ของแข็งของเหลวของก๊าซ

ความตึงผิว เมื่อของเหลวสัมผัสกับวัสดุหรือบรรจุอยู่ใน ภาชนะจะมีโมเลกุลของสาร 2 ชนิดที่ แตกต่างกัน คือ 1.โมเลกุลของของเหลว 2. โมเลกุลของสารที่เป็นวัสดุหรือท าภาชนะ

ความตึงผิว มีแรงยึดเหนี่ยวที่เกี่ยวข้องอีก 2 ประเภท คือ 1. แรงเชื่อมแน่น คือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคหรือ โมเลกุลของสารชนิดเดียวกัน เช่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่าง โมเลกุลของน้ ากับน้ า 2. แรงยึดติด คือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคหรือโมเลกุล ต่างชนิดกัน เช่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ ากับแก้ว ที่ใช้ท าภาชนะ

ความตึงผิว ความตึงผิวของน้ าและปรอทในหลอดทดลอง

จากรูป บริเวณตรงด้านบนของผิวน้ ามีลักษณะเว้า เนื่องจาก แรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของแก้วกับน้ าแข็งแรงมากกว่าแรง เชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของน้ ากับน้ า ความตึงผิวของน้ าซึ่งมี ค่าสูงจะท าให้ผิวน้ าหดตัวได้ ความตึงผิว

ความตึงผิว ปรอท จะมีลักษณะตรงข้ามกับน้ า เนื่องจากปรอทมีแรงเชื่อม แน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทกับปรอทมากกว่าแรงยึดติด ระหว่างโมเลกุลของปรอทกับแก้ว ดังนั้นโมเลกุลของปรอทที่อยู่ บริเวณผิวและที่อยู่ติดกับผนังหลอดทดลองจะถูกดึงเข้าสู่ภายใน หรือให้ห่างจากผนัง จึงท าให้ผิวหน้าของปรอทมีลักษณะโค้งนูน

5.5.2 การระเหย ก า ร เ ป ลี่ ย น ส ถ า น ะ จ า ก ข อ ง เ ห ล ว ก ล า ย เ ป็ น ไ อ เรียกว่า การระเหย

การระเหย การระเหย โมเลกุลของของเหลวที่เคลื่อนที่ชนกันเอง หรือชนกับผนังภาชนะแล้วมีการถ่ายโอน พลังงานให้แก่กัน ถ้าโมเลกุลที่มีพลังงานมาก อ ยู่ บ ริ เ ว ณ ผิ ว ห น้ า ข อ ง ข อ ง เ ห ล ว แ ล ะ มี พลังงานสูงมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง โมเลกุล โมเลกุลเหล่านั้นจะหลุดออกจาก ผิวหน้ากลายเป็นไอไปเรื่อยๆ

ขณะที่ของเหลวเกิดการระเหยจะดึง พลังงานส่วนหนึ่งไปใช้ในการเปลี่ยน สถานะ ท าให้อุณหภูมิของของเหลวลดลง ของเหลวจึงดูดพลังงานจาก สิ่งแวดล้อมมาแทน การระเหย

การระเหย การตากผ้าในที่มีแดดจัดกับการตากผ้าในที่ร่ม ผ้าในที่ใดจะ แห้งเร็วกว่ากัน เพราะเหตุใด? แอลกอฮอล์ในภาชนะเปิดปากแคบกับภาชนะเปิดปากกว้าง ปริมาตรเท่ากัน วางที่เดียวกัน เวลาผ่านไปปริมาตร แอลกอฮอล์ในภาชนะใดเหลือน้อยที่สุด เพราะเหตุใด ?

การระเหย ขณะมีเหงื่อบนร่างกาย เมื่อยืนอยู่ในที่ที่มีลมพัดผ่านหรือ อากาศถ่ายเทได้ดีกับที่ไม่มีลม ที่ใดจะช่วยให้เหงื่อแห้งเร็ว กว่ากัน เพราะเหตุใด ?

