ของเหลว (Liquid) 1. สมบัตทิ วั่ ไปของของเหลว - ของเหลวมีปริ มาตรที่แน่นอน แต่ไหลได้ โมเลกุลสามารถเลื่อนไหลได้ภายในของเหลวด้วยกัน ทำาให้ของเหลวมีรูปร่ างขึ้นกับรู ปร่ างของภาชนะที่บรรจุของเหลวนั้น - โมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่ไม่เป็ นระเบียบ ชนกันตลอดเวลา แต่มีความอิสระน้อยกว่าก๊าซ - การถูกอัดและขยายตัว เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวทำาให้โมเลกุลของ ของเหลวอยูใ่ กล้กนั การเพิ่มความดันและอุณหภูมิจึงมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงรู ปร่ างและปริ มาตรของ ของเหลวน้อยมาก - โมเลกุลของของเหลวแพร่ ได้ ถ้านำาของเหลวชนิ ดหนึ่ งที่สามารถละลายซึ่ งกันและกันมาผสม กัน โมเลกุลของของเหลวชนิดหนึ่งจะแพร่ กระจายไปทัว่ ระหว่างโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวอีกชนิดหนึ่ง แ ต่ อั ต ร า ก า ร แ พ ร่ ก ร ะ จ า ย ช้ า ก ว่ า ก๊ า ซ ม า ก 2.
ค
ว
า
ม
ตึ
ง
ผิ
ว
(Surface
Tension)
แรงหรื อพลังงานต่อตารางเซนติเมตรที่ตอ้ งใช้เพิ่มพื้นที่ผิวของของเหลวนั้น โมเลกุลของ ของเหลวที่อยูบ่ ริ เวณผิวหน้ามีเสถียรภาพน้อยกว่าโมเลกุลที่อยูด่ า้ นใน เพื่อให้ได้เสถียรภาพมากที่สุด ของเหลวจึงพยายามลดพื้นที่ผวิ ให้เหลือน้อยที่สุด ความตึงผิวขึ้นอยูก่ บั แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลและอุณหภูมิ โดย ถ้าเพิ่มอุณหภูมิข้ ึนจะทำาให้ ความตึงผิวลดลง เนื่องจาก การเพิม่ อุณหภูมิ จะทำาให้พลังงานจลน์ของแต่ละโมเลกุลเพิม่ ขึ้นแต่แรงดึงดูด ระหว่างโมเลกุลลดลง
รู ป แสดงแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลในของเหลว
2
3. การระเหย (Vaporization) โมเลกุลมีการเคลื่อนที่และชนกันตลอดเวลา ทำาให้เกิดพลังงานจลน์ข้ึ น แต่ละโมเลกุลมี ำ าพลังงานจลน์เฉลี่ย โมเลกุลที่มี พลังงานจลน์ต่าง ๆ กัน คือบางโมเลกุลอาจมีพลังงานจลน์สูงหรื อต่ ากว่ พลังงานจลน์สูงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของโมเลกุลอื่นๆ ที่อยูใ่ กล้เคียง จะหลุดจากผิวหน้าของ ของเหลวออกไปเป็ นก๊าซได้ ปรากฏการณ์ที่โมเลกุลหลุดออกจากของเหลวและกลายเป็ นก๊าซ เรี ยกว่า “กา รระเหย” อย่างไรก็ตาม ถ้าหากโมเลกุลที่มีความเร็ วและพลังงานมากพอเพียงนั้นอยูภ่ ายใน ของเหลวก็จะ หลุดหนีออกไปจากของเหลวไม่ได้ เพราะมีแรงดึงดูดกับโมเลกุลรอบข้างและโมเลกุลนั้นไม่ได้มี พลังงานจลน์สูงตลอดไป ชัว่ ขณะหนึ่งโมเลกุลนั้นอาจมีพลังงานจลน์สูงมาก แต่ต่อไปอีกชัว่ ขณะหนึ่ง พลังงานจลน์อาจลดลง เพราะให้พลังงานแก่โมเลกุลอื่นไปในการปะทะกัน แต่ถา้ โมเลกุลที่มี พลังงานจลน์สูงมากดังกล่าวอยูท่ ี่ผิวของของเหลว ก็จะมีโอกาสระเหยออกไปได้เนื่องจากโมเลกุลที่อยูท่ ี่ ผิวได้รับแรงดึงดูดจากโมเลกุลที่อยูด่ า้ นข้างและด้านล่างเท่านั้น เมื่อมีพลังงานสูงอยูแ่ ล้วการเอาชนะ แรงดึงดูดดังกล่าวไม่ใช่ของยาก อัตราการระเหยเป็ นไอ จะเร็ วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูง พื้นผิวหน้าของของเหลวกว้าง แรงดึงดูด ระหว่างโมเลกุลน้อย ความดันของบรรยากาศเบื้องบนของของเหลวมีค่าต่าำ และการถ่ายเทของอากาศ เหนือของเหลว การกวน หรื อการคนของเหลวทำาให้โมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่มากขึ้น ทำาให้มีผลต่อ การระเหยมากขึ้น ในระหว่างที่ของเหลวระเหยออกไป โมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูงหนีหลุดออกไป พลังงานจลน์ เฉลี่ยของของเหลวส่วนที่เหลือจึงลดลง ทำาให้อุณหภูมิของของเหลวลดลง จากหลักการนี้ สามารถนำามา ใช้ประโยชน์ในการทำาเครื่ องทำาความเย็น เช่น ตูเ้ ย็น โดยภายในตูเ้ ย็น จะมีทอบรรจุของเหลวที่ระเหยง่าย เช่น ฟรี ออน (CCl2F2) ซึ่งมีจุดเดือด –28 °C ขณะที่ฟรี ออนไหลผ่านท่อจะมีการดูดคามร้อนและระเหยไป อย่างรวดเร็ ว การระเหยของฟรี ออนจะทำาให้ความร้อนภายในตูล้ ดลง จึงเกิดความเย็นขึ้ น ส่ วนไอของ ฟรี ออนจะถูกส่งกลับเข้าเครื่ องอัดความดัน กลับไปเป็ นของเหลว นำากลับไปผ่านเข้าเครื่ องทำาความเย็นต่อ ไป 4. ความดันไอ (Vapor Pressure) และจุดเดือด (Boiling point) ถ้าของเหลวอยูใ่ นภาชนะเปิ ด ของเหลวจะระเหยไปในอากาศจนในที่สุดไม่มีของเหลวเหลืออยู่ เลย แต่ถา้ ของเหลวจำานวนเดียวกันนี้ อยูใ่ นภาชนะปิ ดที่อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลที่ระเหยเป็ นไอจะอยูใ่ น ที่วา่ งเหนือของเหลวภายในภาชนะปิ ด โมเลกุลที่อยูใ่ นสภาพไอนี้ ทาำ ให้เกิดความดันได้ เรี ยกว่า ความดัน ไอ ระยะแรกที่ของเหลวระเหยกลายเป็ นไอเข้าไปอยูใ่ นสถานะไอนั้น ปริ มาตรของของเหลวลดลง ขณะ
3
เดียวกันความดันไอเพิ่มขึ้น เพราะจำานวนโมเลกุลของไอเพิ่มขึ้น โมเลกุลเหล่านี้ เคลื่อนที่ตลอดเวลา ถ้า เคลื่อนที่ชนผิวหน้าของเหลว ก็จะควบแน่นกลับเป็ นของเหลวใหม่ ในระยะแรกอัตราของการกลัน่ ตัวเป็ น ของเหลวจะช้า แต่กจ็ ะเพิ่มขึ้นเรื่ อย ๆ เมื่อจำานวนโมเลกุลของไอเพิ่มขึ้น จนในที่สุดอัตราที่ไอควบแน่น เท่ากับอัตราที่ของเหลวระเหย เรี ยกว่าของเหลวอยูใ่ นสมดุลไดนามิค (dynamic equilibrium) กับไอ ที่จุดนี้ ทั้งปริ มาตรและความดันไอของของเหลวคงที่ ทั้งที่การระเหยและการกลัน่ ตัวยังคงเกิดขึ้นตลอดเวลา เพราะในเวลา 1 วินาที จำานวนโมเลกุลที่กลายเป็ นไอเท่ากับจำานวนโมเลกุลที่กลัน่ ตัว ความดันไอที่อยู่ เหนือของเหลวที่สมดุลนี้ เรี ยกว่า ความดันไอสมดุล (equilibrium vapor pressure) หรื อความดันไออิ่มตัว ของของเหลว ของเหลวจะมีความดันไอสู