ความดันอากาศและความร้อนความเย็น เครื่องยนต์สเตอร์ลิ่ง

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

ถ้าสงสัยว่าไม่เห็นรูปหรือวิดีโอ เข้าไปดูที่เว็บ http://witpoko.com/ นะครับ ส่วนใหญ่ถ้าอ่านในเมล์จะไม่เห็นวิดีโอครับ สำหรับบันทึกการสอนต่างๆในอดีตเข้าไปดูที่ http://atriumtech.com/sci_kids/ นะครับ

(คราวที่แล้วเรื่อง “ไข่นิ่ม แนะนำ Makey Makey เมฆกระป๋อง ตะเกียบลม” ครับ)

วันอังคารที่ผ่านมานี้ผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์กับเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรมครับ อนุบาลบ้านพลอยภูมิมีกิจกรรมวันแม่เลยงดกิจกรรมวิทย์ วันนี้เด็กประถมได้ทดลองเป่าลมใส่ลูกโป่งแล้วปล่อยลมออกขณะที่แนบลูกโป่งไว้ที่แก้มเพื่อสังเกตว่ารู้สึกยังไง ได้ถามตอบกับผมว่าอากาศมีปริมาตรเป็นอย่างไรเมื่อร้อนและเย็น แล้วได้ดูหลักการนี้มาถูกประดิษฐ์เป็นกลจักรที่ทำงานได้ก่อนมีมอเตอร์ไฟฟ้าเรียกว่าเครื่องยนต์สเตอร์ลิ่ง (Stirling Engine) ที่ทุกวันนี้ยังใช้ชาร์จแบ็ตเตอรี่ในเรือดำน้ำครับ

ก่อนอื่นผมเอาเทอร์โมมิเตอร์ใส่ขวดพลาสติกแล้วอัดอากาศให้ความดันเยอะๆให้เด็กๆสังเกตว่าอุณหภูมิเป็นอย่างไรครับ เด็กๆจะเห็นว่าอุณหภูมิค่อยๆสูงขึ้นตามการสูบของผม ตอนหลังความดันในขวดสูงมากจนผมใช้แรงมืออัดอากาศเข้าไปไม่ไหว พอผมปล่อยอากาศออก ความดันก็ลดลงอย่างรวดเร็ว และอุณหภูมิก็ลดลงกลับไปเหมือนก่อนอัดอากาศ

อัดอากาศใส่ขวด วัดอุณหภูมิครับ
อัดอากาศใส่ขวด วัดอุณหภูมิครับ

ผมถามเด็กๆว่าเราจะอัดความดันเข้าไปเยอะๆจนขวดแตกได้ไหม ให้เด็กๆคิดว่าทำอย่างไรความดันถึงจะสูงมากๆ เด็กๆส่วนใหญ่คิดถึงการเผาอะไรให้ระเบิดในขวด ซึ่งจริงๆถ้าสามารถทำได้ขณะที่ขวดปิดแน่นก็เป็นไปได้ครับ ผมเลยหาคลิปวิธีแบบหนึ่งที่ไม่ได้ใช้การจุดระเบิดแต่เป็นการใช้การ “ระเหิด” ที่ของแข็งเปลี่ยนเป็นก๊าซทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย ของแข็งที่ว่าก็คือน้ำแข็งแห้งครับ เรามีคลิปสโลโมชั่นดูกันครับ:

อีกแบบที่ใช้หลักการคล้ายๆกันแต่ใช้ของเหลวก็คือใช้ไนโตรเจนเหลวที่ปกติจะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิประมาณ -200 องศาเซลเซียสที่ความดันปกติบนพื้นโลก พอโดนอุณหภูมิห้องก็จะระเหยเป็นก๊าซ มีปริมาตรเพิ่มขึ้นมหาศาลครับ ถ้าใส่ในขวดพลาสติกปิดแน่นทิ้งไว้ ขวดจะระเบิดเพราะความดันที่มากขึ้นครับ

ผมให้เด็กๆดูคลิปสิ่งประดิษฐ์ที่เรียกว่าตะบันไฟ ที่สามารถจุดไฟได้ด้วยการเพิ่มแรงดันอากาศมากๆอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิอากาศสามารถเพิ่มเป็นหลายร้อยองศาเซลเซียสได้ครับ:

เด็กๆได้เป่าลูกโป่งให้โตๆแล้วปล่อยลมแล้วแนบแก้มครับ เด็กๆรู้สึกว่ามันเย็น ผมยังไม่แน่ใจว่าที่เย็นเป็นเพราะอากาศความดันต่ำลงแล้วเย็น หรือยางที่ยืดอยู่คลายตัวแล้วเย็นครับ จะทำการทดลองเพิ่มเติมต่อไป

จากนั้นก็เป็นไฮไลท์ของงาน ผมเอาของเล่นที่เป็นจักรกลสเตอร์ลิ่งขนาดเล็กๆมาให้เด็กๆดู  มันเป็นอุปกรณ์ที่อาศัยหลักการที่ว่าก๊าซขยายตัวเมื่อร้อนและหดตัวเมื่อเย็น ถ้าทำให้ก๊าซขยายตัวและหดตัวเป็นจังหวะต่อเนื่องกันไป ก็สามารถเอามาทำให้ลูกสูบขยับและใช้งานได้

ถูกประดิษฐ์เมื่อประมาณปีค.ศ. 1816 โดย Robert Stirling ครับ

จักรกลประเภทนี้จะต้องมีส่วนหนึ่งที่ร้อนกว่าอีกส่วนหนึ่งเพื่อให้ก๊าซได้รับความร้อนจากส่วนที่ร้อนแล้วขยายตัว แล้วไปคายความร้อนที่ส่วนที่เย็นกว่า แล้วก๊าซจะได้หดตัว แล้วก๊าซก็ต้องไปรับความร้อนจากส่วนที่ร้อนใหม่ เป็นวงจรอย่างนี้ไปเรื่อยๆครับ

ดูคลิปอธิบายการทำงานครับ:

เมื่อก่อนตอนยังไม่มีมอเตอร์ไฟฟ้า เจ้าพวกนี้จะเป็นเครื่องจักรทำงานให้คนเช่นเป็นเครื่องสูบน้ำครับ ในปัจจุบันก็มีใช้อยู่เช่นในเรือดำน้ำบางชนิดเพื่อปั่นไฟเข้าแบตเตอรี่สำหรับขับเคลื่อน หรือบางที่ก็ใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์มาป้อนเข้าเจ้าเครื่องนี้ ให้มันหมุนปั่นไฟให้

คลิปการใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์มาป้อนให้จักรกลสเตอร์ลิ่งครับ:

ต่อไปนี้คือบรรยากาศและบันทึกการเรียนรู้ของเด็กๆครับ อัลบั้มเต็มอยู่ที่นี่นะครับ

One thought on “ความดันอากาศและความร้อนความเย็น เครื่องยนต์สเตอร์ลิ่ง”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *