ระบบและการเปลี่ยนแปลงของสาร

          ระบบ (system) หมายถึง สิ่งที่อยู่ภายในขอบเขตที่ต้องการศึกษา การกำหนดองค์ประกอบของระบบ ขึ้นอยู่กับจุดมุ่งหมายของการศึกษา ซึ่งต้องกำหนดหรือระบุให้ชัดเจน

          สิ่งแวดล้อม (environment) หมายถึง สิ่งต่างๆ ที่อยู่นอกขอบเขตที่ต้องการศึกษา ตัวอย่างการกำหนดองค์ประกอบของระบบ เช่น การศึกษาการละลายของน้ำตาลทรายในน้ำ โดยสารละลายน้ำตาลทรายจะเป็นระบบ ส่วนบีกเกอร์ ภาชนะ และแท่งแก้วจัดเป็นสิ่งแวดล้อม

          ภาวะของระบบ หมายถึง สมบัติต่าง ๆ ของสาร และปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของระบบ เช่น ความดันบรรยากาศ อุณหภูมิ ปริมาณของสาร  เมื่อระบบเกิดการเปลี่ยนแปลงแล้วจะมีการถ่ายเทพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม ดังนี้

          ก. ระบบที่มีการเปลี่ยนแปลงประเภทคายความร้อน คือ ระบบที่เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงแล้ว ระบบจะถ่ายเทความร้อนให้แก่สิ่งแวดล้อม  ทำให้สิ่งแวดล้อมร้อนขึ้น

          ข. ระบบที่มีการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความร้อน คือ ระบบที่เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงแล้ว ระบบจะดูดความร้อนจะสิ่งแวดล้อมทำให้สิ่งแวดล้อมนั้นเย็นลง

          -  ประเภทของระบบ

          การเปลี่ยนแปลงพลังงานระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม จะใช้การถ่ายเทมวลของสารเป็นเกณฑ์ในการแบ่งประเภทของระบบ ดังนี้

          -  ระบบเปิด (open system) หมายถึง ระบบที่มีการถ่ายเทมวลให้กับสิ่งแวดล้อม

          -  ระบบปิด (close system) หมายถึง ระบบที่ไม่มีการถ่ายเทมวลให้กับสิ่งแวดล้อม

          -  ระบบโดดเดี่ยว ( lone system) หมายถึง ระบบที่ไม่มีการถ่ายเทมวลและพลังงานให้กับสิ่งแวดล้อม

      ที่มา : http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/State&Changing.htm

-  การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ  มี 2 ประเภท คือ

1. การเปลี่ยนแปลงประเภทคายความร้อนหรือประเภทคายพลังงาน คือ การเปลี่ยนแปลงที่ระบบคายพลังงานให้แก่สิ่งแวดล้อม เนื่องจากระบบมีอุณหภูมิสูงกว่าสิ่งแวดล้อม จึงถ่ายเทพลังงานจากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อม เช่น การละลายของโซดาไฟในน้ำ อุณหภูมิของสารละลายสูงขึ้น จึงถ่ายเทพลังงานให้กับสิ่งแวดล้อม เพื่อทำให้อุณหภูมิของระบบลดลงจนอุณหภูมิของระบบเท่ากับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม      
2. การเปลี่ยนแปลงประเภทดูดความร้อนหรือประเภทดูดพลังงาน คือ การเปลี่ยนแปลงที่ระบบดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อม เนื่องจากระบบมีอุณหภูมิต่ำกว่าสิ่งแวดล้อม ระบบจะปรับตัวโดยดูดพลังงานความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่ระบบ เพื่อทำให้อุณหภูมิของระบบเท่ากับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม เช่น การละลายของเกลือแกงในน้ำ อุณหภูมิของสารละลายต่ำลง จึงดูดพลังงานเข้าสู่ระบบ เพื่อทำให้อุณหภูมิของระบบสูงขึ้นจนอุณหภูมิของระบบเท่ากับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม

ภาพ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ

          ที่มา : http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/State&Changing.htm

-  การเปลี่ยนสถานะของสาร

          สารต่างๆ อาจอยู่ในสถานะก๊าซ ของเหลว หรือของแข็งก็ได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของสาร สารแต่ละชนิดจะมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่างกัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติเฉพาะตัวของสาร การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงสถานะของสาร โดยที่พิจารณาตามหลักการ ดังภาพ

ภาพ การเปลี่ยนแปลงสถานะ
ที่มา อนุสิษฐ์ เกื้อกูล

          - การเปลี่ยนแปลงของสารจากสถานะของแข็งเป็นของเหลว เรียกว่า การหลอมเหลว อุณหภูมิขณะนั้นจะคงที่เรียนกว่า จุดหลอมเหลว

