- ปรับปรุงล่าสุด
- บันทึกเป็น PDF
- รหัสหน้า
- 98082
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}}}\) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!- \!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{ span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart }{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\ norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm {span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\ mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{ \ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{ \unicode[.8,0]{x212B}}\)
วัตถุประสงค์การเรียนรู้
- นิยามการละลาย การแช่แข็ง และการระเหิด
ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม สสารปกติมักมีอยู่เป็นหนึ่งในสามขั้นตอน: ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ
การเปลี่ยนเฟสเป็นกระบวนการทางกายภาพที่สารเปลี่ยนจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่ง โดยปกติแล้ว การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นเมื่อมีการเพิ่มหรือลดความร้อน ณ อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือดของสาร จุดหลอมเหลวคืออุณหภูมิที่สารเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว (หรือจากของเหลวเป็นของแข็ง) จุดเดือดคืออุณหภูมิที่สารเปลี่ยนจากของเหลวเป็นแก๊ส (หรือจากแก๊สเป็นของเหลว) ลักษณะของการเปลี่ยนเฟสขึ้นอยู่กับทิศทางการถ่ายเทความร้อน ความร้อนกำลังไปเข้าไปข้างในสารเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวหรือของเหลวเป็นแก๊ส การกำจัดความร้อนจากสารเปลี่ยนก๊าซเป็นของเหลวหรือของเหลวเป็นของแข็ง
ประเด็นสำคัญสองประเด็นที่ควรค่าแก่การเน้นย้ำ อย่างแรก ที่จุดหลอมเหลวหรือจุดเดือดของสาร อาจมีสองเฟสพร้อมกัน นำน้ำ (H2O) เป็นตัวอย่าง ในระดับเซลเซียส H2O มีจุดหลอมเหลว 0°C และจุดเดือด 100°C ที่ 0°C ทั้งเฟสของแข็งและของเหลวของ H2O อยู่ร่วมกันได้ อย่างไรก็ตามหากมีการเพิ่มความร้อน H. ของแข็งบางส่วน2O จะละลายกลายเป็นของเหลว H2O. ถ้าเอาความร้อนออก สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้น: ของเหลว H2O กลายเป็นของแข็ง H2O. กระบวนการที่คล้ายกันสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิ 100°C: การเพิ่มความร้อนจะเพิ่มปริมาณก๊าซ H2O ในขณะที่เอาความร้อนออกจะเพิ่มปริมาณของของเหลว H2O (รูป \(\PageIndex{1}\))
ประการที่สอง อุณหภูมิของสารจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อสารเปลี่ยนจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงเฟสเป็นอุณหภูมิความร้อน (อุณหภูมิความร้อนหมายถึง "อุณหภูมิคงที่") อีกครั้ง พิจารณา H2O เป็นตัวอย่าง น้ำที่เป็นของแข็ง (น้ำแข็ง) สามารถมีได้ที่อุณหภูมิ 0°C ถ้าเพิ่มความร้อนลงในน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0°C ของแข็งบางส่วนจะเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ซึ่งอุณหภูมิจะอยู่ที่ 0°C เช่นกัน โปรดจำไว้ว่าเฟสของแข็งและของเหลวของ H2O สามารถอยู่ร่วมกันได้ที่อุณหภูมิ 0°C หลังจากที่ของแข็งทั้งหมดละลายเป็นของเหลวแล้ว การเติมความร้อนจะเปลี่ยนอุณหภูมิของสาร