การระเหย ปัจจัยที่มีผลต่อการระเหย ความร้อน การเพิ่มพื้นที่ผิว การอยู่ในที่ที่อากาศถ่ายเท

ความร้อน ความร้อนหรืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ท าให้พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุล ของน้ าเพิ่มขึ้น ท าให้จ านวนโมเลกุลของน้ าที่มี พลังงานจลน์สูงพอที่จะเอาชนะแรง ยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมีมากขึ้น การระเหยของน้ าจึงเกิดได้เร็ว

การเพิ่มพื้นที่ผิว การเพิ่มพื้นที่ผิวหน้าของของเหลวที่สัมผัส กับอากาศ เป็นปัจจัยหนึ่งที่ช่วยให้ของเหลว เกิดการระเหยเร็วขึ้น เพราะว่าเป็นการเพิ่มจ านวนโมเลกุลของ ของเหลวที่มีโอกาสหลุดอออจากผิวหน้า ของของเหลวได้มากขึ้น

การอยู่ในที่ที่อากาศถ่ายเท การอยู่ในที่ที่อากาศถ่ายเท การเคลื่อนที่ของอากาศท าให้ โ ม เ ล กุ ล ข อ ง ไ อ บ ริ เ ว ณ เ ห นื อ ของเหลวเกิดการเคลื่อนที่และลด จ านวนโมเลกุลของไอบริเวณ ผิวหน้าของของเหลว เป็นผลให้โมเลกุลของของเหลว บริเวณผิวหน้ากลายเป็นไอได้มาก ขึ้นหรือระเหยได้มากขึ้น

5.5.3 ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว

จากรูปภาพการระเหยในระบบปิด โมเลกุลที่ระเหยกลายเป็นไอยังอยู่ที่ว่างเหนือของเหลว โมเลกุลที่อยู่ในรูปของไอจะชนกันเอง หรือชนกับผนังภาชนะ ตลอดเวลา จึงมีแรงดันเกิดขึ้น ปริมาตรของของเหลวลดลง ปริมาตรของไอเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ท า ให้ความดันไอเหนือของเหลวเพิ่มขึ้น ขณะเดียวกันไอบางส่วนก็จะควบแน่นกลับไปเป็นของเหลว ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว

การเปลี่ยนกลับไปกลับมาระหว่างของเหลวกับไอเกิดขึ้น ต่อเนื่อง จนกระทั่งอัตราการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นไอเท่ากับอัตราการ เปลี่ยนไอเป็นของเหลว ท าให้จ านวนโมเลกุลที่กลายเป็นไอ เท่ากับจ านวนโมเลกุลที่ควบแน่นเป็นของเหลว ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว ณ ขณะนี้ปริมาตรและความดันไอของของเหลวจะคงที่ ความ ดันของไอเหนือของเหลวขณะที่มีค่าคงที่นี้เรียกว่า ความดัน ไอของของเหลว

ความดันไอของของเหลวกับอุณหภูมิ

ความดันไอของของเหลวกับอุณหภูมิ จากกราฟ เมื่อของเหลวมีอุณหภูมิสูงขึ้น ความดันไอของ ของเหลวเหล่านี้ก็จะสูงขึ้นด้วย และการท าให้ของเหลว แต่ละชนิดมีความดันไอเท่ากันจะใช้อุณหภูมิไม่เท่ากัน อุณหภูมิที่ของเหลวมีความดันไอเท่ากับความดัน บรรยากาศ คือ จุดเดือดของของเหลว

นักวิทยาศาสตร์ได้ก าหนดให้จุดเดือดของของเหลว ที่ความดัน 1 บรรยากาศ เป็น จุดเดือดปกติ ส าหรับจุดเดือดของของเหลวที่ความดันอื่นๆ จะมีค่า แตกต่างกัน ความดันไอของของเหลวกับอุณหภูมิ

ความดันไอของของเหลวกับอุณหภูมิ เนื่องจากของเหลวแต่ละชนิดมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่ไม่ เหมือนกัน ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยจะกลายเป็นไอ ได้ง่าย มีจุดเดือดต่ า ความดันไอสูง ส่วนของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมากจะกลายเป็น ไอได้ยาก มีจุดเดือดสูง ความดันไอต่ า

