ทุกคนล้วนมีความทรงจำตั้งแต่สมัยเด็กๆ และไอศกรีมละลายอย่างกะทันหัน (และไม่เป็นที่ต้องการ) บางทีคุณอาจอยู่บนชายหาด พยายามไล่ตามกระแสของไอศกรีมที่ละลายไหลผ่านนิ้วของคุณ แต่แล้วช้อนทั้งหมดก็ตกลงไปในทราย บางทีคุณอาจทิ้งไอติมไว้กลางแดดนานเกินไปและกลับมาที่แอ่งน้ำที่มีน้ำตาลเป็นประกาย ไม่ว่าประสบการณ์ของคุณจะเป็นอย่างไร คนส่วนใหญ่มีความทรงจำที่ชัดเจนเกี่ยวกับบางสิ่งในเฟสของแข็งเปลี่ยนไปเป็นเฟสของเหลวและผลที่ตามมาของการเปลี่ยนแปลงนั้น
แน่นอน นักฟิสิกส์มีภาษาเฉพาะเพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงเฟสเหล่านี้ระหว่างสถานะต่างๆ ของสสาร ไม่น่าแปลกใจเลยที่คุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ของวัสดุจะควบคุมพฤติกรรมของวัสดุ ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟส เรียนรู้วิธีคำนวณพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนแปลงเฟสเหล่านี้และเรียนรู้เกี่ยวกับร่างกายที่เกี่ยวข้องเล็กน้อย คุณสมบัติเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจทุกอย่างตั้งแต่การละลายของน้ำแข็งไปจนถึงกระบวนการที่ผิดปกติมากขึ้นเช่น การระเหิด
เฟสของสสาร
คนส่วนใหญ่คุ้นเคยกับสสารสามขั้นตอนหลัก: ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ อย่างไรก็ตาม ยังมีสถานะที่สี่ของสสารที่เรียกว่าพลาสมา ซึ่งจะอธิบายโดยย่อในบทความนี้ในภายหลัง ของแข็งเป็นสิ่งที่เข้าใจได้ง่ายที่สุด สสารในสถานะของแข็งมีรูปร่างและไม่สามารถบีบอัดได้ในระดับที่โดดเด่น
การใช้น้ำเป็นตัวอย่าง น้ำแข็งเป็นสถานะของแข็ง และเป็นที่แน่ชัดว่าน้ำแข็งจะแตกต่อหน้าคุณ สามารถบีบอัดให้เป็นปริมาตรที่เล็กลงและถึงแม้น้ำแข็งที่แตกแล้วก็ยังกินเหมือนเดิม ปริมาณ คุณอาจคิดว่าฟองน้ำเป็นตัวอย่างที่ใช้แทนกันได้ แต่ในกรณีนั้น เมื่อคุณ "บีบอัด" ฟองน้ำ คุณจริงๆ เพียงแค่เอารูอากาศทั้งหมดที่บรรจุอยู่ในสภาพธรรมชาติออก – ของแข็งจริงจะไม่ได้รับ actual บีบอัด
ของเหลวมีรูปร่างเหมือนภาชนะที่บรรจุอยู่ แต่ไม่สามารถบีบอัดได้ในลักษณะเดียวกับของแข็ง อีกครั้ง น้ำของเหลวเป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของสิ่งนี้เพราะคุ้นเคยมาก: คุณสามารถใส่น้ำลงในอะไรก็ได้ รูปร่างของภาชนะ แต่คุณไม่สามารถบีบอัดทางกายภาพเพื่อให้มีปริมาตรน้อยกว่าปกติ less สถานะ. ในทางกลับกัน ก๊าซเช่นไอน้ำจะเติมรูปร่างของภาชนะที่บรรจุอยู่ แต่สามารถบีบอัดได้
พฤติกรรมของแต่ละคนอธิบายโดยโครงสร้างอะตอม ในของแข็ง มีการจัดเรียงอะตอมแบบแลตทิซอยู่เป็นประจำ ดังนั้นจึงสร้างโครงสร้างผลึกหรืออย่างน้อยก็มวลอสัณฐานเนื่องจากอะตอมถูกตรึงอยู่กับที่ ในของเหลว โมเลกุลหรืออะตอมสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แต่เชื่อมต่อบางส่วนผ่านพันธะไฮโดรเจน ดังนั้นโมเลกุลหรืออะตอมจึงไหลได้อย่างอิสระ แต่มีความหนืดอยู่บ้าง ในก๊าซ โมเลกุลจะถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง โดยไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลมารวมกัน ซึ่งเป็นสาเหตุที่ก๊าซสามารถขยายและบีบอัดได้อย่างอิสระมากกว่าของแข็งหรือของเหลว
