วิทย์ประถม: เรียนรู้เรื่องฉนวนความร้อน

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล จากนั้นได้เรียนรู้เรื่องฉนวนความร้อนโดยเอามือไปใส่ในถุงพลาสติกสองชั้นที่มีอากาศคั่นอยู่ภายในระหว่างชั้นนอกและชั้นใน แล้วจุ่มไปในน้ำร้อนและน้ำเย็น ได้ดูคลิปแอโรเจล สำหรับประถมปลายได้ดูคลิปจุ่มมือในตะกั่วหลอมเหลวร้อนจัดและเดินลุยไฟแต่ไม่เกิดอันตรายเพราะไอน้ำหรือขี้เถ้าเป็นฉนวนความร้อน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เรื่องย้ายไฟจากเทียนและเปลี่ยนสาวเป็นเสือครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเราคุยกันเรื่องฉนวนความร้อนครับ (เพื่อทำการทดลองต่อเนื่องจากสัปดาห์ที่แล้วเรื่องผิวหนัง) ให้เด็กๆดูรูปเหล่านี้:

สังเกตขนหมีขั้วโลกกันหนาว
ขนเป็ดกันหนาว
เสื้อกันหนาว
ผ้าห่มนวมกันหนาว
กระติกใส้โฟมเก็บของร้อนเย็น

ผมบอกเด็กๆว่าของเหล่านี้มีอะไรที่เหมือนกันอย่างหนึ่ง คือของเหล่านี้มีการเก็บกักอากาศไว้เป็นชั้นกั้นรอบๆตัวมัน  อากาศจะไม่ค่อยยอมให้ความร้อนไหลผ่าน ขนหมีและขนเป็ดจะฟูๆเก็บกักอากาศไว้ภายใน เสื้อกันหนาวแล้วผ้านวมก็ฟูๆเก็บกักอากาศไว้ข้างใน โฟมในกระติกก็เป็นพลาสติกฟูๆที่เก็บกักอากาศไว้ข้างในเนื้อโฟม เมื่อมีอากาศอยู่รอบๆ ความร้อนก็ไหลจากด้านหนึ่งผ่านอากาศไปอีกด้านหนึ่งยาก ด้านไหนร้อนก็ร้อนอยู่นาน (เช่นร่างกายหมีและเป็ดเพราะการรักษาร่างกายให้อบอุ่นเป็นเรื่องสำคัญสำหรับสัตว์เลือดอุ่นอย่างสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและนก) ด้านไหนเย็นก็เย็นอยู่นาน (เช่นกระติกใส่น้ำแข็ง)

วัสดุใดยอมให้ความร้อนผ่านได้ยากๆ เราเรียกวัสดุนั้นว่าฉนวนความร้อน เช่น อากาศ(ไม่มีลม) ไม้ โฟม พลาสติก แอโรเจล

วัสดุใดยอมให้ความร้อนผ่านได้ง่ายๆ เราเรียกวัสดุนั้นว่าตัวนำความร้อน เช่น เพชร โลหะเงิน ทองแดง ทอง อลูมิเนียม เหล็ก

จากนั้นพวกเราก็ทำการทดลองกักเก็บอากาศไว้รอบๆมือของเราแล้วจุ่มไปในน้ำร้อนหรือเย็น และเปรียบเทียบกับมือเปล่าๆที่จุ่มในน้ำร้อนหรือเย็น วิธีทำคือเอาพลาสติกกันกระแทก (bubble wrap) มาห่อมือแล้วเอาถุงพลาสติกมาคลุม แล้วไปจุ่มในน้ำร้อนหรือน้ำเย็น จะไม่รู้สึกว่าเป็นน้ำร้อนหรือน้ำเย็น เพราะอากาศในพลาสติกกันกระแทกเป็นฉนวนความร้อนที่ดี

อีกวิธีหนึ่งก็คือเอาถ้วยพลาสติกสองขนาดมาซ้อนกันให้มีอากาศอยู่ระหว่างถ้วย แล้วสวมมือในถ้วยด้านใน อากาศระหว่างถ้วยก็ทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนด้วย

