ทุกครั้งที่คุณจิบน้ำร้อนจากแก้วเก็บความร้อน มันคือประวัติศาสตร์

คำตอบที่ว่า "ดื่มน้ำอุ่นให้มากขึ้น" นั้นเป็นคำตอบที่ใช้ได้ผลกับทุกคน ไม่ว่าคุณจะเป็นหวัดหรือต้องการบรรเทาความเหนื่อยล้า "ดื่มน้ำอุ่นให้มากขึ้น" ดูเหมือนจะเป็นยาครอบคลุมทุกโรค

เดอะ กระติกน้ำร้อน ถ้วยที่บรรจุยาครอบคลุมทุกโรคนี้ แท้จริงแล้วมีรูปร่างมาตั้งแต่สมัยราชวงศ์ซ่งเมื่อพันปีก่อนแล้ว

วัสดุหลักของสิ่งธรรมดา กระติกน้ำร้อนวัสดุที่เราใช้ในปัจจุบันคือแก้วและปรอท กระบวนการสำคัญในการผลิตคือการชุบปรอท และเทคโนโลยีการชุบปรอทนั้นพัฒนามาอย่างดีแล้วในสมัยราชวงศ์ซ่ง

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การชุบปรอท คือการนำโลหะผสมปรอท-ทองเหลวมาเคลือบลงบนพื้นผิวของวัตถุ จากนั้นจึงให้ความร้อนและอบ เมื่อปรอทระเหยไป ก็จะได้วัตถุที่ชุบทอง ส่วนแก้วนั้น ประวัติศาสตร์สามารถย้อนกลับไปได้ถึงสมัยราชวงศ์โจวตะวันตก อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตแก้วในยุคแรกยังไม่สมบูรณ์ ผู้คนอธิบายแก้วในสมัยนั้นว่า "สีสดใสมาก แต่เนื้อสัมผัสเบาและเปราะ" และไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง หลังจากสมัยราชวงศ์ซ่ง ผู้คนเริ่มเติมทรายหนานเผิงลงในสูตรการทำแก้ว ซึ่งช่วยปรับปรุงเนื้อสัมผัสของแก้วและเอาชนะจุดอ่อนเรื่องความเปราะบางและไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง ด้วยปัจจัยเหล่านี้ เทคโนโลยีการผลิตกระติกน้ำร้อนในสมัยราชวงศ์ซ่งจึงค่อยๆ พัฒนาขึ้น

ขวดดิวาร์อันเลื่องชื่อ

เมื่อเปรียบเทียบกับกระติกน้ำร้อนสมัยราชวงศ์ซ่ง กระติกน้ำร้อนสมัยใหม่มีประสิทธิภาพในการเก็บความร้อนได้ดีกว่า เนื่องจากมีโครงสร้างเป็นแก้วสองชั้นและมีสุญญากาศอยู่ระหว่างชั้นแก้ว ต้นกำเนิดของกระติกน้ำร้อนสุญญากาศนี้คือกระติกดิวาร์ (Dewar flask)

ขวดดิวาร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวสกอตแลนด์ เจมส์ ดิวาร์ ในราวปี 1880 ดิวาร์เริ่มศึกษาออกซิเจนเหลว อุณหภูมิของออกซิเจนเหลวนั้นต่ำมากและจะระเหยกลายเป็นไอที่อุณหภูมิห้อง

เนื่องจากไม่มีภาชนะจัดเก็บที่เหมาะสม ดิวาร์จึงมักได้แต่มองดูของเหลวที่เขาตั้งใจเตรียมอย่างยากลำบากนั้นเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันจนหมดสิ้นไปอย่างช่วยไม่ได้ ทำให้เขารู้สึกหดหู่ใจ เพื่อที่จะเก็บรักษาออกซิเจนเหลวไว้ได้นาน ดิวาร์จึงตั้งใจที่จะประดิษฐ์ภาชนะขึ้นมา ภาชนะที่มีฉนวนกันความร้อนสูงเป็นพิเศษ และนั่นจึงเป็นที่มาของขวดดิวาร์

ลองย้อนกลับไปดูแนวคิดของดิวาร์: ขั้นแรก ใช้ภาชนะสองชั้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนความร้อน แต่ยังคงมีการนำความร้อนระหว่างภาชนะสองชั้นอยู่ ดังนั้นดิวาร์จึงพยายามดูดอากาศออกจากชั้นกลาง อย่างไรก็ตาม เมื่อการนำความร้อนหายไปแล้ว แต่ของเหลวยังคงแผ่ความร้อนออกมา ดังนั้นดิวาร์จึงเปลี่ยนมาใช้สแตนเลสที่มีค่าการแผ่รังสีต่ำในการทำภาชนะ