ความร้อนแฝงของการหลอมรวม
เมื่อคุณเพิ่มความร้อนให้กับของแข็ง อุณหภูมิของของแข็งจะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงจุดหลอมเหลว ซึ่งจะทำให้สิ่งต่างๆ เปลี่ยนไป พลังงานความร้อนที่คุณเพิ่มเมื่อคุณอยู่ที่จุดหลอมเหลวจะไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง มันให้พลังงานสำหรับการเปลี่ยนเฟสจากเฟสของแข็งไปเป็นเฟสของเหลว เรียกทั่วไปว่าการหลอมเหลว
สมการที่อธิบายกระบวนการหลอมคือ:
Q = mL_f
ที่ไหนหลี่ฉ คือ ความร้อนแฝงของการหลอมรวมของวัสดุมคือมวลของสาร และคิวคือความร้อนที่เพิ่มเข้ามา ตามสมการที่แสดง หน่วยของความร้อนแฝงคือพลังงาน/มวล หรือจูลต่อกิโลกรัม ก. หรือหน่วยวัดมวลอื่นๆ ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวบางครั้งเรียกว่าเอนทาลปีของการหลอมเหลว หรือบางครั้งเรียกว่าความร้อนแฝงของการหลอมละลาย
สำหรับสารเฉพาะใดๆ ตัวอย่างเช่น หากคุณกำลังดูการละลายของน้ำแข็งโดยเฉพาะ จะมีอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงที่เฉพาะเจาะจงซึ่งสิ่งนี้เกิดขึ้น สำหรับการละลายของน้ำแข็งเป็นน้ำของเหลว อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสคือ 0 องศาเซลเซียส หรือ 273.15 เคลวิน คุณสามารถค้นหาความร้อนแฝงของการหลอมรวมของวัสดุทั่วไปจำนวนมากได้ทางออนไลน์ (ดูแหล่งข้อมูล) แต่สำหรับน้ำแข็ง จะเท่ากับ 334 กิโลจูล/กก.
ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ
กระบวนการเดียวกับการหลอมจะเกิดขึ้นเมื่อคุณทำให้สารกลายเป็นไอ ยกเว้นว่าอุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นจุดเดือดของสาร ในทำนองเดียวกัน พลังงานเพิ่มเติมที่คุณให้กับสาร ณ จุดนี้จะเข้าสู่การเปลี่ยนเฟส ในกรณีนี้จากเฟสของเหลวไปเป็นเฟสของแก๊ส คำที่ใช้ในที่นี้คือความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (หรือเอนทาลปีของการกลายเป็นไอ) แต่แนวคิดนี้เหมือนกันทุกประการกับความร้อนแฝงของการหลอมรวม
สมการยังอยู่ในรูปแบบเดียวกัน:
Q = mL_v
ที่ไหนหลี่วี เวลานี้เป็นความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (ดูแหล่งข้อมูลสำหรับตารางค่าสำหรับวัสดุทั่วไป) อีกครั้ง มีอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงที่เฉพาะเจาะจงสำหรับสารแต่ละชนิด โดยที่น้ำของเหลวอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ที่ 100 C หรือ 373.15 เคลวิน ดังนั้นหากคุณให้ความร้อนแก่มวลใดก้อนหนึ่งมของน้ำจากอุณหภูมิห้องถึงจุดเดือดแล้วระเหยออก มี 2 ขั้นตอนคือ การคำนวณ: พลังงานที่จำเป็นในการทำให้เป็น 100 C จากนั้นพลังงานที่จำเป็นในการกลายเป็นไอ มัน.
