ของแข็ง ของเหลว แก๊ส

ของแข็ง

สมบัติของของแข็ง

           1. ปริมาตรคงที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดภาชนะที่บรรจุ
           2. มีรูปร่างคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามรูปร่างของภาชนะ
           3. อยู่ชิดติดกันอย่างมีระเบียบ
           4. สามารถระเหิดได้

โมเลกุลของสารในสถานะของแข็งจะอยู่ชิดกันมาก ของแข็งจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูงกว่าในสถานะของเหลว ทำให้ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรแน่นอน ไม่เปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ โมเลกุลของของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แตก็มีการสั่นสะเทือนอยู่ตลอดเวลา

การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง

1. การหลอมเหลว (melting) คือ กระบวนการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิหนึ่งขณะที่ของแข็งหลอมเหลวอุณหภูมิจะคงที่เรียกว่า จุดหลอมเหลวของแข็งบริสุทธิ์ต่างชนิดกันมีจุดหลอมเหลวต่างกันเพราะของแข็งแต่ละชนิดมีแรงยึดเหนี่ยวแตกต่างกันและจุดหลอมเหลวเป็นสมบัติเฉพาะตัวของสารที่เป็นของแข็ง

2. การระเหิด (sublimation) คือ กระบวนการที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นไอ โดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นของเหลวก่อน ส่วนมากของแข็งที่ระเหิดได้เป็นของแข็งที่อนุภาคมีแรงยึดเหนี่ยวกันน้อยเช่นลูกเหม็น (แนพทาลีน) การบูร ไอโอดีน น้ำแข็งแห้ง(co2(s))

ปัจจัยที่มีผลต่อการระเหิดของของแข็ง

1. อุณหภูมิ ณ อุณหภูมิสูงของแข็งระเหิดได้มากกว่าที่อุณหภูมิต่ำ

2. พื้นที่ผิวของของแข็ง ของแข็งที่มีพื้นที่ผิวหน้ามากจะเหิดได้ดีกว่า ของแข็งที่มีพื้นที่ผิวหน้าน้อย

3. แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค ของแข็งใดมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคน้อยจะระเหิดได้จ่าย แต่ถ้ามีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมากขึ้นจะระเหิดได้ช้า

การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง

ธาตุต่างๆ บางชนิดในธรรมชาติจะมีการจัดเรียงตัวของอะตอมในรูปของโมเลกุลได้หลายรูปแบบ เราเรียกว่าอัญรูป (allotrope) ของธาตุเช่นกำมะถันมีโครงสร้างผลึกเป็นรอมบิก (rhombic) และมอนอคลินิก(monoclinic)การที่สารสามารถเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบหนึ่งไปอีกแบบหนึ่งได้ภายใต้ภาวะอุณหภูมิ และความดันค่าหนึ่ง เราเรียกอุณหภูมินี้ว่า จุดแทรนซิชัน (transition point)

การเปลี่ยนแปลงอัญรูปของกำมะถัน

กำมะถันมีหลายอัญรูป ได้แก่ รอมบิก (ออร์โทรอมบิก มอนอคลินิก พลาสติก)   กำมะถันรอมบิก (s) มีสูตรโมเลกุลเป็น s8 ประกอบด้วยกำมะถัน 8 อะตอมต่อกันด้วยพันธะโควเวเลนต์ เป็นวง 8 เหลี่ยมรูปมงกุฎ ไม่ละลายน้ำแต่ละลายในคาร์บอนไดซัลไฟต์ หรือ โทลูอีน

เมื่อนำมาให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 113 c แต่ถ้าให้ความร้อนอย่างช้าๆจะเกิด การเปลี่ยนแปลงเป็นกำมะถันมอนอคลินิก ที่อุณหภูมิ 96 c ซึ่งมีจุดหลอมเหลว 119 c มีสูตรโมเลกุล s เหมือนกำมะถันรอมบิก เมื่อหลอมเหลวจะกลายเป็นของเหลวสีเหลืองแต่ไหลได้ดี ถ้าให้ความร้อนต่อไป จนอุณหภูมิสูงถึง 160 c วงs จะแตกออกเป็นสายยาวมีลักษณะข้นเหนียวและมีสีเข้มข้นมีสูตรโครงสร้าง เมื่ออุณหภูมิ 2000 c วงกำมะถัน จะแตกออกหมดต่อกันเป็นสายาวหรืออาจม้วนพันกันไปมากกลายไปมากลายเป็นของเหลวสีเข้มข้นและเหนียว

ถ้าเทลงน้ำเย็นทันทีเพื่อให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจะได้กำมะถันพลาสติกซึ่งประกอบด้วยสายโซ่กำมะถันขดเป็นเกลียวแบบก้นหอยแต่ไม่เสถียร มีลักษณะเป็นก้อนแข็งเหนียวไม่ละลายในตัวทำละลายในตัวทำละลายทุกชนิด หลังจากนั้นกำมะถันพลาสติกจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกำมะถันรอมบิกที่อุณหภูมิห้อง แต่ถ้าไม่เทกำมะถันลงในน้ำเย็นโดยให้ความร้อนต่อไปกำมะถันเหลวจะมีความเหนียวลดลงเพราะสายกำมะถันมีขนาดสั้นลงจนถึงอุณหภูมิ 444.6 c จึงเดือดกลายเป็นไอสีน้ำตาลไปของกำมะถันจะประกอบด้วยโมเลกุลของ s8 ,s4 , s2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ   ลักษณะผลึกของกำมะถัน กำมะถันรอมบิกจะเป็นผลึกรูปเหลี่ยมสีเหลือง ส่วนกำมะถันมอนอคลินิกมีลักษณะเป็นผลึกรูปเข็ม

อัญรูปของฟอสฟอรัส ที่สำคัญมี 3 ชนิด คือ ฟอสฟอรัสขาว,แดงและดำ

ฟอสฟอรัสขาว  มีลักษณะนิ่มคล้ายขี้ผึ่งสีขาวมีสูตรโมเลกุลเป็น P4 รูปร่างเป็นทรงสีหน้าแต่ไม่มีอะตอมกลางมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลอย่างอ่อนทำให้มีจุดหลอมเหลวต่ำและระเหยง่ายแม้ที่อุณหภูมิห้องมีความเป็นพิษสูง และถูกออกซิไดส์โดยออกซิเจนในอากาศได้ง่าย แล้วกลายเป็นสีขาวขุ่น แต่ถ้าเก็บไว้ในบรรยากาศของแก๊สเฉื่อยและไม่โดนแสงจะไม่ขุ่น โดยทั่วไปจะไปเก็บรักษาโดยการจุ่มไว้ในน้ำ สามารถลุกติดไฟได้เองที่อุณหภูมิห้องที่สูง 40 - 45 c แล้วเกิดสารประกอบออกไวด์ขึ้น ไม่ละลายน้ำแต่ละลายใน CS₂,C₆H₆ หรือตัวทำละลายอินทรีย์

ฟอสฟอรัสแดง  คือ พอลิเมอร์ของฟอสฟอรัสขาว เกิดจากการนำฟอสฟอรัสขาวมาเผาหรือทิ้งไว้นานๆเป็นผงสีแดงแก่ ไม่ละลายใน CS₂หรือตัวทำละลายอินทรีย์ใดๆไม่ระเหย ไม่เป็นพิษและไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาไม่สามรถลุกไหม้ได้เองที่อุณหภูมิต่ำกว่า 240 c สามารถระเหิดได้ที่อุณหภูมิประมาณ 420 c มีโครงสร้างแบบโครงตาข่าย ใช้ทำผิวกล่องไม้ขีดไฟ

ฟอสฟอรัสดำ  มีโครงร้างและสมบัติคล้ายแกรไฟต์ คือ เป็นของแข็งสีเทาแก่มีเงาโลหะเป็นแผ่นสามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ โครงสร้างเป็นแผ่นๆ คล้ายแกรไฟต์ อะตอมของฟอสฟอรัสในชั้นเดียวกันต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ แต่ชั้นของฟอสฟอรัสดำไม่แบนราบแต่มีการหยักขึ้นลง ฟอสฟอรัสดำเป็นอัญรูปที่เสถียรที่สุดของฟอสฟอรัส การเตรียมฟอสฟอรัสดำทำได้โดยนำฟอสฟอรัสขาวมาให้ความร้อนโดยใช้อุณหภูมิและสูง ถ้าอุณหภูมิสูงเกิน 450 C หรือทิ้งไว้นานๆ สามารถเปลี่ยนเป็นฟอสฟอรัสแดงซึ่งเป็นรูปอัญรูปที่เสถียรที่สุด

ชนิดของผลึก
ผลึกของของแข็ง แบ่งเป็น 4 ชนิด คือ

1. ผลึกไอออนิก (Ionic crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกและไอออนลบเรียงตัวสลับกันไปในลักษณะสามมิติ แข็งแต่เปราะ มีจุดหลอมเหลวแลจุดเดือดสูง ขณะเป็นของแข็งไม่นำไฟฟ้าแต่เมื่อหลอมเหลวหรืออยู่ในรูปสารละลายจะสามารถนำไฟฟ้าได้ ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ ได้แก่ สารประกอบออกไซด์ของโลหะหมู่ 1 และหมู่ 2 เกลือเฮไลด์ของโลหะ

2. ผลึกโมเลกุล (Molecular crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้อาจเป็นอะตอมหรือโมเลกุล แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคอาจเป็นแรงดึงดูดระหว่างขั้วของโมเลกุล หรือเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ ผลึกประเภทนี้ค่อนข้างอ่อนหรือนิ่ม เช่น ผลึกของไอโอดีน

3. ผลึกโคเวเลนต์ร่างตาข่าย (Covalent crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นอะตอม มีการยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น เพชร อะตอมองค์ประกอบแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวกับอะตอมข้างเคียงสีอะตอมด้วยพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรง ผลึกประเภทนี้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงมาก มีความดันไอต่ำ และไม่ละลายตัวในสารละลายใดๆ ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ คือ เพชร และแกรไฟต์

4. ผลึกโลหะ(Metallic crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกที่อยู่ท่ามกลางเวเลนต์อิเล็กตรอนแต่ละอิเล็กตตรอนเคื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งก้อนของโลหะผลึกประเภทนี้มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง ดึงให้เป็นแผ่นและตีเป็นเส้นได้ง่าย ตตัวอย่าง โลหะโดยทั่วไป เช่น เหล็ก เงิน และทองคำ เป็นต้น

การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ
ระบบคือ สิ่งต่างๆ ที่อยู่ภายในขอบเขตที่ต้องการศึกษา 
สิ่งแวดล้อม คือ สิ่งต่างๆ ที่อยู่นอกขอบเขตที่จะศึกษา สิ่งแวดล้อมมีความเกี่ยวข้องกับระบบ
ภาวะของระบบ คือ สมบัติต่างๆ ของระบบกับปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของระบบ เช่น มวล อุณหภูมิ ปริมาณ ความดัน

