สสารและสมบัติของสาร Witchuda Pasom

สสาร คือสิ่งต่างๆที่ต้องการที่อยู่และมีน้ำหนัก และสัมผัสได้ หน่วยที่เล็กที่สุดของสสารคือ อะตอม และอะตอมเป็นตัวแสดงสมบัติของสสารนั้น สมบัติของสาร หมายถึง ลักษณะประจำตัวของสารแต่ละชนิดซึ่งแตกต่างจากสารอื่น เช่น กระดาษติดไฟได้ แต่แม่เหล็กไม่ติดไฟ ออกซิเจนอยู่ใสสถานะก๊าซที่อุณหภูมิและความดันปกติ แต่น้ำเป็นของเหลว น้ำส้มสายชูมีรสเปรี้ยวแต่น้ำมีรสจืด น้ำมีจุดเดือด 100 เซลเซียส แต่เอธานอลมีจุดเดือด 78.5 องศาเซลเซียส

สมบัติของสารแบ่งออกเป็น 2 ประเภท           1. สมบัติทางกายภาพ  หมายถึง  ลักษณะภายนอกของสารที่ได้จากการสังเกตหรือทราบได้จากการทดลองง่าย  ๆ เช่น สี  กลิ่น  รส  จุดเดือด  จุดหลอมเหลว  ความแข็ง  การนำไฟฟ้า  การนำความร้อน  ความหนาแน่น  ความถ่วงจำเพาะ  ลักษณะผลึก  เป็นต้น           2.  สมบัติทางเคมี  เป็นสมบัติที่ทราบได้โดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงทางเคมี  หรือเป็นสมบัติที่เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงจากสารหนึ่งไปเป็นสารอื่น ๆ เช่น  เหล็กเป็นสนิม  ถ่านเมื่อเผาไหม้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์  สังกะสีเมื่อทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกได้ก๊าซไฮโดรเจน  เป็นต้น

อะตอมเป็นตัวแสดงสมบัติของสสาร อะตอม ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 อนุภาคคือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน โดยที่โปรตอนและนิวตรอนจะรวมกันอยู่ใน นิวเคลียส ดังนั้นในนิวเคลียสจะเป็นที่รวมส่วน ใหญ่ของอะตอม

โปรตอน มีมวล 1.673x10-24 g มีประจุไฟฟ้า +6.75x10-19 C นิวตรอน มีมวล 1.675x10-24 g ไม่มีประจุไฟฟ้า อิเล็กตรอน มีมวล 9.109x10-28 g มีประจุไฟฟ้า -1.602x10-19 C

สสารแบ่งออกเป็น 3 ชนิด คือ ของแข็ง อะตอมภายในของแข็งถูกยึดแน่นอยู่กับที่ แต่สามารถสั่นไปมารอบๆตำแหน่งของอะตอมนั้นๆ ของเหลว แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมน้อยลง มีอิสระในการเคลื่อนที่มากขึ้น สามารถไหลได้ ก๊าซ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมมีน้อยมาก จนแทบไม่มี ทำให้แต่ละอะตอมเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระอย่าง สมบูรณ์

การเปลี่ยนสถานะของสสาร

นอกเหนือจาก 3 สถานะนี้แล้ว ยังมีสสารอีก 1 ชนิดคือพลาสมา ประกอบด้วย อนุภาคหรืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้ารวมกันอยู่ในลักษณะก๊าซ เมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะแตกตัวเป็นไอออนและเปลี่ยนสถานะเป็นพลาสมา ได้แก่สสารในอวกาศ

เราจึงอาจแบ่งสสารออกเป็น 2 สถานะ คือ ของแข็ง และ ของไหล โดยที่สถานะของของไหลแบ่งออกเป็น ของเหลวและก๊าซ โดยแบ่งจากความแตกต่างของช่องว่าง และอัตราการเคลื่อนไหวของโมเลกุล

คุณสมบัติของสาร ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น การนำความร้อน การนำไฟฟ้า

ความหนาแน่น Density ความหนาแน่น ของสสารคือ อัตราส่วน ความหนาแน่น ของสสารคือ อัตราส่วน ของมวลหรือน้ำหนักของสสารนั้น (m) ต่อหน่วย ปริมาตร

ถ้าพิจารณามวลในรูปน้ำหนักแล้วจะได้ หน่วยของความหนาแน่นคือ kg/m3 , g/cm3 และใน 1 m3 = 1 gallons 1 g/cm3 = 1 g/mL และ น้ำมีความหนาแน่นเป็น 1000 kg/m3 = 1 g/cm3

