Point สอนแผน 1

หน่วยท่ี 5 พลังงานความร้อน บทท่ี 1 ความร้อนกับการเปล่ียนแปลงของสสาร นางกรวรรณ สินธรุ ตั น์ 1

หน่วยท่ี 5 พลังงานความร้อน บทที่ 1 ความรอ้ นกบั การเปลี่ยนแปลงของสสาร 2

แก้ว เป็นวัสดุที่มีความแข็ง โปร่งใส จึงนิยม น้ามาใช้ท้าผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่น แก้วน้า ขวด แจกัน และเครื่องประดับ การผลิตผลิตภัณฑ์ที่ท้าจากแก้วท้า โดยให้ความรอ้ นกับแกว้ ในเตาหลอมท่ีอุณหภูมปิ ระมาณ 1,500 องศาเซลเซยี ส จนกระท่ังแกว้ หลอมเหลว จากนันจึงขึนรูปโดยใช้การเป่าอากาศผ่านท่อ หรืออาจใช้ลมแรงสูงเป่าอัดแก้วท่ีหลอมเหลวแล้ว ให้ เป็นรูปทรงตามต้องการ น้าแก้วที่ผ่านการขึนรูปไปอบ เพื่อปรับลดอุณหภมู ิลงอย่างช้า ๆ จนกระท่ังถึงอุณหภูมิ ปกติ 3

4

เกร็ดความรู้ แกว้ โดยทัว่ ไปนนั ทา้ จาก ซลิ กิ อนไดออกไซด์ (SiO2-silicon dioxide) ซงึ่ อาจอยใู่ นรปู ของ สารประกอบทางเคมใี นแร่ควอตซ์ (quartz) หรอื ในรูป polycrystalline ของทราย ซิลกิ าบรสิ ุทธ์มิ จี ดุ หลอมเหลวท่ี 2000 °C (3632 °F) เพื่อความสะดวกในกระบวนการผลิต จะมกี ารผสมสาร 2 ชนดิ ลงไปดว้ ย ชนดิ แรก คือ โซดาแอช (Soda Ash) ซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือ โซเดยี มคารบ์ อเนต (sodium carbonate-Na2CO3) หรือสารประกอบโพแทสเซยี ม เพ่ือชว่ ยใหอ้ ุณหภมู ิในการหลอมเหลวนันต่้าลงอยู่ ท่ีประมาณ 1000~1500 °C แตอ่ ย่างไรก็ตามสารนีจะส่งผลขา้ งเคยี งท้าใหแ้ ก้วนนั ละลายน้าได้ จึงตอ้ งมีการเติมสาร อีกชนดิ คือ หนิ ปูน ซึง่ มอี งค์ประกอบหลักคอื แคลเซยี มคารบ์ อเนต (calcium carbonate-CaCO3) เพ่อื ทา้ ใหแ้ กว้ นันไมล่ ะลายนา้ 5

6

7

สสาร (matter ) คือ สิง่ ท่มี ีมวล ตอ้ งการทอี่ ยู่และสามารถสมั ผสั ได้ หรอื อาจหมายถงึ ส่ิง ตา่ งๆท่อี ย่รู อบตวั เรา มีตัวตน ตอ้ งการทีอ่ ยู่ สัมผัสได้ อาจมองเห็นหรือมองไม่เห็นก็ได้ เช่น อากาศ หนิ เปน็ ต้น นักวิทยาศาสตรเ์ รยี กสสารทรี่ ู้จกั ว่า สาร สาร (substance) คอื สสารที่ศกึ ษาคน้ คว้าจนทราบสมบตั แิ ละองค์ประกอบท่ีแนน่ อน - สมบตั ขิ องสาร หมายถึง ลกั ษณะเฉพาะตวั ของสาร เช่น เนอื้ สาร สี กลิน่ รส การนาไฟฟา้ การ ละลายน้า จุดเดอื ด จุดหลอมเหลว ความเป็นกรด–เบส เปน็ ต้น แบ่งสมบตั ขิ องสารออกเป็น 2 ประเภท คือ 1) สมบตั ทิ างกายภาพ หรือสมบตั ทิ างฟสิ กิ ส์ ( physical properties ) หมายถึง สมบตั ิของสารที่ สามารถสังเกตได้จากลักษณะภายนอก เช่น สถานะ เนอ้ื สาร สี กล่ิน รส ความหนาแน่น จุดเดอื ด จดุ หลอมเหลว การนาไฟฟา้ การละลายน้า ความแข็ง ความเหนยี ว เป็นตน้ 2) สมบตั ทิ างเคมี ( chemical properties ) หมายถงึ สมบตั ิท่ีเก่ยี วข้องกับการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี และองคป์ ระกอบทางเคมีของสาร เชน่ การตดิ ไฟ การผุกร่อน การทาปฏิกิริยากับนา้ การทาปฏิกริ ิยากับ กรด – เบส เปน็ ต้น 8