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับระบบ

หมายถึง การเปลี่ยนแปลงสมบัติข้อใดข้อหนึ่ง ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงมวล ปริมาณ ความดัน และชนิดของสารในระบบ

พลังงาน

 คือ ความสามารถในการทำงาน มีหลายรูป ได้แก่ พลังงาน ความร้อน แสง ไฟฟ้า พลังงานจลน์ พลังงานศักย์ พลังงานเคมี 

การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ มี 2 ประเภท
1. การเปลี่ยนแปลงแบบดูดพลังงาน
           

คือ การเปลี่ยนแปลงที่ระบบดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู้ระบบ ทำให้ระบบมีพลังงานเพิ่มขึ้น ถ้าสัมผัสกับระบบจะรู้สึกเย็น อุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมจะต่ำกว่าเดิม เช่น การระเหยของแอลกอฮอล์บนผิวหนัง การเปลี่ยนแปลงแบบดูดพลังงาน สามารถเขียนด้วยสมาการดังนี้   สารตั้งต้น + พลังงาน ผลิตภัณฑ์

HF(g) + 600kJ  ------> 1/2H₂(g) + 1/2F₂(g)

2. การเปลี่ยนแปลงแบบคายพลังงาน

    คือ การเปลี่ยนแปลงที่ระบบคายพลังงานไปสู่สิ่งแวดล้อม จะทำให้ระบบมีพลังงานต่ำลง ถ้าสัมผัสกับระบบจะรู้สึกร้อน อุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมจะสูงขึ้น เช่น การลุกไหม้ของเทียนไข การเปลี่ยนแปลงพลังงาน สามารถเขียนด้วยสมาการดังนี้  สารตั้งต้น ผลิตภัณฑ์ + พลังงาน

4HCL(g) +O₂(g) ------> 2H₂O (l) + 2CL₂(g) + 148.4kJ

สถานะของสาร
            สารโดยทั่วไป สามารถจำแนกได้ตามสถานะออกเป็นก๊าช ของเหลว และของแข็งซึ่งมีสมบัติแตกต่างกัน ดังนี้   สถานะของสาร มี 3 สถานะ

            1. ก๊าซ (gas) คือสารที่มีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่บรรจุ ก๊าชมีรูปร่างและปริมาณเท่ากับภาชนะที่บรรจุ เพราะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยมากจึงฟุ้งกระจายได้เต็มภาชนะและมีความหนาแน่นต่ำ เช่น ก๊าชออกซิเจน ก๊าชคาร์บอนไดออกไซด์

            2.ของเหลว ( liquid ) หมายถึงสารที่มีลักษณะไหลได้ มีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุเนื่องจากอนุภาคในของเหลวอยู่ห่างกันมากกว่าของแข็ง อนุภาคไม่ยึดติดกันจึงสามารถเคลื่อนที่ได้ในระยะใกล้ และมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน มีปริมาตรคงที่ สามารถทะลุผ่านได้ เช่น น้ำ แอลกอฮอล์ น้ำมันพืช น้ำมันเบนซิน เป็นต้น

            3. ของแข็ง (solid) คือ สารที่มีรูปร่างและปริมาตรที่แน่นอน ไม่เปลี่ยนแปลงตามภาชนะ อนุภาคชิดกันเป็นระเบียบ และสั่นสะเทือนอยู่ตลอดเวลา มีความหนาแน่นและแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูงกว่าของเหลวและก๊าซ 

การเปลี่ยนสถานะของสาร

    การเปลี่ยนสถานะของสาร มีหลายลักษณะ เช่น เปลี่ยนจาก ของแข็งเป็นของเหลว เรียกว่า การหลอมเหลว เปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็ง เรียกว่า การแข็งตัว เปลี่ยนจากของเหลวเป็นแก๊ส เรียก การกลายเป็นไอ เปลี่ยนจากแก็สเป็นของเหลว เรียกว่า การควบแน่น เปลี่ยนจากของแข็งเป็นแก๊ส เรียกว่า การระเหิดและเปลี่ยนจากแก๊สเป็นของแข็ง เรียกว่า Deposition    การเปลี่ยนแปลงทุกแบบจะมีพลังงานเปลี่ยนควบคู่กันไปด้วย ไม่เป็นดูดความร้อนก็จะเป็นคายความร้อน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

พลังงานกับการเปลี่ยนสถานะ

สารทุกชนิดสามารถดำรงได้ทั้ง 3 สถานะ ขึ้นอยู่กับสภาวะที่สารดำรงอยู่โดยทั่วไป สารสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งได้ ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อนดังนี้
           

ของแข็งบริสุทธิเมื่อได้รับพลังงานความร้อน จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนถึงอุณหภูมิหนึ่งที่ของแข็งเริ่มเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว อุณหภูมิขณะนั้นคือจุดหลอมเหลวของสาร ขณะที่ของแข็งหลอมเหลวเป็นของเหลวทั้งหมดใช้พลังงานความร้อนแฝง เรียกว่า ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว อุณหภูมิจึงคงที่ เมื่อของเหลวได้รับพลังงานความร้อนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิจะสูงขึ้นอีก จนถึงอุณหภูมิหนึ่งที่เหลวเริ่มเปลี่ยนสถานะเป็นไอ อุณหภูมิขณะนั้นคือ จุดเดือดของสาร ขณะที่ของเหลวกลายเป็นไอทั้งหมด จะใช้พลังงานความแฝงเช่นเดียวกัน เรียกว่า ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ ดังนั้น ในการเปลี่ยนสถานจากแข็งเป็นของเหลวเป็นไอ เป็น กระบวนการดูดพลังงานทุกขั้นตอน ในทางตรงกันข้าม เมื่อไอควบแน่นเป็นของเหลว และของเหลวเป็นไอ เป็นกระบวนการดูดพลังงานทกขั้นตอน ในทางตรงกันข้าม เมื่อไอควบแน่นเป็นของเหลว และของเหลวควบแน่นเป็นของแข็ง จึงเป็น กระบวนการคายพลังงานทุกขั้นตอน

ของเหลวทั่วไปมีสมบัติดังนี้

ก. ปริมาตรและรูปร่าง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวมีมากพอที่จะกีดกันไม่ให้โมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่ไปได้มากภายในปริมาตรที่กำหนดให้ แต่แรงดึงดูดนี้ไม่มากพอที่จะยึดเหนี่ยวให้โมเลกุลของของเหลวอยู่ประจำที่ โมเลกุลหนึ่งจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านโมเลกุลอื่นๆ ได้ เป็นเหตุให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าของเหลวไหลได้ ดังนั้นของเหลวจึงมีปริมาตรที่แน่นอน แต่ไหลได้ และมีรูปร่างขึ้นกับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุของเหลวนั้น
        ข. การถูกอัดและการขยายตัว ดังได้กล่าวมาแล้วว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวทำให้โมเลกุลของของเหลวอยู่ใกล้กัน การเพิ่มความดันจึงมีผลน้อยมากต่อปริมาตรของของเหลว เพราะช่องว่างโมเลกุลของของเหลวมีน้อยมาก ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่าของเหลวไม่ถูกอัดให้เปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ ในทำนองเดียวกันการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของของเหลวเปลี่ยนแปลงได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น (เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีของแก๊ส) เช่น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลมีพลังงานโดยเฉลี่ยเพิ่มขึ้น เป็นเหตุให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น แต่ก็เพิ่มได้ไม่มากนัก เพราะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลทำหน้าที่คอยต่อต้านอยู่
          ค. การแพร่ ทำนองเดียวกับแก๊ส โมเลกุลของของเหลวแพร่ได้ ถ้านำของเหลวสองชนิดที่สามารถละลายในกันและกันมาผสมกันโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวชนิดหนึ่งจะแพร่กระจายไปทั่วระหว่างโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวอีกชนิดหนึ่ง แต่อัตราของการแพร่ของของเหลวช้ากว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับอัตราการแพร่ของโมเลกุลของแก๊ส แต่จะเร็วกว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับของแข็ง

การแพร่ของโมเลกุลของของเหลวเห็นได้ชัดโดยหยดหมึกสีน้ำเงินสัก 2 – 3 หยดลงไปในน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 8.1 จะพบว่าหมึกที่หยดลงไปในน้ำค่อยๆ แพร่กระจายออก จนในที่สุดน้ำในบิกเกอร์เป็นสีน้ำเงินและเข้มข้นเท่ากันโดยตลอดทั้งบิกเกอร์ แสดงว่าโมเลกุลของสีได้แพร่กระจายไปทั่วโมเลกุลของน้ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวอยู่ใกล้กันมาก เปรียบเทียบกับกรณีของโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลของของเหลวจึงชนกันบ่อยครั้งกว่ามาก เป็นเหตุให้ของเหลวแพร่ช้ากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการแพร่ของแก๊ส

ง. ความตึงผิว ถึงแม้โมเลกุลของของเหลวสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ แต่ก็มีขีดจำกัดเนื่องจากแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นๆ ที่ล้อมรอบอยู่ สมมุติของเหลวอยู่หนึ่งบิกเกอร์ โมเลกุลของของเหลวที่มีตำแหน่งอยู่ด้านในจะจับแรงดึงดูดมากที่สุดจากโมเลกุลที่อยู่ล้อมรอบ และได้รับแรงดึงดูดจากทุกทิศทางเท่าๆ กัน (ดูรูปที่ 8.2) ตรงกันข้ามโมเลกุลที่มีตำแหน่งอยู่ที่ผิวของของเหลวถูกล้อมรอบไม่ตลอดโดยโมเลกุลอื่นๆ กล่าวคือ รับแรงดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ข้างและอยู่ใต้เท่านั้น หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งอยู่โมเลกุลที่อยู่บนผิวของของเหลวถูกดึงเข้าสู่ด้านในตลอดเวลา

เนื่องจากโมเลกุลที่อยู่บนผิวได้รับแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นๆ ไม่ทั่วถึง โมเลกุลที่อยู่บนผิวจึงมีเสถียรภาพน้อยกว่าโมเลกุลที่มีตำแหน่งอยู่ด้านใน เพื่อให้ได้เสถียรภาพมากที่สุด ของเหลวจึงพยายามลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด นี่เป็นเหตุผลที่อธิบายปรากฏการณ์ตามธรรมชาติหลายอย่าง เช่น เมื่อโปรยน้ำลงบนแผ่นกระจกที่เรียบและสะอาดจะสังเกตเห็นว่าน้ำพยายามเกาะตัวเป็นหยดกลมๆ หรือหยดน้ำฝนก็เช่นกัน มีรูปร่างค่อนข้างกลม ทั้งนี้เนื่องจากทรงกลมมีพื้นที่ผิวน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการถูกแผ่กระจายออกไป (เปรียบเทียบระหว่างของเหลวชนิดเดียวกันและมีปริมาตรเท่ากัน) ในห้องปฏิบัติการก็เช่นกัน เช่นการทำไตเตรชัน เมื่อปล่อยสารละลายออกจากบิวเรตต์ (burette) อย่างช้าๆ จะสังเกตเห็นว่าหยดของสารละลายที่เกาะอยู่ที่ปลาย (tip) ของบิวเรตต์ ก่อนที่จะหยดออกมามีรูปร่างทรงกลม

