ของแข็ง ของเหลว แก๊ส อาจารย์กนกพร บุญนวน.

งานนำเสนอเรื่อง: "ของแข็ง ของเหลว แก๊ส อาจารย์กนกพร บุญนวน."— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 ของแข็ง ของเหลว แก๊ส อาจารย์กนกพร บุญนวน

2 สมบัติของแก๊ส 1.สมบัติทั่วไปของแก๊ส มีรูปร่างและปริมาตรไม่แน่นอน อนุภาคเคลื่อนที่ตลอดเวลา ไม่เป็นระเบียบ ฟุ้งกระจาย แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อย ความหนาแน่นน้อย ปริมาตรขึ้นอยู่กับ อุณหภูมิ ความดันและจำนวนโมล สามารถแพร่ได้

3 ทฤษฎีจลน์ของแก๊ส 1. แก๊สต่างๆ ประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก จนถือได้ว่าอนุภาคแก๊สไม่มีปริมาตรเมื่อเทียบกับภาชนะที่บรรจุ 2. โมเลกุลของแก๊สอยู่ห่างกัน ทำให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันมีค่าน้อยมาก จนถือได้ว่าไม่มีแรงกระทำต่อกัน แต่ละโมเลกุลมีอิสระในการเคลื่อนที่ อนุภาคของแก๊ส

4 3. โมเลกุลของแก๊สแต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่อย่างไม่เป็น
ระเบียบตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วคงที่จนปะทะ โมเลกุลอื่นหรือผนังภาชนะ จึงเปลี่ยนทิศทาง และอาจเปลี่ยนความเร็วด้วย 4. การชนกันของโมเลกุลของแก๊สเป็นแบบ ยืดหยุ่นสมบูรณ์ คือเมื่อชนกันแล้วจะไม่มีการ สูญเสียพลังงานรวม แต่อาจมีการถ่ายเทพลังงานจลน์ ระหว่างโมเลกุลได้

5 5. ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราเร็วเฉลี่ยของแก๊สชนิดหนึ่งๆ
จะมีค่าคงที่ 6. ที่อุณหภูมิเดียวกันแก๊สทุกชนิดจะมีค่าพลังงานจลน์ เฉลี่ยเท่ากัน และพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊ส แปรผันตรงกับอุณหภูมิเคลวิน

6 2.ประเภทของแก๊ส แก๊สสมบูรณ์หรือแก๊สในอุดมคติ (Ideal gas) คือ แก๊สที่ไม่ว่าจะอยู่ในสภาวะใดก็ตามจะมี พฤติกรรมและสมบัติเป็นไปตามกฎและทฤษฎีของแก๊ส แก๊สที่อยู่ในภาวะอุณหภูมิสูงและความดันต่ำ แก๊สไม่สมบูรณ์หรือแก๊สจริง(Real gas) คือ แก๊สที่มีพฤติกรรมไม่เป็นไปตามกฎและทฤษฎีของแก๊สในสภาวะปกติ

7 3. ความสัมพันธ์ปริมาตร อุณหภูมิและความดัน
ปริมาตร (V) ปริมาตรของแก๊ส หมายถึงปริมาตรของภาชนะที่บรรจุ มีหน่วยเป็น ลูกบาศก์เดซิเมตร(dm3), ลิตร(l) หรือ ลูกบาศก์เซนติเมตร(cm3) 1 dm = l cm3 = ml

8 อุณหภูมิ (Temperature)(T)
คือ มาตราส่วนที่ใช้บอกระดับความร้อน-เย็นของสาร เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิ คือ เทอร์โมมิเตอร์, ไพโรมิเตอร์, เทอร์โมคัพเปิล หน่วยที่ใช้วัด คือ เซลเซียส (0 C), เคลวิน (K), ฟาเรนไฮต์ (F) K = oC

9 ความดัน (pressure)(P)
ความดันของแก๊ส คือ แรงที่โมเลกุลของแก๊สกระทำต่อผนัง ต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ภาชนะ หน่วยที่ใช้วัดความดัน คือ บรรยากาศ, มิลลิเมตรปรอท, นิวตันต่อตารางเมตร, ไดน์ต่อตารางเซนติเมตร, ปอนด์ต่อตารางนิ้ว, บาร์, ทอร์, ปาสคาล