ทบทวนความรู้กอ่ นเรยี น 1. เขียนเครอื่ งหมาย ✓ หนา้ สง่ิ ทเ่ี ปน็ สสาร ความรอ้ น ✓ อากาศ ✓ ก้อนหิน ไฟฟ้า แสง ✓ นา้ คลอง ✓ ไอน้า เสยี ง 2. เขยี นเครอื่ งหมาย ลอ้ มรอบสถานะ รปู รา่ ง และปรมิ าตรของสสารในตาราง สสาร สถานะ รปู รา่ ง ปรมิ าตร แป้งฝุน่ ของแขง็ / ของเหลว / แกส๊ คงท่ี / ไม่คงท่ี คงที่ / ไม่คงที่ น้าตาลทราย ของแขง็ / ของเหลว / แกส๊ คงที่ / ไมค่ งท่ี คงท่ี / ไม่คงท่ี เอทลิ แอลกอฮอล์ ของแขง็ / ของเหลว / แกส๊ คงท่ี / ไมค่ งที่ คงท่ี / ไมค่ งที่ อากาศ ของแขง็ / ของเหลว / แก๊ส คงท่ี / ไมค่ งท่ี คงท่ี / ไมค่ งท่ี

ภาพการระเหิดของไอโอดีน สสารเปน็ สง่ิ ต่าง ๆ ทอ่ี ยูร่ อบตัวเรามีมวลและต้องการท่ี อยู่ พบได้ทงั ในสถานะของแข็ง ของเหลว และแกส๊ ไอโอดีนก็ เปน็ สสารชนดิ หนึ่ง ไอโอดนี ในสถานะของแข็งมีลักษณะเป็นเกลด็ สมี ว่ งเขม้ สามารถระเหิดเปน็ ไอสมี ่วง ซึง่ มสี ถานะแกส๊ ได้ ดังภาพ สสารในสถานะที่แตกต่างกันมีสมบัตทิ งั ท่เี หมือนกันและแตกต่าง กัน เชน่ สสารในสถานะของแข็งมรี ปู ร่างและปรมิ าตรคงที่ สสาร ในสถานะของเหลวมรี ปู ร่างไมค่ งที่เปลี่ยนแปลงตามภาชนะท่ี บรรจแุ ต่มีปริมาตรคงที่ สว่ นสสารในสถานะแก๊สมรี ูปร่างและ ปริมาตรไม่คงที่ เปลี่ยนแปลงตามภาชนะทบี่ รรจุ เพราะเหตุใด รูปร่างและปรมิ าตรของสสารในสถานะตา่ ง ๆ จงึ เป็นเช่นน1ัน0

สสารแต่ละชนิดประกอบดว้ ยอนภุ าคขนาดเลก็ ซงึ่ ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปลา่ นกั เรยี นเคยจนิ ตนาการหรือไม่ว่าอนภุ าคเลก็ ๆ เหลา่ น้ี ประกอบเข้าด้วยกันจนเป็นสสารในสถานะต่าง ๆ ได้ อยา่ งไร และทราบหรือไม่วา่ การจัดเรียงอนภุ าค สง่ ผลต่อ รปู ร่างและปรมิ าตรของสสารในแตล่ ะสถานะอย่างไร ภาพการระเหิดของไอโอดีน 11

ถา้ ขยายภาพแล้วมองเขา้ ไปในหน่วยย่อย ๆ ของสสาร จะพบอนภุ าค ซงึ่ อาจจะเปน็ อะตอม โมเลกลุ หรอื ไอออน ซึ่งไมส่ ามารถมองเหน็ ไดด้ ้วยตาเปล่า เน่อื งจากเราไมส่ ามารถมองเหน็ อนภุ าค ของสสารได้ เราจงึ เรยี นรู้เกี่ยวกับการจัดเรยี งอนุภาค แรงยดึ เหนย่ี วระหว่างโมเลกุล และการเคลื่อนทข่ี อง อนภุ าคของสสารโดยใช้แบบจา้ ลอง 12

เมื่อเปรยี บเทียบแบบจ้าลองอนุภาคของ ของแข็งกบั ของเหลวและแกส๊ พบว่าอนุภาคของ ของแข็งจะเรยี งชดิ ติดกัน โดยมแี รงยึดเหนย่ี วระหวา่ ง อนุภาคมากกวา่ ของเหลวและแก๊ส และการสั่นอยกู่ บั ท่ี ดงั ภาพ จึงท้าใหข้ องแข็งมีรปู รา่ งและปริมาตรคงท่ี 13

