สถานะของสาร

สถานะของสาร

สารโดยทั่วไปในธรรมชาติ มี 3 สถานะ ดังนี้
1. ของแข็ง อนุภาคจะอยู่ชิดกัน อนุภาคไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ ทำให้แรงยึดเหนี่ยวอนุภาคสูงกว่าในสถานะอื่นของสารชนิดเดียวกัน มีรูปร่างและปริมาตรที่คงที่แน่นอน ไม่ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ ตัวอย่างของสารที่มีสถานะเป็นของแข็ง เช่น เหล็ก อะลูมิเนียม ทองแดง เงิน เป็นต้น
2. ของเหลว อนุภาคอยู่ห่างกันเล็กน้อย ทำให้อนุภาคสามารถเคลื่อนที่ได้ รูปร่างไม่แน่นอน เปลี่ยนตามภาชนะที่บรรจุ แต่ปริมาตรไม่ขึ้นกับภาชนะ ตัวอย่างของสารที่มีสถานะเป็นของเหลว เช่น น้ำ แอลกอฮอล์ โบรมีน เป็นต้น
3. แก๊ส อนุภาคจะอยู่ห่างกัน แรงยึดเหนี่ยวมีค่าน้อย ทำให้เคลื่อนที่ได้มาก มีปริมาตรและรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ ตัวอย่างของสารที่มีสถานะเป็นแก๊ส เช่น แก๊สออกซิเจน แก๊สไฮโดรเจน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ แก๊สไนโตรเจน เป็นต้น

รูปแสดงอนุภาคของสารใน สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊สตามลำดับ

การเปลี่ยนสถานะของสาร
การเปลี่ยนสถานะของระบบ จะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
1. คายความร้อน เป็นการถ่ายเทพลังงานจากระบบสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิสูงขึ้น
2. ดูดความร้อน เป็นการถ่ายเทพลังงานจากสิ่งแวดล้อมสู่ระบบ ทำให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิลดลง

ข้อสังเกต
ระบบ (system) คือ สิ่งที่เราต้องการศึกษา
สิ่งแวดล้อม (surrounding) คือ สิ่งที่นอกเหนือจากระบบ

ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลง เช่น การทดลองเติมโซดาไฟในน้ำ โดยมีบีกเกอร์เป็นภาชนะ จับบีกเกอร์แล้วรู้สึกร้อน
ระบบ คือ น้ำและโซดาไฟ
สิ่งแวดล้อม คือ บีกเกอร์
เป็นการเปลี่ยนแปลงชนิดคายความร้อน เนื่องจากบีกเกอร์ (สิ่งแวดล้อม) อุณหภูมิสูงขึ้น
# จับภาชนะแล้วรู้สึกร้อน แสดงว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบคายความร้อน
# จับภาชนะแล้วรู้สึกเย็น แสดงว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบดูดความร้อน

การเปลี่ยนแปลงสถานะของสารจะมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้อง ดังนี้

# การหลอมเหลว (melting) สารเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว โดยต้องให้ความร้อน ทำให้อนุภาคเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวได้ ณ อุณหภูมิที่เรียกว่า จุดหลอมเหลว (melting point) เป็นค่าคงที่ของสารหนึ่งๆ เท่านั้น
# การกลายเป็นไอ (evaporation) สารเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นแก๊ส เมื่ออนุภาคของของเหลวมีพลังงานมาก จนทำให้อนุภาคแยกออกจากกัน เรียกอุณหภูมิที่ทำให้อนุภาคชนะแรงยึดเหนี่ยวของของเหลวได้ว่า จุดเดือด (boiling point)
# การแข็งตัว (freezing) สารเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง หรือแก๊สเป็นของแข็ง โดยจะมีการคายพลังงานออกมา ทำให้อนุภาคมีพลังงานในการสั่นน้อย อนุภาคจึงเรียงตัวแบบชิดกันมากขึ้น
# การควบแน่น (condensation) สารเปลี่ยนสถานะจากแก๊สเป็นของเหลว เช่น กระบวนการเกิดฝน (ไอน้ำ ระบบความเย็น จะกลั่นตัวเป็น น้ำ)
# การระเหิด (sublimation) สารเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นแก๊ส เช่น การระเหิดของลูกเหม็น

การเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำ

# ความร้อนแฝง (latent heat) เป็นพลังงานความร้อนที่ใช้เพื่อเปลี่ยนสถานะ (ดูดพลังงาน) โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลง มี 2 ประเภท คือ
1. ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว (latent heat of fusion) เป็นพลังงานความร้อนที่ดูดเข้าไป เพื่อเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว โดยอุณหภูมิคงที่
2. ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (latent heat of vaporization) เป็นพลังงานความร้อนที่ดูดเข้าไปเพื่อเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส

สารที่เราพบเห็นได้ในชีวิตประจำวันนั้นมีทั้งสารที่อยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส โดยสารสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งได้ ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานประเภทดูดหรือคายพลังงาน และสามารถทำให้สารเปลี่ยนกลับมาอยู่ในสถานะเดิมได้อีกด้วย เช่น น้ำแข็งเมื่อได้รับความร้อนจะหลอมเหลวกลายเป็นน้ำ และเมื่อน้ำได้รับความร้อนสูงๆ จนถึงจุดเดือดจะกลายเป็นไอน้ำ ซึ่งไอน้ำนี้สามารถควบแน่นกลับมาเป็นน้ำได้ และเมื่อน้ำได้รับความเย็นจนถึงจุดเยือกแข็งจะกลับมาอยู่ในรูปของน้ำแข็ง เป็นต้น
การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งไปเป็นของเหลว และจากของเหลวไปเป็นแก๊ส จะต้องให้ความร้อนแก่สาร เพื่อให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารลดลง ทำให้อนุภาคของสารเกิดการจับตัวกันน้อยลง และเกิดช่องว่างระหว่างอนุภาคมากขึ้น

รูปแสดงการเปลี่ยนสถานะของสารโดยการดูดความร้อน

การเปลี่ยนสถานะของสารจากแก๊สกลับมาเป็นของเหลว และจากของเหลวกลับมาเป็นของแข็ง จะต้องลดอุณหภูมิของสาร เพื่อให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารเพิ่มขึ้น ทำให้อนุภาคของสารเกิดการจับตัวกันมากขึ้น และเกิดช่องว่างระหว่างอนุภาคน้อยลง

รูปแสดงการเปลี่ยนสถานะของสารโดยการคายความร้อน

เราสามารถใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนสถานะของสารได้ดังนี้

1. การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นของเหลว เช่น การหล่อเทียน การหล่อพระพุทธรูป การหล่อเครื่องมือเครื่องใช้ต่างๆ โดยนำสารที่จะหล่อมาหลอมเหลวแล้วใส่ในแม่พิมพ์ เป็นต้น
2. การเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นแก๊ส เช่น การระเหิดของลูกเหม็น เป็นต้น
3. การเปลี่ยนสถานะของสารจากแก๊สไปเป็นของเหลว เช่น การทำฝนเทียมโดยใช้สารเคมีเพื่อทำให้เกิดการควบแน่นของไอน้ำในอากาศกลายเป็นฝน ในกระบวนการกลั่นน้ำมันปิโตรเลียม ต้องอาศัยหลักการควบแน่นของสาร เป็นต้น
4. การเปลี่ยนสถานะของสารจากของเหลวไปเป็นแก๊ส เช่น การทำน้ำให้เดือดเพื่อฆ่าเชื้อโรคในน้ำ การผลิตกระแสไฟฟ้าจากแรงดันไอของน้ำเดือด เป็นต้น
5. การเปลี่ยนสถานะของสารจากของเหลวไปเป็นของแข็ง เช่น การทำน้ำแข็ง การทำไอศกรีม เป็นต้น