งานที่จะต้องทำเพื่อขยายพื้นที่ผิวของของเหลวขึ้นกับความแรงของแรงดึงดูดของ โมเลกุลที่อยู่ข้างและอยู่ใต้ งาน นี้เรียกว่า ความตึงผิว (surface tension) ของของเหลว ถ้า โมเลกุลของของเหลวถูกดึงดูดมากโดยโมเลกุลที่อยู่ข้างและอยู่ใต้ของเหลวนั้นย่อมมีความตึงผิวสูงความตึงผิวของของเหลวขึ้นกับอุณหภูมิด้วย ถ้าเพิ่มอุณหภูมิ (ทำให้โมเลกุล ต่างๆ มีพลังงานจลน์สูงขึ้น) จะทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลลดลงความตึงผิวของของเหลวจะลดลงด้วย

ความตึงผิว (surface tension) ของของเหลวคือ แรง หรือพลังงาน ต่อตารางเซนติเมตรที่ ต้องใช้เพิ่มพื้นที่ผิวของของเหลวนั้นความตึงผิวจะมีค่าสูงถ้าของเหลวนั้นมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมาก ความตึงผิวลดลงถ้าเพิ่ม อุณหภูมิ

จ. การระเหย เนื่องจากโมเลกุลเคลื่อนที่และชนกัน (collision) การชนกันทำให้บางโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง (มีพลังงานสูง) บ้างก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ (มีพลังงานต่ำ) เป็นผลให้เกิดการแจกแจง (distribution) ของอัตราการเคลื่อนที่หรือพลังงานของโมเลกุล ดังแสดงในรูป 8.3 ดังนั้นถึงแม้อุณหภูมิจะต่ำ เช่น ที่อุณหภูมิห้อง จะมีโมเลกุลบางส่วนที่มีพลังงานสูง และสูงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ข้างเคียง โมเลกุลนั้นก็จะหลุดออกจากผิว เปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส ปรากฏการณ์ที่โมเลกุลหลุดออกจากของเหลวและกลายเป็นแก๊สนี้เรียกว่า การระเหย (evaporation)

อักษร E ในรูป หมายถึงพลังงานขั้นต่ำสุดที่โมเลกุลหนึ่งจะต้องมีในการเอาชนะแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นๆ ที่อยู่ข้างเคียงเพื่อระเหยเป็นไอ เนื่องจากอุณหภูมิแปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์ ดังนั้นเมื่อเกิดการะเหยขึ้น โมเลกุลที่เหลือจะมีพลังงานจลน์โดยเฉลี่ยต่ำลงเป็นเหตุให้อุณหภูมิลดต่ำลง ปรากฏการณ์นี้เห็นเป็นประจำในชีวิตประจำวัน เช่น เราจะรู้สึกเย็นลงหลังการอาบน้ำ หรือมือเราจะรู้สึกเย็นลงหลังจากการล้างมือ ทั้งนี้เนื่องจากการระเหยของน้ำนำพาความร้อนไปด้วย เมื่อน้ำระเหยจากภาชนะ ความร้อนจากสิ่งแวดล้อมจะต้องถูกดูดเข้าไปในน้ำเสมอ เพื่อทดแทนความร้อนหรือพลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากการระเหย ดังนั้นถ้าสิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิสูง ความร้อนที่ถูกดูดโดยน้ำในภาชนะย่อมเกิดเร็วขึ้น เป็นเหตุให้น้ำระเหยเร็วขึ้นในวันที่อากาศร้อนอบอ้าว เมื่อเปรียบเทียบกับวันซึ่งมีอากาศเย็น

การระเหย คือปรากฏการณ์ซึ่งโมเลกุลหลุดออกมาจากผิวของของเหลวกลายเป็นไอ เมื่อโมเลกุลนั้นมีพลังงานสูงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของโมเลกุลอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง
            มีคำศัพท์อีกคำหนึ่งคือ การกลายเป็นไอ (vaporization) ซึ่งเป็นผลของการระเหย กล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าการระเหยของของเหลวทำให้ของเหลวกลายเป็นไอ คำศัพท์สองคำนี้จึงมีความหมายคล้ายคลึงกันและมักใช้แทนกันได้ สมบัติประการหนึ่งของของเหลวที่เกี่ยวกับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ได้แก่ ความตึงผิว โมเลกุลที่อยู่ภายในของเหลวถูกดึงดูดจากโมเลกุลข้างเคียงรอบด้านเท่าๆ กัน ทุกทิศทาง แต่โมเลกุลซึ่งอยู่ที่ผิวของของเหลวถูกดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ด้านล่างและด้านข้างเท่านั้น แรงดึงดูดจากด้านบนไม่มี ที่ผิวของของเหลวจึงมีแต่แรงดึงเข้าภายใน แรงนี้พยายามดึงโมเลกุลที่ผิวจำนวนมากที่สุดที่จะมากได้ ทำให้ผิวของของเหลวหดลง โดยพยายามลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด พลังงานที่ดึงโมเลกุลที่ผิวของของเหลวเข้าภายในทำให้เกิด ความตึงผิว ถ้าโมเลกุลภายในของเหลวจะออกมาที่ผิว ก็จะต้องใช้พลังงานดึงมันขึ้นมาเป็นการต่อต้านแรงดึงเข้าภายใน หรือจะกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าจะทำให้ผิวของของเหลวขยายออกจะต้องใส่พลังงานเข้าไปเมื่อการขยายพื้นที่ผิวเป็นการใส่พลังงานเข้าไป การลดพื้นที่ผิวจึงเป็นการคายพลังงานออกมาของเหลวเข้าภายในทำให้เกิด ความตึงผิว ถ้าโมเลกุลภายในของเหลวจะออกมาที่ผิว ก็จะต้องใช้พลังงานดึงมันขึ้นมาเป็นการต่อต้านแรงดึงเข้าภายใน หรือจะกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าจะทำให้ผิวของของเหลวขยายออกจะต้องใส่พลังงานเข้าไป เมื่อการขยายพื้นที่ผิวเป็นการใส่พลังงานเข้าไป การลดพื้นที่ผิวจึงเป็นการคายพลังงานออกมาของเหลวพยายามที่จะมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะในสถานะเช่นนั้นจะมีพลังงานต่ำสุด หมายความว่าของเหลวอยู่ในสถานะที่เสถียรที่สุด

หยดกลม หยดน้ำค้างบนใบไม้ในตอนเช้าตรู่ก็มีรูปกลมเช่นเดียวกัน และถึงแม้ใช้กระจกเรียบธรรมดาไม่ฉาบขี้ผึ้งหยดน้ำก็จะแบนลงไปเท่านั้น แต่ยังเกาะกันอยู่ ไม่ถึงกับแยกออกกระจัดกระจาย ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องมาจากความตึงผิว ของเหลวพยายามหดตัวเนื่องจากแรงดึงดูดภายในให้มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด

ถ้าเราพิจารณาระดับผิวน้ำในถ้วยแก้ว จะเห็นว่าตรงขอบน้ำที่ติดกับข้างแก้วจะสูงกว่าระดับน้ำตรงกลาง ยิ่งใช้ภาชนะเล็กแคบลง เช่น หลอดแก้วเล็กๆ จะเห็นรอยเว้าลงตรงกลางได้ชัดเจน ที่เป็นเช่นนี้เพราะน้ำเปียกผิวแก้ว และโมเลกุลน้ำถูกผิวแก้วดึงดูดไว้ ขอบน้ำตรงที่สัมผัสกับแก้วจึงสูงกว่าระดับตรงกลาง และถ้าหากใช้หลอดแก้วที่มีขนาดเล็กมาที่เรียกว่าหลอดรูเล็กจุ่มลงไปในน้ำ น้ำสูงขึ้นไปในหลอดรูเล็ก การที่น้ำเปียกแก้วเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวของน้ำ แต่ความตึงผิวพยายามลดพื้นที่ผิว ดังนั้นน้ำจึงสูงขึ้นไปในหลอดจนกระทั่งน้ำหนักของน้ำส่วนที่สูงกว่าระดับนอกหลอดถ่วงดุลกันพอดีกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างน้ำกับหลอดรูเล็ก หลอดยิ่งเล็กเส้นน้ำยิ่งสูงขึ้นไป เช่น ถ้าหลอดมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 mm น้ำขึ้นไปในหลอดได้สูงถึง 14.7 cm ถ้าเอาหลอดรูเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันจุ่มลงในเบนซีนแทนน้ำปรากฏว่าเบนซีนไต่ขึ้นไปในหลอดได้สูงไม่เท่ากับน้ำ ของเหลวใดยิ่งมีความตึงผิวมากและโมเลกุลถูกดึงดูดด้วยผิวแก้วได้ ก็ยิ่งขึ้นไปได้สูงมากในหลอดรูเล็ก ในกรณีปรอทซึ่งเป็นของเหลวไม่เปียกแก้ว ไม่มีแรงดึงดูดระหว่างปรอทกับแก้ว แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลเข้าภายในเนื้อปรอทมีมากจึงดึงผิวหน้าเส้นปรอทให้โค้งลง ระดับตรงกลางสูงกว่าระดับตรงริม และทำให้ระดับของเส้นปรอทในหลอดรูเล็กต่ำกว่าระดับ ถ้ากำหนดให้มุมที่ของเหลวสัมผัสกับผนังหลอดเท่ากับ ( รูป 11.7 ) ของเหลวต่างชนิดกันให้มุม ไม่เท่ากัน สำหรับน้ำและเบนซีน มุม ต่ำกว่า กล่าวได้ว่า ค่าของ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดของของเหลวเท่านั้น หากแต่ขึ้นกับชนิดของสารที่เป็นหลอดรูเล็กด้วย เช่น เป็นหลอดแก้วหรือหลอดโลหะ ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลภายในของของเหลวน้อยกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างของเหลวกับหลอดรูเล็ก มุม น้อยกว่า ดังในกรณีของน้ำกับหลอดแก้ว แต่ถ้าหากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของเหลวมีมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างของเหลวกับหลอดรูเล็ก มุม จะมากกว่า และของเหลวนั้นไม่เปียกหลอด เช่น ปรอทกับหลอดแก้ว

