การแก้ปัญหาการบรรจุน้ำลงในภาชนะปิด แล้วภาชนะเกิดการเสียรูปทรง

แช่เย็นแล้วกระป๋องบุบทำยังไงดี?

เกิดจากสาเหตุใด มีวิธีป้องกัน หรือแนะนำอะไรบ้างไหม ?

คุณสมบัติของน้ำ

น้ำจะมีความหนาแน่นมากที่สุดที่อุณหภูมิ 3.98 องศาเซลเซียส เมื่อได้รับความเย็นจนเปลี่ยนเป็นสถานะของแข็ง (กลายเป็นน้ำแข็ง) ในสถานะของแข็งนี้จะมีปริมาณเพิ่มขึ้น 9% ซึ่งเป็นสาเหตุของข้อเท็จจริงที่น้ำแข็งลอยน้ำได้

ความหมายคือ หากน้ำมีอุณหภูมิ สูงกว่าหรือต่ำกว่า 3.98 องศาเซลเซียส จะมีปริมาตรที่เพิ่มขึ้นเสมอ หากบบรจุน้ำในภาชนะปิดสนิทที่อุณหภูมิปกติ แล้วนำไปแช่เย็นจนถึง 3.98 องศาเซลเซียส ภายในภาชนะจะเกิดภาวะสูญญากาศ เนื่องจากปริมาตรของน้ำลดลง ในทางตรงกันข้าม หากบรรจุน้ำในภาชนะปิดสนิทที่อุณหภูมิ 3.98 องศาเซลเซียส แล้วลดอุณหภูมิลงไปอีกจะเหลือ 0 องศาเซลเซียส น้ำก็จะขยายตัว เพิ่มขึ้น 9% ทำให้เกิดแรงดันในภาชนะเพิ่มขึ้น หากภาชนะเป็นของแข็ง และไม่ยืดหยุน (เช่น แก้ว) น้ำก็สามารถดันให้ภาชนะแตกได้ แม้แต่จะเปิดฝาภาชนะไว้ก็ตาม หากเป็นภาชนะโลหะ ที่ขยายตัวได้น้อย การขยายตัวของน้ำก็สามารถทำให้โลหะปริแตกได้เช่นเดียวกัน

แนวทางแก้ไขบรรจุน้ำในภาชนะปิดสนิท เพื่อการบริโภคที่อุณหูมิสูงกว่า 3.98 องศาเซลเซียส ก่อนการบรรจุ ควรลดอุณหภูมิน้ำลงในช่วง 3.98-6 องศาเซลเซียส จะทำให้ภาชนะคงตัวอยู่ได้ ไม่เสียรูป แม้อุณหภูมิขณะขนส่งจะเป็นอุณหภูมิปกติตามสภาพแวดล้อมทั่วไป หรือขนส่งภายใต้อุณหภูมิต่ำ

---

สมบัติของน้ำ

โครงสร้างโมเลกุลของน้ำ

น้ำ 1 โมเลกุล (H2O) ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนท์ (Covalent bonds) ซึ่งใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน โดยที่อะตอมทั้งสามตัวเชื่อมต่อกันเป็นมุม 105° โดยมีออกซิเจนเป็นขั้วลบ และไฮโดรเจนเป็นขั้วบวก

ดังภาพที่ 1

ภาพที่ 1 โมเลกุลน้ำ

น้ำแต่ละโมเลกุลเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen-bonds) เรียงตัวต่อกันเป็นโครงสร้างจัตุรมุข (Tetrahedral) ดังภาพที่ 2 ทำให้น้ำต้องใช้ที่ว่างมากขึ้นเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นเมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งจะมีความหนาแน่นน้อยลง เมื่อเพิ่มความร้อนให้กับน้ำแข็งพันธะไฮโดรเจนจะถูกทำลาย ทำให้น้ำแข็งละลายเป็นของเหลว และเมื่อโครงสร้างผลึกยุบตัวลงน้ำในสถานะของเหลวจึงใช้เนื้อที่น้อยกว่าของแข็ง นี่คือสาเหตุว่าทำไมน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ

ภาพที่ 2 พันธะไฮโดรเจนมีระยะห่าง 177 พิโคเมตร พันธะโควาเลนต์มีระยะห่าง 99 พิโคเมตร

ตัวอย่างที่แสดงพันธะไฮโดรเจนที่เห็นได้ชัดคือ แรงตรึงผิวของน้ำ (Surface tension) เราจะเห็นว่า หยดน้ำบนพื้นหรือบนใบบัวมีรูปร่างเป็นทรงกลมคล้ายเลนส์นูน หรือเวลาที่เติมน้ำเต็มแก้ว ผิวน้ำจะพูนโค้งสูงเหนือปากแก้วเล็กน้อย หากปราศจากแรงตรึงผิวซึ่งเกิดจากพันธะไฮโดรเจนแล้ว ผิวน้ำจะเต็มเรียบเสมอปากแก้วพอดี แรงตรึงผิวเป็นคุณสมบัติพิเศษของน้ำ ซึ่งมีมากกว่าของเหลวชนิดอื่น ยกเว้นปรอท (Mercury) ซึ่งเป็นธาตุชนิดเดียวที่เป็นของเหลว แรงตรึงผิวทำให้น้ำเกาะรวมตัวกันและไหลชอนไชไปได้ทุกหนแห่ง แม้แต่รูโหว่และรอยแตกของหิน ด้วยเหตุนี้น้ำจึงเป็นตัวปฏิวัติรูปโฉมของพื้นผิวโลก