ระเหิด
แม้ว่าการเปลี่ยนเฟสจากของแข็งเป็นของเหลว (กล่าวคือ การหลอมเหลว) และการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ (การทำให้เป็นไอ) เป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุด แต่ก็มีการเปลี่ยนผ่านอื่นๆ อีกมากที่อาจเกิดขึ้นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง,ระเหิดคือเมื่อสารผ่านการเปลี่ยนเฟสจากเฟสของแข็งไปเป็นเฟสก๊าซโดยตรง
ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของพฤติกรรมนี้คือน้ำแข็งแห้ง ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นของแข็ง ที่อุณหภูมิห้องและความดันบรรยากาศ มันจะระเหยกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรง และทำให้เป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับเอฟเฟกต์หมอกในโรงละคร
ตรงข้ามกับการระเหิดคือการสะสมที่ก๊าซผ่านสถานะเปลี่ยนเป็นของแข็งโดยตรง นี่เป็นการเปลี่ยนเฟสอีกประเภทหนึ่งที่ไม่ค่อยมีคนพูดถึงแต่ยังคงเกิดขึ้นในธรรมชาติ
ผลกระทบของแรงดันต่อการเปลี่ยนเฟส
ความดันมีผลกระทบอย่างมากต่ออุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนเฟส ที่ความดันที่สูงขึ้น จุดกลายเป็นไอจะสูงขึ้น และจะลดลงที่ความดันที่ต่ำกว่า นี่คือสาเหตุที่น้ำเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่าเมื่อคุณอยู่บนที่สูง เนื่องจากแรงดันต่ำกว่าและจุดเดือดก็เช่นกัน ความสัมพันธ์นี้มักจะแสดงให้เห็นในแผนภาพเฟส ซึ่งมีแกนสำหรับอุณหภูมิและความดัน และเส้นที่แยกเฟสของแข็ง ของเหลว และแก๊สสำหรับสารที่เป็นปัญหา
หากคุณดูแผนภาพเฟสอย่างระมัดระวัง คุณจะสังเกตเห็นว่ามีจุดเฉพาะที่สารอยู่ที่จุดตัดของทั้งสามเฟสหลัก (เช่น เฟสแก๊ส ของเหลว และของแข็ง) นี้เรียกว่าทริปเปิ้ลพอยต์หรือจุดวิกฤตของสาร และเกิดขึ้นที่อุณหภูมิวิกฤตเฉพาะและความดันวิกฤต
พลาสม่า
สถานะของสสารที่สี่คือพลาสมา สิ่งนี้แตกต่างไปจากสถานะอื่นๆ ของสสารเล็กน้อย เนื่องจากในทางเทคนิคแล้วเป็นก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน (กล่าวคือ มีการกำจัดอิเล็กตรอน ดังนั้นอะตอมที่เป็นส่วนประกอบจึงมีประจุไฟฟ้าสุทธิ) ดังนั้นจึงไม่มีการเปลี่ยนเฟสในลักษณะเดียวกับสถานะอื่นๆ เรื่อง.
