ไขปริศนา...ทำไมน้ำร้อน แข็งตัว ก่อนน้ำเย็น

หน้าแรกTeeNee อาหารสมอง วิทยาศาสตร์ ไขปริศนา...ทำไมน้ำร้อน แข็งตัว ก่อนน้ำเย็น

ทราบหรือไม่ว่า ชาวพอนทัสผู้ที่นิยมการตกปลาบนลานน้ำแข็งมักซ่อมคันเบ็ดที่หักด้วยการราดน้ำร้อนลงไปบนคันเบ็ด เพราะจะทำให้น้ำร้อนที่ราดลงไปนั้นกลายเป็นน้ำแข็งอย่างรวดเร็ว แล้วน้ำแข็งนั้นก็จะทำหน้าที่เชื่อมคันเบ็ดให้ติดกัน ดูเหมือนว่าความรู้นี้จะขัดกับสามัญสำนึกอยู่ไม่น้อย ผู้อ่านคงอดที่จะโต้แย้งไม่ได้ว่าถ้าราดน้ำเย็นลงไปบนคันเบ็ด น้ำเย็นจะไม่แข็งตัวเร็วกว่าหรือ...

จริง ๆ แล้วปรากฏการณ์ที่น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำแข็งเป็นความรู้ที่มีมานานกว่า 350 ปีก่อนคริสตกาล โดยมีหลักฐานเป็นลายลักษณ์อักษรในสมุดพยากรณ์อากาศของอริสโตเติล (Aristotle's Meteorologica) ต่อมาก็มีนักวิทยาศาสตร์หลายต่อหลายคนพยายามที่จะหาคำอธิบายให้กับปรากฏการณ์ดังกล่าว ดังในคริสต์ศตวรรษที่ 13 โรเจอร์ เบคอน ได้ตั้งข้อสังเกตไว้ว่าในการทดลองเพื่อพิสูจน์ปรากฏการณ์น้ำร้อนแข็งตัวก่อนน้ำเย็นนั้นไม่ได้ให้ผลเหมือนเดิมทุกครั้ง เพราะในบางครั้งเขาก็พบว่าน้ำเย็นแข็งตัวก่อนน้ำร้อน จากนั้นในคริสต์ศตวรรษที่ 14 จิโอวานนิ มาร์เลียนิ ได้ทำการทดลองโดยนำน้ำที่ให้ความร้อนจนเดือดกับน้ำที่ไม่ผ่านการให้ความร้อนมาใส่ภาชนะที่เหมือนกันในปริมาณเท่ากันแล้ววางไว้ท่ามกลางอากาศเย็นในฤดูหนาว ทำให้เขาพบว่าน้ำที่ผ่านการทำให้ร้อนจนเดือดแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่ไม่ผ่านการให้ความร้อนมาก่อน ซึ่งในคริสต์ศตวรรษที่ 17 ได้มีให้การสนับสนุนถึงความเป็นไปได้ของปรากฏการณ์นี้อีกครั้ง อย่างเช่น ฟรานซิส เบคอน หรือจะเป็น เรเน่ เดสคาร์เตส ที่ได้พยายามทำการทดลองเพื่อศึกษาการแข็งตัวของน้ำ จนกระทั่งทำให้เขาพบว่าน้ำมีความหนาแน่นมากที่สุดที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส และจากการทดลองทำให้เขาเชื่อเป็นอย่างยิ่งว่าน้ำที่ถูกคงความร้อนไว้นานจะแข็งตัวได้เร็วกว่าน้ำในสภาพอื่น ๆ

จนกระทั่งมาถึงปีคริสต์ศักราช 1963 อีราสโต้ เพมบา นักเรียนชั้นมัธยมศึกษาของโรงเรียนแห่งหนึ่งในประเทศแทนซาเนีย สังเกตพบว่าเมื่อเขานำส่วนผสมของไอศกรีมที่ยังร้อนอยู่เข้าไปแช่ในตู้เย็น ส่วนผสมของไอศกรีมที่มีอุณหภูมิสูงแข็งตัวก่อนส่วนผสมของไอศกรีมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เขาจึงนำเรื่องอันน่าอัศจรรย์นี้ไปปรึกษากับ ดร. เดนิส ออสเบิร์น จากทั้งสองจึงได้ทำการทดลองซ้ำหลาย ๆ ครั้ง ก็พบว่าน้ำที่ถูกทำให้ร้อนที่ 100 องศาเซลเซียสแข็งตัวเร็วกว่าน้ำที่อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส แล้วได้นำความรู้ดังกล่าวมาตีพิมพ์ลงในวารสาร physics Education จึงทำให้ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันโดยทั่วไปในชื่อของปรากฏการณ์เพมบา (Mpemba effect) ดังตัวอย่างผลการทดลองในภาพที่ 1