10 ความสัมพันธ์ 1 บรรยากาศ หรือ 1 atm = 760 มิลลิเมตรปรอท = 760 ทอร์ (Torr) = 1.4 ปอนด์/ตารางนิ้ว (lb/in2) = x 105 ปาสคาล (Pa) = x 105 นิวตัน/ตารางเมตร (N/m2) = บาร์ (bar)

11 การทดลองที่ 5.3 เรื่องผลของความดันหรืออุณหภูมิต่อปริมาตรแก๊ส
การทดลองที่ เรื่องผลของความดันหรืออุณหภูมิต่อปริมาตรแก๊ส จุดประสงค์การทดลอง 1. ทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของความดันหรืออุณหภูมิที่มี ต่อปริมาตรของแก๊สได้ 2. อธิบายผลของความดันที่มีต่อปริมาตรของแก๊สเมื่อ อุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ได้ 3. อธิบายผลของอุณหภูมิที่มีต่อปริมาตรของแก๊สเมื่อความ ดันและมวลของแก๊สคงที่ได้

12 การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในกระบอกฉีดยา
ผลการทดลอง การทดลอง การเปลี่ยนแปลงของแก๊สในกระบอกฉีดยา อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร ตอนที่ 1 - ขณะกดก้านหลอดฉีดยา - ขณะดึงก้านหลอดฉีดยา คงที่ เพิ่มขึ้น ลดลง ตอนที่ 2 - เมื่อจุ่มกระบอกฉีดยาในน้ำร้อน - เมื่อจุ่มกระบอกฉีดยาในน้ำเย็น

13 สรุปผลการทดลอง 1. ในการทดลองแต่ละตอน มวลของอากาศคงที่เพราะอากาศใน
กระบอกฉีดยามีปริมาณคงที่ 2. การทดลองตอนที่ 1 อากาศมีอุณหภูมิคงที่เท่ากับ อุณหภูมิห้อง เมื่อเพิ่มความดันให้กับอากาศในกระบอกฉีดยา ปริมาตรของอากาศลดลง แต่เมื่อลดความดันลงปริมาตรของ อากาศเพิ่มขึ้น แสดงว่าความดันมีผลต่อปริมาตรของแก๊ส เมื่ออุณหภูมิคงที่

14 3. การทดลองตอนที่ 2 การเลื่อนกระบอกขึ้นลงเพื่อให้ระดับน้ำ ในกระบอกฉีดยาเท่ากับระดับน้ำในบีกเกอร์ เป็นการปรับ ความดันของอากาศในกระบอกฉีดยาทั้งที่แช่ในน้ำร้อนและ น้ำเย็นจึงคงที่ คือเท่ากับความดันบรรยากาศ 4. เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นปริมาตรของอากาศจะเพิ่มขึ้น และเมื่อ อุณหภูมิต่ำลงปริมาตรของอากาศจะลดลง แสดงว่าอุณหภูมิ มีผลต่อปริมาตรของแก๊สเมื่อความดันคงที่

15 4. กฎต่างๆของแก๊ส Boyle’s Law
ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับความดันของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

16 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรของแก๊สเมื่ออุณหภูมิคงที่

17 Boyle’s Law (เมื่อ T และ m คงที่) m = มวลของแก๊ส P1V1 = P2V2
ณ อุณหภูมิและมวลของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊สใด ๆ จะแปรผกผันกับความดัน (เมื่อ T และ m คงที่) m = มวลของแก๊ส P1V1 = P2V2

18 ตัวอย่าง 1 แก๊สชนิดหนึ่ง มีปริมาตร 350 cm3 ภายใต้ความดัน 0.92 atm
อุณหภูมิ 21 oC จงหาปริมาตรของแก๊สนี้ที่ 1.4 atm ณ อุณหภูมิเดียวกันนี้ วิธีทำ จากสูตร P1V1 = P2V2 อุณหภูมิคงที่ ที่ 21 oC และค่า P1 = 0.92 atm, V1= 350 cm3 P2 = 1.4 atm, V2= ? cm3 แทนค่า atm x 350 cm3 = 1.4 atm x V2 V2 = (0.92 atm x 350 cm3) 1.4 atm = 230 cm3 Is4^