สำหรับการเปลี่ยนเฟสของสารแต่ละครั้ง มีปริมาณความร้อนที่มีลักษณะเฉพาะที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟสต่อกรัม (หรือต่อโมล) ของวัสดุ ความร้อนของฟิวชัน (Δชมเอะอะ) คือปริมาณความร้อนต่อกรัม (หรือต่อโมล) ที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟสที่เกิดขึ้นที่จุดหลอมเหลว ความร้อนของการกลายเป็นไอ (Δชมวาป) คือปริมาณความร้อนต่อกรัม (หรือต่อโมล) ที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟสที่เกิดขึ้นที่จุดเดือด หากคุณทราบจำนวนกรัมหรือโมลของวัสดุทั้งหมด คุณสามารถใช้ Δ ได้ชมเอะอะหรือ Δชมวาปเพื่อกำหนดความร้อนทั้งหมดที่ถูกถ่ายโอนสำหรับการหลอมหรือการแข็งตัวโดยใช้นิพจน์เหล่านี้:
\[\text{heat} = n \times ΔH_{fus} \label{Eq1a} \]
โดยที่ \(n\) คือจำนวนโมลและ \(ΔH_{fus}\) แสดงเป็นพลังงาน/โมล หรือ
\[\text{heat} = m \times ΔH_{fus} \label{Eq1b} \]
โดยที่ \(m\) คือมวลเป็นกรัม และ \(ΔH_{fus}\) แสดงเป็นพลังงาน/กรัม
สำหรับการเดือดหรือการควบแน่น ใช้สำนวนเหล่านี้:
\[\text{heat} = n \times ΔH_{vap} \label{Eq2a} \]
โดยที่ \(n\) คือจำนวนโมล) และ \(ΔH_{vap}\) แสดงเป็นพลังงาน/โมล หรือ
\[\text{heat} = m \times ΔH_{vap} \label{Eq2b} \]
โดยที่ \(m\) คือมวลเป็นกรัม และ \(ΔH_{vap}\) แสดงเป็นพลังงาน/กรัม
โปรดจำไว้ว่าการเปลี่ยนเฟสขึ้นอยู่กับทิศทางของการถ่ายเทความร้อน ถ้าความร้อนถ่ายเทเข้าไป ของแข็งจะกลายเป็นของเหลว และของเหลวจะกลายเป็นของแข็งที่จุดหลอมเหลวและจุดเดือดตามลำดับ หากความร้อนถ่ายเทออกไป ของเหลวจะแข็งตัว และก๊าซจะควบแน่นเป็นของเหลว
ตัวอย่าง \(\PageIndex{1}\)
ต้องใช้ความร้อนเท่าใดในการละลายน้ำแข็ง 55.8 กรัม (ของแข็ง H2ต) ที่ 0°C? ความร้อนของฟิวชันของ H2O คือ 79.9 แคลอรี/กรัม
สารละลาย
เราสามารถใช้ความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและความร้อนของการหลอมรวม (Eq. \(\PageIndex{1}\)b) เพื่อกำหนดว่าต้องใช้ความร้อนกี่จูลในการละลายน้ำแข็งนี้:
\[ \begin{align*} \text{heat} &= m \times ΔH_{fus} \\[4pt] & = (55.8\, \cancel{g}) \left(\dfrac{79.9\, cal} {\cancel{g}}\right) \\[4pt] &=4,460\, แคล \end{align*} \]
แบบฝึกหัด \(\PageIndex{1}\)
จำเป็นต้องใช้ความร้อนเท่าใดในการทำให้ไอ 685 กรัมของ H2O ที่ 100°C? ความร้อนของการกลายเป็นไอของ H2O คือ 540 แคลอรี/กรัม
ตาราง \(\PageIndex{1}\) แสดงรายการความร้อนของการหลอมรวมและการกลายเป็นไอของสารทั่วไปบางชนิด สังเกตหน่วยของปริมาณเหล่านี้ เมื่อคุณใช้ค่าเหล่านี้ในการแก้ปัญหา ตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวแปรอื่นๆ ในการคำนวณของคุณแสดงเป็นหน่วยที่สอดคล้องกับหน่วยในความร้อนจำเพาะ หรือความร้อนของการหลอมรวมและการกลายเป็นไอ
