การขยายตัวของน้ำแข็ง ต้มน้ำเพื่อดูความจุความร้อน ปืนใหญ่ลม

วันอังคารที่ผ่านมาผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมต้นได้ดูคลิปการวิวัฒนาการสิ่งมีชีวิต ได้ช่วยทำให้น้ำแข็งละลายเพื่อดูการหดตัวของมันเมื่อกลายเป็นน้ำเหลวๆ ได้ดูคลิปท่อเหล็กและกระป๋องแตกเมื่อน้ำข้างในแข็ง เด็กประถมปลายได้ช่วยจับเวลาการต้มน้ำ 300 และ 600 กรัม ดูกราฟอุณหภูมิและเวลา และได้การบ้านไปคาดการว่ากราฟของน้ำ 1,200 กรัมน่าจะเป็นอย่างไร เด็กๆอนุบาลสามได้เ่ล่นของเล่นปืนใหญ่ลม (Vortex Cannon) ที่สามารถยิงลมไปไกลๆได้ เด็กๆใช้ปืนใหญ่ลมยิงกระป๋องและดับเทียนครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง “รู้จักเทอร์โมมิเตอร์ วัดอุณหภูมิน้ำแข็ง/น้ำเดือด กลกระป๋องเอียง” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

สำหรับเด็กประถมต้น ผมให้ดูคลิปคลาสสิคโดย Carl Sagan จากรายการ Cosmos ตอนการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลกครับ:

ไอเดียเรื่องการวิวัฒนาการสิ่งมีชีวิตเป็นไอเดียที่ดีที่สุดอันหนึ่งของมนุษยชาติครับ ใช้เข้าใจและอธิบายประเภทสิ่งมีชีวิตที่หลากหลายและการเปลี่ยนแปลงต่างๆของสิ่งมีชีวิตครับ (ที่เห็นใกล้ตัวทุกวันก็คือการดื้อยาของเชื้อโรคครับ เห็นชัดเพราะเชื้อโรคมันเกิดเร็วสีบพันธุ์เร็วตายเร็ว)

ขบวนการวิวัฒนาการจะเกิดได้ด้วยสี่ข้อนี้ครับ:

  1. ลูกๆคล้ายๆพ่อแม่ (คือมีการสืบทอดพันธุกรรม)
  2. ลูกๆไม่เหมือนกันหมดทุกตัว (คือมีความหลากหลายทางพันธุกรรม)
  3. โอกาสรอดชีวิตและแพร่พันธุ์ของลูกแต่ละตัวไม่เท่ากัน ลูกที่สามารถสืบพันธุ์ได้ก็จะเป็นพ่อแม่ในรุ่นต่อไป (คือมีการคัดเลือกพันธุ์)
  4. วนข้อ 1-3 หลายๆรอบ เป็นร้อยเป็นพัน…เป็นล้านรอบ

ผมเคยทำกิจกรรมเกี่ยวกับวิวัฒนาการและบันทึกไว้ที่นี่และที่นี่แล้วครับ ถ้าสนใจลองกดเข้าไปดู

ต่อไปผมก็เอาหลอดพลาสติกใส่น้ำที่แช่เย็นจนน้ำเป็นน้ำแข็งหมด มาวัดความสูงว่าแท่งน้ำแข็งสูงเท่าไรครับ แล้วให้เด็กๆเอาหลอดไปปั่นในมือให้ความร้อนจากมือทำให้น้ำแข็งละลายเป็นน้ำ แล้ววัดว่าความสูงของน้ำคือเท่าไรครับ

วัดส่วนสูงแท่งน้ำแข็ง
วัดส่วนสูงแท่งน้ำแข็ง
ใช้ความร้อนจากมือทำให้น้ำแข็งละลาย
ใช้ความร้อนจากมือทำให้น้ำแข็งละลาย

 พบว่าน้ำแข็งสูง 8.0, 8.0, 7.8 ซ.ม. หดตัวกลายเป็นน้ำสูง 7.4, 7.1, 6.7  ซ.ม.ครับ แสดงว่าเมื่อน้ำเป็นน้ำแข็งมันจะขยายตัว และเมื่อน้ำแข็งละลายเป็นน้ำมันจะหดตัวครับ

ผมให้เด็กๆดูคลิปการทดลองที่มีคนเอาน้ำใส่กระป๋อง ท่อเหล็ก ท่อประปาให้เต็มแล้วปิดให้แน่น แล้วเอาไปวางไว้ในหิมะเย็นๆข้ามวันให้น้ำเป็นน้ำแข็งครับ:

 ปรากฎว่าน้ำกลายเป็นน้ำแข็งแล้วใหญ่ขึ้น ดันท่อและกระป๋องแตกหมดเลยครับ

ผมเอาแก้วใส่น้ำแข็งแล้วเทน้ำจนระดับน้ำเท่ากับขอบแก้วและมีบางส่วนของน้ำแข็งลอยอยู่เหนือระดับน้ำ แล้วรอให้น้ำแข็งละลาย ถามเด็กๆว่าเมื่อน้ำแข็งละลายน้ำจะล้นแก้วออกมาไหม ปรากฎว่าน้ำไม่ล้นครับ สาเหตุก็เพราะว่าเมื่อน้ำแข็งละลาย มันจะกลายเป็นน้ำที่มีปริมาตรที่เท่ากับปริมาตรน้ำแข็งที่จมน้ำอยู่เป๊ะเลย น้ำจึงไม่ล้นออกจากแก้วครับ มันคือกฎการลอยตัวที่อาร์คิมีดีสค้นพบเมื่อสองพันกว่าปีมาแล้วครับ ผมเคยมีกิจกรรมเรื่องแรงลอยตัวและบันทึกไว้ที่นี่นะครับ กดดูถ้าสนใจ

ผมเคยทำกิจกรรมคล้ายๆกันกับเด็กจิ๋วด้วยครับ เรื่องน้ำท่วมโลก คือถ้าน้ำแข็งลอยอยู่ในน้ำแล้วละลาย ระดับน้ำจะไม่สูงขึ้น แต่น้ำแข็งส่วนใหญ่ที่ขั้วโลกมันอยู่บนผิวดิน เมื่อละลายมันจะลงไปในทะเลทำให้ระดับน้ำสูงขึ้นครับ:

น้ำเป็นของเหลวที่ประหลาดครับ ของเหลวส่วนใหญ่จะมีปริมาตรเล็กลงเมื่อกลายเป็นของแข็ง แต่น้ำจะมีปริมาตรมากขึ้น ปริมาตรน้ำจะเล็กสุดที่ 4 องศาเซลเซียสครับ ทำให้เมื่ออากาศจะเย็นกว่า 0 องศา น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งที่ผิวน้ำ และเนื่องจากน้ำแข็งขยายตัวมันจึงมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ จึงลอยอยู่บนผิวน้ำ ทำให้ปลาและสัตว์น้ำต่างๆยังมีชีวิตอยู่ใต้น้ำแข็งได้ น้ำที่ลึกที่สุดจะมีอุณหภูมิต่ำๆ แต่จะไม่ต่ำไปกว่า 4 องศา เพราะน้ำเย็น 4 องศาจะหนาแแน่นที่สุดและจะจมอยู่ต่ำที่สุด

ผมมีกราฟความหนาแน่นของน้ำมาชี้ให้เด็กดูด้วยครับ จะเห็นว่าน้ำมีความหนาแน่นสูงสุด (ปริมาตรน้อยสุด) ที่ 4 องศา:

ความหนาแน่นของน้ำและน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่างๆครับ
ความหนาแน่นของน้ำและน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่างๆครับ

สำหรับเด็กประถมปลาย เราช่วยกันจับเวลาและวัดอุณหภูมิการต้มน้ำ 300 และ 600 กรัมครับด้วยไฟแรงเท่าๆกัน เราสรุปข้อมูลเป็นกราฟอย่างนี้ครับ:

ข้อมูลต้มน้ำ 300 และ 600 กรัม
ข้อมูลต้มน้ำ 300 และ 600 กรัม

พบว่าน้ำ 600 กรัมจะเพิ่มอุณหภูมิช้ากว่าน้ำ 300 กรัมนะครับ สาเหตุก็เพราะว่าถ้าเราจะต้มน้ำจำนวนมากให้อุณหภูมิเพิ่ม เราก็ต้องใช้พลังงานมากกว่าตอนต้มน้ำจำนวนน้อยกว่า แหล่งพลังงานเรามาจากเตาไฟที่เปิดแรงเท่าๆกัน น้ำเยอะกว่าจึงต้องใช้เวลามากกว่าในการดึงพลังงานมาจากเตาไฟไปเพิ่มอุณหภูมิครับ

เพื่อหาอัตราการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำจำนวน 300 และ 600 กรัม เราจึงพยายามหาเส้นตรงที่ใกล้เคียงกับข้อมูลของเรา เมื่อได้เส้นตรงแล้ว เราก็จะดูความชันของเส้นตรง พบว่าสำหรับน้ำ 300 กรัม อัตราการเพิ่มอุณหภูมิจะประมาณ 0.59 องศาเซลเซียสต่อวินาที ขณะที่น้ำ 600 กรัม อัตราการเพิ่มอุณหภูมิจะเป็นประมาณครึ่งหนี่งที่ 0.32 องศาเซลเซียสต่อวินาที

