การทำให้แข็งตัว: จุดแข็งตัวและตัวอย่าง
การทำให้ เป็น ก้อน (Solidification) คือการเปลี่ยนแปลงที่เป็นของเหลวเมื่อผ่านไปยังของแข็ง ของเหลวอาจเป็นสารบริสุทธิ์หรือส่วนผสม นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงอาจเกิดจากอุณหภูมิลดลงหรือเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมี
ปรากฏการณ์นี้จะอธิบายได้อย่างไร? สายตาของเหลวเริ่มแข็งตัวหรือแข็งตัวจนถึงจุดที่หยุดไหลอย่างอิสระ อย่างไรก็ตามการแข็งตัวจริงประกอบด้วยชุดของขั้นตอนที่เกิดขึ้นในระดับจุลภาค
ตัวอย่างของการแข็งตัวคือฟองของเหลวที่ค้าง ในภาพด้านบนคุณจะเห็นว่าฟองสบู่ค้างเมื่อโดนหิมะ ส่วนของฟองที่เริ่มแข็งตัวคืออะไร สิ่งที่สัมผัสกับหิมะโดยตรง หิมะทำงานเพื่อรองรับโมเลกุลของฟองที่สามารถรองรับได้
การทำให้แข็งตัวจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจากด้านล่างของฟอง สามารถมองเห็นได้ใน "ต้นสนแก้ว" ที่ยื่นออกมาเพื่อปกปิดพื้นผิวทั้งหมด ต้นสนเหล่านี้สะท้อนการเติบโตของผลึกซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบและสมมาตรของโมเลกุล
เพื่อให้การแข็งตัวเกิดขึ้นจำเป็นต้องมีการจัดเรียงอนุภาคของของเหลวในลักษณะที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ปฏิกิริยาเหล่านี้จะรุนแรงขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงซึ่งส่งผลต่อจลศาสตร์ของโมเลกุล นั่นคือมันช้าลงและกลายเป็นส่วนหนึ่งของผลึก
กระบวนการนี้เรียกว่าการตกผลึกและการปรากฏตัวของนิวเคลียส (มวลรวมเล็ก ๆ ของอนุภาค) และการสนับสนุนเร่งกระบวนการนี้ เมื่อของเหลวได้ตกผลึกแล้วจะมีการกล่าวว่ามันแข็งตัวหรือแข็งตัว
เอนทัลปีของการแข็งตัว
สารบางชนิดไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน (หรือภายใต้การบำบัดเดียวกัน) บางคนถึงกับ "หยุด" เหนืออุณหภูมิห้องเช่นเดียวกับของแข็งที่มีจุดหลอมเหลวสูง ขึ้นอยู่กับประเภทของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็งหรือของเหลว
ในของแข็งพวกมันจะมีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงและยังคงสั่นสะเทือนในตำแหน่งคงที่ของพื้นที่โดยไม่มีอิสระในการเคลื่อนไหวและมีปริมาตรที่กำหนดในขณะที่อยู่ในของเหลวพวกเขามีความสามารถในการเคลื่อนที่เหมือนหลาย ๆ ชั้นที่เคลื่อนที่ไปมา ภาชนะบรรจุที่มีมัน
ของแข็งต้องใช้พลังงานความร้อนเพื่อส่งผ่านไปยังเฟสของเหลว กล่าวอีกนัยหนึ่งมันต้องการความร้อน ความร้อนที่ได้มาจากสภาพแวดล้อมและปริมาณขั้นต่ำที่ดูดซับเพื่อสร้างหยดแรกของของเหลวเรียกว่าความร้อนแฝงของฟิวชั่น (ΔHf)
ในทางกลับกันของเหลวนั้นจะต้องปล่อยความร้อนออกไปรอบ ๆ เพื่อที่จะจัดเรียงโมเลกุลและตกผลึกในช่วงของแข็ง ความร้อนที่ปล่อยออกมาคือความร้อนแฝงของการแข็งตัวหรือการแช่แข็ง (ΔHc) ทั้งΔHfและΔHcมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศตรงกันข้าม ที่แรกมีสัญญาณบวกและสัญญาณลบที่สอง
ทำไมอุณหภูมิยังคงคงที่ในการแข็งตัว?
