- ประเภทของการเปลี่ยนแปลงสถานะและลักษณะเฉพาะ
- - ฟิวชั่น
- ก้อนหิมะ
- - การกลายเป็นไอ
- บทบาทของความกดดัน
- - การควบแน่น
- หน้าต่างชื้น
- - การแข็งตัว
- - การระเหิด
- - การทับถม
- การเปลี่ยนแปลงสถานะอื่น ๆ
- อ้างอิง
การเปลี่ยนแปลงสถานะหรือเฟสคือการที่วัสดุได้รับการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพปรากฏการณ์ทางอุณหพลศาสตร์แบบย้อนกลับได้ ว่ากันว่าเป็นอุณหพลศาสตร์เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นระหว่างสสารและสิ่งรอบข้าง หรือสิ่งที่เหมือนกันมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงานที่ทำให้เกิดการจัดเรียงอนุภาคใหม่
อนุภาคที่ผ่านการเปลี่ยนสถานะยังคงเหมือนเดิมทั้งก่อนและหลัง ความดันและอุณหภูมิเป็นตัวแปรที่สำคัญในการทำงานในเฟสเดียวหรืออีกเฟสหนึ่ง เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะระบบสองเฟสจะถูกสร้างขึ้นซึ่งประกอบด้วยสสารเดียวกันในสถานะทางกายภาพที่แตกต่างกันสองสถานะ
การเปลี่ยนแปลงสถานะ ที่มา: Gabriel Bolívar
ภาพด้านบนแสดงการเปลี่ยนแปลงสถานะหลักที่สสารต้องผ่านภายใต้สภาวะปกติ
ก้อนของแข็งของสารสีน้ำเงินสามารถเปลี่ยนเป็นของเหลวหรือก๊าซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันของสิ่งรอบข้าง โดยตัวมันเองแสดงถึงเฟสเดียว: ของแข็ง แต่ในช่วงเวลาของการหลอมละลายนั่นคือการหลอมเหลวจะมีการสร้างสมดุลของแข็งและของเหลวที่เรียกว่าฟิวชัน (ลูกศรสีแดงระหว่างลูกบาศก์สีน้ำเงินและหยด)
เพื่อให้เกิดฟิวชั่นขึ้นมาคิวบ์จำเป็นต้องดูดซับความร้อนจากสิ่งรอบตัวเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ ดังนั้นจึงเป็นกระบวนการดูดความร้อน เมื่อลูกบาศก์ละลายหมดแล้วก็จะกลับสู่เฟสเดียวนั่นคือสถานะของเหลว
หยดสีน้ำเงินนี้สามารถดูดซับความร้อนได้ต่อไปซึ่งจะเพิ่มอุณหภูมิและส่งผลให้เกิดฟองก๊าซ อีกครั้งมีสองขั้นตอน: ของเหลวหนึ่งและก๊าซอื่น ๆ เมื่อของเหลวทั้งหมดระเหยผ่านจุดเดือดก็จะมีการต้มหรือกลายเป็นไอ
ตอนนี้หยดสีฟ้ากลายเป็นเมฆ จนถึงขณะนี้กระบวนการทั้งหมดได้รับการดูดความร้อนแล้ว ก๊าซสีน้ำเงินสามารถดูดซับความร้อนต่อไปได้จนกว่าจะร้อน อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาจากสภาพพื้นดินมันมีแนวโน้มที่จะเย็นลงและกลั่นตัวกลับเป็นของเหลว (การควบแน่น)
ในทางกลับกันก้อนเมฆยังสามารถทับถมโดยตรงบนเฟสของแข็งและก่อตัวเป็นก้อนแข็งอีกครั้ง (การทับถม) สองกระบวนการสุดท้ายนี้คือการคายความร้อน (ลูกศรสีน้ำเงิน); นั่นคือพวกมันปล่อยความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมหรือโดยรอบ
นอกเหนือจากการควบแน่นและการสะสมตัวแล้วการเปลี่ยนสถานะจะเกิดขึ้นเมื่อหยดสีน้ำเงินค้างที่อุณหภูมิต่ำ (การแข็งตัว)
ประเภทของการเปลี่ยนแปลงสถานะและลักษณะเฉพาะ
ภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงโดยทั่วไปสำหรับสถานะของสสารทั้งสาม (ที่พบบ่อยที่สุด) ได้แก่ ของแข็งของเหลวและก๊าซ การเปลี่ยนแปลงที่มาพร้อมกับลูกศรสีแดงคือการดูดความร้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการดูดซับความร้อน ในขณะที่ลูกศรสีน้ำเงินนั้นคายความร้อนออกมามันจะปล่อยความร้อนออกมา
คำอธิบายสั้น ๆ ของการเปลี่ยนแปลงแต่ละอย่างจะแสดงไว้ด้านล่างโดยเน้นถึงลักษณะบางอย่างจากการให้เหตุผลทางโมเลกุลและทางอุณหพลศาสตร์
- ฟิวชั่น
ฟิวชั่นคือการเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นของเหลว
ในสถานะของแข็งอนุภาค (ไอออนโมเลกุลคลัสเตอร์ ฯลฯ ) เป็น "นักโทษ" ซึ่งอยู่ในตำแหน่งคงที่ในอวกาศโดยไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ อย่างไรก็ตามพวกมันสามารถสั่นด้วยความถี่ที่แตกต่างกันและถ้าพวกมันมีความแรงมากคำสั่งที่เข้มงวดที่กำหนดโดยกองกำลังระหว่างโมเลกุลจะเริ่ม "หลุดออกจากกัน"
เป็นผลให้ได้สองเฟส: เฟสหนึ่งที่อนุภาคยังคงถูกกักขัง (ของแข็ง) และอีกเฟสที่เป็นอิสระ (ของเหลว) เพียงพอที่จะเพิ่มระยะทางที่แยกพวกมันออก เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ของแข็งจะต้องดูดซับความร้อนและอนุภาคของมันจะสั่นด้วยแรงที่มากขึ้น
ด้วยเหตุนี้ฟิวชั่นจึงเป็นสารดูดความร้อนและเมื่อเริ่มมีการกล่าวว่าสมดุลเกิดขึ้นระหว่างเฟสของแข็งและของเหลว
ความร้อนที่จำเป็นในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่าความร้อนหรือเอนทาลปีฟันกรามของฟิวชัน (ΔH Fus ) สิ่งนี้เป็นการแสดงออกถึงปริมาณความร้อน (พลังงานส่วนใหญ่เป็นหน่วย kJ) ที่โมลของสารในสถานะของแข็งต้องดูดซับเพื่อหลอมละลายไม่ใช่แค่ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น
ก้อนหิมะ
ละลายหิมะด้วยมือ ที่มา: Pixabay
ด้วยเหตุนี้จึงเข้าใจว่าเหตุใดก้อนหิมะจึงละลายในมือ (ภาพบนสุด) หิมะดูดซับความร้อนในร่างกายซึ่งเพียงพอที่จะทำให้อุณหภูมิของหิมะสูงกว่า 0 ° C
ผลึกน้ำแข็งในหิมะดูดซับความร้อนเพียงพอที่จะละลายและเพื่อให้โมเลกุลของน้ำรับโครงสร้างที่ยุ่งเหยิง ในขณะที่หิมะกำลังละลายน้ำที่ก่อตัวขึ้นจะไม่เพิ่มอุณหภูมิเนื่องจากหิมะจะใช้ความร้อนจากมือเพื่อทำให้การละลายเสร็จสมบูรณ์
- การกลายเป็นไอ
การกลายเป็นไอคือการเปลี่ยนสถานะของสารจากของเหลวเป็นสถานะก๊าซ
ต่อด้วยตัวอย่างน้ำตอนนี้วางหิมะหนึ่งกำมือลงในหม้อและจุดไฟสังเกตว่าหิมะละลายอย่างรวดเร็ว เมื่อน้ำร้อนขึ้นฟองอากาศเล็ก ๆ ของคาร์บอนไดออกไซด์และสิ่งสกปรกอื่น ๆ ที่เป็นก๊าซจะเริ่มก่อตัวขึ้นภายใน
น้ำเดือด. ที่มา: Pixabay
ความร้อนในระดับโมเลกุลจะขยายการกำหนดค่าที่ไม่เป็นระเบียบของน้ำขยายปริมาตรและเพิ่มความดันไอ ดังนั้นจึงมีโมเลกุลจำนวนมากที่หลุดออกจากพื้นผิวอันเป็นผลมาจากการระเหยที่เพิ่มขึ้น
น้ำเหลวจะเพิ่มอุณหภูมิอย่างช้าๆเนื่องจากมีความร้อนจำเพาะสูง (4.184J / ° C ∙ g) มีจุดหนึ่งที่ความร้อนที่ดูดซับไว้ไม่ได้ใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิอีกต่อไป แต่เพื่อเริ่มต้นสมดุลไอของเหลว นั่นคือมันเริ่มเดือดและของเหลวทั้งหมดจะเข้าสู่สถานะก๊าซในขณะที่ดูดซับความร้อนและรักษาอุณหภูมิให้คงที่