19 ตัวอย่าง 2 แก๊สจำนวน 15 g มีปริมาตร 10 ลิตร ที่ความดัน150 mmHg เมื่ออุณหภูมิคงที่ ถ้าเปลี่ยนความดันเป็น50 mmHg  แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใด โจทย์กำหนด P1   =   150  mmHg P2   =   50   mmHg                 V1   =   10   ลิตร    V2   =   ?   จากสูตร           P1V1   =   P2V2                     150 x 10   =   50 x V2                            V =   30   ลิตร

20 ตัวอย่าง 3 แก๊สชนิดหนึ่งบรรจุอยู่ในภาชนะทรงกระบอกขนาด 2
ตัวอย่าง 3 แก๊สชนิดหนึ่งบรรจุอยู่ในภาชนะทรงกระบอกขนาด 2.0 ลิตร ที่ความดัน 1.5 บรรยากาศ เมื่อเพิ่มความดันเป็น 1500 มิลลิเมตรปรอท โดยควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ ปริมาตรของแก๊สจะเป็นเท่าใด

21 ตัวอย่าง 4 แก๊สชนิดหนึ่งมีความดันเริ่มต้นเท่ากับ 200 mmHg  แก๊สชนิดนี้จะมีความดันสุดท้ายเป็นเท่าใดถ้าทำให้แก๊สมีปริมาตรลดลงเป็นครึ่งหนึ่งของปริมาตรเดิมเมื่ออุณหภูมิคงที่

22 Charles’s Law ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับปริมาตรของแก๊สเมื่อความดันคงที่

23 ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิในหน่วยองศาเซลเซียสและเคลวินกับปริมาตรของแก๊ส

24 เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน
Charles’s Law เมื่อมวลและความดันของแก๊สคงที่ ปริมาตรของแก๊ส จะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ (เคลวิน) V œ T (เมื่อ P และ m คงที่) V1 V T2 = T1 เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน

25 ตัวอย่าง 5 แก๊สไนโตรเจนปริมาตร 20 ลิตร ที่อุณหภูมิ 373 เคลวิน เมื่อทำให้อุณหภูมิลดลงเป็น 273 เคลวิน โดยความดันของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลง ปริมาตรสุดท้ายของแก๊สเป็นเท่าใด ตอบ L

26 ตัวอย่างที่ 6 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 79
ตัวอย่างที่ 6 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 79.5 cm3 ที่ 45 oC แก๊สจะมีปริมาตรเท่าใดที่ 0 oC วิธีทำ จากสูตร V1/T = V2/T2 V1 = 79.5 cm T1 = K = 318 K V2 = ? T2 = K = 273 K แทนค่า จะได้ cm3 = V2 318 K K V2 = (79.5 cm3)(273 K) 318 K = cm3

27 เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน
Gay-Lussac ’s Law ความดันของแก๊สใดๆ จะแปรผันโดยตรงกับอุณหภูมิ เมื่อปริมาตรของแก๊สคงที่" P œ T (เมื่อ V และ m คงที่) P1 = P2 T1 T2 เมื่อ T มีหน่วยเป็นเคลวิน

28 กฎรวมแก๊ส เมื่อนำกฎทั้ง 3 กฎมารวมกัน P1V1 P2V2 = (เมื่อ m คงที่) T T2

29 ตัวอย่างที่ แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 300 cm3  ที่อุณหภูมิ 200OC  ความดัน 1.5 atm  แก๊สนี้จะมีความดันเท่าใดถ้าปริมาตรเปลี่ยนไปเป็น 1000 cm3  และอุณหภูมิ 300OC วิธีทำ           P1  =  1.5  atm          P2  =  ?                     V1  =  300  cm3          V2  =  1000  cm3                     T1  =    =  473 K    T2  =    =  573 K P1V1 = P2V2 T T2 1.5 atm X cm3 = P2 X cm3 473 K K P = atm

30 ตัวอย่าง 8 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 10. 0 ลิตร ที่ความดัน 1
ตัวอย่าง 8 แก๊สชนิดหนึ่งมีปริมาตร 10.0 ลิตร ที่ความดัน 1.0 บรรยากาศ อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ถ้าแก๊สชนิดนี้มีปริมาตรและความดันเปลี่ยนเป็น 11.5 ลิตร และ 900 มิลลิเมตรปรอท ตามลำดับ จงหาอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปในหน่วยองศาเซลเซียส ตอบ oC

