วันจันทร์ที่ 12 ธันวาคม พ.ศ. 2559

พลังงานกับการเปลี่ยนแปลงของสาร

พลังงานกับการเปลี่ยนแปลงของสาร

            การเปลี่ยนสถานะของสารอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดพลังงานหรือคายพลังงานตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารที่พบในชีวิตประจำวันได้แก่น้ำแข็งหลอมเหลวกลายเป็นน้ำและน้ำได้รับความร้อนกลายเป็นไอเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความร้อนในทางตรงกันข้ามเมื่อไอน้ำเปลี่ยนสถานะกลับมาเป็นน้ำและน้ำแข็ง เป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทคายความร้อน
1.ค่าความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวเป็นค่าพลังงานความร้อนที่นำมาใช้เปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว
2.ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอเป็นค่าพลังงานความร้อนที่นำไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอ ค่าความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอของสารทุกชนิด จะมีค่ามากว่าความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวเสมอ เช่น
- น้ำมีค่าความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว 80 แคลอรีต่อกรัม หมายความว่า ในการทำน้ำแข็ง  1 กรัม ให้หลอมเหลวเป็นน้ำ ต้องใช้พลังงานความร้อน 80 แคลอรี
- น้ำมีค่าความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ 540 แคลอรีต่อกรัม หมายความว่า ในการทำน้ำ  1 กรัม อุณหภูมิ  100 องศาเซลเซียส ให้เปลี่ยนเป็นไอน้ำ  1 กรัม อุณหภูมิ  100 องศาเซลเซียส  ต้องใช้พลังงานความร้อน 540 แคลอรี

การหาค่าปริมาณความร้อนสามารถแยกพิจารณาได้ 2 กรณี ดังนี้
กรณีที่ 1 การคำนวณหาค่าปริมาณความร้อนที่ทำให้สารเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่ คำนวณได้จากสูตร    Q = mL
เมื่อ คือ ปริมาณความร้อนหรือค่าความร้อนแฝงที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ มีหน่วยเป็นแคลอรีหรือกิโลแคลอรี
คือมวลของสาร มีหน่วยเป็นกรัมหรือกิโลกรัม
 L คือ ความร้อนแฝงจำเพาะของสาร มีหน่วยเป็นแคลอรีต่อกรัมหรือกิโลแคลอรีต่อกิโลกรัม
กรณีที่ 2 การคำนวณหาปริมาณความร้อนโดยที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง คำนวณได้จากสูตร    Q = msDt
เมื่อ คือ ปริมาณความร้อนที่สารได้รับ มีหน่วยเป็นแคลอรี
คือ มวลของสาร มีหน่วยเป็นกรัม
s  คือ ความจุจำเพาะของสาร มีหน่วยเป็นแคลอรีต่อกรัม×องศาเซลเซียส (น้ำใช้สัญลักษณ์ แทนค่าความจุจำเพาะของน้ำ) ของน้ำแข็ง และ ไอน้ำ คือ ประมาณ 0.5)
Dt คือ อุณหภูมิของน้ำที่เปลี่ยนไป มีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส

 ในช่วงหมายเลข 1 กับหมายเลข 3 สถานะเปลี่ยนแต่อุณหภูมิไม่เปลี่ยน ส่วนในช่วงหมายเลข 2 อุณหภูมิเปลี่ยนแต่สถานะไม่เปลี่ยน นักเรียนจะได้ศึกษาการคำนวณหาค่าพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากตัวอย่างต่อไปนี้
ตัวอย่า น้ำแข็ง 100 กรัม อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ทำให้กลายเป็นไอน้ำเดือด 10 กรัม อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ใช้ความร้อนกี่แคลอรี
วิธีคิด