ตัวอย่าง ความยาวด้านของลูกบาศก์อลูมิเนียม มีค่าเท่าใด เมื่อน้ำหนักอลูมิเนียมมีค่าเท่ากับ น้ำหนักของทอง กำหนดความหนาแน่น อลูมิเนียม = 2.7x103 , ความหนาแน่นทอง = 19.3x103 kg/m3

ความถ่วงจำเพาะ คืออัตราส่วนความหนาแน่นของสสารนั้นเทียบ กับสารมาตรฐาน ถ้าสสารเป็นของเหลวหรือ ของแข็ง สสารมาตรฐานมักจะเป็นน้ำ (ที่อุณหภูมิ 40 C) หากเป็นก๊าซมักจะใช้อากาศ เป็นสารมาตรฐาน ความหนาแน่นของของเหลว และของแข็งมีค่าโดยประมาณเท่ากับความถ่วง

จำเพาะเนื่องจาก ความหนาแน่นน้ำ = 1 g/mL ตัวอย่าง จงหาความหนาแน่นและความถ่วง จำเพาะของเอทิลแอลกอฮอล์ ถ้าเอทิลแอลกอ ฮอล์ 63.3 กรัม มีปริมาตร 80.0 มิลลิลิตร ความถ่วงจำเพาะ

1.มีสภาพยืดหยุ่นเมื่อแรงกระทำมีค่าน้อย สภาพยืดหยุ่นของของแข็ง สภาพยืดหยุ่น (Elasticity) คือ สมบัติของวัตถุที่มีการเปลี่ยนรูปร่าง เมื่อมีแรงมากระทำ และสามารถคืนตัวกลับสู่รูปร่างเดิมได้เมื่อหยุดออกแรงกระทำ สภาพพลาสติก (Plasticity) คือ คุณสมบัติของวัสดุที่มีการเปลี่ยนรูปร่างไปอย่างถาวร โดยผิววัสดุไม่มีการฉีกขาดหรือแตกหักเมื่อมีแรงมากระทำ สิ่งที่ควรทราบ คือ วัสดุหลายชนิดมีทั้งสภาพยืดหยุ่นและสภาพพลาสติกในตัวเองโดยที่ 1.มีสภาพยืดหยุ่นเมื่อแรงกระทำมีค่าน้อย 2. มีสภาพพลาสติกเมื่อแรงกระทำมีค่ามาก

สมบัติของสาร ขีดจำกัดการแปรผันตรง (Proportional limit) คือ ตำแหน่งสุดท้ายที่ระยะยืดออกของวัตถุแปรผันตรงกับขนาดของแรงดึง ขีดจำกัดสภาพยืดหยุ่น (Elastic limit) คือ ตำแหน่งสุดท้ายที่วัตถุยืดออกแล้วยังสามารถคืนสู่สภาพเดิมได้ เมื่อหยุดออกแรงกระทำ

สมบัติของสาร จากรูป ช่วง OA ความยาวที่สปริงยืดออกแปรผันตรงกับขนาดของแรงดึง เป็นไปตามกฎของฮุก (Hooke’sLaw) F=kx F แทนแรงที่กระทำกับสปริง k แทนค่าคงตัวของสปริง x แทนความยาวที่เปลี่ยนไปของสปริง

สมบัติของสาร ช่วง OB เป็นช่วงที่สปริงสามารถคืนตัวสู่รูปร่างเดิมได้เมื่อยกเลิกแรงกระทำกับสปริง OB สภาพสปริงในช่วง คือ “สภาพยืดหยุ่น” ช่วงกราฟจากจุด B เป็นต้นไปสปริงเปลี่ยนรูปไปอย่างถาวร แต่ถ้าออกแรงดึงสปริงต่อไปถึงจุด Cซึ่งเป็นจุดที่เส้นสปริงขาดพอดี เรียกจุด C นี้ว่า “จุดแตกหัก”(Breaking Point) สภาพของสปริงช่วง BC ก็คือ “สภาพพลาสติก”

สมบัติยืดหยุ่นของของแข็ง สมบัติของสาร สมบัติยืดหยุ่นของของแข็ง แบบจำลองของแรงยึดเหนี่ยวภายในของแข็งมีลักษณะเหมือนกับมีสปริงยึดแต่ละอะตอมเข้าด้วยกัน เมื่อใดมีแรงมากระทำกับของแข็งที่มีขนาด ของแข็งจะเป็นรูปทรง เช่น ยืดออก หดเข้า หรือบิดเบี้ยว ขึ้นอยู่กับลักษณะของแรงที่มากระทำปริมาณหลักทางฟิสิกส์ที่ใช้อธิบายการเปลี่ยนรูปทรงของวัตถุเมื่อมีแรงภายนอกมากระทำคือ ความเค้น(Stress) และความเครียด (Strain)

