หนังยางไม่ได้แค่ยืดได้ — ลองดึงเร็ว ๆ แล้วแตะริมฝีปาก มันจะอุ่นขึ้นจริง
หนังยางเป็นของที่เราใช้กันจนแทบไม่เคยคิดว่ามันมีอะไรน่าสนใจ
แต่ถ้าหยิบหนังยางเส้นค่อนข้างใหญ่ขึ้นมา แตะไว้ใกล้ริมฝีปาก แล้ว ยืดมันออกเร็ว ๆ เราอาจรู้สึกว่าหนังยางอุ่นขึ้นเล็กน้อย
จากนั้น ถ้าค้างไว้สักพักให้มันกลับมาใกล้อุณหภูมิห้อง แล้วปล่อยให้หดกลับเร็ว ๆ หนังยางจะรู้สึก เย็นลง
สิ่งที่เกิดขึ้นไม่ได้มาจากการเสียดสีอย่างเดียว แต่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกส์ของยางโดยตรง
ตอนยืด เราไม่ได้แค่ดึงยางให้ยาวขึ้น
ยางประกอบด้วยสายพอลิเมอร์ยาวจำนวนมาก เมื่ออยู่ในสภาพคลายตัว สายเหล่านี้ขด งอ และจัดตัวได้หลายรูปแบบ
แต่เมื่อเราดึงหนังยาง สายพอลิเมอร์จำนวนหนึ่งจะถูกบังคับให้เรียงตัวไปตามทิศทางที่ดึงมากขึ้น
จากเดิมที่โมเลกุลมีรูปแบบให้เลือกได้มาก พอยืดออก รูปแบบการจัดตัวเหล่านั้นก็ลดลง
ในภาษาของฟิสิกส์ เราบอกว่า configurational entropy ของยางลดลงเมื่อถูกยืด
แล้วทำไมยืดเร็ว ๆ ถึงรู้สึกอุ่น?
เมื่อเราดึงยางอย่างรวดเร็ว เรากำลังทำงานกับมัน และสายพอลิเมอร์ก็เปลี่ยนจากสภาพที่ยุ่งเหยิงไปสู่สภาพที่เป็นระเบียบมากขึ้น
ถ้ากระบวนการเกิดเร็วพอจนความร้อนยังไม่มีเวลาถ่ายเทออกไปมาก อุณหภูมิของหนังยางจะสูงขึ้นชั่วคราว
University of Washington ใช้ปรากฏการณ์นี้เป็นการสาธิตเรื่อง entropy โดยให้ลองยืดหนังยางแล้วแตะกับริมฝีปาก ซึ่งบริเวณนี้ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากกว่าปลายนิ้ว จึงสังเกตได้ง่ายกว่า
แต่พอปล่อยกลับเร็ว ๆ มันกลับเย็นลง
ถ้ายืดหนังยางค้างไว้ก่อน จนความร้อนที่เพิ่มขึ้นค่อย ๆ ถ่ายออกและอุณหภูมิกลับมาใกล้ห้อง แล้วจึงปล่อยให้มันหดกลับอย่างรวดเร็ว จะเกิดเหตุการณ์ในทิศทางตรงข้าม
สายพอลิเมอร์กลับไปอยู่ในสภาพที่ขดและจัดตัวได้หลากหลายขึ้น ทำให้ configurational entropy เพิ่มขึ้น และอุณหภูมิของยางลดลงชั่วคราว
จึงเป็นเหตุผลที่เราสามารถรู้สึกถึงทั้ง ความอุ่นตอนยืด และ ความเย็นตอนปล่อยกลับ ได้จากยางเส้นเดียวกัน
ถ้าลองแล้วไม่รู้สึก ไม่ได้แปลว่าปรากฏการณ์ไม่มี
การเปลี่ยนอุณหภูมิไม่ได้รุนแรงถึงขั้นร้อนหรือเย็นจัด
ถ้ายืดช้าเกินไป ความร้อนก็มีเวลาถ่ายเทกับอากาศระหว่างที่เรากำลังดึง จนความต่างของอุณหภูมิสังเกตได้ยาก
ส่วนตอนทดสอบความเย็น ควรยืดค้างไว้สักพักก่อน เพื่อให้อุณหภูมิกลับมาใกล้สภาพแวดล้อม แล้วจึงปล่อยให้หดกลับเร็ว ๆ
หนังยางเส้นใหญ่และยังอยู่ในสภาพดีมักสังเกตผลได้ง่ายกว่าเส้นเล็กหรือยางที่เสื่อมสภาพแล้ว
ยางจึงไม่เหมือนสปริงโลหะธรรมดาเสียทีเดียว
เวลาเรานึกถึงความยืดหยุ่น เรามักคิดถึงวัตถุที่ถูกดึงแล้วสะสมพลังงานก่อนเด้งกลับ
แต่สำหรับยาง การจัดเรียงตัวของสายพอลิเมอร์และ entropy มีบทบาทสำคัญมากด้วย
นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ยางมีพฤติกรรมทางความร้อนแปลกกว่าวัสดุทั่วไป และยังสามารถแสดงพฤติกรรมที่ดูสวนทางกับของแข็งหลายชนิด เช่น เมื่อยางที่กำลังถูกดึงได้รับความร้อน มันสามารถออกแรงหดตัวมากขึ้นได้
หนังยางเส้นเดียว จึงเป็นการทดลองเทอร์โมไดนามิกส์ในมือเรา
ความน่าสนใจไม่ได้อยู่แค่ว่าหนังยางยืดแล้วเด้งกลับได้
แต่ทุกครั้งที่เราดึงมัน เรากำลังเปลี่ยนวิธีจัดตัวของสายพอลิเมอร์จำนวนมหาศาล และการเปลี่ยนในระดับโมเลกุลนั้นเชื่อมโยงกับอุณหภูมิที่เราสัมผัสได้จริง
ของธรรมดาเส้นเล็ก ๆ จึงทำให้เรา “รู้สึก” ถึงเรื่อง entropy และเทอร์โมไดนามิกส์ได้ โดยแทบไม่ต้องใช้อุปกรณ์ทดลองอะไรเลย
University of Washington — Entropy of a Rubber Band
อ้างอิง: https://chem.washington.edu/lecture-demos/entropy-rubber-band
The Feynman Lectures on Physics — The Laws of Thermodynamics
อ้างอิง: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_44.html
เขียนโดย พีรพัฒน์ พีพี
ชอบหยิบสิ่งธรรมดามาตั้งคำถาม แล้วค้นให้ลึกจนเจอคำตอบที่ทำให้รู้สึกว่า “อ๋อ ที่แท้เป็นแบบนี้”
เล่าเรื่องให้เข้าใจง่าย มีที่มา และแยกข้อเท็จจริงออกจากความคิดเห็น
รู้จัก อำเภอที่เล็กที่สุดในประเทศไทย ดังมาก นักท่องเที่ยวเพียบ
เก๋งขาวไล่ยิงกระบะผัวเมียเจ็บหนีขึ้นโรงพัก ถูกจับแล้ว1 พร้อมกับอาวุธปืนลูกซองยาว แต่ยังปากแข็งปฏิเสธ ส่วนอีก 1 ผู้การฯเมืองคอน สั่งไล่ล่า
หนังดังสัญชาติไทย ที่ถูกนำไปสร้างใหม่เป็นภาพยนตร์ตะวันตก
มนุษย์ตายจากโรค HIV ปีละเท่าไหร่? ตัวเลขล่าสุดจากทั่วโลกและไทย
เลขเด็ด "คำชะโนด" งวดวันที่ 16 ตุลาคม 69..เลขเด่น 7 มาแรง!
ตลาดน้ำอันดับ 1 ของไทย ที่มีขนาดใหญ่และมีชื่อเสียงมากที่สุด
เลข 6 ถูกย้ำถึง 5 จุด! แกะใบ “นกตาทิพย์” 16 ต.ค. 69 จาก 61-64-67-69 มีจุดไหนต้องจับตา
โรงแรมขนาดยักษ์ที่ใหญ่ที่สุด มีห้องพักมากสุดอันดับ 1 ในไทย
อำเภอเดียวพื้นที่ใหญ่กว่ากรุงเทพฯ เกือบ 3 เท่า แต่ทำไมคนกลับไม่ค่อยรู้จัก
ดุ่ย ภรัญฯ เปิดชุดเลข 16 ต.ค. 69 ทำไม 22 โผล่ซ้ำ? ส่อง 189-922-160 มีอะไรให้จับตา
เลขเด็ดปฏิทิน "หลวงพ่อรวย" งวดวันที่ 16 ตุลาคม 69..เลขเด่นมาแรง แซงทุกสำนัก!
ปูแดงเกาะคริสต์มาส การอพยพครั้งยิ่งใหญ่ที่เปลี่ยนทั้งเกาะให้กลายเป็นทะเลสีแดง
โรงแรมขนาดยักษ์ที่ใหญ่ที่สุด มีห้องพักมากสุดอันดับ 1 ในไทย
ตะลึงทั้งเมือง! ขุดรีโนเวท "ลิฟต์โรงแรม" แต่กลับเจอโบราณสถานโรมันอายุ 2,000 ปี ซ่อนอยู่ใต้ดิน!
🍅 ทำไมล้างกล่องพลาสติกจนสะอาดแล้ว แต่คราบส้มจากซอสมะเขือเทศยังติดอยู่?
ลืมการขุดดินแบบเดิมๆ! เมื่อนักโบราณคดีใช้ "Big Data" ร่วมกับ "โดรน" เปิดแผนที่ลับจักรวรรดิอินคา
เล็กที่สุดในโลก! ค้นพบฟอสซิล "ไข่ไดโนเสาร์" จิ๋วเท่าเหรียญบาท อายุ 80 ล้านปีที่เมืองจีน