งหรื อต่าำ ขึ้นอยู่กบั แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ถ้าแรงดึ งดูดระหว่าง โมเลกุลน้อย ความดันไอสูง ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมาก ความดันไอต่ าำ นอกจากนี้ ความดันไอยัง ขึ้นกับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิสูงจำานวนโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูงจะเพิ่มขึ้นและหลุดจากผิวหน้าเข้าไปอยู่ ใ น ส ถ า น ะ ไ อ ไ ด้ ม า ก ขึ้ น ค ว า ม ดั น ไ อ ก็ สู ง ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว การ ระเหย
ความดัน ไอ
แรงยึดเหนี่ยว ระหว่างโมเลกุล
จุดเดือด ต่าำ
เร็ว
สูง
น้อย
จุดเดือด สูง
ช้า
ต่าำ
มาก
ของเหลว
ความร้อนแฝงของการ กลายเป็ นไอ น้อย มาก
จุดเดือด (Boiling point) เมื่อให้ความร้อนแก่ของเหลว อุณหภูมิของของเหลวสูงขึ้นทุกที โมเลกุลที่มีพลังงานจลน์มาก และความเร็ วสูงหลุดหนีออกไปเร็ วขึ้น จนกระทัง่ ถึงอุณหภูมิหนึ่งที่ผิวหน้าของของเหลวไม่มากพอที่จะ ให้โมเลกุลที่มีความเร็ วสูงหนีออกไปได้ทนั จึงเกิดฟองของไอขึ้ นภายในของเหลว ฟองไอแต่ละฟองปุด ขึ้นไปสู่ผิวหน้าของของเหลวและระหว่างปุดขึ้นไปขนาดของฟองก็ใหญ่ข้ ึนทุกที ในที่สุดฟองไอก็จะ หลุดไปสู่ขา้ งนอกของเหลว ในขณะที่ของเหลวเต็มไปด้วยฟองพล่านทัว่ ของเหลวนั้น เรี ยกว่ า ของเหลว เดือด การเดือดต่างจากการระเหยตรงที่การระเหยเกิดขึ้นเฉพาะผิวหน้าของของเหลว ส่ วนการเดือด ของของเหลวมีฟองไอทัว่ ของเหลว ฟองเหล่านั้นช่วยเพิ่มผิวหน้าของของเหลวเหมือนกับว่าการระเหย
4
เกิดขึ้นทัว่ ไปหมดภายในของเหลว โมเลกุลไม่ได้เพียงแต่หลุดหนีทางผิวหน้าของของเหลวเท่านั้น แต่ยงั หลุดเข้าไปในฟองไอ ทำาให้ฟองโตขึ้นอย่างรวดเร็ วขณะปุดขึ้นสู่เบื้องบน นอกจากนั้นโมเลกุลของ ของเหลวที่กาำ ลังเดือดหลุดออกไปจากของเหลวเป็ นจำานวนมากและอย่างรวดเร็ ว ผลักอากาศเหนือ ของเหลวออกไปแล้วไอเข้าไปแทนที่โมเลกุลอากาศ แทนที่จะค่อย ๆ แพร่ ปะปนไปกับโมเลกุลอากาศดัง ในกรณี ของการระเหย ที่อุณหภูมิซ่ ึงของเหลวเดือดนั้น ความดันภายในฟองไอเท่ากับความดันของของเหลวที่อุณหภูมิ นั้น ฟองจะเกิดขึ้นและอยูไ่ ด้โดยไม่ยบุ หายไปก้เมื่อความดันของไอภายในฟองเท่ากับคามดันเบื้องบน ของเหลว ดังนั้น จุดเดือดของของเหลว คือ อุณหภูมิซ่ ึงความดันไอของของเหลวมีค่าเท่ากบความดัน ภายนอกของเหลว ถ้าความดันภายนอกที่มีอยูเ่ หนือของเหลวมีค่าเท่ากับความดันมาตรฐาน คือ 1 บรรยากาศ หรื อ 760 mmHg จุดเดือดนั้น เรี ยกว่า จุดเดือดปกติของของเหลว เมื่อกล่าวอ้างถึงจุดเดือด ของของเหลวใด ๆ โดยไม่พดู ถึงความดันย่อมหมายถึงจุดเดือดปกติของของเหลวนั้น ที่จุดเดือด ของเหลวอยูใ่ นสมดุลกับไอของของเหลว 5.