พฤติกรรมของมันแตกต่างจากก๊าซทั่วไปมาก เพราะในขณะที่ถือได้ว่าเป็น "กึ่งเป็นกลาง" ทางไฟฟ้า (เพราะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากันในทั้งหมดพลาสม่า) มีประจุเข้มข้นและกระแสที่เกิดขึ้น พลาสม่ายังตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในลักษณะที่ก๊าซทั่วไปไม่ทำ
การจำแนก Ehrenfest
วิธีหนึ่งที่รู้จักกันดีที่สุดในการอธิบายการเปลี่ยนผ่านระหว่างขั้นตอนต่างๆ คือ ระบบการจัดหมวดหมู่ Ehrenfest ซึ่งแบ่งช่วงการเปลี่ยนภาพเป็นช่วงการเปลี่ยนภาพในลำดับที่หนึ่งและลำดับที่สอง และระบบสมัยใหม่มีพื้นฐานมาจาก นี้. "ลำดับ" ของการเปลี่ยนแปลงหมายถึงอนุพันธ์อันดับต่ำสุดของพลังงานที่ปราศจากเทอร์โมไดนามิกซึ่งแสดงความไม่ต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงระหว่างของแข็ง ของเหลว และก๊าซเป็นการเปลี่ยนเฟสลำดับที่หนึ่ง เนื่องจากความร้อนแฝงสร้างความไม่ต่อเนื่องในอนุพันธ์ของพลังงานอิสระ
การเปลี่ยนเฟสลำดับที่สองมีความไม่ต่อเนื่องในอนุพันธ์อันดับสองของพลังงานอิสระ แต่ไม่มีความร้อนแฝงเข้ามาเกี่ยวข้องในกระบวนการ ดังนั้นจึงถือว่าเป็นเฟสต่อเนื่อง การเปลี่ยนแปลง ตัวอย่าง ได้แก่ การเปลี่ยนผ่านไปสู่ความเป็นตัวนำยิ่งยวด (เช่น จุดที่บางสิ่งกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด) และการเปลี่ยนเฟสของเฟอร์โรแมกเนติก (ตามที่อธิบายโดยแบบจำลอง Ising)
ทฤษฎีรถม้าใช้เพื่ออธิบายพฤติกรรมของระบบ โดยเฉพาะบริเวณจุดวิกฤต โดยทั่วไป มีสมมาตรแตกที่อุณหภูมิการเปลี่ยนเฟส และสิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งที่ อธิบายการเปลี่ยนแปลงในผลึกเหลว โดยเฟสอุณหภูมิสูงมีความสมมาตรมากกว่าอุณหภูมิต่ำ low เฟส.
ตัวอย่างการเปลี่ยนเฟส: น้ำแข็งละลาย Mel
สมมติว่าคุณมีก้อนน้ำแข็ง 1 กิโลกรัมที่อุณหภูมิ 0 C และต้องการละลายน้ำแข็งและเพิ่มอุณหภูมิเป็น 20 C ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิห้องมาตรฐานเล็กน้อย ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การคำนวณมีสองส่วนดังนี้ คุณต้องคำนวณ phase You เปลี่ยนแล้วใช้วิธีปกติในการคำนวณพลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิตามที่กำหนด จำนวนเงิน
ความร้อนแฝงของการหลอมละลายของน้ำแข็งคือ 334 kJ/kg ดังนั้นให้ใช้สมการจากก่อนหน้านี้:
\begin{aligned} Q &= mL_f \\ &= 1 \text{ kg} × 334 \text{ kJ/kg} \\ &= 334 \text{ kJ} \end{aligned}
น้ำแข็งละลายโดยเฉพาะ 1 กก. ใช้พลังงาน 334 กิโลจูล แน่นอน หากคุณใช้น้ำแข็งในปริมาณมากหรือน้อยกว่านั้น 1 กก. ก็จะถูกแทนที่ด้วยค่าที่เหมาะสม