นอกจากนั้น ความตึงผิวยังทำให้ผิวหน้าของเหลวดึงรั้งกันเข้ามามีลักษณะเหมือนฟิล์มบางๆ แมลงเล็กๆ อาจเดินบนผิวน้ำได้ ทั้งที่ตัวแมลงมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำโดยเหตุที่ความตึงผิวเป็นสมบัติที่เนื่องมาจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ของเหลวที่มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมากกว่าย่อมมีความตึงผิวมากกว่า สิ่งใดก็ตามที่ทำให้แรงดึงดูดนี้อ่อนกำลังลง ย่อมลดความตึงผิวลงด้วย เช่น การเพิ่มอุณหภูมิจะลดความตึงผิว เราวัดความตึงผิวของของเหลวได้โดยใช้หลอดรูเล็กใส่ลงในของเหลวนั้น ของเหลวขึ้นไปสูงถึงระยะหนึ่งแล้วหยุด ของเหลวหยุดนิ่งต่อเมื่อแรงที่ดึงขึ้นข้างบนอันเนื่องจากความตึงผิวสมดุลพอดีกับแรงดึงลงอันเนื่องมาจากระดับของเหลวในหลอดสูงกว่าระดับภายนอกหลอด

ในกรณีเช่นนี้ เราคำนวณความตึงผิว ได้ ถ้าทราบความสูงของของเหลวในหลอดรูเล็ก ความหนาแน่นของของเหลว และรัศมีของหลอด ความตึงผิวมีหน่วยเป็น erg cm-2 หรือ dyne cm-1 หรือ N m-1ตาราง (11.3) แสดงค่าความตึงผิวของของเหลวบางชนิด

ความหนืดของเหลวบางชนิดไหลคล่อง เช่น เบนซีนไหลคล่องกว่าน้ำ ของเหลวบางชนิดไม่ใคร่ไหล เช่น น้ำเชื่อม น้ำมันหล่อลื่น เรากล่าวว่ามันมีความหนืดมาก ความหนืดเป็นความต้านทานที่จะไหล ความหนืดเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของของเหลวที่เกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ถ้าโมเลกุลของของเหลวมีแรงดึงดูดมากก็หนืดมาก เพราะโมเลกุลไหลเลื่อนไปบนโมเลกุลอื่นได้ยาก การเพิ่มอุณหภูมิซึ่งเป็นการเพิ่มพลังงานจลน์ทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้อยลงและทำให้ความหนืดมีค่าลดน้อยลงและทำให้ความหนืดมีค่าลดน้อยลงด้วย กล่าวคือของเหลวไหลง่ายขึ้นกว่าเดิม นอกจากนั้นรูปร่างหรือลักษณะการจัดเรียงอะตอมภายในโมเลกุลยังเป็นอีกสิ่งหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อความหนืด โมเลกุลที่เป็นรูปกลมหรือรูปเรียบๆ จะไหลคล่องกว่าโมเลกุลที่มีรูปร่างยาวหยักขดไปมา ไม่เรียบสม่ำเสมอ พวกหลังนี้ไหลเลื่อนผ่านกันไปมาลำบาก และเราพบว่าของเหลวที่มีโมเลกุลทำนองนี้มีความหนืดสูง ถ้าให้ของเหลว 2 ชนิดที่มีปริมาตรเท่ากันไหลผ่านหลอดขนาดเล็ก ของเหลวทั้งสองชนิดนั้นจะใช้เวลาไหลไม่เท่ากัน ของเหลวที่หนืดกว่าใช้เวลาไหลนนานกว่า

r เป็นรัศมีของหลอดเล็กซึ่งมีความยาว L ที่ของเหลวปริมาตร V ไหลผ่านในเวลา t ด้วยความดัน P  ,  หน่วยของ เรียกว่าปัวส์ เป็น g s-1 cm-1
           

อย่างไรก็ตาม วิธีที่สะดวกในการปฏิบัติหาความหนืด คือ นำของเหลว 2 ชนิดมาเปรียบเทียบความหนืด โดยให้ไหลผ่านหลอดอันเดียวกันแล้วจับเวลาเปรียบเทียบ ของเหลวหนึ่งในสองชนิดนั้นต้องเป็นของเหลวที่ทราบค่าความหนืดแล้ว เครื่องมือที่ใช้หาความหนืดเรียกว่า มาตรความหนืด ซึ่งมีหลายแบบรูป (11.8) เป็นมาตรความหนืดแบบออสวาลต์

ความดันบนของเหลว P = hdg เมื่อ h เป็นความแตกต่างระหว่างระดับของเหลวสองข้างของมาตรความหนืด ค่า h นี้เป็นค่าคงตัวสำหรับมาตรความหนืดแต่ละอัน d คือความหนาแน่นของของเหลว และ g เป็นอัตราเร่งเนื่องจากความถ่วงซึ่งเป็นค่าคงตัว

ถ้าหากของเหลวชนิดหนึ่งในสองชนิดที่นำมาเปรียบเทียบความหนืดกันนั้นเป็นของเหลวที่ทราบค่า แล้ว t1 และ t2 เป็นระยะเวลาไหลที่บันทึกไว้ d1 และ d2 เป็นความหนาแน่นของของเหลวทั้งสองชนิดนั้น เราก็อาจคำนวณหาสัมประสิทธิ์ความหนืด  ของของเหลวอีกชนิดหนึ่งได้ บางครั้งค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดนี้ เรียกว่าความหนืด โดยเป็นที่เข้าใจกัน ตาราง (11.4) แสดงค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของของเหลวบางชนิด

แรงเชื่อมแน่นและแรงยึดติด
    แรงเชื่อมแน่น (Cohesive force) คือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารชนิดเดียวกัน เช่นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับน้ำ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของเอทานอลกับเอทานอล เป็นต้น
      แรงยึดติด (Adhesive force) คือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคต่างชนิดกัน เช่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบในหลอดแก้วที่บรรจุน้ำแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับอนุภาคในแผ่นไม้ เป็นต้น เมื่อหยดน้ำลงบนแผ่นกระดาษหรือแผ่นไม้จะพบว่า แผ่นกระดาษและแผ่นไม้เปียก แสดงว่าแรงเชื่อมแน่นมีค่าน้อยกว่าแรงยึดติด แต่ถ้าหยดน้ำลงบนวัสดุใดแล้วพบว่าเกิดหยดน้ำที่มีลักษณะเป็นรูปทรงกลมเกาะที่พื้นผิววัสดุนั้น แสดงว่า แรงเชื่อมแน่นมีค่ามากกว่าแรงยึดติด เมื่อใส่น้ำในหลอดทดลองหรือกระบอกตวงจะพบว่า ผิวแก้วเปียกน้ำและบริเวณผิวหน้าของน้ำไม่เป็นเส้นตรงกลับเป็นเส้นโค้งแทน โดยผิวน้ำที่ติดกับข้างหลอดทดลองหรือกระบอกตวงทั้ง 2 ข้าง สูงกว่าบริเวณตรงกลาง 
    อธิบายได้ดังนี้ เนื่องจากองค์ประกอบส่วนใหญ่ในแก้วที่ใช้ทำหลอดทดลองหรือกระบอกตวงคือ SiO₂ โมเลกุลของน้ำจึงเกิดแรงยึดเหนี่ยวกับอะตอมออกซิเจนที่ผนังด้านในของแก้ว ซึ่งเรียกว่า “แรงยึดติด” และแรงยึดติดนี้แข็งแรงกว่าแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำจึงยึดติดกับผนังด้านในของหลอดแก้วในลักษณะเป็นแผ่นฟิล์มบางๆ เป็นผลให้ผิวน้ำบริเวณข้างหลอดทั้ง 2 ข้างสูงกว่าบริเวณตรงกลาง แต่ถ้าใส่ปรอทในหลอดทดลองบริเวณผิวหน้าปรอทจะมีลักษณะตรงข้ามกับน้ำ ที่เป็นเช่นนี้เพราะแรงเชื่อมแน่นระหว่างอะตอมของปรอทแข็งแรงกว่าแรงยึดติดระหว่างอะตอมของปรอทกับอนุภาคในแก้วที่ใช้ทำหลอดทดลอง ทำให้อะตอมของปรอทที่อยู่บริเวณผิวหน้าและอยู่ติดกับผนังหลอดทดลองถูกดึงเข้าสู่ภายในทำให้ผิวหน้าของปรอทห่างจากผนังด้านในของหลอดทดลอง และบริเวณตรงกลางสูงกว่าบริเวณขอบทั้ง 2 ด้าน ในลักษณะโค้งนูน
การระเหย (Evaporation)  

  ก่อนที่จะทราบความหมายของการระเหย ควรจะทราบความหมายของคำว่าการกลายเป็นไอก่อน  การกลายเป็นไอ (Vaporization) หมายถึง การที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอ เมื่อของเหลวได้รักพลังงานความร้อนพอที่จะทำให้โมเลกุลมีพลังงานจลน์สูงพอจนเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลได้ โมเลกุลก้อจะหลุดออกจากของเหลวกลายเป็นไอ ในทางตรงกันข้ามถ้าไอคายพลังงานความร้อนออกมา โมเลกุลก็จะมีพลังงานจลน์น้อยลง ทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่ช้าลง ทำให้เกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมากขึ้น และในที่สุดจะสามารถทำให้โมเลกุลรวมกันเป็นสารในสถานะของเหลว การที่สารเปลี่ยนสถานะจากไอหรือแก็สเป็นของเหลว เรียกว่า การควบแน่น หรือการกลั่นตัว (Condensation)

  การระเหย (Evaporation) หมายถึง การที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไออย่างช้าๆ และเกิดขึ้นเฉพาะผิวหน้าของของเหลวเท่านั้น นอกจากนั้นการระเหยยังสามารถเกิดได้ทุกๆ อุณหภูมิที่ยังมีของเหลวนั้นอยู่ เช่น น้ำสามารถระเหยได้ที่อุณหภูมิ 0-100๐C ที่ความดัน 1 บรรยากาศ

การใช้ทฤษฎีจลน์อธิบายปรากฏการณ์การระเหย

                 จากทฤษฎีจลน์ โมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา และเกิดการชนกันเอง ในการชนโมเลกุลของของเหลวจะมีการถ่ายเทพลังงานให้แก่กัน ภายหลังการชน บางโมเลกุลของของเหลวจะมีพลังงานจลน์น้อยลง และบางโมเลกุลมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ถ้าโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้นอยู่ที่ผิวหน้าของของเหลวหรือสารรถเคลื่อนที่มาอยู่ที่ผิวหน้าได้ และสามารคเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลก้อจะหลุดออกจากผิวหน้าของของเหลวกลายเป็นไอ ซึ่งเรียกว่า การระเหย เนื่องจากโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูงกลายเป็นไอ จึงทำให้พลังงานจลน์เฉลี่ยของของเหลวลดลง ของเหลวก้อจะดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อมเข้ามาแทนที่พลังงานที่เสียไปกับโมเลกุลที่กลายเป็นไอ และการระเหยเป็นปรากฏการณ์ซึ่งเกิดขึ้นไดทั้งอุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ ตัวอย่างเช่น เมื่อเทเอทิลแอลกอฮอล์ใส่มือจะรู้สึกเย็น ทั้งนี้เพราะว่าเอทิลแอลกอฮอล์มีจุดเดือดต่ำระเหยได้ง่าย จึงดูดพลังงานความร้อนจากมือเราไปช่วยในการระเหย ทำให้มือเราเย็นลง

