ไม่มีอากาศ ไม่มีโมเลกุล หรืออะตอมใดๆอยู่เลย นี่เป็นสาเหตุทำให้กระบอกสุญญากาศสามารถเก็บความร้อนไว้ได้ เนื่องจากไม่มีอากาศเป็นตัวนำความร้อนนั่นเอง การเก็บความเย็นก็อาศัยหลักการเดียวกัน โดยผนังด้านในกระบอกจะช่วยกันไม่ให้ความร้อนจากด้านนอกเข้ามาด้านใน ทำให้สามารถคงความเย็นของน้ำในกระบอกไว้ได้นานเช่นเดียวกับความร้อนนั่นเอง

ภาพที่ 2 การถ่ายโอนความร้อนของกาแฟไปสู่สิ่งแวดล้อม
ที่มา  https://www.explainthatstuff.com/vacuumflasks.html

          กระบอกน้ำร้อน-น้ำเย็นสุญญากาศ หรือภาษาอังกฤษนิยมเรียกว่า vacuum flask หรือ thermos ถูกออกแบบคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชื่อ James Dewar ในปีค.ศ. 1892 โดยที่เขาไม่ได้จดสิทธิบัตรไว้ ซึ่งต่อมาถูกชาวเยอรมัน 2 คนพัฒนาเพิ่มขึ้นให้เหมาะสำหรับการใช้ในชีวิตประจำวันสำหรับคนทั่วไปและจดสิทธิบัตรและออกขายในเชิงพาณิชย์โดยได้รับความนิยมอย่างมากโดยเรียกสิ่งประดิษฐ์นี้ว่า thermos

         ในกระบอกน้ำสุญญากาศนั้นจะเกิดการถ่ายโอนความร้อน (heat transfer)  ซึ่งการถ่ายโอนความร้อน หมายถึง การส่งผ่านความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยการนำความร้อน (heat conduction) การพาความร้อน (heat convection) และการแผ่รังสีความร้อน (radiation) การนำความร้อนเช่นการเอามือของเราไปสัมผัสกับแท่งโลหะร้อน การเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนจะเคลื่อนที่จากที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งก็คือจากแท่งโลหะร้อนมายังมือของเรานั่นเอง การนำความร้อนจะเกิดขึ้นเมื่อมีวัตถุมาสัมผัสกันโดยตรง ส่วนการพาความร้อนเป็นการถ่ายโอนความร้อนผ่านของไหล โดยโมเลกุลของของไหลเมื่อรับความร้อนจะขยายตัวและเคลื่อนที่สูงขึ้นเนื่องจากแรงลอยตัวพร้อมทั้งพาความร้อนไปด้วย เช่นลมบก ลมทะเลและกระแสน้ำเป็นต้น ส่วนการแผ่รังสีความร้อน เป็นพลังงานที่แผ่จากต้นกำเนิดรังสีผ่านอากาศหรือสสาร ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางเช่นอากาศ ความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังผิวของเราหรือความร้อนจากหลอดไฟแบบเก่าคือหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดา ล้วนเป็นการแผ่รังสีความร้อน

ภาพที่ 3 กระบอกสุญญากาศโดยการคิดค้นของ James Dewar
ที่มา  https://en.wikipedia.org/wiki/James_Dewar

โมเลกุลของก๊าซในสภาวะสุญญากาศคืออะไร?

          อย่างที่เราทราบกันดีแล้วว่า "ก๊าซ" เป็นหนึ่งในสถานะพื้นฐานทั้งสี่ของสสาร มีความหนาแน่นต่ำกว่าของแข็งและของเหลวมาก สามารถบีบอัดให้มีปริมาตรลดลงได้ แต่จะเกิดอะไรขึ้น หากเราเพิ่มพลังงานความร้อนให้กับก๊าซแล้วนั้น โมเลกุลของก๊าซและความดันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างไรนั้น ซึ่งหากเราเพิ่มพลังงานความร้อนเข้าไป โมเลกุลของก๊าซจะเคลื่อนที่ชนกันเองทำให้เกิดแรงกระทำที่เรียกว่า "ความดันของก๊าซ" ซึ่งความดันจะเพิ่มมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แต่หากโมเลกุลของก๊าซลดลงความดันและอุณหภูมิของก๊าซก็จะลดลงเช่นกัน

          การสร้างกระบอกน้ำสุญญากาศนั้นก็ใช้หลักการเดียวกัน คือ สภาวะสุญญากาศจะทำการดักจับโมเลกุลของอากาศออกจากภาชนะปิดที่มีความดันต่ำและปล่อยออกสู่ภายนอกที่มีแรงดันสูง เมื่อเป็นเช่นนั้นในกระบอกน้ำจึงยังคงมีโมเลกุลของอากาศกระจายอยู่แต่จะทำให้เกิดแรงดันภายในภาชนะที่ต่ำลง ด้วยเหตุนี้จึงทำให้กระบอกน้ำสุญญากาศสามารถเก็บอุณหภูมิร้อนเย็นได้นานข้ามคืนเลยทีเดียว   

แหล่งที่มา           

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์. 2562. “กระติกน้ำร้อน-น้ำเย็นสุญญากาศ (vacuum flask) มีหลักการทำงานอย่างไร”. สืบค้นเมื่อวันที่  3 กุมภาพันธ์ 2563 จาก http://www.thaiphysoc.org/article/180/

Dewar, James (1867) "On the oxidation of phenyl alcohol, and a mechanical arrangement adapted to illustrate structure in the non-saturated hydrocarbons," Proceedings of the Royal Society of Edinburgh 6: 82–86.

Sloane, Thomas O'Conor.1900. Liquid Air, and the Liquefaction of Gases. Henley., Liquid Air and the Liquefaction of Gases, Norman W. Henley and Co., New York, 1900, second edition (extensive description of Dewar's work on the liquefaction of gases).