ตอนนี้เมื่อพลังงานนี้ถูกถ่ายโอนไปยังน้ำแข็ง มันจะเปลี่ยนเฟสแต่ยังคงอยู่ที่ 0 C ในอุณหภูมิ ในการคำนวณปริมาณความร้อนที่คุณต้องเพิ่มเพื่อเพิ่มอุณหภูมิเป็น 20 C คุณเพียงแค่ต้องค้นหาความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ (ค= 4,182 J/kg°C) และใช้นิพจน์มาตรฐาน:
Q = mC∆T
ที่ไหน ∆ตู่หมายถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ข้อมูลที่เรามีนั้นง่ายต่อการคำนวณ: การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ต้องการคือ 20 C ดังนั้น กระบวนการที่เหลือจึงเพียงแค่ใส่ค่าและคำนวณ:
\begin{aligned} Q &= mC∆T \\ &= 1 \text{ kg} × 4182 \text{ J / kg °C} × 20 \text{ °C} \\ &= 83,640 \text{ J} = 83.64 \ข้อความ{ kJ} \สิ้นสุด{จัดตำแหน่ง}
กระบวนการทั้งหมด (เช่น การละลายน้ำแข็งและทำให้น้ำร้อน) จำเป็นต้องมี:
334 \ข้อความ{ kJ} + 83.64 \ข้อความ{ kJ} = 417.64 \ข้อความ{ kJ}
พลังงานส่วนใหญ่มาจากกระบวนการหลอมเหลว มากกว่าความร้อน โปรดทราบว่าการคำนวณนี้ใช้ได้เพียงเพราะหน่วยมีความสม่ำเสมอตลอด – มวลมีหน่วยเป็นกิโลกรัมเสมอ และ พลังงานถูกแปลงเป็น kJ สำหรับการเติมครั้งสุดท้าย – และคุณควรตรวจสอบสิ่งนี้ก่อนพยายาม a การคำนวณ
ตัวอย่างการเปลี่ยนเฟส: การระเหยน้ำของเหลว
ลองนึกภาพว่าคุณเอาน้ำ 1 กก. ที่ 20 C จากตัวอย่างที่แล้ว และต้องการแปลงเป็นไอน้ำ พยายามแก้ปัญหานี้ก่อนที่จะอ่านต่อไป เพราะกระบวนการนี้ก็เหมือนเดิม ขั้นแรก คุณต้องคำนวณปริมาณพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการนำน้ำไปยังจุดเดือด จากนั้นคุณสามารถดำเนินการต่อไปและหาว่าจำเป็นต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมเท่าใดในการทำให้น้ำกลายเป็นไอ
ขั้นแรกเหมือนกับขั้นที่สองของตัวอย่างก่อนหน้า ยกเว้นตอนนี้ ∆ตู่= 80 C เนื่องจากจุดเดือดของน้ำของเหลวคือ 100 C ดังนั้นการใช้สมการเดียวกันนี้จะทำให้:
\begin{aligned} Q &= mC∆T \\ &= 1 \text{ kg} × 4182 \text{ J / kg °C} × 80 \text{ °C} \\ &= 334,560 \text{ J} = 334.56 \ข้อความ{ kJ} \สิ้นสุด{จัดตำแหน่ง}
จากจุดที่เติมพลังงานเข้าไปมากขนาดนี้ พลังงานที่เหลือจะกลายเป็นไอของของเหลว และคุณจะต้องคำนวณโดยใช้นิพจน์อื่น นี่คือ:
Q = mL_v
ที่ไหนหลี่วี = 2256 kJ/kg สำหรับน้ำของเหลว โดยสังเกตว่ามีน้ำ 1 กิโลกรัมในตัวอย่างนี้ คุณสามารถคำนวณได้:
\begin{aligned} Q &= 1 \text{ กก.} × 2256 \text{ kJ/kg} \\ &= 2256 \text{ kJ} \end{aligned}
การเพิ่มทั้งสองส่วนของกระบวนการเข้าด้วยกันจะทำให้ได้ความร้อนทั้งหมดที่ต้องการ:
2256 \ข้อความ{ kJ} + 334.56 \ข้อความ{ kJ} = 2590.56 \ข้อความ{ kJ}
โปรดสังเกตอีกครั้งว่าพลังงานความร้อนส่วนใหญ่ที่ใช้ในกระบวนการนี้ (เช่นเดียวกับการละลายน้ำแข็ง) อยู่ในการเปลี่ยนเฟส ไม่ใช่ขั้นตอนการให้ความร้อนปกติ