ปัจจัยที่มีผลต่อการระเหย
1. อุณหภูมิ

- ที่อุณหภูมิสูง ของเหลวจะระเหยได้มาก
            - ที่อุณหภูมิต่ำ ของเหลวจะระเหยได้น้อย 

2. ชนิดของของเหลว
            - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมาก จะระเหยได้ยาก จึงระเหยได้น้อย
                        - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย จะระเหยได้ง่าย จึงระเหยได้มาก
3. พื้นที่ผิวของของเหลว
                        - ของเหลวที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสมาก จะระเหยได้มาก
                        - ของเหลวที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสน้อย จะระเหยได้น้อย
4. ความดันบรรยากาศ
                        - ที่ความดันบรรยากาศสูง ของเหลวจะระเหยได้ยาก จึงระเหยได้น้อย
                        - ที่ความดันบรรยากาศต่ำ ของเหลวจะระเหยได้ง่าย จึงระเหยได้มาก
5. อากาศเหนือของเหลว
                        - บริเวณที่มีอากาศถ่ายเทหรือมีลมพัดตลอดเวลา ของเหลวจะระเหยได้มาก
                        - บริเวณที่ไม่มีอากาศถ่ายเทหรือไม่มีลมพัดตลอดเวลา ของเหลวจะระเหยได้น้อย
6. การคนหรือกวน เมื่อมีการคนหรือกวนของเหลวของเหลวนั้นก็จะระเหยได้เร็วขึ้น ดังนั้น ของเหลวหนึ่งๆ จะระเหยกลายเป็นไอได้เร็วขึ้นก็ต่อเมื่อ

            - พื้นที่ผิวของของเหลวนั้นเพิ่มขึ้น
                        - ของเหลวนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น
                        - ความดันของบรรยากาศเหนือของเหลวลดลง
                        - อากาศเหนือของเหลวมีการถ่ายเทตลอดเวลา เพื่อป้องกันการอิ่มตัวของไอ
                        - เมื่อมีการคนหรือกวนของเหลวนั้น

สรุปข้อความสำคัญๆที่เกี่ยวกับการระเหย

1. การระเหยคือการที่ของเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นไออย่างช้าๆ
            2. การระเหยเกิดขึ้นเฉพาะบริเวณผิวหน้าของของเหลวเท่านั้น
            3. การระเหยเกิดขึ้นได้ทุกๆ อุณหภูมิที่ยังมีของเหลวนั้นอยู่
           4. เมื่อเกิดการระเหยพลังงานและอุณหภูมิของของเหลวที่เหลือจะลดลง เพราะโมเลกุลที่กลายเป็นไอเป็นโมเลกุลที่มีพลังงานสูง ส่วนโมเลกุลที่เหลือในของเหลว ส่วนใหญ่มีพลังงานต่ำกว่า
         5. ระหว่างที่เกิดการระเหยเมื่อพลังงานและอุณหภูมิของของเหลวลดลง ก็จะมีการถ่ายเทพลังงานจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่ของเหลวนั้น (ระบบดูดความร้อน)

ประโยชน์ของหลักการระเหย

      จากหลักการที่ว่าเมื่อของเหลวระเหยทำให้อุณหภูมิของของเหลวลดลง เราได้นำมาใช้ในการประดิษฐ์เครื่องทำความเย็น ได้แก่ ตู้เย็นหรือเครื่องทำความเย็นอื่นๆ เช่น เครื่องปรับอากาศ เป็นต้น ภายในเครื่องทำความเย็นจะบรรจุของเหลวที่มีคุณสมบัติระเหยง่าย และไอควบแน่นเป็นของเหลวได้ง่ายด้วย ส่วนใหญ่ใช้ ฟรีออน (CCl₂F₂) ซึ่งมีขั้นตอนการทำงานดังนี้
            1. ภายในเครื่องทำความเย็นจะบรรจุของเหลวที่เรียกว่า ฟรีออน (CCl₂F₂) โดยฟรีออนจะไหลไปตามท่อภายในเครื่องทำความเย็น และดูดความร้อนจากภายในเครื่องทำความเย็น ทำให้อุณหภูมิในเครื่องทำความเย็นลดลง และฟรีออนกลายเป็นไอ
          2.ไอฟรีออนจะไหลไปตามท่อจนถึงเครื่องอัดความดันภายนอกเครื่องทำความเย็นไอจะถูกอัดด้วยความดันสูง และมีอุณหภูมิสูงขึ้น
       3. ไอฟรีออนจะไหลผ่านท่อที่เป็นแผงระบายความร้อนบริเวณหลังเครื่องทำความเย็น ไอจะคายความร้อนทำให้เย็นและควบแน่นเป็นของเหลว ไหลไปตามท่อภายในเครื่องทำความเย็นอีกและเกิดวนเวียนอยู่เช่นนี้ตลอดไปจนกว่าจะได้ความเย็นตามที่ต้องการ

ความดันไอกับจุดเดือดของของเหลว

          ความดันไอ (Vapour Pressure)

ถ้าเอาของเหลวใส่ในภาชนะที่ไม่มีฝาปิด เมื่อตั้งทิ้งไว้นานๆ ของเหลวจะมีปริมาตรลดลง และในที่สุดจะหมดไป ทั้งนี้เพราะว่าของเหลวนั้นได้ระเหยกลายเป็นไอไปสู่อากาศ แต่ถ้าเอาของเหลวชนิดเดียวกันนี้ใส่ในภาชนะปิด ไม่ว่าตั้งทิ้งไว้นานเท่าใดของเหลวนั้นจะมีปริมาตรลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทั้งนี้เพราะว่า เมื่อของเหลวกลายเป็นไอ โมเลกุลที่ระเหยเป็นไอหนีไปสู่อากาศไมได้ยังคงอยู่ในภาชนะบริเวณที่ว่างเหนือของเหลวนั้น โมเลกุลของไอเหล่านี้จะเคลื่อนที่ชนกันเอง ชนผิวของของเหลว และชนกับผนังภาชนะ โมเลกุลที่เคลื่นที่ชนผิวหน้าของของเหลวส่วนใหญ่จะถูกของเหลวดูดกลับลงไปเป็นของเหลวอีก ซึ่งเรียกว่า “ไอควบแน่นของของเหลว” เมื่อเวลาผ่านไปปริมาณไอมากขึ้นทำให้อัตราการควบแน่นเพิ่มขึ้น โมเลกุลที่ยังคงอยู่ในสภาพไอทำให้เกิดแรงกระทำต่อภาชนะ หรือมีความดันเกิดขึ้นในภาชนะ ซึ่งเรียกว่า “ ความดันไอ” และความดันนี้จะมีค่ามากขึ้นเมื่อตั้งทิ้งไว้นานๆ ทั้งนี้เพราะโมเลกุลที่ไอมีมากขึ้น เนื่องจากอันตราการระเหยมากกว่าอัตราการที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว จนในที่สุดความดันไอจะมีค่าคงที่ค่าหนึ่ง เพราะมีจำนวนโมเลกุลที่เป็นไอคงที่ เนื่องจากอัตราการระเหยกลายเป็นไอมีค่าเท่ากับอัตราที่ไอควบแน่นเป็นของเหลว เราเรียกภาวะนี้ว่า “ภาวะสมดุล” แต่เนื่องจากที่ภาวะสมดุลนี้ระบบมิได้หยุดนิ่ง ยังคงมีทั้งการระเหยกลายเป็นไอและไอควบแน่นเป็นของเหลว แต่เกิดในอัตราที่เท่ากัน จึงเรียกภาวะสมดุลลักษณะเช่นนี้ว่า “สมดุไดนามิก (Dynamic equilibrium)” ส่วนความดันไอในขณะนี้ซึ่งเป็นความดันไอที่มีค่าสูงสุดเรียกว่า “ความดันไอสมดุล” หรือเรียกสั้นๆว่า ความดันไอ

สรุปความหมายสมดุลไดนามิก

   เป็นสมดุลของระบบที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ เกิดขึ้นตลอดเวลา ด้วยอัตราเร็วเท่ากัน ดังนั้น ถึงแม้ว่าเราจะไม่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในภาวะสมดุลก็ตาม ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงไปและกลับอยู่ตลอดเวลา

ปัจจัยที่มีผลต่อความดันไอของของเหลว

    1.) อุณหภูมิ
                           - ที่อุณหภูมิสูง ของเหลวจะกลายเป็นไอได้มาก จึงมีความดันไอสูง
                           - ที่อุณหภูมิต่ำ ของเหลวจะกลายเป็นไอได้น้อย จึงมีความดันไอต่ำ
                2) ชนิดของของเหลว
                      - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมาก จะระเหยได้ยาก จึงมีความดันไอต่ำ มีจุดเดือดสูง
                - ของเหลวที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย จะระเหยได้ง่าย จึงมีความดันไอสูงมีจุดเดือดต่ำ

แก๊ส

สมบัติของแก๊ส

       สมบัติทั่วไปของแก็ส สมบัติทั่วไปของแก็ส ได้แก่

1. แก๊สมีรูปร่างเป็นปริมาตรไม่แน่นอน เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ บรรจุ ในภาชนะใดก็จะมีรูปร่างเป็นปริมาตรตามภาชนะนั้น เช่น ถ้าบรรจุในภาชนะทรงกลมขนาด 1 ลิตร แก๊สจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมมีปริมาตร 1 ลิตร เพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค (โมเลกุล หรืออะตอม) น้อยมาก จึงทำให้อนุภาคของแก๊สสามารถเคลื่อนที่หรือแพร่กระจายเต็มภาชนะที่บรรจุ

2.ถ้าให้แก๊สอยู่ในภาชนะที่เปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ ปริมาตรของแก๊สจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล ดังนั้นเมื่อบอกปริมาตรของแก๊สจะต้องบอกอุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมลด้วย เช่น แก๊สออกซิเจน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 dm³ ที่อุณหภูมิ 0 C ความดัน 1บรรยากาศ (STP)

3. สารที่อยู่ในสถานะแก๊สมีความหนาแน่นน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งมาก เช่น ไอน้ำ มีความหนาแน่น 0.0006 g/cm³แต่น้ำมีความแน่นถึง 0.9584 g/cm³ ที่100 C

4. แก๊สสามารถแพร่ได้ และแพร่ได้เร็วเพราะแก็สมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าของเหลวและของแข็ง

5. แก็สต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปเมื่อนำมาใส่ในภาชนะเดียวกัน แก๊สแต่ละชนิดจะแพร่ผสมกันอย่างสมบูรณ์ทุกส่วน นั้นคือส่วนผสมของแก๊สเป็นสารเดียว หรือเป็นสารละลาย (Solution)