สมบัติของสาร ความเค้น (Stress) คือ อัตราส่วนระหว่างแรงที่กระทำต่อพื้นที่ ชนิดของความเค้นขึ้นอยู่กับลักษณะของแรงที่มากระทำ ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ชนิดคือ 1. ความเค้นดึงและความเค้นกด (Tensile and Compress stresses) 2. ความเค้นเฉือน (Shear stress) 3. ความเค้นเชิงปริมาตร (Bulk stress)

สมบัติของสาร ความเค้นตามยาว (Longitudinal Stress; σ) ความเค้นตามยาว คือ อัตราส่วนระหว่างแรงกระทำในแนวตั้งฉาก กับพื้นที่ภาคตัดขวาง A ของวัตถุ เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ “σ” อ่านว่า ซิกมา (Sigma) มีหน่วยในระบบ SI เป็นนิวตันต่อตารางเมตร (N/m2)หรือ พาสคัล (Pa)

สมบัติของสาร

สมบัติของสาร ความเครียด (e) เป็นปริมาณวัดการเปลี่ยนแปลงของรูปทรงที่เกิดจากความเค้น โดยเปรียบเทียบกับรูปทรงเดิมของวัตถุ ซึ่งลักษณะการเปลี่ยนรูปทรงจะขึ้นอยู่กับลักษณะของความเค้น ความเครียดตามยาว (Longitudinal Strain) คือ อัตราส่วนระหว่างความยาวที่เปลี่ยนไปกับความยาวเดิมของวัตถุ แทนด้วยสัญลักษณ์ “ε” อ่านว่า แอพซิลอน (Epsilon)

สมบัติของสาร เมื่อออกแรงดึงหรือกดของแข็งที่มีพื้นที่หน้าตัด A แล้วทำให้ความยาวเปลี่ยนไปจากเดิม L ดังนั้น ความเครียดดึง

สมบัติของสาร แขวนมวล 400 กิโลกรัม กับเส้นลวดโลหะชนิดหนึ่งมีพื้นที่หน้าตัด 2 x 10-4 เมตร2 ยาว 10 เมตร ก.ความเค้นที่เกิดขึ้นมีค่าเท่าใด ข. ถ้าลวดยาวขึ้น 2มิลลิเมตร จงหาความเครียดที่เกิดขึ้น ค. จงหาค่ามอดูลัสของลวดเส้นนี้

สมบัติของสาร ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับความเครียด (Stress-Strain Relationship) ในที่นี้เราจะใช้เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด (Stress-Strain Curve) ซึ่งได้จากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) เป็นหลัก โดยจะพลอตค่าของความเค้นในแกนตั้งและความเครียดในแกนนอน ดังรูป

สมบัติของสาร รูป เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด (Stress-Strain Curve) แบบมีจุดคราก (Yield Point)

สมบัติของสาร การทดสอบแรงดึง นอกจากจะให้ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียดแล้ว ยังจะแสดงความสามารถในการรับแรงดึงของวัสดุ ความเปราะ เหนียวของวัสดุ (Brittleness and Ductility) และบางครั้งอาจใช้บอกความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุ (Formability) ได้อีกด้วย

สมบัติของสาร มอดูลัสของยัง (Young’s Modulus ; Y) คือ อัตราส่วนระหว่างความเค้นตามยาวและความเครียดตามยาวของวัตถุชนิดหนึ่งๆ เมื่อออกแรงดึงเส้นวัตถุ โดยไม่ให้ขนาดของแรงดึงเกินขีดจำกัดของการแปรผันตรงของวัตถุ เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ “Y” สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

ความเค้นและความเครียดเฉือน (Shear stress and shear strain) สมบัติของสาร ความเค้นและความเครียดเฉือน (Shear stress and shear strain) เมื่อมีแรงเฉือน F กระทำบนพื้นที่ A แล้วทำให้ของแข็งเปลี่ยนรูปไป แสดงแรงเฉือน F กระทำบนพื้นที่หน้าตัด A ของ ของแข็ง แสดงการเปลี่ยนรูปของของแข็งไปเป็นมุม q โดยที่

