สอนวิทย์มัธยม1: แปลงอุณหภูมิ คลิปการวิวัฒนาการการดื้อยา

ก่อนอื่นผมให้เด็กๆดูคลิปเจ๋งๆก่อนครับ มีคลิปการวิวัฒนาการความสามารถในการดื้อยาปฏิชีวนะของแบคทีเรียครับ โดยนักวิทยาศาสตร์ทำกะบะเพาะเชื้อขนาดใหญ่ แล้วใส่ยาปฏิชีวนะที่ความเข้มข้น 0, 1, 10, 100, 1000 เท่าของความเข้มข้นปกติที่ฆ่าแบคทีเรียได้ตามพื้นที่แต่ละส่วนในกะบะ ตอนเริ่มต้นแบคทีเรียก็เติบโตได้ตรงที่ความเข้มข้นเป็น 0 พอรอไปสักพักก็มีพวกที่กลายพันธุ์และเติบโตได้ที่ความเข้มข้นเป็น 1 พอรอไปอีกก็มีพวกกลายพันธุ์เติบโตได้ที่ความเข้มข้น 10, 100, และ 1000 เท่าตามลำดับใช้เวลาเพียง 11 วันเท่านั้นก็มีสายพันธุ์ต้านทานยาเข้มข้นเป็นพันเท่าได้:

นอกจากคลิปนี้เด็กๆยังได้ดูคลิปนักวิทยาศาสตร์สร้างเขาวงกตแบบในเกม Pac-Man แต่มีขนาดแค่ 1 มิลลิเมตร แล้วปล่อยสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและสิ่งมีชีวิตเล็กๆให้เข้าไปวิ่งไล่กันครับ ทำเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่และการหลบสิ่งกีดขวางของสิ่งมีชีวิตพวกนี้ครับ:

หลังจากดูคลิปแล้ว เด็กๆเรียนรู้เรื่องหน่วยวัดอุณหภูมิ ได้ฟังผมเล่าว่าเมื่อก่อนมีหน่วยวัดอุณหภูมิหลายแบบมาก แต่ในที่สุดก็เหลืออยู่ไม่กี่แบบ คนกำหนดมักจะอ้างอิงอุณหภูมิกับการเปลียนสถานะของสารอะไรบางอย่างเช่นน้ำเป็นน้ำแข็ง หรือน้ำเดือดเป็นไอ หลายปีผ่านไปก็เหลือหน่วยวัดหลักๆ 3 อันเท่านั้นคือฟาห์เรนไฮท์ เซลเซียส (ที่เมื่อก่อนเรียกว่าเซ็นติเกรด) และเคลวินซึ่งเป็นหน่วยวัดที่ใช้สำหรับงานวิทยาศาสตร์

ฟาห์เรนไฮท์เป็นหน่วยที่นักวิทยาศาตร์ชื่อ Daniel Fahrenheit เสนอเมื่อเกือบๆสามร้อยปีที่แล้ว ตอนที่เสนอจะกำหนด 0 องศาฟาห์เรนไฮท์ (ปกติเขียนสั้นๆว่า 0 °F) ไว้ที่อุณหภูมิสารละลายน้ำแข็ง น้ำและเกลือแอมโมเนียมคลอไรด์เท่าๆกัน แต่ในปัจจุบันถูกกำหนดไว้ว่าที่ระดับน้ำทะเลและความดันบรรยากาศปกติ 32 °F คืออุณหภูมิที่น้ำแข็งละลาย และน้ำเดือดเป็นไอน้ำที่ 212 °F มีช่องห่างระหว่างน้ำแข็งละลายกับน้ำเดือดเป็นไอเท่ากับ 180 °F พอดี ปัจจุบันใช้หน่วยนี้ในสหรัฐอเมริกาและอีกไม่กี่ประเทศ

เซลเซียสเป็นหน่วยที่ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ Anders Celsius แม้ว่าเขาเองจะเสนออีกหน่วยก็ตาม (เขาเสนอว่าน้ำเป็นน้ำแข็งที่ 100 องศา และน้ำกลายเป็นไอน้ำที่ 0 องศา) ปัจจุบันเรากำหนดไว้ว่า น้ำเป็นน้ำแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส (0°C) และเดือดเป็นไอน้ำที่ 100 °C โดยวัดอุณหภูมิที่ระดับน้ำทะเลและความดันอากาศปกติ ประเทศส่วนใหญ่ในโลกจะวัดอุณหภูมิเป็นองศาเซลเซียสครับ

ถึงตอนนี้ผมก็ถามเด็กๆว่าทำไมเราถึงต้องบอกด้วยว่าวัดอุณหภูมิที่ความสูงระดับน้ำทะเลและความดันอากาศปกติ จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อความดันเพิ่มหรือความดันลด หรือความสูงเพิ่มหรือความสูงลด