ต้มน้ำ 300 กรัม ความชันของอุณหภูมิต่อเวลาประมาณ 0.59 องศาเซลเซียสต่อวินาทีครับ
ต้มน้ำ 300 กรัม ความชันของอุณหภูมิต่อเวลาประมาณ 0.59 องศาเซลเซียสต่อวินาทีครับ
ต้มน้ำ 600 กรัม ความชันของอุณหภูมิต่อเวลาประมาณ 0.32 องศาเซลเซียสต่อวินาทีครับ
ต้มน้ำ 600 กรัม ความชันของอุณหภูมิต่อเวลาประมาณ 0.32 องศาเซลเซียสต่อวินาทีครับ

 อัตราการเพิ่มอุณหภูมิอย่างนี้แสดงว่าในหนึ่งวินาทีจะมีพลังงานเข้าไปในน้ำประมาณ 0.59 x 300 = 177 แคลอรี่ = 740 จูล (น้ำ 300 กรัม) ] หรือประมาณ 0.32 x 600 = 192 แคลอรี่ = 800 จูล (น้ำ 600 กรัม) คิดเป็นกำลังความร้อน 740 และ 800 วัตต์ตามลำดับ เป็นไปได้ที่น้ำ 600 กรัมดูดซับความร้อนได้ดีกว่าเพราะท่วมขอบหม้อมากกว่า ทำให้สูญเสียความร้อนให้อากาศน้อยกว่าครับ

หลังจากเด็กๆได้เห็นข้อมูลเป็นกราฟแล้ว ผมให้การบ้านเด็กๆไปเดาว่าถ้าต้มน้ำ 1,200 กรัมจะเกิดอะไรขึ้นครับ

สำหรับเด็กอนุบาลสาม ผมให้เล่นปืนใหญ่ลม (Vortex Cannon) กันครับ เจ้าปืนใหญ่ลมเนี่ยสามารถยิงวงแหวนอากาศ หรืออากาศที่หมุนเป็นรูปโดนัทออกไปได้ไกลมาก ถ้าเราใส่ควันเข้าไป เราจะเห็นรูปโดนัทวิ่งออกมาไปได้ไกลๆ เนื่องจากผมแพ้กลิ่นธูป และผมไม่มีเครื่องสร้างควันแบบในคอนเสิร์ท ผมจึงไม่ได้ใส่ควันให้เด็กๆดู ได้แต่ยิงอากาศใส่เป้าต่างๆ
 
วิธีทำมีหลายวิธีง่ายๆอีกครับ  วิธีแรกก็คือเอากล่องกระดาษแข็งที่ใส่รองเท้ามาเจาะรูกลม เส้นผ่าศูนย์กลางสัก 2-3 นิ้ว ที่ด้านสั้นด้านหนึ่งของกล่อง แล้วเราก็ปิดฝากล่อง เมื่อจะยิงวงแหวนอากาศ เราก็ตบที่ฝากล่องทำให้อากาศวิ่งออกไปทางรูกลมๆด้านข้าง
 
อีกวิธีหนึ่งก็คือเอากระป๋องพลาสติกที่มีก้น เช่นถังขยะพลาสติก มาเจาะรูกลมที่ก้น แล้วเอาถุงพลาสติกปิดที่ปากกระป๋อง แล้วเราก็ตบถุงพลาสติกให้ดันอากาศผ่านรูกลมๆที่ก้นกระป๋อง เล็งไปที่เป้าต่างๆแล้วเราก็ยิงใส่

อีกวิธีหนึ่งก็คือเอาขวดน้ำพลาสติกขนาดใหญ่ๆเช่น 5-6 ลิตร แล้วก็ตบก้นขวดเลยครับ ลมก็ออกมาเป็นโดนัทเหมือนกัน

ไม่ว่าเราจะประดิษฐ์แบบไหนก็ตาม จุดสำคัญก็คือต้องมีช่องวงกลมให้ลมความเร็วสูงออกมาจากขวด/กล่อง/ถัง/หรือภาชนะต่างๆ ลมความเร็วสูงจะวิ่งออกมาชนอากาศข้างนอกทำให้อากาศหมุนเวียนเป็นรูปโดนัท และเจ้าอากาศหมุนเวียนรูปโดนัทนี้จะวิ่งไปได้ไกลมากๆเมื่อเทียบกับการเป่าลมโดยตรง รายละเอียดเพิ่มเติมอีกมากมายสามารถอ่านได้จากที่นี่นะครับ

เด็กๆเล่นกันอย่างสนุกสนานครับ ใช้ล้มกระป๋องอลูมิเนียมเปล่าๆ ดับเทียน และดับเทียนหลังกระป๋องครับ :

 

 

 

 

 

 

 

One thought on “การขยายตัวของน้ำแข็ง ต้มน้ำเพื่อดูความจุความร้อน ปืนใหญ่ลม”

Leave a Reply

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