| สาร | ∆Hเอะอะ(แคล/กรัม) | ∆Hวาป(แคล/กรัม) |
|---|---|---|
| อะลูมิเนียม (อัล) | 94.0 | 2,602 |
| ทอง (ออสเตรเลีย) | 15.3 | 409 |
| เหล็ก (เฟ) | 63.2 | 1,504 |
| น้ำ (H2ต) | 79.9 | 540 |
| โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) | 123.5 | 691 |
| เอทานอล (ค2ชม5โอ้) | 45.2 | 200.3 |
| น้ำมันเบนซิน (ค6ชม6) | 30.4 | 94.1 |
มองใกล้: การระเหิด
นอกจากนี้ยังมีการเปลี่ยนเฟสโดยที่ของแข็งจะเข้าสู่แก๊สโดยตรง:
\[\text{solid} \rightarrow \text{gas} \label{Eq3} \]
การเปลี่ยนแปลงเฟสนี้เรียกว่าการระเหิด. สารแต่ละชนิดมีลักษณะความร้อนของการระเหิดที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการนี้ ตัวอย่างเช่น ความร้อนของการระเหิด (Δชมย่อย) ของ H2O คือ 620 แคลอรี/กรัม
เราพบการระเหิดได้หลายวิธี คุณอาจคุ้นเคยกับน้ำแข็งแห้งซึ่งเป็นคาร์บอนไดออกไซด์แข็ง (CO2). ที่ −78.5°C (−109°F) คาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็งจะระเหิด โดยเปลี่ยนจากเฟสของแข็งเป็นเฟสแก๊สโดยตรง:
\[\mathrm{CO_2(s) \xrightarrow{-78.5^\circ C} CO_2(g)} \label{Eq4} \]
คาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็งเรียกว่าน้ำแข็งแห้งเพราะไม่ผ่านของเหลว แต่จะไปที่เฟสก๊าซโดยตรง (คาร์บอนไดออกไซด์สามารถมีสถานะเป็นของเหลวแต่อยู่ภายใต้ความดันสูงเท่านั้น) น้ำแข็งแห้งมีประโยชน์หลายอย่าง รวมถึงการเก็บรักษาตัวอย่างทางการแพทย์ในระยะยาว
แม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C ของแข็ง H2O จะค่อยๆ เปรี้ยงปร้าง ตัวอย่างเช่น หิมะหรือน้ำค้างแข็งบาง ๆ บนพื้นดินอาจค่อยๆ หายไปอย่างช้าๆ ในขณะที่ของแข็ง H2โอ้ ผู้ประเสริฐ แม้ว่าอุณหภูมิภายนอกอาจต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำ ในทำนองเดียวกัน ก้อนน้ำแข็งในช่องแช่แข็งอาจมีขนาดเล็กลงเมื่อเวลาผ่านไป แม้ว่าจะเป็นน้ำแข็ง แต่น้ำที่เป็นของแข็งจะค่อยๆ ระเหิด และสะสมตัวบนองค์ประกอบทำความเย็นที่เย็นกว่าของช่องแช่แข็ง ซึ่งจำเป็นต้องละลายน้ำแข็งเป็นระยะ การลดอุณหภูมิในช่องแช่แข็งจะช่วยลดความจำเป็นในการละลายน้ำแข็งบ่อยๆ
ภายใต้สถานการณ์ที่คล้ายคลึงกัน น้ำจะระเหยออกจากอาหารแช่แข็ง (เช่น เนื้อหรือผัก) ทำให้ดูไม่สวยงามและมีรอยด่างที่เรียกว่าช่องแช่แข็งไหม้ จริงๆ แล้วไม่ใช่อาการ "ไหม้" และอาหารก็ไม่จำเป็นต้องเสียไป แม้ว่าจะดูไม่น่ารับประทานก็ตาม การเผาไหม้ของช่องแช่แข็งสามารถลดลงได้โดยการลดอุณหภูมิของช่องแช่แข็งและโดยการห่ออาหารให้แน่นเพื่อไม่ให้น้ำมีช่องว่างให้ซึมเข้าไปได้
จุดหลอมเหลว
ของแข็งมีความคล้ายคลึงกับของเหลวตรงที่ทั้งสองสถานะควบแน่น โดยมีอนุภาคที่อยู่ใกล้กันมากกว่าก๊าซ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าของเหลวจะเป็นของไหล แต่ของแข็งก็ไม่ใช่ อนุภาคของของแข็งส่วนใหญ่จับตัวกันแน่นอย่างเป็นระเบียบ การเคลื่อนที่ของอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลแต่ละตัวในของแข็งถูกจำกัดการเคลื่อนไหวแบบสั่นสะเทือนเกี่ยวกับจุดคงที่ ของแข็งเกือบหมดบีบอัดไม่ได้และมีความหนาแน่นมากที่สุดในสสารทั้งสามสถานะ