ในช่วงเวลาหนึ่งของเหลวเริ่มแข็งตัวและเครื่องวัดอุณหภูมิจะทำเครื่องหมายอุณหภูมิ T ในขณะที่ของเหลวนี้ยังไม่แข็งตัวอย่างสมบูรณ์ T จะคงที่ เนื่องจากΔHcมีเครื่องหมายลบมันประกอบด้วยกระบวนการคายความร้อนที่ปล่อยความร้อน
ดังนั้นเทอร์โมมิเตอร์จะอ่านความร้อนที่ปล่อยออกมาจากของเหลวในระหว่างการเปลี่ยนเฟส ตัวอย่างเช่นถ้าคุณใส่ภาชนะที่มีของเหลวอยู่ในอ่างน้ำแข็ง ดังนั้น T จะไม่ลดลงจนกว่าการแข็งตัวจะเสร็จสมบูรณ์ทั้งหมด
หน่วยใดที่มาพร้อมกับการวัดความร้อนเหล่านี้ มักจะ kJ / mol หรือ J / g สิ่งเหล่านี้ตีความได้ดังนี้ kJ หรือ J คือปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ของเหลว 1 โมลหรือ 1 กรัมเพื่อให้เย็นหรือแข็งตัว
สำหรับกรณีของน้ำตัวอย่างเช่นΔHcเท่ากับ 6.02 kJ / mol นั่นคือน้ำบริสุทธิ์ 1 โมลจำเป็นต้องปล่อยความร้อน 6.02 kJ เพื่อให้สามารถแช่แข็งได้และความร้อนนี้คือสิ่งที่ทำให้อุณหภูมิคงที่ในกระบวนการ ในทำนองเดียวกันน้ำแข็ง 1 โมลจำเป็นต้องดูดซับความร้อน 6.02 kJ เพื่อละลาย
จุดเยือกแข็ง
ที่อุณหภูมิที่แน่นอนที่กระบวนการเกิดขึ้นจะเรียกว่าจุดรวมตัว (Tc) มันแตกต่างกันไปในสารทั้งหมดขึ้นอยู่กับความแข็งแกร่งของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในของแข็ง
ความบริสุทธิ์ก็เป็นตัวแปรสำคัญเช่นกันเนื่องจากของแข็งที่ไม่บริสุทธิ์ไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวกับของบริสุทธิ์ ด้านบนเป็นที่รู้จักกันในชื่อ จุดเยือกแข็ง ในการเปรียบเทียบจุดแข็งตัวของสารเคมีนั้นมีความจำเป็นต้องใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงถึงสิ่งที่บริสุทธิ์ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
อย่างไรก็ตามไม่สามารถนำไปใช้กับวิธีการแก้ปัญหาเช่นเดียวกับในกรณีของโลหะผสม เพื่อเปรียบเทียบคะแนนการแข็งตัวของพวกเขาควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นส่วนผสมที่มีสัดส่วนมวลเท่ากัน กล่าวคือมีความเข้มข้นเท่ากันของส่วนประกอบ
แน่นอนว่าจุดแข็งตัวของผลประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อโลหะผสมและวัสดุประเภทอื่น ๆ นี่เป็นเพราะการควบคุมเวลาและวิธีทำให้เย็นลงคุณสามารถได้รับคุณสมบัติทางกายภาพที่ต้องการหรือหลีกเลี่ยงสิ่งที่ไม่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะ
ด้วยเหตุนี้ความเข้าใจและการศึกษาแนวคิดนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านโลหะวิทยาและวิทยาแร่รวมถึงวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ที่ทำหน้าที่ผลิตและกำหนดลักษณะของวัสดุ