-----
จากภาพที่ 1 พบว่าที่ช่วงอุณหภูมิตั้งแต่เริ่มต้นจนกระทั่งถึง 5 องศาเซลเซียสน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้น 18.6 องศาเซลเซียสใช้เวลาในเย็นตัวเร็วกว่า แต่หลังจากนั้นปรากฏว่าน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้น 42 องศาเซลเซียสสามารถลดอุณหภูมิมาที่ 4 องศาเซลเซียสได้อย่างรวดเร็วจนกระทั่งกราฟทั้งสองมาตัดกันที่เวลาประมาณ 4425 วินาที และลดลงถึงจุดเยือกแข็งที่ 0 องศาเซลเซียสโดยใช้เวลาทั้งหมด12390 วินาที ในขณะที่น้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้น 18.6 องศาเซลเซียสต้องใช้เวลาในการถึงจุดเยือกแข็งถึง 16815 วินาที

ถึงแม้ว่าชื่อปรากฏการณ์เพมบาจะเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางมาเป็นเวลา 39 ปีแล้ว แต่ก็น่าประหลาดใจว่ายังไม่มีคำอธิบายใดที่กระจ่างชัดว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ซึ่งอาจกล่าวได้ว่าปรากฏการณ์เพมบายังคงมีเงื่อนงำอยู่จนถึงปัจจุบัน ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะว่าในการทดลองแต่ละครั้งนั้นไม่สามารถควบคุมให้น้ำร้อนแข็งตัวก่อนน้ำเย็นได้ทุกครั้ง นั่นคือปรากฏการณ์ที่น้ำร้อนแข็งตัวก่อนน้ำเย็นนั้นไม่เป็นจริงเสมอไปนั่นเอง อย่างเห็นได้ชัดเจนในกรณีที่อุณหภูมิของน้ำตอนเริ่มต้นแตกต่างกันมาก ๆ ระหว่างน้ำที่มีอุณหภูมิตอนเริ่มต้นที่ 99.9999 องศาเซลเซียสกับน้ำที่มีอุณหภูมิตอนเริ่มต้นที่ 0.0001 องศาเซลเซียส หากนำน้ำนี้ไปแช่ให้แข็งตัว แน่นอนที่สุดว่าน้ำที่อุณหภูมิตอนเริ่มต้น 0.0001 องศาเซลเซียสใช้เวลาไม่กี่วินาทีก็กลายเป็นน้ำแข็งแล้ว แต่อย่างไรก็ตามภายใต้เงื่อนไขของแต่ละการทดลองที่แตกต่างกันนั้นยังมีคำอธิบายที่สำคัญซึ่งสามารถสรุปได้ 5 กลไกหลักอันทำให้น้ำร้อนแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น กลไกแรกเกิดจากการระเหย โดยมีเหตุผลง่าย ๆ ว่ามวลส่วนหนึ่งของน้ำที่มีอุณหภูมิสูงหายไปกับการระเหย จึงทำให้มวลของน้ำมีค่าลดลงส่งผลให้น้ำต้องคายความร้อนเพื่อการเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งในปริมาณที่น้อยลงด้วย ส่วนน้ำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่านั้นยังมีมวลมากกว่าจึงต้องสูญเสียความร้อนในปริมาณมาก แต่กลไกนี้ไม่สามารถอธิบายครอบคลุมถึงการทดลองในภาชนะปิดได้ เพราะในภาชนะปิดนั้นมวลของน้ำไม่ได้สูญเสียไปกับการระเหย ซึ่งเหตุผลของการระเหยเพียงอย่างเดียวนั้นนักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่าไม่มีน้ำหนักพอที่จะอธิบายปรากฏการณ์เพมบาได้ จึงน่าจะมีเหตุผลอื่น ๆ ประกอบด้วย ต่อมาในกลไกที่สองได้ให้เหตุผลของการเกิดปรากฏการณ์เพมบาจากการละลายของแก๊สในน้ำที่อุณหภูมิต่าง ๆ