ที่อุณหภูมิสูงความดันไอของของเหลวจะมีค่าสูง กว่าที่อุณหภูมิต่ า เนื่องจากโมเลกุลมีพลังงานจลน์ เพิ่มขึ้น โมเลกุลจึงมีโอกาสกลายเป็นไอได้มากขึ้น ความดันไอของของเหลวกับอุณหภูมิ

สมบัติของแก๊ส แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย อนุภาคอยู่ห่างกันมากเมื่อเทียบกับ ของแข็ง ของเหลว แพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ ความหนาแน่นต่ ากว่าของเหลว ของแข็ง สามารถบีบอัดได้ง่าย

แก๊สเกือบทุกชนิดมีสมบัติ บางประการคล้ายกันจน สรุปเป็นทฤษฎี เรียกว่า ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส สมบัติของแก๊ส

1. แก๊สประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่า อนุภาคของแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับขนาดภาชนะที่ บรรจุ 2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันมาก ท าให้แรงดึงดูดและแรง ผลักระหว่างโมเลกุลน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระท า ต่อกัน ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 3. โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่อย่าง รวดเร็วในแนวเส้นตรง เป็น อิสระด้วยอัตราเร็วคงที่และไม่ เป็นระเบียบ จนกระทั่งชนกับ โ ม เ ล กุ ล อื่ น ห รื อ ช น กั บ ผ นั ง ภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางและ ความเร็ว

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 4. โมเลกุลของแก๊สที่ชนกันเอง หรือชนกับผนังภาชนะ จะ เกิดการถ่ายโอนพลังงาน ให้แก่กันได้แต่พลังงานรวม ของระบบมีค่าคงที่

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 5. ณ อุณหภูมิเดียวกัน โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุล เคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เท่ากัน แต่มีพลังงานจลน์เฉลี่ย เท่ากัน โดยที่พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สจะแปรผันตรง กับอุณหภูมิเคลวิน แก๊สที่มีสมบัติเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สทุก ประการเรียกว่า แก๊สอุดมคติ

ความสัมพันธ์ของปริมาตร ความดันและ อุณหภูมิของแก๊ส กฎของบอยล์ กฎของชาร์ล กฎรวมแก๊ส กฎแก๊สสมบูรณ์

กฎของบอยล์ นักวิทยาศาสตร์ได้ท าการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊ส โดยความคุมให้อุณหภูมิ คงที่ ได้ผลการทดลองดังตาราง

กฎของบอยล์ การทดลอง ครั้งที่ V (cm3 ) P (mmHg) PV (mmHg.cm3 ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 760 380 253 191 151 127 109 95 84 3.80 × 103 3.80 × 103 3.80 × 103 3.82 × 103 3.78 × 103 3.81 × 103 3.82 × 103 3.80 × 103 3.78 × 103

ความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊ส

กฎของบอยล์ สามารถสรุปกฎของบอยล์ได้ ดังนี้ เมื่ออุณหภูมิและมวล ของแก๊สคงที่ ปริมาตรของ แก๊สจะแปรผกผันกับความดัน

กฎของบอยล์ V α P 1 PV = k1 โดย k 1 เป็นค่าคงที่ P1 V1 = P2 V2 = P3 V3 = P4 V4 = … P n V n = k1

ตัวอย่าง 1 แก๊สชนิดหนึ่งบรรจุในภาชนะขนาด 1 ลิตร ที่ ความดัน 1 บรรยากาศ ณ อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส ถ้า น าแก๊สนี้ไปบรรจุในภาชนะ 2 ลิตร ณ อุณหภูมิเดิม แก๊สนี้ จะมีความดันเท่าไร ตัวอย่างการค านวณกฎของบอยล์