หลังจากเด็กๆได้ทำการทดลองเองกันทุกคนแล้ว ผมก็ให้เด็กๆดูวิดีโอคลิปของฉนวนกันความร้อนที่เรียกว่าแอโรเจล (aerogel) ซึ่งก็คือโฟมที่ทำด้วยทรายแทนที่จะเป็นพลาสติก (โฟมปกติจะทำด้วยพลาสติก) ในวิดีโอคลิป แอโรเจลใช้กันไฟจากท่อพ่นไฟโดยที่อีกข้างหนึ่งยังเย็นพอที่คนจะถือได้ครับ

แอโรเจลเป็นวัสดุที่มหัศจรรย์มาก มีน้ำหนักเบา กันความร้อนได้ดีมาก รับแรงกดได้มาก (แต่เปราะเมื่อถูกหัก) ที่เว็บนี้มีวิธีทำเองด้วยครับ

สำหรับประถมปลาย ผมให้ดูคลิปเหล่าการเดินลุยไฟที่เดินได้เพราะขี้เถ้าเป็นฉนวนความร้อน:

และการทดลอง(ที่อันตรายที่สุดถ้าพลาด) ดูว่าเอามือของเราไปจุ่มในตะกั่วเหลวร้อนๆได้หรือไม่ ถ้าได้ทำอย่างไร:

ปรากฏว่าทำได้ครับถ้าตะกั่วเหลวนั้นร้อนมากๆ (ตะกั่วเริ่มเป็นของเหลวที่ประมาณ 330 องศาเซลเซียส ในการทดลองเขาต้มตะกั่วจนร้อนประมาณ 450 องศาเซลเซียส) แล้วเอามือจุ่มน้ำให้เปียก แล้วจุ่มลงไปในตะกั่วแป๊บเดียวแล้วดึงออก (ถ้าตะกั่วไม่ร้อนมากพอ เวลาเอามือไปจุ่ม ตะกั่วจะเย็นลงพอเพียงที่จะเป็นของแข็งแล้วติดนิ้วขึ้นมาทำให้เป็นอันตราย)

สาเหตุที่สามารถจุ่มนิ้วเข้าไปในตะกั่วเหลวร้อนมากๆแล้วไม่เป็นอันตรายก็เพราะน้ำที่ติดนิ้วอยู่จะโดนความร้อนจากตะกั่วจนกลายเป็นไอน้ำ เจ้าไอน้ำจะเป็นตัวกั้น เป็นฉนวนความร้อนป้องกันไม่ให้ความร้อนจากตะกั่วทำอันตรายนิ้วได้ แต่ถ้าแช่ไว้นานๆน้ำก็จะระเหยเป็นไอหมดและนิ้วก็จะไหม้ได้

ปรากฏการณ์นี้เป็นเรื่องเดียวกับเวลาเราหยดน้ำไปบนกระทะร้อนๆแล้วหยดน้ำลอยอยู่บนกระทะได้นานๆ เราจะสังเกตได้ว่าเวลากระทะร้อนแต่ยังไม่ร้อนมากพอ เมื่อเราหยดน้ำลงไปน้ำจะฟู่ๆแล้วระเหยหายไปอย่างรวดเร็ว นี่เป็นเพราะความร้อนจากกระทะทำให้หยดน้ำส่วนที่ติดกับกระทะร้อนกลายเป็นไอ แต่เมื่อกระทะร้อนขึ้นมากๆ ไอน้ำที่เกิดขึ้นจะเกิดขึ้นเร็วพอและมากพอที่จะกลายเป็นชั้นไอน้ำรองรับหยดน้ำให้ลอยอยู่เหนือกระทะนานๆเนื่องจากชั้นไอน้ำนำความร้อนได้ช้ากว่าเวลาหยดน้ำติดกับกระทะตรงๆ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “ปรากฏการณ์ลีเดนฟรอสท์” (Leidenfrost Effect)

มีคลิปลีเดนฟรอสท์ที่น่าสนใจแต่ไม่ได้ให้เด็กดูเพราะเวลาหมด เลยมาบันทึกไว้ตรงนี้เผื่อมีคนสนใจครับ:

ปรากฎว่าถ้าทำพื้นผิวให้หยักๆเป็นฟันเลื่อย จะสามารถบังคับให้หยดน้ำเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต้องการด้วยครับ

มีคนทำให้หยดน้ำวิ่งเป็นวงกลมด้วยครับ:

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.