พ ลั ง ง า น ข อ ง ก า ร เ ป ลี่ ย น วั ฏ ภ า ค การที่สสารในแต่ละสถานะจะเปลี่ยนไปมาระหว่างกันได้น้ ัน จำาเป็ นจะต้องใช้พลังงานจำานวน หนึ่งซึ่งพลังงานเหล่านั้นได้ถูกแสดงไว้ในรู ปแบบต่อไปนี้ ∆Hfus : ปริ มาณความร้อนที่ทาำ ให้ของแข็ง 1 โมลหลอมเหลวเป็ นของเหลว 1 โมลที่ความดัน คงที่เรี ยกว่า ความร้อนของการหลอมเหลวต่อโมล ∆Hvap : ปริ มาณความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนของเหลว 1 โมลไปเป็ นแก๊ส 1 โมลที่ อุณหภูมิ เดียวกันเรี ยกว่า ความร้อนของการกลายเป็ นไอต่อโมล ∆Hsubl : ปริ มาณความร้อนที่ทาำ ให้ของแข็ง 1 โมลกลายเป็ นแก๊ส 1 โมลที่อุณหภูมิเดียวกัน เรี ยกว่า ความร้อนของการระเหิดต่อโมล เนื่องจากในการทำาให้ของแข็งกลายเป็ นไอโดยตรงนั้น ในทางทฤษฏีของแข็งต้องหลอมเหลวเป็ น ของเหลวก่อนแล้วของเหลวจึงระเหยกลายเป็ นไอ ดังนั้น ความร้อนของการระเหิ ดต่อโมลจึงมมีค่าเท่ากับ ผลบวกของความร้ อ นของการหลอมเหลวต่ อ โมล และความร้ อ นของการกลายเป็ นไอต่ อ โมล; ∆Hsubl = ∆ Hfus + ∆Hvap การศึกษากราฟการเพิ่มความร้อนของสารและการเย็นตัวของสารจะช่ วยทำา ให้เข้าใจพลังงานการ เ ป ลี่ ย น วั ฎ ภ า ค ม า ก ยิ่ ง ขึ้ น
ก ร า ฟ ก า ร เ พิ่ ม ค ว า ม ร้ อ น ข อ ง ส า ร
5
คำาอธิ บายกราฟการเพิ่มความร้อนของสาร ช่ วง AB เมื่อให้ความร้อนแก่ของแข็ง 1 โมล อุณหภูมิจะเพิม่ ขึ้น โมเลกุลของของแข็งจะมีพลังงานจลน์ เพิ่มขึ้น ทำาให้โมเลกุลสัน่ มากขึ้น แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลเริ่ มถูกทำาลาย จนในที่สุดเมื่อได้รับความร้อน เพียงพอถึงจุด B โมเลกุลจะหลุดออกจากโครงผลึก นัน่ คือของแข็งเริ่ มหลอมเหลว อุณหภูมิ ณ จุด B จึง เรี ยกว่า จุดหลอมเหลว ช่ วง BC ระหว่างที่ของแข็งหลอมเหลวอุณหภูมิจะคงที่ เพราะความร้อนส่ วนที่เพิ่มเข้าไปถูกนำาไปใช้ใน การทำาลายแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลจนของแข็งหลอมเหลวจนหมดที่จุด C ปริ มาณความร้อนในช่วงนี้ คือ Hfus ช่ วง CD เมือ่ ให้ความร้อนแก่ของเหลวต่อไปจนถึงจุด D ของเหลวเริ่มเดือด เรี ยกอุณหภูมทิ จี่ ดุ D ว่า จุดเดือด ช่ วง DE ระหว่างที่ของเหลวเดือด อุณหภูมิคงที่จนของเหลวกลายเป็ นไอหมดที่จุด E ปริ มาณความร้อน ในช่วงนี้คือ Hvap ถ้าเพิ่มความร้อนให้ไอต่อไป อุณหภูมิของไอจะเพิ่มขึ้น
6
6. แผนผังวัฏภาค (ของน้ำ า)
แผนผัง แบ่ ง ออกเป็ น 3 บริ เ วณ แต่ ล ะบริ เ วณมี เ พี ย งวัฏ ภาคเดี ย ว คื อ ของแข็ง ของเหลว หรื อ แก๊ ส เส้ น AB แบ่งบริ เวณที่เป็ นของแข็งและแก๊ส จึงเป็ นเส้นสมดุลระหว่าง ของแข็ง และแก๊ส เส้ น BC แบ่งบริ เวณที่เป็ นของแข็งและของเหลว จึงเป็ นเส้นสมดุลระหว่าง ของแข็ง และของเหลว เส้ น BD แบ่งบริ เวณที่เป็ นของเหลวและแก๊ส จึงเป็ นเส้นสมดุลระหว่าง ของเหลวและแก๊ส จุด B เรี ยกว่า จุดทริ ปเปิ ล (Triple Point) เป็ นจุดที่แสดงถึงอุณหภูมิและความดันที่ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส อยูใ่ นภาวะสมดุลกัน จุด D เรี ยกว่า จุดวิกฤติ (Critical Point) เป็ นจุ ดสิ้ นสุ ดของเส้นสมดุลระหว่าง ของเหลว และแก๊สที่ ความดันวิกฤต (Critical Pressure; Pc) และ อุณหภูมิวิกฤติ (CriticalTemperature; Tc) Pc และ Tc เป็ น ความดั น และอุ ณ หภู มิ สุ ดท้ า ยที่ เ ราสามารถเห็ น ขอบเขตระหว่ า งของเหลว และแก๊ ส ได้