นี่คือจุดที่คุณเห็นฟองที่เข้มข้นบนผิวน้ำต้ม (ภาพบน) ความร้อนที่น้ำเหลวดูดซับเพื่อให้ความดันไอของฟองที่เกิดขึ้นเท่ากับความดันภายนอกเรียกว่าเอนทาลปีของการกลายเป็นไอ (ΔH Vap )
บทบาทของความกดดัน
ความกดดันยังเป็นปัจจัยกำหนดในการเปลี่ยนแปลงของรัฐ ผลกระทบต่อการกลายเป็นไอคืออะไร? ความดันที่สูงขึ้นความร้อนที่น้ำต้องดูดซับมากขึ้นจึงจะกลายเป็นไอที่สูงกว่า 100 ° C
เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความดันทำให้โมเลกุลของน้ำหนีจากของเหลวไปยังเฟสก๊าซได้ยาก
หม้ออัดแรงดันใช้ข้อเท็จจริงนี้เพื่อประโยชน์ในการอุ่นอาหารในน้ำให้มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือด
ในทางกลับกันเนื่องจากมีสุญญากาศหรือความดันลดลงน้ำที่เป็นของเหลวจึงต้องการอุณหภูมิที่ต่ำกว่าเพื่อต้มและเข้าสู่ขั้นตอนของก๊าซ ด้วยความดันสูงหรือต่ำเมื่อน้ำเดือดจำเป็นต้องดูดซับความร้อนของการกลายเป็นไอเพื่อให้การเปลี่ยนสถานะสมบูรณ์
- การควบแน่น
การควบแน่นคือการเปลี่ยนสถานะของสารจากสถานะก๊าซเป็นสถานะของเหลว
น้ำกลายเป็นไอ อะไรต่อไป? ไอน้ำยังคงสามารถเพิ่มอุณหภูมิได้กลายเป็นกระแสอันตรายที่อาจทำให้เกิดการไหม้อย่างรุนแรง
อย่างไรก็ตามสมมติว่ามันเย็นลงแทน อย่างไร? การปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมและการปล่อยความร้อนกล่าวได้ว่าเป็นกระบวนการคายความร้อนที่เกิดขึ้น
ด้วยการปล่อยความร้อนโมเลกุลของน้ำที่มีพลังมากจะเริ่มทำงานช้าลง นอกจากนี้ปฏิกิริยาของพวกมันจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิของไอน้ำลดลง ประการแรกหยดน้ำจะก่อตัวขึ้นโดยกลั่นตัวจากไอน้ำและตามด้วยหยดน้ำขนาดใหญ่ที่ถูกดึงดูดโดยแรงโน้มถ่วง
ในการควบแน่นปริมาณไอที่กำหนดให้สมบูรณ์คุณต้องปล่อยพลังงานเท่ากัน แต่มีเครื่องหมายตรงข้ามที่ΔH Vap ; นั่นคือเอนทัลปีของการควบแน่นΔH Cond . ดังนั้นจึงมีการสร้างดุลยภาพของไอ - ของเหลวผกผัน
หน้าต่างชื้น
การควบแน่นของน้ำ ที่มา: Pexels
การควบแน่นสามารถมองเห็นได้ที่หน้าต่างของบ้าน ในสภาพอากาศหนาวเย็นไอน้ำที่อยู่ภายในบ้านจะชนกับหน้าต่างซึ่งเนื่องจากวัสดุมีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นผิวอื่น ๆ
ที่นั่นทำให้โมเลกุลของไอจับตัวกันเป็นก้อนได้ง่ายขึ้นทำให้เกิดชั้นสีขาวบาง ๆ ที่ถอดออกได้ง่ายด้วยมือ เมื่อโมเลกุลเหล่านี้ปล่อยความร้อน (ให้ความร้อนแก่แก้วและอากาศ) พวกมันจะเริ่มรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนจำนวนมากขึ้นจนกระทั่งหยดแรกสามารถควบแน่นได้ (ภาพบนสุด)
เมื่อหยดมีขนาดใหญ่มากพวกมันจะเลื่อนลงมาจากหน้าต่างและทิ้งร่องรอยของน้ำไว้
- การแข็งตัว
การแข็งตัวคือการเปลี่ยนสถานะของสารจากสถานะของเหลวเป็นสถานะของแข็ง