          - การเปลี่ยนสถานนะของสารจากของเหลวกลายเป็นไอ เรียกว่า การเดือด อุณหภูมิขณะนั้นจะคงที่เรียกว่า จุดเดือด

          -  พลังงานกับการเปลี่ยนแปลงของระบบ  การเปลี่ยนแปลงของสารมี 3 ลักษณะ คือ การเปลี่ยนสถานะ , การละลาย และการเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยการเปลี่ยนแปลงของสารจะ เกี่ยวข้องกับพลังงานดังต่อไปนี้

1. พลังงานกับการเปลี่ยนสถานะ

          การเปลี่ยนสถานะของสารเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ การเปลี่ยนสถานะของสารอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดพลังงานหรือคายพลังงาน ดังภาพ

ภาพ การเปลี่ยนสถานะของสารเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ

          ที่มา : http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/State&Changing.htm

          เมื่อสารได้รับความร้อนขณะที่มีการเปลี่ยนสถานะ อุณหภูมิของสารจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง โดยจะนำ ความร้อนที่ได้รับไปใช้เปลี่ยนสถานะ ซึ่งเรียกค่าพลังงานที่นำไปใช้ในการเปลี่ยนแปลงของสารว่า ความร้อนแฝงจำเพาะของสาร สารแต่ละชนิดจะมีค่าความร้อนแฝงจำเพาะ 2 ค่าด้วยกัน คือ

1. ค่าความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลวเป็นค่าพลังงานความร้อนที่นำมาใช้เปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว
2. ค่าความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอเป็นค่าพลังงานความร้อนที่นำไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอ

          เราสามารถหาความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของสารได้จากสมการดังต่อไปนี้

                       ΔQ = mL

          เมื่อ     ΔQ คือ ความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ มีหน่วยเป็นจูล (J)

                    m คือ มวลของสารที่เปลี่ยนสถานะ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

                    L คือ ความร้อนแฝงจำเพาะของสาร มีหน่วยเป็น จูล/กิโลกรัม (J/kg)

          ความร้อนที่ทำสารมีอุณหภูมิเปลี่ยนไป โดยสถานะของสารไม่เปลี่ยน หาได้จากสมการดังต่อไปนี้

                       ΔQ = cmΔT

          เมื่อ     ΔQ     คือ ความร้อนที่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยน มีหน่วยเป็น จูล (J)

                    m       คือ มวลของสารที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)

                    c         คือ ความจุความร้อนจำเพาะของสาร มีหน่วยเป็น จูล/กิโลกรัมเคลวิน (J/kg K)

               ΔT     คือ อุณหภูมิที่เปลี่ยนไป มีหน่วยเป็น เคลวิน (K)

แหล่งที่มา

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐาน  วิทยาศาสตร์ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2 .    กรุงเทพฯ : 
          โรงพิมพ์คุรุสภาลาดพร้าว , 2545

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม  เคมี เล่ม 2 .    กรุงเทพฯ : 
          โรงพิมพ์คุรุสภาลาดพร้าว , 2545

พลังงานกับการละลายในการละลายและการเกิดปฏิกิริยาเคมี

 พลังงานกับการละลายในการละลาย

          เมื่อสารเกิดการละลายจะเกี่ยวข้องกับพลังงานทุกขั้น การละลายมี 2 ขั้นตอน ดังนี้
          ก. อนุภาคของแข็งแยกตัวออกเป็นอนุภาคเล็ก ๆ ของแข็งมีจำนวนมากมายอยู่รวมกันโดยมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน การแยกอนุภาคของแข็งออกจากเป็นอนุภาคเล็ก ๆ ต้องใช้พลังงาน (ดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อม) พลังงานนี้เรียกว่า " พลังงานแลตทิซ " (Lattice Energy) 

          ข. อนุภาคเล็ก ๆ ของของแข็งรวมตัวกับอนุภาคของเหลว เมื่อของแข็งแยกตัวออกเป็นอนุภาคเล็ก ๆ แล้ว อนุภาคเล็ก ๆ เหล่านี้จะกระจาย แทรกตัวอยู่ระหว่างอนุภาคของเหลว ทำให้อนุภาคเล็ก ๆ สร้างแรงยึดเหนี่ยวกับอนุภาคของเหลว การสร้างแรงยึดเหนี่ยวจะเกิดการคายพลังงานซึ่งพลังงานนี้เรียกว่า 

" พลังงานโซลเวชัน " Solvation Energ ) ถ้าของเหลวที่เป็นตัวทำละลายคือ น้ำ พลังงานนี้เรียกว่า      

" พลังงานไฮเดรชัน " (Hydration Energy)

          ผลการละลายน้ำของสารมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานแบบใดจะต้องพิจารณาจากพลังงานแลตทิซ และพลังงานไฮเดรชัน ดังนี้

