กระติกน้ำร้อน-น้ำเย็นสุญญากาศ (vacuum flask) มีหลักการทำงานอย่างไร

            ปัจจุบันพบว่าคนนิยมพกกระติกร้อน-น้ำเย็นสุญญากาศกันมากขึ้น มันสะดวกมากเพราะมีขนาดไม่ใหญ่มากสามารถพกพาไปได้สะดวกในตอนเรียนหรือทำงาน ที่สำคัญคือมันสามารถรักษาอุณหภูมิของของเหลวที่บรรจุได้อย่างยาวนาน เช่นลองใส่น้ำเปล่าผสมน้ำแข็งไว้ผ่านไปหนึ่งคืนพบว่าน้ำยังเย็นอยู่ น้ำแข็งยังละลายไม่หมด คนจึงนิยมบรรจุน้ำเปล่า กาแฟ หรือของเหลวชนิดอื่นๆไว้รับประทาน ไม่ว่าจะต้องการรักษาความเย็นหรือความร้อนของของเหลว สิ่งนี้ทำหน้าที่ได้ดีมาก คำถามคือสิ่งนี้ทำงานอย่างไรทำไมสามารถรักษาอุณหภูมิได้ดีมาก

            กระติกร้อน-น้ำเย็นสุญญากาศ หรือภาษาอังกฤษนิยมเรียกว่า vacuum flask หรือ thermos ถูกออกแบบคิดค้นขึ้นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชื่อ James Dewar ในปีค.ศ. 1892 โดยที่เขาไม่ได้จดสิทธิบัตรไว้ ซึ่งต่อมาถูกชาวเยอรมัน 2 คนพัฒนาเพิ่มขึ้นให้เหมาะสำหรับการใช้ในชีวิตประจำวันสำหรับคนทั่วไปและจดสิทธิบัตรและออกขายในเชิงพาณิชย์โดยได้รับความนิยมอย่างมากโดยเรียกสิ่งประดิษฐ์นี้ว่า thermos


          เพื่อที่จะเข้าใจเรื่องนี้ เราจะต้องเข้าใจเรื่องการถ่ายโอนความร้อน (heat transfer) ก่อน การถ่ายโอนความร้อนหมายถึงการส่งผ่านความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยการนำความร้อน (heat conduction) การพาความร้อน (heat convection) และการแผ่รังสีความร้อน (radiation) การนำความร้อนเช่นการเอามือของเราไปสัมผัสกับแท่งโลหะร้อน การเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนจะเคลื่อนที่จากที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งก็คือจากแท่งโลหะร้อนมายังมือของเรานั่นเอง การนำความร้อนจะเกิดขึ้นเมื่อมีวัตถุมาสัมผัสกันโดยตรง ส่วนการพาความร้อนเป็นการถ่ายโอนความร้อนผ่านของไหล โดยโมเลกุลของของไหลเมื่อรับความร้อนจะขยายตัวและเคลื่อนที่สูงขึ้นเนื่องจากแรงลอยตัวพร้อมทั้งพาความร้อนไปด้วย เช่นลมบก ลมทะเลและกระแสน้ำเป็นต้น ส่วนการแผ่รังสีความร้อน เป็นพลังงานที่แผ่จากต้นกำเนิดรังสีผ่านอากาศหรือสสาร ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางเช่นอากาศ ความร้อนจากดวงอาทิตย์มายังผิวของเราหรือความร้อนจากหลอดไฟแบบเก่าคือหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดา ล้วนเป็นการแผ่รังสีความร้อน
            สมมติว่าเราไปอ่านตำราฟิสิกส์ที่ร้านกาแฟ แล้วเราสั่งกาแฟร้อนใส่ถ้วยกาแฟมา แล้วเรามัวแต่ทำโจทย์ฟิสิกส์เพลิน มาดื่มกาแฟอีกครั้งก็เย็นชืดแล้ว ที่เป็นแบบนี้ก็เพราะว่ากาแฟมีการถ่ายโอนความร้อนไปยังสิ่งแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยสมมติให้กาแฟมีอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ขณะที่ในร้านกาแฟปรกติจะมีอุณหภูมิประมาณ 25-27 องศาเซลเซียส ด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิทำให้มีการถ่ายโอนความร้อน โดยกาแฟนั้นอยู่ในถ้วยกาแฟและถ้วยกาแฟก็ตั้งอยู่บนโต๊ะ นี่จึงเป็นการนำความร้อน อากาศด้านบนถ้วยกาแฟมีอุณหภูมิสูงขึ้นและเริ่มมีการเคลื่อนที่ นี่จึงเป็นการพาความร้อน และความร้อนบางส่วนของกาแฟจะสูญเสียไปจากการแผ่รังสีความร้อนอีกด้วย นี่จึงทำให้กาแฟของเราเย็นจืดชืดแต่เมื่อเราสามารถแก้โจทย์ฟิสิกส์ได้แล้ว เราก็ยังมีความสุขแม้ได้ดื่มกาแฟเย็น
            แต่กระติกน้ำร้อน-น้ำเย็นสุญญากาศมีการป้องกันการถ่ายโอนความร้อน โดยจะมีพาชนะใส่ของเหลว 2 อันทำด้วยโลหะ โดยอันหนึ่งครอบอีกอันหนึ่งไว้ โดยเชื่อมติดกันที่บริเวณด้านบน ช่องหว่างระหว่างสองพาชนะนี้จะทำให้เป็นภาวะเกือบสุญญากาศเพื่อป้องกันการนำและการพาความร้อน และเพื่อป้องกันการแผ่รังสีความร้อนพาชนะที่ใส่ของเหลวด้านในก็จะเคลือบด้วยเงินเพื่อลดการแผ่รังสีความร้อนให้น้อยที่สุด สุดท้ายด้านนอกสุดของกระติกใช้อุปกรณ์ที่เป็นฉนวนความร้อนเป็นการป้องกันอีกชั้น

 

อ้างอิง

• https://www.scienceabc.com/innovation/thermos-flask-keep-hot-things-hot-cold-things-cold.html
• https://futurism.com/physics-thermos-heat-transfer
• https://home.howstuffworks.com/thermos2.htm
• https://www.explainthatstuff.com/vacuumflasks.html
• https://gridclub.com/subscribers/info/fact_gadget_2009/1001/science_and_technology/heat_and_light/863.html