ของแข็ง ของเหลว แก๊ส

                วัตถุหรือสารส่วนมากมีสถานะได้  3 สถานะ  คือ ของแข็ง  ของเหลวและแก๊สหรือไอ  สาเหตุที่ทำให้สารมีสถานะต่างกันก็คือพลังงานจลน์  (Kinetic energy) ของอนุภาคของสารเหล่านั้น   ถ้าอนุภาคมีพลังงานจลน์ต่ำจนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ (แต่สั่นสะเทือนได้)  สารจะมีสถานะเป็นของแข็ง  (คลิ้กชมอนุภาคของสารขณะเป็นของแข็ง)  ถ้าอนุภาคมีพลังงานจลน์สูงขึ้นจนเคลื่อนที่ไปมาได้แต่ยังไม่เป็นอิสระเพราะยังมีแรงดึงดูดกับอนุภาคที่อยู่รอบ ๆ  สารจะมีสถานะเป็นของเหลว  (คลิ้กชมอนุภาคของสารขณะเป็นของเหลว)  แต่ถ้าอนุภาคมีพลังงานสูงมากจะเอาชนะแรงดึงดูดจากอนุภาคที่อยู่รอบ ๆ   จนทำให้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ  สารก็จะมีสถานะเป็นแก๊สหรือไอ  (คลิ้กชมอนุภาคของสารขณะเป็นแก๊ส)     (คลิ้กชมโมเลกุลของน้ำที่สถานะต่าง ๆ)    (คลิ๊กอ่านคำอธิบายสมบัติเบื้องต้นของของแข็ง ของเหลว และแก๊ส)             

                ความแตกต่างของสถานะอาจกล่าวได้ในอีกรูปแบบหนึ่งว่าต่างวัฎภาค (Phase) กัน  แต่คำว่าวัฏภาคกับคำว่าสถานะ (state)  มีความแตกต่างกัน  คือสถานะเป็นการระบุสมบัติทางกายภาพตามที่ปรากฏ  ว่าเป็นของแข็ง  หรือของเหลวหรือแก๊ส  เป็นการกล่าวถึงอย่างรวม ๆ ว่าเมื่อเป็นสถานะใดแล้วก็จะเหมือนกันทั้งที่ความจริงแล้วมีความแตกต่างกัน  เช่น    น้ำเป็นของเหลว  ถ้ามองเพียงว่าเป็นของเหลวก็จะเห็นว่าเหมือนกัน  ทั้งที่ความจริงแล้วมันต่างกันได้ที่อุณหภูมิและความดัน  ถ้าใช้คำว่าวัฏภาค  จะหมายถึงการระบุถึงส่วนของระบบที่มีสถานะเดียวกันซึ่งสัมผัสอยู่กับส่วนอื่น ๆ ที่มีสถานะต่างกันโดยมีแนวกั้นที่ชัดเจน   สถานะจะสัมพันธ์กับอุณหภูมิและความดัน  ดังรูปต่อไปนี้เป็นแผนผังแสดงวัฏภาคของน้ำ  ซึ่งประกอบด้วยสถานะทั้ง 3 ของน้ำ  คือ  ของแข็ง (น้ำแข็ง)  ของเหลว  และ แก๊สหรือไอน้ำ  โดยมีเส้นแบ่งระหว่างสถานะแต่ละสถานะแสดงเอาไว้  แสดงให้เห็นได้ว่าแต่ละสถานะเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิและความดันเท่าไร   แต่ละส่วนที่อยู่คนละด้านของเส้นแบ่ง  ก็คือน้ำที่อยู่ต่างวัฏภาคกัน  ฉะนั้นวัฏภาคจึงเป็นขอบเขตแสดงสถานะของสารแต่ละชนิดที่มีอุณหภูมิและความดันต่าง ๆ กัน ดังรูป

จุดสำคัญของแผนผังวัฏภาคมีดังนี้  
         1.  จุดใดก็ได้บนแนวเส้นแบ่งของวัฏภาค  เป็นจุดที่แสดงอุณหภูมิและความดันที่ทำให้สารกำลังเปลี่ยนสถานะจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่ง  ฉะนั้น ณ จุดบนเส้นแบ่งวัฏภาค  สารจะมีทั้ง  2  สถานะอยู่พร้อมกัน  ถ้าอุณหภูมิและความดันคงที่  จะเป็นภาวะสมดุลระหว่างสถานะทั้งสอง   หมายความว่า  ณ  จุดนั้นจะมีการเปลี่ยนสถานะทั้ง  2  อย่างเกิดขึ้นด้วยอัตราเร็วเท่ากัน  ถ้าข้ามไปด้านหนึ่งก็จะเป็นสถานะหนึ่ง  ถ้าข้ามกลับมาก็จะเป็นอีกสถานะหนึ่ง   ดังรูป