การแข็งตัวเกิดขึ้นจากการระบายความร้อน กล่าวอีกนัยหนึ่งน้ำก็ค้าง ในการแช่แข็งน้ำจะต้องปล่อยความร้อนในปริมาณเดียวกันกับที่น้ำแข็งดูดซับเพื่อละลาย อีกครั้งความร้อนนี้เรียกว่าเอนทัลปีของการแข็งตัวหรือการแช่แข็ง , H Cong (-ΔH Fus )
เมื่อโมเลกุลของน้ำเย็นตัวลงจะสูญเสียพลังงานและปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของพวกมันจะแข็งแกร่งขึ้นและมีทิศทางมากขึ้น เป็นผลให้พวกมันถูกจัดเรียงด้วยพันธะไฮโดรเจนและรูปแบบที่เรียกว่าผลึกน้ำแข็ง กลไกที่ผลึกน้ำแข็งเติบโตมีผลต่อลักษณะของพวกมัน: โปร่งใสหรือสีขาว
ประติมากรรมน้ำแข็ง. ที่มา: Pixabay
หากเกล็ดน้ำแข็งเติบโตช้ามากจะไม่เกิดสิ่งสกปรกเช่นก๊าซที่ละลายในน้ำที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นฟองจึงหนีและไม่สามารถโต้ตอบกับแสงได้ และด้วยเหตุนี้คุณจึงมีน้ำแข็งที่โปร่งใสราวกับรูปปั้นน้ำแข็งที่ไม่ธรรมดา (ภาพบนสุด)
สิ่งเดียวกับที่เกิดขึ้นกับน้ำแข็งก็สามารถเกิดขึ้นได้กับสารอื่น ๆ ที่แข็งตัวโดยการทำให้เย็น บางทีนี่อาจเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่ซับซ้อนที่สุดในสภาพพื้นโลกเนื่องจากสามารถรับหลายรูปแบบได้
- การระเหิด
การระเหิดคือการเปลี่ยนสถานะของสารจากของแข็งเป็นสถานะก๊าซ
น้ำสามารถระเหิดได้หรือไม่? ไม่อย่างน้อยก็ไม่อยู่ภายใต้สภาวะปกติ (T = 25 ° C, P = 1 atm) สำหรับการระเหิดที่จะเกิดขึ้นนั่นคือการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซความดันไอของของแข็งจะต้องสูง
ในทำนองเดียวกันมันเป็นสิ่งสำคัญที่แรงระหว่างโมเลกุลของพวกมันจะไม่แข็งแกร่งมากนักโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าพวกมันประกอบด้วยแรงกระจายเท่านั้น
ตัวอย่างที่เป็นสัญลักษณ์ที่สุดคือไอโอดีนที่เป็นของแข็ง เป็นผลึกของแข็งที่มีสีม่วงอมเทาซึ่งมีความดันไอสูง เป็นเช่นนี้ว่าในการกระทำของไอสีม่วงจะถูกปล่อยออกซึ่งปริมาตรและการขยายตัวจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเมื่ออยู่ภายใต้ความร้อน
การระเหิดของไอโอดีน ที่มา: Belkina NV จาก Wikimedia Commons
ภาพด้านบนแสดงการทดลองทั่วไปที่ไอโอดีนที่เป็นของแข็งระเหยในภาชนะแก้ว เป็นเรื่องที่น่าสนใจและโดดเด่นเมื่อสังเกตว่าไอระเหยสีม่วงแพร่กระจายอย่างไรและนักเรียนที่ริเริ่มสามารถตรวจสอบได้ว่าไม่มีไอโอดีนเหลว
นี่คือลักษณะสำคัญของการระเหิด: ไม่มีเฟสของเหลว ในทำนองเดียวกันมันเป็นความร้อนเนื่องจากของแข็งดูดซับความร้อนเพื่อเพิ่มความดันไอจนเท่ากับความดันภายนอก
- การทับถม
การสะสมของผลึกไอโอดีน ที่มา: Stanislav.nevyhosteny จาก Wikimedia Commons
การทับถมคือการเปลี่ยนสถานะของสารจากสถานะก๊าซเป็นสถานะของแข็ง
ควบคู่ไปกับการทดลองการระเหิดของไอโอดีนมีการสะสมของมัน การทับถมคือการเปลี่ยนแปลงหรือการเปลี่ยนแปลงที่ตรงกันข้าม: สารเปลี่ยนจากสถานะก๊าซไปเป็นของแข็งโดยไม่มีการก่อตัวของเฟสของเหลว