จุดแข็งตัวและจุดหลอมเหลว
ทฤษฏี Tc ควรเท่ากับอุณหภูมิหรือจุดหลอมเหลว (Tf) อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่เป็นความจริงเสมอไปสำหรับสารทั้งหมด เหตุผลหลักคือเมื่อเห็นแวบแรกมันจะง่ายต่อการทำลายโมเลกุลของของแข็งมากกว่าสั่งโมเลกุลของของเหลว
ดังนั้นจึงเป็นที่นิยมในทางปฏิบัติเพื่อใช้กับ Tf เพื่อวัดความบริสุทธิ์ของสารประกอบ ตัวอย่างเช่นหากสารประกอบ X มีสิ่งเจือปนจำนวนมากดังนั้น Tf ของมันจะห่างไกลจากของบริสุทธิ์ X เมื่อเทียบกับอีกด้วยความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้น
การสั่งซื้อโมเลกุล
ดังที่ได้กล่าวไปแล้วการทำให้เป็นก้อนแข็งไปสู่การตกผลึก สารบางชนิดเนื่องจากลักษณะของโมเลกุลและปฏิกิริยาของพวกมันต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมากและความดันสูงเพื่อทำให้แข็งตัว
ตัวอย่างเช่นได้รับไนโตรเจนเหลวที่อุณหภูมิต่ำกว่า-196ºC ในการทำให้เป็นของแข็งนั้นมันจำเป็นที่จะต้องทำให้เย็นมากขึ้นหรือเพื่อเพิ่มความดันในการบังคับให้โมเลกุล N 2 จัดกลุ่มเข้าด้วยกันเพื่อสร้างนิวเคลียสของการตกผลึก
เช่นเดียวกันกับก๊าซอื่น ๆ : ออกซิเจน, อาร์กอน, ฟลูออรีน, นีออน, ฮีเลียม; และสำหรับสุดขั้วที่สุดของทั้งหมดไฮโดรเจนซึ่งเฟสของแข็งได้กระตุ้นความสนใจอย่างมากสำหรับคุณสมบัติที่ไม่เคยมีมาก่อน
ในทางกลับกันกรณีที่รู้จักกันดีที่สุดคือ น้ำแข็งแห้ง ซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่า CO 2 ซึ่งมีไอระเหยสีขาวเนื่องจากการระเหิดของค่าเดียวกันที่ความดันบรรยากาศ สิ่งเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างหมอกในสถานการณ์
สำหรับสารประกอบเพื่อทำให้แข็งไม่ได้ขึ้นอยู่กับ Tc เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความดันและตัวแปรอื่น ๆ โมเลกุลขนาดเล็ก (H 2 ) จะเล็กลงและการปฏิสัมพันธ์ของพวกมันจะยิ่งน้อยลงยิ่งยากขึ้นเท่านั้นที่จะทำให้พวกมันเข้าสู่สถานะของแข็ง
เปอร์
ของเหลวไม่ว่าจะเป็นสารหรือส่วนผสมจะเริ่มแข็งตัวที่อุณหภูมิ ณ จุดแข็งตัว อย่างไรก็ตามภายใต้เงื่อนไขบางประการ (เช่นความบริสุทธิ์สูงเวลาทำความเย็นช้าหรือสภาพแวดล้อมที่มีพลังมาก) ของเหลวสามารถทนอุณหภูมิที่ต่ำกว่าโดยไม่ต้องแช่แข็ง สิ่งนี้เรียกว่า supercooling
ยังไม่มีคำอธิบายที่แน่ชัดเกี่ยวกับปรากฏการณ์ แต่ทฤษฎีนี้เชื่อว่าตัวแปรทั้งหมดที่ขัดขวางการเติบโตของนิวเคลียสการตกผลึกจะช่วยส่งเสริมการระบายความร้อนมากเกินไป
