บางครั้งคุณอาจพบว่าการทำอาหารว่างอย่างขนมปังทาแยมเป็นเรื่องที่ยุ่งยากและเสียเวลาอย่างมาก ไม่ใช่เพราะขนมปังที่หมดอายุและต้องออกไปซื้อที่ซูเปอร์มาเก็ตนอกบ้าน แต่เป็นเพราะฝาขวดแยมที่ปิดสนิทและต้องใช้ความพยายามอย่างหนักที่จะเปิดมันออก อย่างไรก็ตามความรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์กับน้ำร้อนในปริมาณเล็กน้อยสามารถช่วยแก้ปัญหาข้างต้นได้ และนี่คือข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการเปิดฝาขวดแยม (ที่แสนยากเย็น)

ภาพที่ 1 ขวดแยม
ที่มา https://unsplash.com ,Bernard Tuck

               จากคุณสมบัติของวัสดุที่ขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่แตกต่างกันทำให้เราทราบว่า ฝาโลหะจะมีอัตราการขยายตัวจากความร้อนได้รวดเร็วกว่าขวดแยมที่ทำจากแก้ว ดังนั้นเมื่อนำขวดแยมแช่ลงในน้ำร้อนโดยคว่ำขวดแก้วให้ด้านของฝาโลหะจุ่มลงไป จะทำให้โลหะขยายตัวได้มากกว่าฝาขวดแก้ว เป็นผลให้เราสามารถเปิดฝาขวดออกได้ง่ายขึ้น  อย่างไรก็ดีสิ่งที่น่าสนใจคือ การขยายตัวเนื่องจากความร้อน   

การขยายตัวเนื่องจากความร้อน

               โดยส่วนใหญ่แล้ว วัสดุจะขยายตัวที่อุณหภูมิสูงและหดตัวที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นปรากฏการณ์ที่วัสดุขยายตัวเมื่อสัมผัสกับความร้อนจึงถูกเรียกว่า การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Thermal Expansion)

               วัสดุทุกชนิดจะประกอบไปด้วยส่วนประกอบพื้นฐานที่เรียกว่าอะตอม ทั้งนี้อะตอมนับล้านจะรวมตัวกันเป็นโมเลกุล และวัสดุต่างๆ
จะประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมาก ในวัสดุที่มีสถานะเป็นของแข็ง โมเลกุลเหล่านี้จะถูกจัดให้อยู่เป็นรูปแบบเฉพาะที่เรียกว่า โครงสร้างผลึก (Crystal structure) โดยแต่ละโมเลกุลจะดึงดูดกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวที่เรียกว่า แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (intermolecular forces) เป็นผลให้โมเลกุลภายในโครงสร้างของของแข็งมีการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องและไม่สามารถเคลื่อนที่ได้

ภาพที่ 2 ตัวอย่างการเรียงตัวของโมเลกุลของในโครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์ที่เป็นของแข็ง
ที่มา https://en.wikipedia.org/wiki/File:Sodium-chloride-3D-ionic.png

               ความร้อน (Heat) คือ พลังงานภายในของระบบ (Internal energy) ที่สามารถส่งผ่านความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่แหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าในกระบวนการถ่ายเทพลังงาน (Energy transfer) ดังนั้นเมื่อวัสดุถูกให้ความร้อนหรือรับความร้อนจากแหล่งต่างๆ เช่น น้ำร้อน โมเลกุลของวัสดุจะดูดซับพลังงานความร้อนไว้และมีการสั่นสะเทือนมากขึ้น เป็นผลให้ทุกโมเลกุลต้องการพื้นที่มากขึ้นเพื่อรองรับการขยายตัวของวัสดุ

               โลหะเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างผลึกที่โมเลกุลภายในมีตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจง จึงทำให้ความร้อนสามารถกระจายตัวได้อย่างเท่าเทียมกันมากกว่าวัสดุชนิดอื่นๆ  และมีการขยายตัวในอัตราที่คงที่ ในขณะที่แก้วเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างที่เปราะบางกว่า โครงสร้างผลึกของแก้วจะเรียงตัวกันอย่างไม่เป็นระเบียบหรือที่เรียกว่า โครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous structure) จึงทำให้เป็นอุปสรรคต่อการกระจายตัวของความร้อนทั่ววัสดุ ทั้งนี้ฝาโลหะและขวดแก้วมีคุณสมบัติในการดูดซับปริมาณของพลังงานความร้อนที่แตกต่างกัน จึงทำให้มีอัตราการขยายตัวในที่แตกต่างกัน และด้วยโลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดีกว่าจึงทำให้สามารถดูดซับพลังงานความร้อนจากน้ำร้อนได้ง่ายกว่าแก้วที่เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ส่งผลให้เกิดช่องว่างระหว่างฝาขวดและปากขวดแก้วที่ขยายตัวได้ช้ากว่า เราจึงเปิดฝาขวดแยมที่เป็นโลหะออกได้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ดีสิ่งที่ต้องระวังคือ ฝาโลหะที่ร้อน ดังนั้นจึงควรใช้ฝาคลุมที่บริเวณฝาก่อนเปิด

สาระน่ารู้

               ปริมาณที่บ่งบอกถึงขอบเขตที่วัสดุสามารถขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนเรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (Coefficient of thermal expansion) ซึ่งโดยปกติแล้วอลูมิเนียมที่มักถูกนำมาใช้เพื่อทำฝาขวดจะมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่ที่ 23 ×10^-6 ต่อองศาเซลเซียสนั่นหมายความว่า อะลูมิเนียมจะขยายตัว 0.000023 เท่าในทุกครั้งที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นหนึ่งองศาเซลเซียส ในทางกลับกัน แก้วมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนเพียง 9 × 10^-6 ต่อองศาเซลเซียสซึ่งเป็นค่าที่ต่ำกว่าอลูมิเนียมมาก            

แหล่งที่มา

Namrata Dave. (2017, July 20). How Does Hot Water Help To Remove A Metal Lid From A Glass Jar?. Retrieved April 19, 2018, from https://www.scienceabc.com/eyeopeners/how-does-hot-water-help-to-remove-a-metal-lid-from-a-glass-jar.html

Thermal Expansion: How to Loosen a Jar Lid. Retrieved April 19, 2018, from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/jarlid.html

Thermal expansion.  Retrieved April 19, 2018,  from https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_expansion