                2.  ระหว่าง  A ถึง  D  แสดงอุณหภูมิและความดันของการระเหิด  (sp  = sublimation point)  และกระบวนการย้อนกลับของการระเหิด (Deposition) หมายความว่าทุกจุดบนเส้น  AD  เป็นอุณหภูมิและความดันที่ทำให้ระเหิดและการย้อนกลับของการระเหิดได้ทั้งสิ้น  ให้สังเกตว่าอุณหภูมิและความดันของการระเหิดและการย้อนกลับของการระเหิดจะแปรผันตรงซึ่งกันและกัน  คือถ้าความดันต่ำอุณหภูมิของการระเหิดและการย้อนกลับของการระเหิดก็ต่ำ  ถ้าความดันสูงอุณหภูมิของการระเหิดและการย้อนกลับของการระเหิดก็สูง

                3.  ระหว่าง  A  ถึง  B  แสดงอุณหภูมิและความดันของการหลอมเหลว ( mp  = melting point) และการแข็งตัว (Freeze)  หมายความว่าทุกจุดบนเส้น  AB  เป็นอุณหภูมิและความดันที่ทำให้หลอมเหลวและแข็งตัว ได้ทั้งสิ้น   ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับความดันของการหลอมเหลวและการแข็งตัวของสารแต่ละชนิดอาจมีรูปแบบแตกต่างกัน  คือ  สารบางชนิดแปรผันตรง  บางชนิดแปรผกผัน  บางชนิดไม่แปรผันและไม่แปรผกผัน  เช่น  น้ำจะเป็นแบบแปรผกผัน  คือเมื่อความดันเพิ่มขึ้นจุดเยือกแข็งหรือจุดหลอมเหลวจะลดลง  ดังรูป

          ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแบบแปรผันตรง  คือจุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็งจะเพิ่มขึ้นเมื่อความดันเพิ่มขึ้น  ดังรูป

                แต่สำหรับเบนซีน  จุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็งไม่ขึ้นกับความดัน  คือไม่ว่าความดันจะเพิ่มขึ้นหรือลดลง  จุดหลอมเหลวหรือจุดเยือกแข็งจะคงที่  ดังรูป

                4.  ระหว่าง  A  ถึง  C เป็นภาวะของการเดือด(ระเหยพร้อมกันทุกส่วน) และการควบแน่น  (bp = boiling  point)  หมายความว่าทุกจุดบนเส้น  AC  เป็นอุณหภูมิและความดันที่ทำให้ของเหลวเดือดและควบแน่นได้พร้อมกัน แต่มีอุณหภูมิและความดันต่าง ๆ กัน  ให้สังเกตว่าเมื่อความดันเพิ่มขึ้นจุดเดือดก็จะเพิ่มขึ้นด้วย   มีข้อกำหนดให้เรียกจุดเดือดที่ความดัน  1  atm  ว่าจุดเดือดปกติ (nbp   =  normal  boiling  point) 

         5.  จุดร่วมสาม  , Triple point, A คือ  คืออุณหภูมิและความดันที่จะทำให้น้ำ (สาร) ทั้ง 3  สถานะคือของแข็ง  ของเหลวและแก๊ส  อยู่ร่วมกันในเวลาเดียวกันได้  (กรณีของน้ำจะอยู่ที่อุณหภูมิ  0.01 ^oC  ความดัน  0.00603 atm)   สารแต่ละชนิดจะมีอุณหภูมิและความดัน ณ จุดร่วมสามเฉพาะตัว

6.  จุดวิกฤติ, Critical point , C คือ จุดที่แสดงอุณหภูมิและความดันสูงสุดที่จะทำให้สารมีสถานะเป็นของเหลวและไอหรือแก๊สพร้อมกันได้   สำหรับกรณีของน้ำจุดวิกฤติอยู่ที่อุณหภูมิ  374  ^oC  ความดัน  218  atm   หมายความว่า   ถ้าอุณหภูมิและความดันสูงกว่านี้น้ำและไอน้ำอยู่พร้อมกันไม่ได้   จะกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่า  super critical fluid , SCF ,ของเหลวยิ่งยวด คือเป็นของเหลวที่ไหลได้โดยไม่มีแรงเสียดทาน  (คลิ้ก super critical fluid)

ชมการแสดงว่าจุดหลอมเหลวกับจุดเยือกแข็งคืออุณหภูมิเดียวกัน
 ชม Phase Diagram           ชม Phase transition

คำถาม  จากแผนผังวัฏภาคของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไปนี้ 

จงตอบคำถาม

1. มีจุดเดือดปกติหรือไม่เพราะเหตุใด
   ......................................................................................................................................................
2. อุณหภูมิและความดันเท่าไรที่ทำให้คาร์บอนไดออกไซด์อยู่ได้ทั้ง  3  สถานะพร้อมกัน
   .....................................................................................................................................................
3. การระเหิดของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิและความดันเท่าไร
   .....................................................................................................................................................
4. จุดเยือกแข็งหรือจุดหลอมเหลวของคาร์บอนไดออกไซด์สัมพันธ์กับอุณหภูมิและความดันอย่างไร
   ...................................................................................................................................................
5. แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะไม่สามารถเป็นของเหลวและแก๊สได้อีก ณ อุณหภูมิและความดันเท่าไร
   ..................................................................................................................................................

Size : 48.41 KBs Upload : 2014-02-08 20:05:53

ติชม กำลังแสดงหน้า 1/0 << 1 >>

ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ? 0 คะแนนโหวด สร้างโดย : K-Me สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป วิทยาศาสตร์