 
(1)ความร้อน ที่ใช้ทั้งหมด = 1 + 2 + 3(1) ความร้อนที่น้ำแข็ง 10 กรัม ใช้ในการหลอมเหลวเป็นน้ำที่ 0 องศาเซลเซียส คำนวณได้ดังนี้จากสูตร   Q = mL        เมื่อ  m = มวลของน้ำแข็ง = 10 g  L = ความร้อนแงของการหลอมเหลวของน้ำ = 80 cal/gแทนค่า        
          Q=10x80          
             = 800
 cal
(2) ความร้อนที่น้ำ 0 องศาเซลเซียส รับเข้าไปเพื่อทำให้มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 100 องศาเซลเซียส คำนวณได้ดังนี้จากสูตร    Q = mcDt     เมื่อ     m = มวลของน้ำ=10 g    
c = ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ= 1 cal/g×°C       Dt = 100 °C  
แทนค่า      Q = 10 x 1 x 100 = 1000 cal
(3) ความร้อนที่น้ำ 100 องศาเซลเซียส ใช้ในการเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำที่ 100 องศาเซลเซียส คำนวณได้ดังนี้จากสูตร       Q = mL        เมื่อ    m = มวลของน้ำ = 10 g       L = ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของน้ำ = 540 cal/gแทนค่า           Q = 10 x 540 = 5400 cal
ดังนั้นค่าพลังงานรวมทั้งสิ้น = 800 + 1000 + 5400  = 7200 cal = 7.2 kcal   จากตัวอย่าง เป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความร้อน
ตัวอย่าง ไอน้ำ 20 กรัม ที่ 100 องศาเซลเซียส ทำให้เป็นน้ำแข็ง 0 องศาเซลเซียส ทั้งหมด 20 กรัม จะคายพลังงานเท่าใด
วิธีคิด
(1) ความร้อนที่ไอน้ำ 20 กรัม คายพลังงานออกมาเพื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำที่ 100 องศาเซลเซียส คำนวณได้ดังนี้จากสูตร   Q = mL
เมื่อ   m =20 g             L = 540 cal/g
แทนค่า ไอน้ำคายความร้อนแฝง      = 20 x 540 = 10800 cal
(2) ความร้อนที่น้ำ 20 กรัม อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส คายความร้อนอกมากลายเป็นน้ำที่ 0 องศาเซลเซียส คำนวณได้ดังนี้จากสูตร     Q = mcDt      เมื่อ    m = มวลของน้ำ =20 g                   
c = ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ = 1 cal/g×°C   Dt = 100 °C (เป็นอุณหภูมิเปลี่ยนจาก 0 °C เป็น 100 °C)แทนค่า น้ำคายความร้อน   = 20 x 1 x 100 = 2000 cal
(3) ความร้อนที่น้ำ  20 กรัม อุณหภูมิ  0 องศาเซลเซียส คายออกมาทำให้เป็นน้ำแข็งที่ 0  องศาเซลเซียส คำนวณได้ดังนี้  จากสูตร   Q = mLเมื่อ        
m = มวลของน้ำ = 20 g          L = ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว = 80 cal/g
แทนค่า Q = 20 x 80 = 1600 cal
ดังนั้นค่าพลังงานรวมทั้งสิ้น = 10800 + 2000 + 1600   = 14400 cal      = 14.4 kcal

จากตัวอย่างเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทคายความร้อน ซึ่งนำมาเขียนกราฟสรุปความสัมพันธ์ระหว่างเวลากับอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของน้ำ ได้ดังนี้

            จากกราฟของการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความร้อนและคายความร้อน นักเรียนจะสังเกตเห็นว่าเส้นกราฟที่ได้เมื่อเวลาผ่านไปมีลักษณะกลับกัน
จากการศึกษากิจกรรมเรื่องการเปลี่ยนสถานะของน้ำแสดงให้เห็นว่าความร้อนทำให้สารเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ เช่น เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะหรือเปลี่ยนอุณหภูมิ
 นอกจากที่กล่าวมาแล้วพลังงานความร้อนยังมีผลต่อการเกิดการเปลี่ยนแปลงของสารอีกหลายประการ เช่น การจุดไม้ขีดไฟ การเผากระดาษ ซึ่งเป็นการรวมตัวของสารเชื้อเพลิง
กับก๊าซออกซิเจน เกิดเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ หากมีการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ แต่ถ้าหากมีการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์จะเกิดก๊าซคาร์บอนมอนนอกไซด์ แล้วสารเดิมจะ
เปลี่ยนเป็นธาตุคาร์บอน แสดงว่าพลังงานความร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้
               

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น