ภาพกอ้ นหินในภาชนะต่าง ๆ เนอ่ื งจากกอ้ นหินเปน็ ของแขง็ มลี ักษณะเปน็ ก้อนทม่ี ีรปู ร่างและปริมาตรเหมอื นเดมิ ไมว่ า่ จะใสไ่ ว้ ในภาชนะใด 14

เม่อื เปรียบเทียบแบบจ้าลองอนภุ าคของของเหลว กบั ของแข็งและแกส๊ พบว่าอนภุ าคของของเหลวอยูใ่ กล้ กัน โดยมีแรงยึดเหน่ยี วระหวา่ งอนภุ าคของของเหลวน้อย กว่าของแขง็ แตม่ ากกวา่ แก๊ส อนุภาคของของเหลวจงึ เคล่ือนทไ่ี ดแ้ ตไ่ มเ่ ปน็ อิสระ โดยเคลือ่ นท่รี อบ ๆ อนุภาค ใกล้เคยี งกัน ดงั ภาพ 15

ดังนนั เมือ่ บรรจุของเหลวในภาชนะที่มีรูปร่าง และปรมิ าตรตา่ งกัน รปู รา่ งของของเหลวจะเปล่ียนแปลง ตามรูปร่างของภาชนะทีบ่ รรจุ จากภาพ เทน้าสีปริมาตร 100 ลกู บาศก์เซนตเิ มตร ลงในภาชนะทม่ี รี ูปรา่ งแตกตา่ ง กัน แสดงให้เหน็ วา่ ของเหลวมีรูปร่างคงท่ี แตป่ รมิ าตรไม่ คงที่ ภาพน้าสีปริมาตร 100 ลูกบาศก์เซนตเิ มตร 16 ในกระบอกตวงขวดรปู กรวย และบกี เกอร์

เมอ่ื เปรียบเทียบแบบจา้ ลองอนภุ าคของแกส๊ กบั ของแข็งและของเหลว พบวา่ อนุภาคของแกส๊ อยู่หา่ งกนั มาก โดยมีแรงยดึ เหนยี่ วระหวา่ งอนภุ าคน้อยมาก อนภุ าค จงึ เคลอื่ นท่ไี ด้อย่างอสิ ระทกุ ทศิ ทาง ดงั ภาพ 17

ภาพการเปล่ยี นแปลงรูปร่างและปริมาตรของแก๊ส เม่ือแก๊สจากลกู โป่งเคลอ่ื นทไ่ี ปยังถงุ มอื ยาง ดังนันเม่อื บรรจแุ ก๊สในภาชนะท่มี ีรูปร่างและปริมาตรตา่ งกนั อนภุ าคของแก๊สจะฟุ้งกระจายจนเตม็ ภาชนะท่ีบรรจุ ทา้ ใหแ้ ก๊สมีรูปรา่ งและปริมาตรไมค่ งที่ เปล่ียนแปลงตามภาชนะ จากภาพ เมือ่ ปล่อยท่บี ีบ หลอด แกส๊ จากลูกโปง่ ท่ีมีลักษณะเป็นทรงกลมเคลอื่ นที่ไปยังถงุ มอื ยาง แกส๊ จะฟงุ้ กระจายเต็มถงุ มอื ยาง ทา้ ให้แก๊สมรี ูปร่างและปริมาตรตามถุงมอื ยาง ในขณะทลี่ กู โปง่ มีขนาดทเ่ี ลก็ ลง 18

สถานะของสสาร สามารถแบง่ ออกเป็น 3 สถานะ คอื 1. ของแข็ง 2. ของเหลว 3. แกส๊ 19

1 1. ของแขง็ - สารทม่ี ีรูปรา่ งและปรมิ าตรท่ีแนน่ อน ไมเ่ ปลยี่ นแปลงตามภาชนะ - อนุภาคชิดตดิ กันเปน็ ระเบียบ - แตล่ ะอนภุ าคจะมกี ารสนั่ และมีแรงยึดเหน่ียวซง่ึ กนั และกนั สูง - อนภุ าคของแข็งมคี วามหนาแนน่ และแรงยดึ เหนยี่ วระหวา่ งโมเลกลุ สงู กว่าของเหลว และแกส๊ ในการท้าให้ของแขง็ เปล่ยี นสถานะจะต้องเพ่ิมพลังงานเขา้ ไปจนแรงยึดเหนย่ี ว ระหวา่ งโมเลกลุ ลดต้า่ ลงเกิดการหลอมเหลว เรียกอุณหภูมินวี า่ จุดหลอมเหลว - ในบางกรณีของแข็งจะเปลี่ยนสถานะจากของแขง็ เปน็ แกส๊ โดยไม่ผา่ นสถานะของเหลว เรียกว่า การระเหดิ เช่น การบรู แนฟทาลีน พิมเสน และเกลด็ ไอโอดีน เปน็ ต้น 20