โดยน้ำที่อุณหภูมิสูงจะมีแก๊สละลายปะปนอยู่น้อย อีกทั้งในขณะที่น้ำเดือดแก๊สที่ละลายอยู่อาจถูกไล่ออกไปจากน้ำจำนวนหนึ่ง ส่วนน้ำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่านั้นจะมีแก๊สละลายอยู่ปริมาณมากซึ่งแก๊สเหล่านี้อาจจะส่งผลให้สมบัติของน้ำเปลี่ยนไป เช่น การเปลี่ยนแปลงจุดเยือกแข็งของน้ำ ซึ่งชวนให้คิดว่าปริมาณแก๊สที่ละลายอยู่จะมีอิทธิพลมากจนกระทั่งทำให้น้ำร้อนใช้เวลาแข็งตัวน้อยกว่าน้ำเย็นอย่างนั้นหรือ หากเป็นเช่นนั้นก็แสดงว่าปริมาณแก๊สที่ละลายอยู่ในน้ำก็ต้องมีปริมาณมากเลยทีเดียว แต่อย่างไรก็ตามกลไกการละลายของแก๊สในน้ำยังไม่มีทฤษฎีใด ๆ มาสนับสนุนเพื่ออธิบายปรากฏการณ์เพมบาให้ครอบคลุมได้ สำหรับกลไกที่สามได้อธิบายจากการส่งผ่านความร้อนด้วยวิธีการพาความร้อน ตัวอย่างเช่น ระหว่างน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้น 70 องศาเซลเซียสกับน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้น 30 องศาเซลเซียสซึ่งถูกบรรจุในบีกเกอร์ขนาดเท่ากัน เมื่อพิจารณาในกรณีที่น้ำทั้งสองส่วนนี้มีอุณหภูมิเฉลี่ยเข้าสู่ 30 องศาเซลเซียส พบว่าน้ำที่อุณหภูมิเริ่มต้น 30 องศาเซลเซียสนั้นจะมีอุณหภูมิที่สม่ำเสมอทั้งภาชนะ แตกต่างกับน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นสูงซึ่งมีอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งภาชนะ

เป็นไปได้ว่าตรงบริเวณพื้นผิวอาจมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิเฉลี่ยและสูงกว่าน้ำบริเวณที่ต่ำกว่าพื้นผิวลงมา โดยอธิบายได้ว่าน้ำในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงนั้นจะมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำในบริเวณที่อุณหภูมิต่ำ (น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส และความหนาแน่นจะลดต่ำลงเมื่อเข้าสู่จุดเยือกแข็ง) จึงทำให้เกิดการพาความร้อนผ่านน้ำที่มีความหนาแน่นแตกต่างกันจากบริเวณด้านล่างของภาชนะที่มีความหนาแน่นสูงไปยังบริเวณพื้นผิวที่มีความหนาแน่นต่ำ ส่งผลให้น้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นสูงมีอัตราการสูญเสียความร้อนสูงทำให้เข้าสู่จุดเยือกแข็งได้อย่างรวดเร็วกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นต่ำนั่นเอง สำหรับกลไกที่สามนั้นมีสาเหตุเกิดจากอิทธิพลของสิ่งแวดล้อม ซึ่งเกิดขึ้นในกรณีที่วางบีกเกอร์บรรจุน้ำร้อนและบีกเกอร์ที่บรรจุน้ำเย็นลงบนพื้นผิวน้ำแข็งที่เกาะอยู่ที่ผนังของห้องแช่แข็ง น้ำร้อนแข็งตัวได้รวดเร็วกว่าน้ำแข็งถ้าหากว่าบริเวณก้นภาชนะที่บรรจุน้ำร้อนสัมผัสกับผิวน้ำแข็งแล้วทำให้น้ำแข็งบริเวณนั้นละลาย ซึ่งจะทำให้ก้นภาชนะจมลึกลงไป และเมื่อน้ำที่ละลายนั้นแข็งตัวอีกครั้งก็จะทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างห้องแช่แข็งกับภาชนะ ส่งผลให้เกิดการสัมผัสเชิงความร้อนระหว่างภาชนะที่บรรจุน้ำร้อนกับห้องแช่แข็งดีกว่าภาชนะที่บรรจุน้ำเย็นกับห้องแช่แข็ง และในกลไกสุดท้ายเกิดจากน้ำที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งแล้วแต่ยังไม่เปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง

ดังรู้จักกันในชื่อของปรากฏการณ์ซุปเปอร์คูลลิ่ง (supercooling) ซึ่งมีผู้เคยทดลองพบว่า น้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นสูงอาจทำให้เกิดซุปเปอร์คูลลิ่งที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียสน้อยกว่าน้ำที่มีอุณหภูมิเริ่มต้นต่ำจึงทำให้แข็งตัวก่อน แต่สำหรับเหตุผลที่น้ำร้อนเกิดซุปเปอร์คูลลิ่งตื้นกว่านั้นนักวิทยาศาสตร์บางคนให้เหตุผลว่าอาจเป็นเนื่องจากแก๊สไม่มีขั้วบางชนิด เช่น มีเทน ไนโตรเจน ที่สามารถละลายในน้ำดีในบางช่วงอุณหภูมิของน้ำร้อนจึงทำให้น้ำร้อนมีฟองแก๊สเหล่านี้อยู่ ส่งผลให้เกิด

นิวคลีเอชัน (nucleation) หรือจุดที่ผลึกน้ำแข็งเริ่มก่อตัวจึงทำให้น้ำร้อนกลายเป็นน้ำแข็งได้ง่ายกว่าน้ำเย็นอาจไม่มีก๊าซเหล่านี้ละลายอยู่เลย

ถึงแม้ว่านักวิทยาศาสตร์จำนวนมากพยายามให้เหตุผลว่าเกิดปรากฏการณ์เพมบาได้อย่างไร แต่ก็ไม่มีเหตุผลใดที่จะสามารถอธิบายได้ครอบคลุม เพราะเมื่อใดก็ตามที่มีคำอธิบายที่รัดกุมและมีทฤษฎีอื่น ๆ มาสนับสนุนคงจะทำให้ผู้ทดลองสามารถควบคุมให้ปรากฏการณ์เพมบาเกิดขึ้นได้ทุกครั้งที่ต้องการ ซึ่งผู้เขียนเชื่อแน่นอนว่าสิ่งเหล่านี้ไม่เกินความสามารถของมนุษย์แน่นอน

ภาพที่ 1 กราฟอัตราการแข็งตัวของน้ำที่อุณหภูมิ 42 องศาเซลเซียส (เส้นสีแดง) และน้ำที่อุณหภูมิ 18.6 องศ

เกร็ดน่ารู้เกี่ยวกับปรากฏการณ์เพมบา

นอกจากตัวอย่างภูมิปัญญาที่ชาวพอนทัสราดน้ำร้อนบนคันเบ็ดเพื่อให้น้ำแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งเชื่อมคันเบ็ดที่หักออกจากกันแล้ว นอกจากนี้โดยเฉพาะในประเทศที่อยู่แถบภูมิอากาศหนาวเย็น เคยมีคนเตือนว่าในฤดูหนาวไม่ควรล้างรถด้วยน้ำอุ่นหรือน้ำร้อนเพราะน้ำร้อนจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วและเกาะติดที่รถ หรือสาเหตุการอุดตันของท่อน้ำร้อนในฤดูหนาวมักมาจากการแข็งตัวของน้ำร้อนในท่อ ซึ่งสาเหตุการอุดตันของน้ำแข็งในท่อน้ำร้อนนั้นพบได้บ่อยกว่าในท่อน้ำเย็น หรือเคล็ดลับการทำไอศกรีมของชาวเมืองแทงกาในประเทศแทนซาเนียนั้นมักนำส่วนผสมที่ร้อนอยู่ไปแช่ แล้วจะทำให้ส่วนผสมเหล่านั้นแข็งตัวเป็นไอศกรีมได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งความรู้นี้ยังเป็นที่รู้จักกันดีในอุตสาหกรรมอาหารแช่แข็งอีกด้วย

สุดท้ายได้นำภาพการกลายเป็นละอองของผลึกน้ำแข็งของน้ำเดือดที่ถูกสาดขึ้นไปในอากาศ เพื่อให้ลองคิดดูว่าถ้าสาดน้ำเย็นขึ้นไปจะให้ผลเช่นเดียวกันหรือไม่ แต่ถ้าให้ผลเหมือนกัน น้ำที่อุณหภูมิใดจะกลายเป็นละอองของผลึกน้ำแข็งได้ดีและรวดเร็วกว่ากัน หากผู้อ่านท่านใดมีคำอธิบายดี ๆ ก็สามารถส่งอีเมลมาแลกเปลี่ยนความรู้กันได้