ณ จุดนี้ ขวดดิวาร์จึงถือกำเนิดขึ้นโดยพื้นฐาน ต่อมา ผู้คนได้พัฒนาขวดดิวาร์ต่อไป แต่ส่วนใหญ่เป็นการปรับปรุงในด้านวัสดุ โครงสร้างหลักยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของโลหะในปัจจุบัน ถ้วยเทอร์มอส และขวดดิวาร์ก็เช่นเดียวกัน มันเป็นเพียงวัสดุสองชั้นที่เป็นสุญญากาศและชั้นโลหะขัดเงา ในรุ่นที่ทันสมัยกว่านั้น จะมีการเพิ่มวัสดุหลายชั้นที่มีคุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนต่ำไว้ด้านนอกของวัสดุโลหะ แต่ผลที่ได้นั้นมีจำกัด สำคัญน้อยกว่าผลของการเป็นฉนวนความร้อนของชั้นสุญญากาศมาก

การถ่ายเทพลังงานความร้อน

ผู้อ่านหลายคนอาจสับสนหลังจากเห็นสิ่งนี้ การนำความร้อนคืออะไร? การแผ่รังสีความร้อนคืออะไร? แล้วค่าการแผ่รังสีต่ำล่ะ? เรื่องนี้เริ่มต้นด้วยวิธีการที่พลังงานความร้อนสูญเสียไป ทฤษฎีการถ่ายเทความร้อนเชื่อว่ามีสามวิธีหลักในการถ่ายเทพลังงานความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง ได้แก่ การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน เมื่อเราสัมผัสพื้นผิวโลหะที่เย็นด้วยมือ เราจะรู้สึกเย็นเพราะพลังงานความร้อนไหลจากมือที่อุ่นกว่าไปยังโลหะที่เย็นกว่า วิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยตรงระหว่างของแข็งกับของแข็งนี้เรียกว่าการนำความร้อน

ลมพัดมาและเรารู้สึกเย็นสบาย จากมุมมองของการถ่ายเทความร้อน นี่คือการไหลของอากาศที่พาความร้อนออกจากผิวหนังของเราผ่านการพาความร้อน

ดวงอาทิตย์แผดเผาท้องฟ้าและผู้คนต่างเหงื่อออกท่วมตัว นี่คือความร้อนที่แผ่มาจากดวงอาทิตย์ เรารู้กันดีว่าจักรวาลเป็นสภาพแวดล้อมสุญญากาศ แต่ดวงอาทิตย์ก็ยังสามารถถ่ายเทความร้อนมายังโลกได้ผ่านทางการแผ่รังสีความร้อน เพราะคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของการแผ่รังสีความร้อนคือมันไม่ต้องการตัวกลาง ในขณะที่การนำความร้อนและการพาความร้อนนั้นต้องการตัวกลาง

วัตถุทุกชนิดแผ่ความร้อน แต่ความสามารถในการแผ่ความร้อนนั้นแตกต่างกัน และปริมาณทางกายภาพที่ใช้วัดความสามารถนี้คือค่าการแผ่รังสีความร้อน การใช้วัสดุที่มีค่าการแผ่รังสีความร้อนต่ำ (เช่น โลหะ) สามารถลดการแผ่รังสีความร้อนได้ เมื่อเข้าใจวิธีการถ่ายเทความร้อนหลักๆ สามวิธีแล้ว การทำแก้วเก็บความร้อนจึงเป็นเรื่องง่าย ถ้าไม่นำความร้อน แก้วก็จะดูดความร้อนเข้าไปและป้องกันไม่ให้ความร้อนส่งผ่านออกไป ถ้าเป็นการแผ่รังสีความร้อน ก็แค่เคลือบด้วยเงิน หรือใช้วัสดุโลหะแล้วขัดเงาผิว สำหรับการพาความร้อน ก็แค่ปิดฝาให้สนิทก็ใช้ได้แล้ว อากาศเริ่มหนาวขึ้นเรื่อยๆ ลองหยิบแก้วเก็บความร้อนขึ้นมาจิบน้ำร้อนดูสิ รู้สึกอุ่นขึ้นมากใช่ไหม