เด็กๆเสนอไอเดียสักพักก็ได้ข้อสรุปที่ว่าเวลาไปที่สูงๆความดันอากาศจะลด และถ้าความดันอากาศสูง น้ำจะเดือดเป็นไอยาก เพราะโมเลกุลน้ำที่พยายามวิ่งออกมาจากน้ำไปเป็นไอจะมีโอกาสชนกันอากาศที่กดผิวน้ำมากกว่าเลยไม่หลุดไปจากผิวน้ำสักที ถ้าความดันอากาศน้อยๆ โมเลกุลจะหนีออกไปจากน้ำกลายเป็นไอได้ง่ายกว่า

ผมถามเด็กๆว่าที่ยอดเขาเอเวอร์เรสท์สูงๆ น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิมากกว่าหรือน้อยกว่า 100 °C เด็กๆก็ใช้เหตุผลถูกว่าความดันในที่สูงๆต่ำกว่าความดันที่ระดับน้ำทะเล ดังนั้นน้ำจะเดือดง่ายกว่า แสดงว่าอุณหภูมิที่น้ำเดือดจะต่ำกว่า 100 °C  มีคนทดลองต้มน้ำให้ดูใน YouTube ด้วยครับ:

อันนี้ศาสตราจารย์ Martyn Poliakoff อธิบายการเดือดของน้ำครับ มีการลดความดันอากาศให้เกือบเป็นสูญญากาศทำให้น้ำเดือดที่อุณหภูมิห้องในอังกฤษ (14 °C) และเพิ่มความดันให้เป็นร้อยเท่าความดันบรรยากาศทำให้น้ำไม่เดือดที่กว่า 300 °C ด้วยครับ:

เคลวินเป็นหน่วยวัดอุณหภูมิที่ใช้ทางวิทยาศาสตร์ครับ ตั้งชื่อตาม William Thomson (Lord Kelvin) นักวิทยาศาสตร์ผู้ทำงานด้าน thermodynamics และอีกหลายๆด้าน หน่วยเคลวินจะไม่มีเครื่องหมายองศาเหมือน °F หรือ °C ครับ แต่ใช้ K แทนไปเลย ในปี 1848 ลอร์ดเคลวินเสนอว่าอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้คือ 0 องศา ซึ่งท่านได้ทำการคำนวณไว้เท่ากับ -273 °C ปัจจุบันด้วยเครื่องไม้เครื่องมีอที่ดีขึ้น เรากำหนดกันว่าอุณภูมิ 0 เคลวินเท่ากับ -273.15 °C (0K = -273.15 °C) และขนาดแต่ละ 1 เคลวินเท่ากับ 1 เซลเซียสครับ

อุณหภูมิทั้งสามหน่วยมีความสัมพันธ์กันดังนี้ครับ:

C = 5/9 (F-32)

F = 9/5 C + 32

K = C + 273.15

อัตราส่วน 5/9 หรือ 9/5 ในการแปลงระหว่าง C และ F มาจากช่วงระหว่างน้ำเป็นน้ำแข็งกับน้ำเป็นไอน้ำจะมีช่อง 100 ช่อง °C แต่มี 180 ช่อง °F จำนวนช่องจึงเป็นอัตราส่วน 100:180 หรือ 5:9 นั่นเองครับ ส่วน ±32 มาจากน้ำเป็นน้ำแข็งที 0°C แต่เท่ากับ 32°F ครับ

จากนั้นเด็กๆก็หัดแปลงอุณหภูมิไปมาระหว่างหน่วยครับ เช่นอุณหภูมิห้องวันนั้นเท่ากับ 27°C จึงเท่ากับ 300K อุณหภูมิร่างกายปกติเท่ากับ 37°C หรือ 98.6°F หรือ 310K  คนมีไข้ 102°F เท่ากับมีไข้ 38.9°C

ผมสอนเด็กๆด้วยว่าถ้าหารอะไรด้วย 9 ในใจก็ให้หารด้วย 10 ไปเลย แล้วบวก 10% เข้าไปในคำตอบ ถ้าจะให้ถูกมากขึ้นอีกก็บวก 1% เข้าไปด้วย ทั้งนี้ก็เพราะ 1/9 = 0.11111…. ซึ่งมากกว่า 1/10 อยู่ 0.01111… นั่นเองครับ เช่นแปลงอุณหภูมิ 102°F เป็นเซลเซียส จะได้ว่า C = 5/9 (F-32) = 5/9 (102-32) = 5/9 (70) = 350/9 เท่ากับประมาณ 350/10 + 10% + 1% ของคำตอบ = 35 + 3.5 + 0.35 = 38.85 ซึ่งใกล้กับคำตอบจริงที่ 38.9 (แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นผมบอกให้เด็กๆหัดประมาณค่าต่างๆในใจถ้าต้องการประมาณหยาบๆ ถ้าต้องการคำตอบเป๊ะๆให้ใช้เครื่องคิดเลขไปเลย)

 

Leave a Reply

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