เมื่อของแข็งได้รับความร้อน อนุภาคของมันจะสั่นเร็วขึ้นเมื่อของแข็งดูดซับพลังงานจลน์ ในที่สุด การจัดระเบียบของอนุภาคภายในโครงสร้างของแข็งจะเริ่มแตกตัวและของแข็งเริ่มหลอมละลาย เดอะจุดหลอมเหลวคืออุณหภูมิที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ที่จุดหลอมเหลว การสั่นสะเทือนที่ก่อกวนของอนุภาคของของแข็งจะเอาชนะแรงดึงดูดที่กระทำภายในของแข็ง เช่นเดียวกับจุดเดือด จุดหลอมเหลวของของแข็งขึ้นอยู่กับความแรงของแรงดึงดูดเหล่านั้น โซเดียมคลอไรด์ \(\left( \ce{NaCl} \right)\) เป็นสารประกอบไอออนิกที่ประกอบด้วยพันธะไอออนิกที่แข็งแรงจำนวนมาก โซเดียมคลอไรด์ละลายที่ \(801^\text{o} \text{C}\) น้ำแข็ง (ของแข็ง \(\ce{H_2O}\)) เป็นสารประกอบโมเลกุลที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่จับกันด้วยพันธะไฮโดรเจน แม้ว่าพันธะไฮโดรเจนจะเป็นแรงระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งที่สุด แต่ความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนนั้นน้อยกว่าพันธะไอออนิกมาก จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งคือ \(0^\text{o} \text{C}\)
จุดหลอมเหลวของของแข็งเท่ากับจุดเยือกแข็งของของเหลว ที่อุณหภูมินั้น สถานะของแข็งและของเหลวของสารจะอยู่ในภาวะสมดุล สำหรับน้ำ สภาวะสมดุลนี้เกิดขึ้นที่ \(0^\text{o} \text{C}\)
\[\ce{H_2O} \left( s \right) \rightleftharpoons \ce{H_2O} \left( l \right) \number \]
เรามักจะคิดว่าของแข็งเป็นวัสดุที่แข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตาม วัสดุทั้งหมดมีจุดหลอมเหลวบางประเภท ก๊าซจะกลายเป็นของแข็งที่อุณหภูมิต่ำมาก และของเหลวจะกลายเป็นของแข็งเช่นกันหากอุณหภูมิต่ำพอ ตารางด้านล่างแสดงจุดหลอมเหลวของวัสดุทั่วไปบางชนิด
| วัสดุ | จุดหลอมเหลว (ºC) |
|---|---|
| ไฮโดรเจน | -259 |
| ออกซิเจน | -219 |
| ไดเอทิลอีเทอร์ | -116 |
| เอทานอล | -114 |
| น้ำ | 0 |
| เงินบริสุทธิ์ | 961 |
| ทองคำบริสุทธิ์ | 1063 |
| เหล็ก | 1538 |
แบบฝึกหัด \(\PageIndex{2}\)
- อธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อความร้อนไหลเข้าหรือออกจากสาร ณ จุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด
- ปริมาณความร้อนที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเฟสมีความสัมพันธ์กับมวลของสารอย่างไร
- ตอบ ก
-
พลังงานเข้าสู่การเปลี่ยนเฟสไม่ใช่อุณหภูมิ
- ตอบ ข
-
ปริมาณความร้อนเป็นค่าคงที่ต่อกรัมของสาร
สรุป
- มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเฟสใดๆ
- การระเหิดคือการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นแก๊สโดยไม่ผ่านสถานะของเหลว
- การทับถมคือการเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของแข็ง
- คาร์บอนไดออกไซด์เป็นตัวอย่างของวัสดุที่ระเหิดได้ง่าย
- จุดหลอมเหลวคืออุณหภูมิที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว
- แรงระหว่างโมเลกุลมีอิทธิพลอย่างมากต่อจุดหลอมเหลว