6. แก๊สส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส่เช่นแก๊สออกซิเจน(O₂)แก๊สไฮโดเจน(H₂) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์(CO₂)แต่แก๊สบางชนิดมีสี เช่น แก๊สไนโตเจนไดออกไซด์ (NO₂) มีสีน้ำตาลแดง แก๊สคลอรีน(Cl₂) มีสีเขียวแกมเหลือง แก๊สโอโซน (O₃) ที่บริสุทธิ์มีสีน้ำเงินแก่ เป็นต้น

ปริมาตร อุณหภูมิ และความดัน

   การวัดปริมาตรของแก๊ส เนื่องจากแก๊สบรรจุในภาชนะใดก็พุ่งกระจายเต็มภาชนะ ดั้งนั้น ปริมาตรของแก๊ส จึงมักหมายถึงปริมาตรของภาชนะที่บรรจุแก๊สนั้น

  หน่วยของปริมาตร หน่วยของปริมาตร ที่นิยมใช้คือ ลูกบาศก์เดซิเมตร (dm³) หรือลิตร (litre) หรือ ลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³) (1 dm³ =1000 cm³)

   อุณหภูมิ (Temperature) เป็นมาตราส่วนที่ใช้บอกระดับความร้อน-เย็นของสาร แต่อุณหภูมิไม่ได้บอกให้ทราบถึงปริมาตรความร้อนของสาร กล่าวคือ สารที่มีอุณหภูมิเท่ากันแสดงว่ามีระดับความร้อนเท่ากันแต่อาจจะมีปริมาตรความร้อนเท่ากันก็ได้ เครื่องมือวัดอุณหภูมิที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือเทอร์โมมิเตอร์

   การวัดอุณหภูมิของแก๊ส การวัดอุณหภูมิมาตราส่วนที่ใช้มีหลายแบบ คือ เซลเซียส 

   เคลวิน ฟาเรนไฮต์ โรเมอร์และแรงกิน แต่การวัดอุณหภูมิของแก๊สส่วนใหญ่ใช้ มาตราส่วนเคลวิน (Kelvin Scale) หรือเรียกว่า มาตราส่วนสัมบูรณ์ (Absolute temperature scale) สัญลักษณ์ K และองศาเซลเซียส

    อุณหภูมิเคลวิน และองศาเซลเซียสมีความสัมพันธ์กันดังนี้

    อุณหภูมิเคลวิน = องศาเซลเซียส + 273.15  เช่น27 องศาเซลเซียส เท่ากับ 300.15 K หาได้ดังนี้อุณหภูมิเคลวิน = 27 + 273.15 = 300.15 K

    หมายเหตุ เพื่อความสะดวกในการคำนวณอาจใช้ 273 (ค่าโดยประมาณ) แทน 273.15 การวัดอุณหภูมิของแก๊สส่วนใหญ่ใช้อุณหภูมิเคลวิน (K) เพราะปริมาตรของแก๊สแปรผันตรงกับอุณหภูมิ

ความดัน (Pressure) หมายถึง แรงที่กระทำต่อหน่วยพื้นที่ ที่ตั้งฉากกับแรงนั้น เนื่องจากความดันของแก๊สเกิดจากโมเลกุลของแก๊สชนผันงภาชนะ เพราะฉะนั้นความดันของแก๊สคือแรงที่โมเลกุลของแก๊สกระทำต่อผนังต่อหนึ่งหน่วนพื้นที่ของภาชนะ และความดันของแก๊สมีค่าเท่ากันหมดไม่ว่าจะวัดที่ส่วนใดของภาชนะ เครื่องมือวัดความดันของแก๊ส เครื่องมือที่ใช้วัดความดันของแก๊สเรียกว่า มาโนมิเตอร์ (Manometer) ซึ่งมีอยู่ 2 ชนิด คือ 1. ชนิดปลายปิด 2. ชนิดปลายเปิด

ชนิดปลายปิด และปลายเปิด มีลักษณะดังรูป

จากรูป ก. เพราะว่าที่ว่างเหนือปรอทเป็นสุญญากาศ
            ดังนั้น ความดันของแก๊ส = h มิลลิเมตรปรอท (mmHg)
            จากรูป ข. เพราะว่าปลายข้างเปิดมีความดันของบรรยากาศกดบนปรอท
            ดังนั้น ความดันของแก๊ส = ความดันของบรรยากาศ + h มิลิเมตรปรอท (mmHg)

เครื่องมือวัดความดันของบรรยากาศ

      ความดันบรรยากาศ คือความดันของอากาศบนพื้นผิวโลก และความดันของบรรยากาศนี้ขึ้นอยู่กับสถานที่ คือที่พื้นที่ผิวโลกมีความดันมากกว่าในที่สูงๆ เช่น ภูเขา ทั้งนี้เพราะในที่สูงมีอากาศเจือจางกว่า เครื่องมือที่ใช้วัดความดันของบรรยากาศคือ บารอมิเตอร์ (Barometer)

จากรูป บารอมิเตอร์อย่างง่ายประกอบด้วยหลอดแก้วยาวประมาณ 80 – 100 cm มีปลายข้างหนึ่งเปิด เดิมปรอทในหลอดแก้วจนเต็ม จากนั้นคว่ำหลอดแก้วในภาชนะที่บรรจุปรอทอยู่แล้ว ความสูงของลำปรอทในหลอดแก้จะลดลง ทำให้เกิดที่ว่างซึ่งเป็นสุญญากาศ เรียกว่า ที่ว่างทอริเซลเลียน(Torricellian Vacuum) ลำปรอทยังคงค้างในหลอดแก้งเนื่องจากความดันบรรยากาศที่กดที่ผิวปรอทในภาชนะ จากรูปลำปรอทสูงเท่ากับ h cm เพราะฉะนั้นความดันของบรรยากาศมีค่าเท่ากับ h cmHg เช่น ในที่ซึ่งมีความสูงเท่ากับระดับน้ำทะเลจะมีความดันเท่ากับ 76 cmHg หรือ 760 cmHg หรือ 1 บรรยากาศ (1 atm)

การวัดความดันของแก๊ส หน่วยที่ใช้วัดความดันได้แก่ บรรยากาศ มิลมิเมตรปรอท นิวตันต่อ ตารางเมตร ปอนด์ต่อตาราง นิ้ว บาร์ ทอร์ สำหรับหน่วยเอสไอ ใช้ปาสคาล (Pascal)

สัญลักษณ์ Pa และหน่วยต่างๆ มีความสัมพันธ์ ดังนี้
1 บรรยากาศ = 760 มิลลิเมตร
= 760 ทอร์ (Torr)
= 14.7 ปอนด์/ตารางนิ้ว (lb/in2)
= 1.01325 x 105 ปาสคาล (Pa)
= 1.01325 x 105 นิวตัน/ตารางเมตร (Nm-2)
= 1.01325 บาร์ (bar)
1 มิลลิเมตรปรอท = 133.3 นิวตัน/ตารางเมตร (Nm-2)
หมายเหตุ การวัดความดันของแก๊สอาจวัดโดยใช้บารอมิเตอร์ก็ได้

กฎของบอยล์ (Boyle’s Law)

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊ส โดยควบคุมให้อุณหภูมิคงที่ได้ผลการทดลองดังตาราง

ตาราง ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตร (V) กับความดัน (P) ของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

จากข้อมูลในตาราง พบว่าผลคูณของความดันกับปริมาตรของแก๊สในการทดลองแต่ละครั้งค่อนข้างคงที่และเมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตร

รอเบิร์ต บอยล์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรและความดันของแก๊ส ในปี ค.ศ. 1662 (พ.ศ. 2205) ได้สรุปเป็นสาระสำคัญว่า เมื่ออุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะแปรผกผันกับความดัน ซึ่งต่อมาเรียกความสัมพันธ์นี้ว่า กฎของบอยล์

กฎของเกย์-ลูสแซก

      กล่าวว่า "ความดันของก๊าซใด ๆ จะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ เมื่อปริมาตรของก๊าซคงที่"

กฎของอาโวกาโดร กล่าวว่า "ภายใต้สภาวะที่อุณหภูมิและความดันคงที่ ก๊าซที่มีปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน" หรืออาจกล่าวได้ว่า "ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ ปริมาตรของก๊าซใด ๆ จะแปรผันโดยตรงกับจำนวนโมลของก๊าซนั้น ๆ "

1. กฎของเกย์ลุสแซก

ในปี พ.ศ. 2531 โซเซฟ-ลุย-เก-ลูซัก ได้ทดลองวัดปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาพอดีกันและปริมาตรของก๊าซที่ได้จากปฏิกิริยา ณ อุณหภมิและความดันเดียวกัน แล้วสรุปเป็นกฎการรวมปริมาตรของก๊าซว่า "ในปฏิกิริยาเคมีที่เป็นก๊าซ อัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาพอดีกัน และปริมาตรของก๊าซที่เกิดจากปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน จะเป็นเลขจำนวนเต็มลงตัวน้อย ๆ" 

2. กฎอาโวกาโดร

ในปี พ.ศ. 2354 อาเมเดโอ อาโวกาโดร ได้ศึกษากฎของเกย์-ลูสแซกและอธิบายว่าการที่อัตราส่วนโดยปริมาตรของก๊าซที่เข้าทำปฎิกิริยาและที่ได้จากปฏิกิริยาเป็นเลขจำนวนเต็มน้อยๆ คงเป็นเพราะปริมาตรของก๊าซมีความสัมพันธ์กับจำนวนอนุภาคที่รวมตัวกันเป็นสารประกอบ อาโวกาโดรจึงเสนอสมสุติฐานว่า "ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน ก๊าซทุกชนิดที่มีปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน"เช่น ปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไฮโดรเจนกับก๊าซออกซิเจนจนเกิดเป็นไอน้ำ

กฎของแก๊สในอุดมคติ

    จากการทดลองและข้อสรุปของนักวิทยาศาสตร์หลายๆ คนที่ศึกษาเรื่องแก๊สเราจะเห็นว่า สมบัติของแก๊สมีความสัมพันธ์กันด้วยตัวแปรคล้ายๆ กัน คือ ทุกคนต่างก็ดูที่ปริมาตรของแก๊สที่เปลี่ยนไป ด้วยการกำหนดตัวแปรต้นแตกต่างกันออกไป บอยล์ เมื่อเปลี่ยนความดันของแก๊ส ปริมาตรจะเป็นอย่างไร ชาร์ล เมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิของแก๊ส ปริมาตรจะเป็นอย่างไร อาโวกาโดร เมื่อเปลี่ยนจำนวนโมลหรือจำนวนโมเลกุลของแก๊ส ปริมาตรจะเป็นอย่างไรและทุกคนก็ได้ข้อสรุปดังที่ได้นำเสนอกฏของทุกคนมาแล้ว ถ้าเรารวบรวมกฎที่เกี่ยวกับแก๊สที่กล่าวมาแล้วทั้งหมด เราจะได้ความสัมพันธ์ดังนี้จาก