การเปลี่ยนสถานะของน้ำ

ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำมีสถานะเป็นของเหลว น้ำเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส (ไอน้ำ) เมื่อมีอุณหภูมิสูงถึงจุดเดือด (Boiling point) ที่อุณหภูมิ 100°C และเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง เมื่ออุณหภูมิลดต่ำถึงจุดเยือกแข็ง (Freezing point) ที่อุณหภูมิ 0°C การเปลี่ยนสถานะของน้ำมีการดูดกลืนหรือการคายความร้อน โดยที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เรียกว่า ความร้อนแฝง (Latent heat) ความร้อนแฝงมีหน่วยเป็น แคลอรี (Calorie)

1 แคลอรี คือปริมาณความร้อนซึ่งทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C (ดังนั้นหากเราเพิ่มความร้อน 10 แคลอรี ให้กับน้ำ 1 กรัม น้ำจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 10°C)

ภาพที่ 3 พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของน้ำ

ก่อนที่น้ำแข็งละลาย น้ำแข็งต้องการความร้อนแฝง 80 แคลอรี/กรัม เพื่อทำให้น้ำ 1 กรัม เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว น้ำแข็งดูดกลืนความร้อนนี้ไว้โดยยังคงรักษาอุณหภูมิ 0°C คงที่ไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าน้ำแข็งจะละลายหมดก้อน ความร้อนที่ถูกดูดกลืนเข้าไปจะทำลายพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้างผลึกน้ำแข็ง ทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ในทางกลับกันเมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็งก็จะคายความร้อนแฝงออกมา 80 แคลอรี/กรัม

เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ น้ำต้องการความร้อนแฝง 600 แคลอรี เพื่อที่จะเปลี่ยน น้ำ 1 กรัม ให้กลายเป็นไอน้ำ ในทำนองกลับกันเมื่อไอน้ำควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ น้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 600 แคลอรี/กรัม ทำให้เรารู้สึกร้อนก่อนที่จะเกิดฝนตก

การเปลี่ยนสถานะของน้ำทำให้น้ำมีสมบัติในการพาความร้อน (Convection) ดังนั้นเมืื่อน้ำเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวโลก ในมหาสมุทร หรือในอากาศ ก็จะพาพลังงานความร้อนไปด้วย ทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวโลกในเวลากลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างกันมากนัก โลกจึงมีภาวะที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิต

ความหนาแน่นของน้ำ

ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งเมื่อมีอุณหภูมิ 0°C เมื่อพิจารณากราฟในภาพที่ 4 จะเห็นว่าน้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4°C และมีสถานะเป็นของเหลว เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิ 0°C น้ำจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 9 โดยเราจะเห็นได้ว่า เมื่อใส่น้ำเต็มแก้วแล้วนำไปแช่ห้องแข็ง น้ำแข็งจะล้นออกนอกแก้วหรือดันให้แก้วแตก ในทำนองเดียวกันเมื่อน้ำในซอกหินแข็งตัว มันจะขยายตัวจนทำให้หินแตกเกิดกระบวนการผุพังของหิน (Weathering) ซึ่งทำให้เกิดตะกอน

ภาพที่ 4 ความหนาแน่นของน้ำ ณ อุณหภูมิต่างๆ

น้ำ เป็นสิ่งมหัศจรรย์ของจักรวาล สสารทั่วไปมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง แต่น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ด้วยเหตุนี้น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนน้ำ ถ้าหากน้ำแข็งมีความหนาแน่นกว่าน้ำ เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดลง น้ำในมหาสมุทรแข็งตัวและจมตัวลงสู่ก้นมหาสมุทร ทำให้สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บริเวณพื้นมหาสมุทรไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ ดังนั้นการที่น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งจึงเป็นผลดีที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดต่ำกว่าจุดน้ำแข็ง น้ำแข็งจะเกิดขึ้นบนผิวมหาสมุทร ทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันไม่ให้น้ำทะเลที่อยู่เบื้องล่างสูญเสียความร้อนจนกลายเป็นน้ำแข็งไปหมด สิ่งมีชีวิตจึงสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ในท้องทะเลได้อย่างอบอุ่น

---

Reference List

Lesa 2022. สมบัติของน้ำ - LESA: ศูนย์การเรียนรู้วิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์. [online] Available at: https://shorturl.asia/mTIJ4 [Accessed 10 September 2022].