ทำไมน้ำต้องเดือด 100 องศา

มายาแห่งร้อยองศา: ทำไมน้ำจึงเดือดที่ 100 องศาเซลเซียส?

ความรู้พื้นฐานที่เราเรียนรู้กันมาตั้งแต่เด็ก คือ น้ำเดือดที่ 100 องศาเซลเซียส แต่เคยสงสัยกันบ้างไหมว่า ทำไมต้องเป็น 100 องศา ทำไมไม่ 90 หรือ 110 ความจริงเบื้องหลังตัวเลขนี้ซับซ้อนกว่าที่คิด และเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์อันน่าทึ่งระหว่างโมเลกุลของน้ำกับพลังงานความร้อน และความดันรอบข้าง

คำตอบสั้นๆ คือ 100 องศาเซลเซียส ที่ระดับน้ำทะเล เป็นอุณหภูมิที่พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำ พลังงานที่ทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่และสั่นสะเทือน สูงพอที่จะเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล หรือที่เรียกว่า แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (Intermolecular forces) ได้

ลองนึกภาพโมเลกุลน้ำเป็นลูกบอลเล็กๆ ที่เกาะกันด้วยกาว ที่อุณหภูมิต่ำ กาวนี้แข็งแรง โมเลกุลน้ำจึงอยู่รวมกันเป็นของเหลว เมื่อเราเพิ่มความร้อน ลูกบอลเหล่านี้จะเคลื่อนที่เร็วขึ้น พลังงานจลน์เพิ่มสูงขึ้น จนกระทั่งแรงเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลได้ ในที่สุดลูกบอลเหล่านี้ก็จะหลุดจากกัน เปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอ และลอยตัวขึ้นสู่บรรยากาศ นั่นคือกระบวนการเดือด

แต่ทำไมต้อง 100 องศา ไม่ใช่ตัวเลขอื่น? เพราะตัวเลขนี้เป็นจุดสมดุล ที่ระดับน้ำทะเล ความดันบรรยากาศมีค่าหนึ่ง และที่ความดันนี้ พลังงานความร้อนที่ 100 องศาเซลเซียสเพียงพอที่จะทำให้โมเลกุลน้ำเปลี่ยนสถานะ ความดันบรรยากาศมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะมันเป็นแรงกดทับจากภายนอก ที่ต้านทานการเปลี่ยนสถานะของน้ำ ยิ่งความดันสูง โมเลกุลน้ำยิ่งต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการเอาชนะแรงกดทับ จึงต้องใช้พลังงานความร้อนที่สูงขึ้น ส่งผลให้จุดเดือดสูงขึ้นตามไปด้วย

ลองสังเกตปรากฏการณ์การหุงต้มบนภูเขาสูง ซึ่งความดันบรรยากาศต่ำกว่าระดับน้ำทะเล น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียส เนื่องจากแรงกดทับน้อยลง โมเลกุลน้ำจึงต้องการพลังงานความร้อนน้อยกว่าในการเปลี่ยนสถานะ ในทางกลับกัน ถ้าอยู่ในภาชนะปิดที่มีความดันสูง น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส

ดังนั้น 100 องศาเซลเซียส จึงไม่ใช่ค่าคงที่ แต่เป็นค่าที่สัมพันธ์กับความดันบรรยากาศ เป็นจุดสมดุลที่ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล ทำให้โมเลกุลน้ำสามารถเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและเปลี่ยนสถานะเป็นไอได้อย่างสมบูรณ์ เป็นความมหัศจรรย์ทางธรรมชาติที่ซ่อนอยู่เบื้องหลังความรู้พื้นฐานที่เรารู้จักกันดีนั่นเอง