กฏของบอยล์  v แปรผันตรง  1/P

กฎของชาร์ล  V แปรผันตรง T

กฏของอาโวกาโดร V แปรผันตรง n

เราสามารถรวมกฎทั้งสามนี้เข้าเป็นสมการรวมเพียงสมการเดียวได้ดังนี้

V แปรผันตรง nT/P

V = Rnt/P

เมื่อ

P = ความดัน

V = ปริมาตร

n = จำนวนโมล

T = อุณหภูมิมีหน่วยเป็นเคลวิน

สมการนี้เรียกว่า สมการแก๊สในอุดมคติ
            R = ค่าคงที่ของแก๊ส (gas constant)
           จากตัวแปรทั้ง 4 ตัว คือ ความดัน(P), ปริมาตร(V), จำนวนโมล(n) และอุณหภูมิ(T) เราสามารถหาค่า R ได้จากการแทนค่าตัวแปรทั้งสี่ในสมการแก๊สอุดมคติ
แก๊สอุดมคติ 1 โมล ที่สภาวะมาตรฐาน ความดันเท่ากับ 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 273 K มีปริมาตร 22.4 ลิตร เราจะสามารถคำนวณหาค่าคงที่ของแก๊สได้ดังนี้

แก๊สใดๆ ก็ตามที่มีพฤติกรรมเป็นไปตามกฏนี้ จะเรียกแก๊สนั้นว่าแก๊สที่มีพฤติกรรมในอุดมคติ หรือแก๊สอุดมคติ หรือแก๊สสมบูรณ์แบบ (ideal gas)

ตัวอย่าง การใช้กฎของแก๊สอุดมคติ ในการคำนวณ
ตัวอย่าง 1 น้ำจำนวน 1 กรัม ระเหยกลายเป็นไอในภาชนะขนาด 10 ลิตร ความดันของน้ำจะเป็นเท่าใดเมื่อการระเหยเป็นไอสมบูรณ์ที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส
วิธีคำนวณ

ตัวอย่าง 2 บอลลูนลูกหนึ่งบรรจุแก๊สฮีเลียม (He) หนัก 30 กิโลกรัม บอลลูนลูกนี้จะมีปริมาตรเท่าใด ถ้าความดันของแก๊สฮีเลียมเป็น 1.15 atm ณ อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส
วิธีทำ

กฎความดันย่อยของดอลตัน

เมื่อผสมแก๊สอุดมคติสองชนิด A และ B ซึ่งไม่ทำปฏิกิริยาเคมีต่อกันไว้ในภาชนะปริมาตร V ที่อุณหภูมิคงตัวอันหนึ่ง แก๊สทั้งสองผสมเข้ากันดีเป็นสารผสมเอกพันธุ์ ทั้งแก๊ส A และแก๊ส B ต่างมีความดันภายในภาชนะนั้นเหมือนว่ามันอยู่ตามลำพังโดยไม่มีอีกแก๊สหนึ่งอยู่ด้วย ความดันของแต่ละแก๊สในแก๊สผสมเช่นนี้เรียกว่า ความดันย่อย กฎความดันย่อยของดอลตัน กล่าวว่า “ความดันรวมของแก๊สผสมมีค่าเท่ากับผลบวกของความดันย่อยของแก๊สที่เป็นส่วนประกอบ”
ให้

P_รวม = ความดันรวม

P_A = ความดันย่อยของแก๊ส A
            P_B = ความดันย่อยของแก๊ส B
เนื่องจาก A และ B เป็นแก๊สอุดมคติ 

ดังนั้น P_A = n_ART/V

และ P_B = n_B RT/V

โดยมี n_A และ n_B เป็นจำนวนโมลของแก๊ส A และ B

ความดันย่อยของแก๊ส A+ความดันย่อยของแก๊ส B = (n_A+n_B)

แต่ n_A+n_B = n_t จำนวนโมลทั้งหมด

ดังนั้น P_A+P_B = n_t RT/V   = P_t

หรือเขียนว่า P_t = P_A+P_B

ถ้าหากมีแก๊สมากกว่า 2 ชนิดผสมรวมกัน

P_t = P₁+P₂+P₃+... (ปริมาตรและอุณหภูมิคงตัว) -------------------(1)

          กฎความดันย่อยของดอลตันใช้กับแก๊สอุดมคติ สำหรับแก๊สที่ผสมส่วนมากก็พอเป็นไปได้อย่างใกล้เคียง กฎนี้นำมาใช้บ่อยในการปฏิบัติเกี่ยวกับการวัดความดันของแก๊สที่เตรียมขึ้นมาแล้วเก็บแก๊สโดยการแทนที่น้ำ ความดันของแก๊สเหนือน้ำที่วัดได้เป็นความดันรวมระหว่างความดันของแก๊สที่เตรียมได้กับความดันของไอน้ำที่อุณหภูมินั้น ถ้าอยากทราบความดันของแก๊สก็ต้องเอาความดันของไอน้ำไปหักออกจากความดันที่วัดได้

ความดันแก๊ส = ความดันที่วัดได้ x ความดันของไอน้ำ

ในบางครั้งอาจนำเศษส่วนโมลมาคำนวณหาความดันย่อย

เศษส่วนโมลของแก๊ส A = N_a/N_t

P_A = n_A RT/V

P_B = n_t RT/V

ดังนั้น    P_a/P_t = N_a/N_t

หรือ P_A = N_a/N_t x P_t ---------------------------------------<2>

ความดันของแก๊ส A = เศษส่วนโมลของ A x ความดันรวมของแก๊สผสม

แสดงว่าความดันย่อยที่เกิดจากแก๊สแต่ละแก๊สภายในแก๊สผสมนั้นเมื่อคิดเป็นเศษส่วนของความดันรวมแล้ว มีค่าเท่ากับเศษส่วนโมลของแก๊สนั้นภายในแก๊สผสม

ตัวอย่าง

นำเอาแก๊สออกซิเจน 100 cm³ ซึ่งมีความดัน 360 mmHg และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 150 cm³ ซึ่งมีความดัน 300 mmHg มาใส่ไว้รวมกันในขวดจุ 200 cm³ อุณหภูมิเท่ากันโดยตลอด จงหาความดันรวมของแก๊สออกซิเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในขวดใบนั้น

วิธีทำ ตามกฎของบอยล์ ความดันของก๊าซออกซิเจน= 360 mmHg x 100ลูกบาศก์เซนติเมตร/200ลูกบาศก์เซนติเมตร

                                                                                          = 180 mmHg

          ความดันคาร์บอนไดออกไซค์ = 300mmHg x 150ลูกบาศก์เซนติเมตร/200ลูกบาศก์เซนติเมตร

                                                                    = 225 mmHg

ความดันรวม = ความดันออกซิเจน + ความดันคาร์บอนไดออกไซค์

                      = 180 + 225 = 405 mmHg

การแพร่ของแก๊ส

ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส (The kinetic theory of gases)

ทฤษฎีจลน์ของแก๊สเป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายสมบัติทางฟิสิกส์ของแก๊ส นักวิทยาศาสตร์ที่ได้เสนอทฤษฎีนี้คือ Deniel Bernoulli และทฤษฎีนี้ได้ถูกปรับปรุงโดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ เพื่อให้มีความสมบูรณ์และถูกต้องยิ่งขึ้น จนได้ทฤษฎีจลน์ของแก๊สในปัจจุบัน ซึ่งมีข้อความดังนี้

1. แก๊สต่างๆประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากเรียกว่า โมเลกุล

2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกันไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันและกัน แต่ละโมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนที่

3. โมเลกุลของแก๊สมีมวลแต่มีขนาดเล็กมากจนถือได้ว่ามีปริมาตรเป็นศูนย์

4.โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอย่างไม่เป็นระเบียบตลอดเวลาด้วย อัตราเร็วคงที่(แต่ไม่จำเป็นต้องเท่ากัน)จนปะทะโมเลกุลอื่นหรือผนังภาชนะจึงจะเปลี่ยนทิศทางอาจเปลี่ยนอัตราเร็วด้วย

5. การชนกันของโมเลกุลเป็นแบบยึดหยุ่นสมบูรณ์คือ เมื่อชนกันแล้วจะไม่มีการสูญเสียพลังงานรวม แต่อาจจะมีการถ่ายเทพลังงานระหว่างโมเลกุลได้

6. ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราเร็วเฉลี่ยของแก๊สชนิดหนึ่ง ๆ จะมีค่าคงที่

7. โมเลกุลของแก๊สใด ๆ จะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยค่าหนึ่งค่าหนึ่งซึ่งเท่ากับ  mv²/2 (เมื่อ m คือมวลโมเลกุลของแก๊ส และv คือความเร็วในการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของแก๊ส)

8. ที่อุณหภูมิเดียวกัน แก๊สทุกชนิดจะมีค่าพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน และพลังงานจลน์เฉลี่ย ของแก๊สแปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

หมายเหตุ โมเลกุลของแก๊สที่มีสมบัติเป็นไปตามทฤษฎีจลน์ของแก๊สครบทุกข้อ คือแก๊สในอุดมคติหรือแก๊สสมบัติ ส่วนแก๊สจริงจะมีพฤติกรรมใกล้เคียงแก๊สในอุดมคติ ก็ต่อเมื่ออยู่ในภาวะอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีของแก๊สข้อ 2) ที่ว่าโมเลกุลไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันและกัน สำหรับแก๊สจริงย่อมมีแรงยึดเหนี่ยวอย่างแน่นอน แต่แรงยึดเหนี่ยวนั้นจะมีค่ามากหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของแก๊ส แต่อย่างไรก็ตามที่อุณหภูมิสูงโมเลกุลของแก๊สจะมีพลังงานจลน์สูงขึ้น ประกอบกับความดันต่ำด้วย โมเลกุลจึงเคลื่อนที่ออกจากวันมากขึ้นทำให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลมากขึ้น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลจึงลดน้อยลงหรืออาจน้อยมากจนไม่มีเลย แสดงว่าโมเลกุลของแก๊สดังกล่าวกำลังมีพฤติกรรมคล้ายกับแก๊สสมมติ 

เทคโนโลยีที่เกี่ยวกับสมบัติของของแข็ง ของเหลว และแก๊ส

การทำน้ำแข็งแห้ง

การทำน้ำแข็งแห้ง หลักการทำ คือ เพิ่มความดัน และลดอุณหภูมิ วัตถุดิบที่ใช้คือ ก๊าซ CO₂

แผนผังการทำน้ำแข็งแห้ง

การทำน้ำแข็งแห้ง

          น้ำแข็งแห้ง (dry ice) คือ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) ที่อยู่ในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิประมาณ -79 ⁰C