31 เมื่อ n = จำนวนโมลของแก๊ส
Avogadro’s Law “ ภายใต้สภาวะที่อุณหภูมิและความดันคงที่ แก๊สที่มีปริมาตรเท่ากันจะมีจำนวนโมลเท่ากัน” V œ n (เมื่อ P และ T คงที่) V V2 = n n2 เมื่อ n = จำนวนโมลของแก๊ส

32 จากกฎของ Charles V T เมื่อ P และ m คงที่
จากกฎของ Avogadro V n เมื่อ T และ P คงที่ จากกฎของ Boyle V เมื่อ T และ m คงที่ จากกฎของ Charles V T เมื่อ P และ m คงที่ จากกฎทั้ง V nT P V = R x nT เมื่อ R = l.atmK-1mol -1

33 Ideal gas Law (กฎแก๊สสมบูรณ์)
PV = nRT เมื่อ P คือ ความดันของแก๊ส (atm) V คือ ปริมาตรของแก๊ส (dm3 หรือ l) n คือ จำนวนโมลของแก๊ส T คือ อุณหภูมิเคลวิน (K) R คือ ค่าคงที่ของแก๊สต่อโมล = l.atmK-1mol -1

34 PV = nRT (1) g M PV = RT (2) เมื่อ g คือ มวลของสาร หน่วย กรัม (g) M คือ มวลโมเลกุล

35 ตัวอย่าง บรรจุแก๊สออกซิเจนจำนวน 0
ตัวอย่าง บรรจุแก๊สออกซิเจนจำนวน กิโลกรัม ไว้ในถังเหล็กกล้าซึ่งมีปริมาตร 438 ลิตร จงคำนวณความดันของแก๊สออกซิเจนในถังนี้ที่อุณหภูมิ 21 oC ตอบ 1.5 บรรยากาศ

36 ความหนาแน่นของแก๊ส (d)
จากกฎแก๊สสมบูรณ์ PV = RT ความหนาแน่น d = d = PM RT เมื่อ d คือ ความหนาแน่น g M g V

37 ตัวอย่างที่ 4 จงคำนวณโมลของแก๊สสมบูรณ์แบบชนิดหนึ่ง ซึ่งมีปริมาตร 0
ตัวอย่างที่ 4 จงคำนวณโมลของแก๊สสมบูรณ์แบบชนิดหนึ่ง ซึ่งมีปริมาตร l ที่ 87 oC และที่ความดัน atm PV = nRT n = PV RT n = atm X l X 360 K n = X mol

38 ตัวอย่างที่ 5 จงคำนวณน้ำหนักโมเลกุลของแก๊สสมบูรณ์แบบ ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีปริมาตร 500 cm3 มีน้ำหนัก g ที่ 100 oC และที่ความดัน 380 torr g M PV = RT P = (380 torr /760 torr atm –1) = 0.5 atm V1 = 500 cm3 / 1000 cm3 = 0.5 dm3 R = l . atm K-1 mol-1 , T1 = 373 K, g = g , M = ?

39 แทนค่าในสูตร จะได้ (0.326 g)( l atm K-1 mol-1)(373 K) M = g mol -1 M = (0.5 atm)(0.5 dm3)

40 ตัวอย่างที่ 6 จงหาความหนาแน่นของ NH3 ในหน่วย g/l ที่ 752 mmHg และ 55 oC
d = PM RT = atm x 17 x 328 K = g / l

41 Dalton’ s law of partial pressure
* ความดันรวมของแก๊สผสมจะเท่ากับผลบวกของความดันย่อยของแก๊สแต่ละชนิด” PTotal = P1 + P2 + P

42

43 ความดันรวม = ผลรวมของความดันย่อย
แก๊สผสม 1 L 1 L 1 L H atm N atm O atm 1 L 1.35 atm ความดันรวม = ผลรวมของความดันย่อย