1 2. ของเหลว - สารทม่ี ปี ริมาตรแนน่ อน แต่มรี ปู ร่างไมแ่ นน่ อนเปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่ บรรจุอนภุ าคอยู่ใกล้เคียงกนั แตไ่ ม่เป็นระเบยี บ - มกี ารชนกนั ตลอดเวลา อนภุ าคของของเหลวทมี่ กี ารสนั่ สะเทือนและ เคล่ือนท่เี ปลี่ยนตา้ แหนง่ ไปทัว่ ของเหลว แต่ละอนภุ าคของของเหลวท่อี ย่ใู กล้ กนั จงึ มแี รงยึดเหน่ยี วซงึ่ กนั และกนั แต่น้อยกว่าของแขง็ - ดงั นันของเหลวจงึ มีรปู ทรงตามภาชนะทีบ่ รรจอุ ยู่อนุภาคของของเหลวมี ความหนาแน่นสงู กว่าแกส๊ ถา้ ของเหลวมกี ารลดอณุ หภูมิเกดิ การคายพลังงาน แรงยดึ เหนย่ี วระหว่างโมเลกุลมากขึน เรยี กอณุ หภูมนิ วี ่า จุดเยือกแขง็ 21

1 3. แก๊ส - สารท่ีมรี ปู ร่างและปริมาตรไม่แน่นอน เปลย่ี นแปลงตามภาชนะที่ บรรจุเพราะมีแรงยึดเหน่ยี วระหว่างโมเลกลุ น้อยมาก - อนุภาคของแก๊สซ่งึ อยู่หา่ งกนั มากและมแี รงยึดเหนย่ี วระหวา่ ง โมเลกุลนอ้ ย - เคลื่อนทเี่ ปล่ยี นต้าแหน่งตลอดเวลาอย่างรวดเร็ว จงึ ท้าให้แกส๊ เกดิ การฟุ้งกระจายเต็มภาชนะ และเมอื่ เปดิ ฝาภาชนะ อนภุ าคของ แกส๊ ก็ฟงุ้ กระจายออกสอู่ ากาศภายนอกภาชนะ 22

ตารางแสดงความแตกต่างของสสารในสถานะตา่ ง ๆ ของแข็ง ของเหลว แกส๊ อนุภาคอยู่ชิดกนั อนภุ าคอยู่หา่ งกนั มากกวา่ ของแขง็ อนุภาคอยู่หา่ งกนั มากทส่ี ดุ แตน่ ้อยกว่าแก๊ส มแี รงยดึ เหนีย่ วระหว่างอนุภาค มีแรงยึดเหนีย่ วระหวา่ งอนุภาคนอ้ ย มีแรงยึดเหนีย่ วระหว่างโมเลกลุ มากทสี่ ดุ กวา่ ของแข็งแตม่ ากกวา่ แกส๊ นอ้ ยท่สี ดุ อนุภาคส่ันอยู่กบั ท่ี อนุภาคเคล่ือนทร่ี อบ ๆ อนภุ าค อนุภาคเคล่อื นทีไ่ ดอ้ ยา่ งอสิ ระ ใกลเ้ คียง ทกุ ทศิ ทาง ไมเ่ ปลีย่ นแปลงรปู รา่ ง มรี ูปร่างตามภาชนะที่ใส่ มรี ปู รา่ งกระจายเต็มภาชนะที่ บรรจุ 23

24

เกรด็ นา่ รู้ พลาสมา เรารู้จกั สถานะของสสารท่ีเปน็ ของแขง็ ของเหลว และแก๊สมาแล้ว ตอ่ มาเมื่อมี ขอ้ มลู เพิม่ ขนึ พบว่า สถานะของสสารยังมีอกี สถานะหน่ึง เรียกว่า พลาสมา ซง่ึ เกดิ จาก การทีโ่ มเลกุลของแก๊สได้รับพลังงานสงู มาก จนทา้ ให้อะตอมในโมเลกุลแยกตัวออกจาก กนั พลังงานที่สงู มากนียงั ท้าให้อเิ ลก็ ตรอนหลดุ จากอะตอม สง่ ผลใหอ้ ะตอมแก๊สทเี่ หลือ มีประจบุ วก เรียกอเิ ล็กตรอนและอะตอมทมี่ ปี ระจบุ วกนีวา่ พลาสมา เราสามารถพบ พลาสมาได้ใน หลอดฟลอู อเรสเซนต์ ในขณะเกิดฟ้าผ่า และในอวกาศ 25