กระบวนการทำน้ำแข็งแห้งพิจารณาได้จากแผนภาพต่อไปนี้

เริ่มต้นนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาทำให้เป็นของเหลวก่อน โดยกระบวนการ Liquefaction คือนำก๊าซดังกล่าวมาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ หลังจากได้คาร์บอนไดออกไซด์เหลวแล้ว จึงนำมาทำให้แห้งและทำให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการที่เหมาะสม จากนั้นจึงนำมาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิอีกครั้ง จนได้ความดันประมาณ 18 atm และอุณหภูมิประมาณ -25 ⁰C จึงอัดคาร์บอนไดออกไซด์เหลวนั้นผ่านรูพรุน จะได้คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง หรือน้ำแข็งแห้งที่มีลักษณะคล้ายเกล็ดน้ำแข็งซึ่งสามารถนำไปอัดเป็นก้อนได้ น้ำแข็งแห้งมีอุณหภูมิต่ำมาก สามารถระเหิดกลายเป็นไอได้โดยตรง จึงนำมาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับความเย็น หรือที่ต้องการอุณหภูมิต่ำ ๆ เช่น การแช่แข็งสัตว์น้ำ การทำไอศครีม การรักษาผักและผลไม้ให้สด เป็นต้น

น้ำแข็งแห้งคืออะไร? เหมือนหรือแตกต่างจากน้ำแข็งธรรมดาทั่วไปอย่างไร? มีอันตรายมากน้อยแค่ไหน? คำถามเหล่านี้อาจจะเกิดขึ้นในใจผู้อ่านหลาย ๆ ท่าน หลังจากที่มีข่าวคราวผลกระทบจากน้ำแข็งแห้งเกิดขึ้นหลายครั้งในช่วงที่ผ่านมา

น้ำแข็งแห้ง (dry ice) เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะของแข็ง เรียกอีกชื่อหนึ่งว่าคาร์บอนไดออกไซด์แข็ง หรือ solid carbon dioxide เตรียมได้จากการนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาผ่านกระบวนการอัดและทำให้เย็นลงภายใต้ความดันสูงกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์เหลว แล้วลดความดันลงอย่างรวดเร็วโดยการพ่นคาร์บอนไดออกไซด์เหลวสู่ความดันบรรยากาศ ผลที่ได้คือเกล็ดน้ำแข็งคล้ายเกล็ดหิมะ แล้วจึงนำมาอัดเป็นรูปแบบและขนาดต่าง ๆ ตามวัตถุประสงค์ของการนำไปใช้ ซึ่งมีทั้งรูปแบบเป็นก้อน (block) ขนาดครึ่งถึง 15 กิโลกรัม เป็นแผ่น (slice) ขนาดตั้งแต่ครึ่งถึง 1 กิโลกรัมเป็นแท่ง (pellet) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 มิลลิเมตร 9 มิลลิเมตร และ 15 มิลลิเมตร เป็นต้น

น้ำแข็งแห้งแตกต่างจากน้ำแข็งธรรมดาทั่วไปคือ มีอุณหภูมิเย็นจัดถึง -79⁰ C ในขณะที่น้ำแข็งธรรมดาทั่วไปมีอุณหภูมิประมาณ 0 ⁰ C ที่อุณหภูมิห้องน้ำแข็งแห้งจะระเหิดกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยไม่หลอมละลายเป็นของเหลวเหมือนน้ำแข็งธรรมดาทั่วไป จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเราจึงเรียก "น้ำแข็งแห้ง" น้ำแข็งแห้งจะให้ความเย็นมากกว่าน้ำแข็งธรรมดาทั่วไปถึง 2 หรือ 3 เท่าเมื่อเทียบโดยน้ำหนักหรือปริมาตรที่เท่ากัน

น้ำแข็งแห้งถูกนำมาใช้ประโยชน์หลาย ๆ ด้าน เช่น ในอุตสาหกรรมอาหารประเภทไอศกรีม นม เบเกอรี่ ไส้กรอก และเนื้อสัตว์ เพื่อถนอมอาหารในขั้นตอนการผลิตหรือในการขนส่งหรือเก็บอาหารสำหรับเสิร์ฟบนเครื่องบิน ใช้ในการขนส่งเวชภัณฑ์ใช้ในการทำความสะอาดเครื่องจักร แบบหล่อหรือแม่พิมพ์ หรือใช้ในการบดเย็นวัสดุสังเคราะห์ที่แตกยาก นอกจากนี้ยังใช้ในการทำหมอก ควัน ในการแสดงต่าง ๆ และอาจใช้ผสมในเครื่องดื่มเพื่อให้เกิดฟองปุด และให้เกิดความเย็น เป็นต้น ถึงแม้น้ำแข็งแห้งจะมีประโยชน์นานัปการ หากการใช้โดยขาดความระมัดระวังหรือรู้เท่าไม่ถึงการณ์ก็อาจก่อให้เกิดโทษได้เช่นกัน ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นได้จากน้ำแข็งแห้ง ได้แก่ จากการสัมผัส หากจับต้องด้วยมือเปล่าหรือสัมผัสกับผิวหนังโดยตรงจะทำให้ผิวหนังไหม้จากความเย็นจัด (frost-bite) ได้ จากการระเบิดซึ่งเกิดจากการบรรจุน้ำแข็งแห้งในภาชนะปิดสนิทไม่มีช่องระบายอากาศทำให้เกิดการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ระเหิดออกมา เมื่อถึงระดับหนึ่งจะเกิดแรงดันและระเบิดในที่สุด ดังนั้นในการขนส่งน้ำแข็งแห้งปริมาณมาก ๆ จะต้องเก็บในภาชนะบรรจุน้ำแข็งโดยเฉพาะที่มีช่องระบายอากาศ ซึ่งนอกจากจะเป็นการป้องกันการระเบิดแล้วยังช่วยลดอัตราการระเหิดของน้ำแข็งได้ 

ผลกระทบอีกอย่างที่จะเกิดขึ้นได้ก็คือ การเก็บน้ำแข็งแห้งปริมาณมากในห้องแคบ ๆ หรือห้องเพดานต่ำที่การระบายอากาศไม่ดีพอก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ระเหิดออกมาจะแทนที่ออกซิเจนที่ทำให้ขาดอากาศหายใจได้ ดังนั้นห้องที่ใช้หรือเก็บรักษาน้ำแข็งแห้งหรือห้องแสดงคอนเสิร์ตที่ต้องใช้น้ำแข็งแห้งในปริมาณมากๆจึงควรที่จะจัดให้มีที่ระบายอากาศอย่างเพียงพอ โดยปกติก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะหนักกว่าอากาศจึงควรที่จะจัดให้มีที่ระบายอากาศอย่างเพียงพอ โดยปกติก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะหนักกว่าอากาศจึงมักจะลอยอยู่ในระดับต่ำ ดังนั้นการระบายอากาศที่ดีจึงควรมีการระบายอากาศทางด้านล่าง จะเห็นได้ว่าการใช้น้ำแข็งแห้งในปริมาณมากส่วนใหญ่จะนำมาใช้ในทางอุตสาหกรรม ผู้บริโภคโดยทั่วไปอาจมีโอกาสสัมผัสน้ำแข็งแห้งได้จากรถจำหน่ายไอศกรีม น้ำแข็งแห้งที่แช่มากับอาหารหรือไอศกรีม ซึ่งเป็นปริมาณที่น้อยเมื่อเทียบกับการใช้ในภาคอุตสาหกรรม แต่อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ต้องพึงระวังก็คือ น้ำแข็งแห้งไม่ใช่น้ำแข็งหรือไอศกรีมห้ามบริโภคโดยตรงโดยเด็ดขาด อย่าหยิบจับน้ำแข็งแห้งด้วยมือเปล่า หากน้ำแข็งแห้งนั้นห่อด้วยกระดาษจะเป็นการป้องกันการสัมผัสได้อีกทางหนึ่ง แต่ถ้าหากเกิดอาการน้ำแข็งกัดจากการสัมผัสให้ล้างด้วยน้ำปริมาณมาก ๆ ก่อนไปพบแพทย์ ข้อพึงระวังอีกประการหนึ่งก็คือ อย่านำน้ำแข็งแห้งมาเป็นอุปกรณ์เล่นสนุก โดยเฉพาะต้องระวังในเด็ก ๆ ที่อาจรู้เท่าไม่ถึงการณ์ เช่น การบรรจุในขวดปิดสนิทซึ่งจะทำให้เกิดการระเบิดได้ นอกจากนี้อย่านำน้ำแข็งแห้งเก็บในตู้เย็นเพราะจะทำให้ระบบทำความเย็นหยุดการทำงานได้เนื่องจากน้ำแข็งแห้งมีความเย็นมากกว่าความเย็นในตู้เย็น

น้ำแข็งแห้งหรือดรายไอซ์ (Dry ice) หรือชื่อที่เป็นทางการคือ คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง (Solid carbon dioxide) ในปัจจุบันได้มีการนำมาใช้กันมาก ซึ่งน้ำแข็งแห้งนั้นมีสถานะเป็น ของแข็ง มีความเย็นจัดถึง ลบ ๗๙ องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิห้องจะระเหิดเป็นก๊าซโดย ไม่หลอมละลายเป็นของเหลวเหมือนน้ำแข็งทั่วไป ด้วยคุณสมบัติของน้ำแข็งแห้ง จึงสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้หลายทาง เช่น ใช้ในอุตสาหกรรมการถนอมอาหารและไอศกรีม ใช้ในการขนส่งเวชภัณฑ์ ใช้ในการทำหมอกควันในการแสดงบนเวทีต่าง ๆ รวมทั้งใช้ในอุตสาหกรรมด้านทำความสะอาดเครื่องจักร 

อันตรายของน้ำแข็งแห้งอยู่ที่
            ๑. การหยิบจับ สัมผัส น้ำแข็งแห้งโดยตรง เพราะจะทำให้บริเวณที่สัมผัสไหม้จากความเย็นจัดได้ ดังนั้นจึงห้ามสัมผัสน้ำแข็งแห้งโดยตรง
            ๒. อาจทำให้เกิดระเบิดในกรณีที่นำน้ำแข็งแห้งมาใส่ภาชนะที่ปิดสนิท เนื่องจากแรงดันที่เกิดขึ้นจากการที่น้ำแข็งแห้ง ระเหิดกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สะสมจนถึงระดับหนึ่งที่สามารถระเบิดได้ 

๓. การใช้น้ำแข็งแห้งในห้องแสดงคอนเสิร์ต ควรต้องมีการจัดการระบายอากาศที่ดีพอ โดยเฉพาะการระบายอากาศทางด้านล่าง เพื่อป้องกันการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งจะทำให้ขาดอากาศหายใจได้
            ๔. หากใช้น้ำแข็งแห้งเพื่อความเย็นของไอศกรีม ควรห่อน้ำแข็งแห้งด้วยกระดาษหรือบรรจุในถุงกระดาษให้เรียบร้อย