ความเค้นและความเครียดเชิงปริมาตร (Bulk stress and bulk strain) สมบัติของสาร ความเค้นและความเครียดเชิงปริมาตร (Bulk stress and bulk strain) เมื่อของแข็งปริมาตร V วางอยู่ในของไหลที่มีความดัน P โดยที่ P = F/A แล้วทำให้ปริมาตรเปลี่ยนไปจากเดิม DV ดังนั้น ความเค้นในรูปของความดันจากของไหลรอบด้านทำให้ปริมาตรของวัตถุลดลง ความเค้นเชิงปริมาตร หรือความดัน ความเครียดเชิงปริมาตร

สมบัติของสาร มอดูลัสความยืดหยุ่นแบ่งออกเป็น 3 ชนิดคือ มอดูลัสของยัง (Y) เมื่อของแข็งถูกแรงดึงหรือแรงกดกระทำ โดยที่ 2. มอดูลัสเฉือน (S) เมื่อของแข็งถูกแรงเฉือนกระทำ โดยที่ 3. มอดูลัสเชิงปริมาตร หรือ Bulk molulus (B) เมื่อของแข็งถูกความดันของของเหลวกระทำ โดยที่

สมบัติของสาร ตัวอย่าง แขวนมวล 400 กิโลกรัม กับเส้นลวดโลหะชนิดหนึ่งมีพื้นที่หน้าตัด 2 x 10-4 เมตร2 ยาว 10 เมตร เส้นลวดเส้นนี้จะยืดออกเป็นระยะเท่าใด กำหนดให้ค่ายังมอดูลัสของเส้นลวดนี้เป็น 2x 1011 นิวตัน/เมตร2 วิธีทำ

สมบัติของสาร แบบฝึกหัด ลวดเคเบิลที่ใช้ในการดึงลิฟต์ตัวหนึ่ง มีความยาว 25 เมตร ทำด้วยเหล็กกล้าที่มีค่ามอดูลัสดึง 201010 นิวตันต่อตารางเมตร ลิฟต์นี้ได้รับการออกแบบให้รับน้ำหนักได้ 1,600 นิวตัน และยอมให้ยืดได้มากที่สุด 5 มิลลิเมตร ลวดต้องมีพื้นที่หน้าตัดเท่าใด สายโทรศัพท์ยาว 125 เมตรและมีรัศมี 1 มิลลิเมตร ถูกขึงให้ตึงด้วยแรง 800 นิวตัน ปรากฏว่าความยาวของสายกลายเป็น 125.25 เมตรให้หาค่ามอดูลัสดึงของสายโทรศัพท์นี้

สมบัติของสาร แบบฝึกหัด 3. ลวดยาว 1 เมตร มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.1 เซนติเมตร สร้างจากโลหะที่มีคุณสมบัติยืดหยุ่น ดังแสดงในกราฟ จงหาว่าลวดนี้จะยืดออกเท่าไร ถ้าใช้ในการยกวัตถุมวล 100 กิโลกรัม

การนำความร้อน การนำความร้อน (อังกฤษ: heat conduction) คือ ปรากฏการณ์ที่พลังงานความร้อนถ่ายเทภายในวัตถุหนึ่ง ๆ หรือระหว่างวัตถุสองชิ้นที่สัมผัสกัน โดยมีทิศทางของการเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่ตัวกลางไม่มีการเคลื่อนที่ การนำความร้อนเป็นกระบวนการ ที่เกิดขึ้นบนชั้นอะตอมของอนุภาค เป็นหนึ่งในกระบวนการถ่ายเทความร้อน ในโลหะ การนำความร้อนเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนอิสระ(คล้ายการนำไฟฟ้า)ในของเหลวและของแข็งที่มีสภาพการนำความร้อนต่ำเป็นผลมาจากการสั่นของโมเลกุลข้างเคียง ในก๊าซ การนำความร้อนเกิดขึ้นผ่านการสั่นสะเทือนระหว่างโมเลกุลหรือกล่าวคือการนำความร้อนเป็นลักษณะการถ่ายเทความร้อนผ่าน โดยตรงจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งโดยการสัมผัสกัน เช่น การเอามือไปจับกาน้ำร้อน จะทำให้ความร้อนจากกาน้ำถ่ายเทไปยังมือ จึงทำให้รู้สึกร้อน เป็นต้น วัสดุใดจะนำความร้อนดีหรือไม่ดี ขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์การนำความร้อน(k)

ตัวอย่างสัมประสิทธิ์การนำความร้อน วัสดุ สัมประสิทธิ์การนำความร้อน(k)(W/mK) อากาศ(ที่ความดันบรรยากาศ) อะลูมิเนียม คอนกรีต ทองแดง เพชร น้ำแข็ง กระดาษ ไม้ เงิน 0.026 237 1.82 401 2300 2.2 0.05 0.1-0.35 429