1. การเปลี่ยนแปลงแบบดูดความร้อนเมื่อพลังงานแลตทิซมากกว่าพลังงานไฮเดรชัน เช่น การละลายน้ำของโพแทสเซียมไนเตรด
2. การเปลี่ยนแปลงแบบคายความร้อน เมื่อพลังงานไฮเดรชันมากกว่าพลังงานแลตทิซ เช่น การละลายน้ำของโซเดียมไฮดรอกไซด์ 
3. พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

          เมื่อสารเกิดปฏิกิริยาเคมีจะต้องมีสารใหม่เกิดขึ้นทุกครั้ง วิธีพิจารณาสารใหม่ให้สังเกตการเปลี่ยนสี  กลิ่น และสิ่งใหม่ที่เกิดขึ้น เช่น ฟองก๊าซ , ตะกอน หรือควัน เป็นต้น การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะต้องเกิด 2 ขั้นตอนเหมือนกับการละลายคือ
          ขั้นที่ 1 ต้องสลายแรงยึดเหนี่ยวของสารตั้งต้น ( สารเดิม ) ซึ่งจะต้องใช้พลังงาน ( ดูดพลังงาน ) แยกอนุภาคของสารออกจากกัน
          ขั้นที่ 2 อนุภาคที่แยกตัวออกมาจะสร้างแรงยึดเหนี่ยวใหม่กับอนุภาคอื่น ซึ่งต้องคายพลังงานออกมาด้วย
          ซึ่งปฏิกิริยาเคมีที่พลังงานขั้นที่ 1 มากกว่าขั้นที่ 2 จะเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบดูดความร้อน เช่น ปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนียมคลอไรด์  ( NH₄Cl ) กับ แคลเซียมไฮดรอกไซด์ ( Ca ( OH )₂ ) แต่ถ้าปฏิกิริยาเคมีที่พลังงานขั้นที่ 1 น้อยกว่าขั้นที่ 2 จะเป็นการเปลี่ยนแปลง แบบคายความร้อน เช่น ปฏิกิริยาระหว่างด่างทับทิม ( KMnO₄ ) , น้ำตาลทราย และน้ำ ปฏิกิริยาการเผาไหม้เชื้อเพลิง เป็นต้น

พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยาพลังงานเคมี (Chemical energy)
          เป็นพลังงานศักย์ที่แฝงอยู่ในโครงสร้างของสาร เช่น อยู่ในรูปของน้ำมันเชื้อเพลิง ไขมันซึ่งเมื่อเกิดการเผาไหม้จะปล่อยพลังงานเคมีออกมาและนำมาใช้ประโยชน์ได้พลังงานเคมีเป็นพลังงานที่มีส่วนเกี่ยวข้องและสำคัญกับสิ่งมีชีวิตมาก
 ในการเกิดปฏิกิริยาของสารแต่ละปฏิกิริยานั้น ต้องมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี 2 ขั้นตอน ดังนี้
ขั้นที่ 1 เป็นขั้นที่ดูดพลังงานเข้าไปเพื่อสลายพันธะในสารตั้งต้น
ขั้นที่ 2 เป็นขั้นที่คายพลังงานออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์

1.ปฏิกิริยาดูดความร้อน ( Endothermic reaction)

        เป็นปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปสลายพันธะมากกว่าที่คายออกมา เพื่อสร้าง พันธะ โดยในปฏิกิริยาดูดความร้อนนี้สารตั้งต้นจะมีพลังงานต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ จึงทำให้สิ่งแวดล้อมเย็นลง อุณหภูมิลดลง เมื่อเอามือสัมผัสภาชนะจะรู้สึกเย็น ดังภาพ

.

แผนภูมิพลังงานของปฏิกิริยาดูดความร้อน

ที่มา : http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/231/ra_clip_image002_0000...

2.ปฏิกิริยาคายความร้อน ( Exothermic reaction)

เป็นปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปสลายพันธะน้อยกว่าที่คายออกมาเพื่อสร้าง พันธะ โดยในปฏิกิริยาคายความร้อนนี้สารตั้งต้นจะมีพลังงานสูงกว่าผลิตภัณฑ์ จึงให้พลังงานความร้อนออกมาสู่สิ่งแวดล้อมทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นเมื่อเอามือสัมผัสภาชนะจะรู้สึกร้อน ดังภาพ

แผนภูมิพลังงานของปฏิกิริยาคายความร้อน

ที่มา : http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/231/ra_clip_image004_0000... 

แหล่งที่มา

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม เคมี เล่ม 3 .    กรุงเทพฯ : 
         โรงพิมพ์คุรุสภาลาดพร้าว , 2545

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม  เคมี เล่ม 1 .    กรุงเทพฯ : 
         โรงพิมพ์คุรุสภาลาดพร้าว , 2545