เมื่อไอโอดีนไอโอดีนสีม่วงสัมผัสกับพื้นผิวที่เย็นจะปล่อยความร้อนออกมาเพื่อให้ความอบอุ่นสูญเสียพลังงานและรวมกลุ่มโมเลกุลของมันกลับเข้าไปในของแข็งสีเทาอมม่วง (ภาพบน) จากนั้นเป็นกระบวนการคายความร้อน
การทับถมใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสังเคราะห์วัสดุโดยที่พวกมันถูกเจือด้วยอะตอมของโลหะด้วยเทคนิคที่ซับซ้อน ถ้าพื้นผิวเย็นมากการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างมันกับอนุภาคของไอจะเกิดขึ้นทันทีโดยไม่ต้องผ่านทางผ่านเฟสของเหลวตามลำดับ
ความร้อนหรือเอนทาลปีของการสะสม (และไม่สะสม) เป็นค่าผกผันของการระเหิด (ΔH Sub = - ΔH Dep ) ตามทฤษฎีแล้วสารหลายชนิดสามารถถูกทำให้ระเหิดได้ แต่เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้จำเป็นต้องจัดการกับความกดดันและอุณหภูมินอกเหนือจากการมีแผนภาพ P vs T อยู่ในมือ ซึ่งสามารถมองเห็นระยะที่เป็นไปได้ที่อยู่ไกลออกไป
การเปลี่ยนแปลงสถานะอื่น ๆ
แม้ว่าจะไม่มีการกล่าวถึงพวกเขา แต่ก็มีสถานะอื่น ๆ บางครั้งพวกมันก็มีลักษณะ "เล็กน้อยของแต่ละคน" ดังนั้นจึงเป็นการรวมกันของพวกมัน ในการสร้างสิ่งเหล่านี้ความกดดันและอุณหภูมิจะต้องถูกปรับให้เป็นขนาดบวก (มาก) หรือลบ (เล็ก)
ดังนั้นตัวอย่างเช่นหากก๊าซได้รับความร้อนมากเกินไปพวกมันจะสูญเสียอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่มีประจุบวกของพวกมันในกระแสน้ำลบนั้นจะกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่าพลาสมา มีความหมายเหมือนกันกับ "แก๊สไฟฟ้า" เนื่องจากมีการนำไฟฟ้าสูง
ในทางกลับกันเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำเกินไปสสารอาจทำงานในรูปแบบที่ไม่คาดคิด นั่นคือแสดงคุณสมบัติเฉพาะรอบศูนย์สัมบูรณ์ (0 K)
หนึ่งในคุณสมบัติเหล่านี้คือ superfluidity และ superconductivity; เช่นเดียวกับการก่อตัวของคอนเดนเสทของโบส - ไอน์สไตน์ซึ่งอะตอมทั้งหมดมีพฤติกรรมเป็นหนึ่งเดียว
งานวิจัยบางชิ้นยังชี้ไปที่เรื่องโฟโตนิก ในพวกมันอนุภาคของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโฟตอนรวมกลุ่มกันเพื่อสร้างโมเลกุลโฟโตนิก นั่นคือมันจะให้มวลกับวัตถุแห่งแสงในทางทฤษฎี
อ้างอิง
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 พฤศจิกายน 2561). รายการการเปลี่ยนแปลงเฟสระหว่างสถานะของสสาร ดึงมาจาก: thoughtco.com
- วิกิพีเดีย (2019) สถานะของสสาร สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
- Dorling Kindersley (2007) การเปลี่ยนสถานะ ดึงมาจาก: factmonster.com
- Meyers Ami (2019) การเปลี่ยนเฟส: การระเหยการควบแน่นการแช่แข็งการหลอมการระเหิดและการสะสม ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
- Bagley M. (11 เมษายน 2559). สสาร: ความหมายและสถานะทั้งห้าของสสาร ดึงมาจาก: livescience.com
- Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้