การนำไฟฟ้าของสาร ไฟฟ้าสถิต หมายถึง อำนาจไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเฉพาะแห่ง เนื่องจากประจุไฟฟ้าไม่เคลื่อนที่ในวัตถุชนิดนั้น ๆ เช่น เมื่อถูแท่งพลาสติกด้วยผ้าสักหลาด แท่งพลาสติกบริเวณที่มีการถูจะแสดงอำนาจไฟฟ้าได้ เนื่องจากขณะที่นำพลาสติกไปถูผ้าสักหลาด จะทำให้ประจุไฟฟ้าที่อยู่ในพลาสติกแยกออกจากกัน และแสดงอำนาจไฟฟ้าบวกหรือลบ แล้วแต่ว่าบริเวณนั้นจะมีประจุชนิดใดมากกว่ากัน อำนาจไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นบริเวณที่ถูจากความรู้เรื่องไฟฟ้าสถิต ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสารต่าง ๆ จะมีประจุไฟฟ้า 2 ชนิด คือประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าลบ การที่วัตถุไม่แสดงอำนาจไฟฟ้าหรือเป็นกลางทางไฟฟ้านั้นเป็นเพราะว่ามีปริมาณของประจุบวกและลบเท่ากัน เมื่อนำมาเชื่อมโยงกับอะตอมทำให้เชื่อกันว่าอะตอมก็ควรจะมีประจุเช่นเดียวกัน อะตอมที่เป็นกลางจะมีประจุบวกและลบเท่ากัน ดังนั้นอะตอมจึงไม่ควรจะเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด

ไฟฟ้ากระแส หมายถึง อำนาจไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านตัวกลาง ตัวกลางที่ยอมให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านเรียกว่า ตัวนำ เช่น โลหะต่าง ๆ ส่วนตัวกลางที่ไม่ยอมให้ประจุไฟฟ้าผ่านเรียกว่า ฉนวน

การนำไฟฟ้าของสารละลาย สารละลายที่นำไฟฟ้าได้เรียกว่า “สารละลายอิเล็กโทรไลต์(Electrolytic solution)” เช่น สารละลายกรดเกลือ - ถ้านำไฟฟ้าได้มากเรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์แก่ (strong electrolyte) เช่น สารละลายโซเดียมคลอไรด์ - ถ้านำไฟฟ้าได้น้อยเรียกว่า สารละลายอิเล็กโทรไลต์อ่อน(weak electrolyte) เช่น สารละลายกรดอะซิติก - ถ้าเป็นสารละลายที่ไม่นำไฟฟ้าเรียกว่า “สารละลายนอนอิเล็กโทรไลต์ (Non-electrolytic solution)” เช่น สารละลายกลูโคส

การที่สารละลายอิเล็กโทรไลต์ นำไฟฟ้าได้ เพราะในสารละลายมีไอออนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเรียกว่า ไอออนบวก และไอออนลบ กล่าวคือ เมื่อสารละลายในน้ำจะมีการแตกตัวออกเป็นสองส่วน และมีประจุตรงกันข้ามกัน แต่ละส่วนเรียกว่า ไอออน - ไอออนส่วนหนึ่งจะมีประจุไฟฟ้าบวก เรียกว่า ไอออนบวก - ไอออนอีกส่วนหนึ่งจะมีประจุไฟฟ้าลบเรียกว่า ไอออนลบ (มีปริมาณเท่ากับไอออนบวก) เมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า ไอออนบวกจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ และ ไอออนลบจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวก ไอออนบวกที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าลบจะไปรับประจุลบหรืออิเล็กตรอน ส่วนไอออนลบที่เคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกจะเป็นตัวพาประจุลบไปให้ขั้วไฟฟ้า ไหลวนเวียนกันอยู่ในสารละลาย จึงก่อให้เกิดการนำไฟฟ้าขึ้น

การนำไฟฟ้าของก๊าซ ที่ความดันปกติก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า แม้ว่าจะเพิ่มความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าให้มากขึ้น แสดงว่าก๊าซเป็นฉนวนไฟฟ้า ความต่างศักย์ที่ใช้ตามบ้านคือ 220 โวลต์ ก๊าซจะไม่นำไฟฟ้า แต่ในบางโอกาสจะพบว่าก๊าซสามารถนำไฟฟ้าได้ เช่น การเกิดฟ้าแลบ หรือฟ้าผ่าในขณะที่มีพายุฝนฟ้าคะนอง จากการศึกษาการนำไฟฟ้าของก๊าซพบว่า ก๊าซจะนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นถ้าความดันของก๊าซต่ำลง และความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้ามากขึ้น