ตัวอย่างการค านวณกฎของบอยล์ จากโจทย์ P1 = 1.0 atm , V1 = 1.0 L P2 = ? atm , V2 = 2.0 L จากกฎของบอยล์ P1 V1 = P2 V2 แทนค่าในสมการ 1.0 atm × 1.0 L = P2 × 2.0 L P2 = = 0.5 atm L atm L 2.0 1.0 1.0

กฎของชาร์ล พิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิในหน่วยองศา เซลเซียส ( ๐C) และเคลวิน(K) กับปริมาตรของแก๊ส เมื่อความ ดันคงที่ โดยนักวิทยาศาสตร์ได้ก าหนดให้อุณหภูมิ -273 ๐C มี ค่าเท่ากับ 0 K ซึ่งสามารถเขียนแสดงความสัมพันธ์ของ อุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสกับเคลวินได้ดังนี้ T(K) = t (๐C) + 273

กฎของชาร์ล ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียส( ๐C) และเคลวิน (K) กับปริมาตรของแก๊ส การทดลอง ครั้งที่ T ( ๐C) V (cm3 ) V/T (cm3 / ๐C) 1 2 3 4 10 50 100 200 100 114 132 167 10.0 2.3 1.3 0.8

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิเคลวินกับ ปริมาตรของแก๊ส

กฎของชาร์ล สามารถสรุปกฎของชาร์ลได้ ดังนี้ เมื่อมวลและความ ดันของแก๊สคงที่ ปริมาตร ของแก๊สจะแปรผันตรงกับ อุณหภูมิเคลวิน

กฎของชาร์ล T V 1 1 T V 2 2 T V V α T = k2 โดย k 2 เป็นค่าคงที่ = = = … = = 3 3 T V n n T V k 2

ตัวอย่างที่ 3 แก๊สไนโตรเจนปริมาตร 20 ลิตร ที่ อุณหภูมิ 373 เคลวิน เมื่อท าให้อุณหภูมิลดลงเป็น 273 เคลวิน โดยความดันของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาตรสุดท้ายของแก๊สเป็นเท่าใด ตัวอย่างการค านวณกฎของชาร์ล

ตัวอย่างการค านวณกฎของชาร์ล จากโจทย์ V1 = 20 L , T1 = 373 K V2 = ? L , T2 = 273 K จากกฎของชาร์ล = = V2 = 1 1 T V 2 2 T V K L 373 20 K V 273 2 K L K 373 20 273

ตัวอย่างการค านวณกฎของชาร์ล V2 = 14.6 L ที่อุณหภูมิ 273เคลวิน แก๊สไนโตรเจนจะมีปริมาตร 14.6 ลิตร

ตัวอย่างการค านวณกฎของชาร์ล ตัวอย่าง 4 แก๊สตัวอย่างที่ความดันคงที่หดตัวจาก 4.72 cm3 ไปเป็น 4.41cm3 ด้วยความเย็น ถ้าอุณหภูมิตั้งต้น เป็น 90 0C อุณหภูมิสุดท้ายเป็นเท่าไร

ตัวอย่างการค านวณกฎของชาร์ล จากโจทย์ V1 = 4.72 cm3 V2 = 4.41 cm3 T1 = 273 + 90 0C = 363 K T2 = ? 0C จากกฎของชาร์ล V1 /T1 = V2 /T2 4.72 cm3 /363 K = 4.41 cm3 / T2

กฎของเกย์-ลูสแซก โจเซฟ-ลุย เก-ลูซัก ได้ศึกษาสมบัติ ของแก๊สและได้สรุปว่า “ที่มวล และปริมาตรคงที่ ความดันจะแปร ผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน”

กฎของเกย์-ลูสแซก

กฎของเกย์-ลูสแซก P α T เมื่อ V และ m คงที่ P = kT P = K T เมื่อมวลและปริมาตรคงที่ ในภาวะต่างๆจะได้ว่าอัตราส่วน ระหว่างความดันกับอุณหภูมิ (K) ของแก๊สคงที่

กฎของเกย์-ลูสแซก P1 = K และ P2 = K ดังนั้น T1 T2 P1 = P2 T1 T2 เมื่อ V และ m คงที่