44 ตัวอย่างที่ 7 เมื่อนำแก๊ส N2 จำนวน 200 cm3 ที่อุณหภูมิ 25 oC ความดัน 250 torr
มาผสมกับแก๊ส O2 ที่มีปริมาตร 350 cm3 อุณหภูมิ 25 oC และความดัน 300 torr ในภาชนะที่มีปริมาตร 300 cm3 จงหาความดันรวมของแก๊สผสม สำหรับ N2: V1 = 200 cm3 P1 = 250 torr V = 300 cm3 PN2 = ? P1V1 PN2 = V = (250 torr)(200 cm3) 167 torr = (300 cm3) PO2 = (300 torr)(350 cm3) 350 torr = (300 cm3) Ptot = PN2 + PO2 = = torr

45 การแพร่ของแก๊ส การแพร่ (Diffusion) เป็นปรากฏการณ์ที่โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งสู่บริเวณหนึ่ง โดยเคลื่อนที่จากบริเวณที่ความเข้มข้นของแก๊สสูงไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นแก๊สต่ำ

46 การแพร่ผ่าน (Effusion) เป็นกระบวนการที่แก๊สเคลื่อนที่จากบริเวณหนึ่งผ่านช่องเล็กๆออกสู่บริเวณหนึ่ง ในระหว่างการแพร่ผ่านนี้ไม่มีการชนกันระหว่างโมเลกุล

47 Graham’s Law of Effusion
ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊ส จะแปรผกผันกับรากที่สองของความหนาแน่นของแก๊ส เมื่อ R คือ อัตราการแพร่ผ่านของแก๊ส d คือ ความหนาแน่นของแก๊ส

48 ถ้าเปรียบเทียบการแพร่ของแก๊ส 2 ชนิด คือ
(1) (2)

49 เมื่อ R1 คือ อัตราการแพร่ของแก๊สชนิดที่ 1 R2 คือ อัตราการแพร่ของแก๊สชนิดที่ 2 M1 คือ มวลโมเลกุลของแก๊สชนิดที่ 1 M2 คือ มวลโมเลกุลของแก๊สชนิดที่ 2 d1 คือ ความหนาแน่นของแก๊สชนิดที่ 1 d2 คือ ความหนาแน่นของแก๊สชนิดที่ 2

50 ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการแพร่ของแก๊ส
มวลโมเลกุลของแก๊ส แก๊สที่มีมวลโมเลกุลต่ำมีอัตรา การแพร่เร็วกว่า แก๊สที่มีมวลโมเลกุลสูง 2.ความหนาแน่นของแก๊ส แก๊สที่มีความหนาแน่นต่ำ มีอัตราการแพร่เร็วกว่า แก๊สที่มีความหนาแน่นสูง

51 ตัวอย่างที่ 8 จงเรียงลำดับอัตราการแพร่ของแก๊สต่างๆ ดังนี้ NH3 , CO2 , CH4 , H2O โดยเรียงจากเร็วที่สุดไปช้าที่สุด (มวลอะตอม H=1 , C=12 , N=14 , O=16 ) วิธีทำ แก๊สใดมวลโมเลกุลน้อยจะแพร่เร็วกว่าแก๊สที่มี มวลโมเลกุลมาก สาร CH4 > NH3 > H2O > CO2 มวลโมเลกุล

52 ตัวอย่างที่ 9 แก๊ส NH3 กับ CO2 ตัวใดจะแพร่ได้เร็วกว่า โดยให้เปรียบเทียบ อัตราการแพร่ผ่าน (M ของ NH3 และ CO2 เท่ากับ 17 และ 44 ตามลำดับ วิธีทำ แสดงว่า แอมโมเนียมีอัตราแพร่ผ่าน(รู)ได้เร็วเป็น 1.6 เท่าของ CO2

53 เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับแก๊ส ของเหลวและของแข็ง
การทำน้ำแข็งแห้ง Purify CO2(g) เพิ่ม P CO2(l) Pure dryCO2(l) ลด T Drying เพิ่ม P, ลด T Pure dryCO2(l) ที่ P=18 atm,T= -250C CO2(s) อัดผ่านรูพรุน

54 การทำไนโตรเจนเหลว Air form Air without CO2 compressor N2(l) N2(g)
NaOH (aq) Air without CO2 compressor กรองน้ำมัน ทำให้แห้งโดยใช้ อะลูมินา Al2O3 N2(l) N2(g) Dried air ลด T (-196oC) ลด T (-183oC) แยก O2 (1)