การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ชวนอึ้ง เมื่อน้ำร้อนเข้าสู่จุดเยือกแข็งได้เร็วกว่าน้ำเย็น

ช่างเป็นข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ที่สวนกับความเข้าใจพื้นฐานเสียจริง เพราะใครจะไปคิดละว่า น้ำร้อนที่ 60 – 70 องศาเซลเซียส จะเข้าสู่จุดเยือกแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส ได้เร็วกว่าน้ำเย็นที่อุณหภูมิ 5 – 15 องศาเซลเซียส ทั้งที่อุณหภูมิต่างกันกว่ามาก แต่ทำไมใช้เวลาสั้นกว่าได้นะ

เอราสโต เอ็มเพ็มบา (Erasto Mpemba)

สมมุติฐานเรื่องนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่เลย เพราะอริสโตเติล นักปรัชญาและผู้รอบรู้ชาวกรีกก็เคยกล่าวถึงข้อเท็จจริงเรื่องนี้ไว้แล้ว แต่ก็ไม่น่าเชื่อว่าสมมุติฐานนี้ได้มีการทดลองกันอย่างเป็นรูปธรรมในปี 1960 โดยนักเรียนชาวแทนซาเนียชื่อว่า เอราสโต เอ็มเพ็มบา (Erasto Mpemba) ที่ค้นพบเรื่องนี้โดยบังเอิญ เมื่อเขากำลังจะทำไอศกรีม แล้วเขานำส่วนผสม 2 ชนิดใส่เข้าตู้แช่ แล้วผลปรากฏว่าส่วนผสมอันที่ร้อนกว่ากลับกลายเป็นน้ำแข็งก่อนอีกอันที่มีความเย็นอยู่ก่อนหน้าแล้ว ในขณะนั้นมีนักวิทยาศาสตร์มาเยี่ยมชมที่โรงเรียนพอดี เอ็มเพ็มบาจึงได้โอกาสซักถามข้อสงสัยนี้ทันที ข้อสงสัยของเอ็มเพ็มบาได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ จึงทำการทดลองร่วมกันในห้องแล็บ และกลายเป็นที่มาของชื่อปรากฏการณ์นี้ว่า The Mpemba effect

มีการสันนิษฐานถึงสาเหตุของปรากฏการณ์เอ็มเพ็มบาไว้ด้วยกันหลายกรณี ว่าทำไมน้ำร้อนถึงเข้าสู่จุดเยือกแข็งได้เร็วกว่าน้ำเย็น

สาเหตุที่หลายฝ่ายเห็นพ้องต้องกันมากที่สุดคือ “การระเหยเป็นไอ” ของน้ำร้อน คือตัวแปรสำคัญของปรากฏการณ์นี้ จากการทดลอง นำน้ำร้อนมาใส่ในภาชนะเปิดแล้วใส่ในตู้เย็น ในขณะที่อุณหภูมิของน้ำเริ่มลดต่ำลงนั้น มวลของน้ำก็ลดปริมาณลงไปด้วย เพราะน้ำส่วนหนึ่งได้ระเหยกลายเป็นไอออกไป ก็เลยเหลือปริมาณน้ำน้อยลงที่จะกลายเป็นน้ำแข็ง นั่นจึงเป็นสาเหตุที่ใช้เวลาน้อยกว่าในการเข้าสู่จุดเยือก แต่กรณีนี้ใช้ได้เฉพาะกับภาชนะเปิดเท่านั้น ในทางตรงกันข้ามเมื่อนำน้ำร้อนใส่ในภาชนะปิด ไอระเหยก็ถูกปิดกั้น ปริมาณน้ำก็ไม่ได้น้อยลง ระยะเวลาที่ในการสู่จุดเยือกแข็งก็ไม่ได้เร็วกว่าน้ำเย็น

อีกข้อสันนิษฐานหนึ่งก็คือกระแส ‘การพาความร้อน’ (convection current) คือการกระจายอุณหภูมิไปในทิศทางที่ไร้รูปแบบตายตัว ตามปรากฏการณ์ธรรมชาตินั้น น้ำร้อนจะลอยขึ้นด้านบนของภาชนะ แทนที่น้ำเย็น รูปแบบเช่นนี้จะเรียกว่า ‘ร้อนบน’ การที่น้ำร้อนจะลอยขึ้นด้านบนแล้วน้ำเย็นจะลดต่ำลงสู่ด้านล่างนี้ละที่เรียกว่า convection current กระแสการพาความร้อนนั้นเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นปกติตามธรรมชาติอยู่แล้ว เกิดขึ้นได้กับทั้งของเหลวและแก๊สต่าง ๆ ตัวอย่างเช่นน้ำทะเล หรืออุณหภูมิในห้องที่เปิดเครื่องทำความร้อน เมื่อมวลอากาศหรือมวลน้ำเดียวกัน เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ทำให้มีการเคลื่อนที่สลับกัน กระบวนการนี้จะช่วยเร่งให้เกิดความเย็นเร็วขึ้น ต่อให้มวลนั้นจะมีพื้นที่กว้างเพียงใดก็ตาม เป็นอีกข้อสันนิษฐานที่อธิบายให้เข้าใจได้ง่าย ๆ ถึง The Mpemba effect

ลองทดลองกันดูก็ได้ครับที่บ้าน ถ้าใครใช้ถาดน้ำแข็งในตู้เย็น ครั้งหน้าลองใช้น้ำร้อนเทใส่ถาดดู เราอาจจะได้น้ำแข็งเร็วขึ้นกว่าเดิม

อ้างอิง อ้างอิง