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
กรณีที่ 1 การคำนวณหาค่าปริมาณความร้อนที่ทำให้สารเปลี่ยนสถานะโดยอุณหภูมิคงที่ คำนวณได้จากสูตร Q = mL
เมื่อ Q คือ ปริมาณความร้อนหรือค่าความร้อนแฝงที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ มีหน่วยเป็นแคลอรีหรือกิโลแคลอรี
m คือมวลของสาร มีหน่วยเป็นกรัมหรือกิโลกรัม
L คือ ความร้อนแฝงจำเพาะของสาร มีหน่วยเป็นแคลอรีต่อกรัมหรือกิโลแคลอรีต่อกิโลกรัม
กรณีที่ 2 การคำนวณหาปริมาณความร้อนโดยที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง คำนวณได้จากสูตร Q = msDt
เมื่อ Q คือ ปริมาณความร้อนที่สารได้รับ มีหน่วยเป็นแคลอรี
m คือ มวลของสาร มีหน่วยเป็นกรัม
s คือ ความจุจำเพาะของสาร มีหน่วยเป็นแคลอรีต่อกรัม×องศาเซลเซียส (น้ำใช้สัญลักษณ์ c แทนค่าความจุจำเพาะของน้ำ) ของน้ำแข็ง และ ไอน้ำ คือ ประมาณ 0.5)
Dt คือ อุณหภูมิของน้ำที่เปลี่ยนไป มีหน่วยเป็นองศาเซลเซียส
ในช่วงหมายเลข 1 กับหมายเลข 3 สถานะเปลี่ยนแต่อุณหภูมิไม่เปลี่ยน ส่วนในช่วงหมายเลข 2 อุณหภูมิเปลี่ยนแต่สถานะไม่เปลี่ยน นักเรียนจะได้ศึกษาการคำนวณหาค่าพลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากตัวอย่างต่อไปนี้
ตัวอย่าง 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