ทำไม? เนื่องจากผลึกขนาดใหญ่เกิดขึ้นจากนิวเคลียสหลังจากเพิ่มโมเลกุลรอบ ๆ ลงไป หากกระบวนการนี้ถูก จำกัด แม้ว่าอุณหภูมิจะต่ำกว่า Tc ของเหลวจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเช่นที่เกิดขึ้นกับหยดเล็ก ๆ ที่ทำขึ้นและทำให้มองเห็นเมฆในท้องฟ้า
ของเหลว supercooled ทั้งหมดสามารถแพร่กระจายได้นั่นคือพวกเขามีความไวต่อการรบกวนจากภายนอกเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่นหากน้ำแข็งก้อนเล็ก ๆ ถูกเพิ่มเข้าไปในพวกเขาหรือพวกเขาเขย่าเพียงเล็กน้อยพวกเขาจะหยุดทันทีซึ่งจะส่งผลให้มีการทดลองที่สนุกสนานและง่ายต่อการปฏิบัติ
ตัวอย่างการแข็งตัว
- แม้ว่ามันจะไม่เป็นของแข็ง แต่เจลาตินก็เป็นตัวอย่างของกระบวนการทำให้แข็งตัวโดยการทำให้เย็นลง
- แก้วเหลวใช้ในการสร้างและออกแบบวัตถุจำนวนมากซึ่งหลังจากการระบายความร้อนแล้วยังคงรูปแบบที่กำหนดไว้ในขั้นสุดท้าย
- เมื่อฟองสบู่แข็งตัวเมื่อสัมผัสกับหิมะขวดโซดาก็สามารถผ่านกระบวนการเดียวกันได้ และถ้ามันเย็นมากการแช่แข็งของมันจะเกิดขึ้นทันที
- เมื่อลาวาปะทุออกมาจากภูเขาไฟที่ปกคลุมขอบหรือพื้นผิวโลกมันจะแข็งตัวเมื่อสูญเสียอุณหภูมิจนกระทั่งเปลี่ยนเป็นหินอัคนี
- ไข่และเค้กแข็งเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกันเยื่อบุจมูกทำเช่นนั้น แต่เนื่องมาจากการขาดน้ำ อีกตัวอย่างหนึ่งยังสามารถพบได้ในสีหรือกาว
อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่าการทำให้แข็งตัวไม่เกิดขึ้นในกรณีหลังเนื่องจากการระบายความร้อน ดังนั้นความจริงที่ว่าของเหลวแข็งตัวไม่จำเป็นต้องหมายความว่ามันแข็งตัว (มันไม่ได้ลดอุณหภูมิอย่างเห็นได้ชัด); แต่เมื่อของเหลวค้างมันจะแข็งตัว
อื่น ๆ :
- การเปลี่ยนสภาพของน้ำเป็นน้ำแข็ง: เกิดขึ้นที่ 0 ° C เพื่อผลิตน้ำแข็งหิมะหรือก้อนน้ำแข็ง
- เทียนขี้ผึ้งที่หลอมละลายด้วยเปลวไฟและแข็งตัวอีกครั้ง
- การแช่แข็งของอาหารเพื่อการเก็บรักษา: ในกรณีนี้มันจะตรึงโมเลกุลของน้ำภายในเซลล์ของเนื้อสัตว์หรือผัก
- การเป่าแก้ว: มันจะละลายเพื่อสร้างรูปร่างและจากนั้นแข็งตัว
- การผลิตไอศกรีม: โดยปกติแล้วผลิตภัณฑ์นมที่แข็งตัว
- ในการได้รับขนมซึ่งเป็นน้ำตาลละลายและแข็งตัว
- เนยและเนยเทียมเป็นกรดไขมันในสถานะของแข็ง
- โลหะผสม: ในการผลิตแท่งโลหะหรือคานหรือโครงสร้างของโลหะบางชนิด
- ปูนซีเมนต์เป็นส่วนผสมของหินปูนและดินเหนียวที่เมื่อผสมกับน้ำจะมีคุณสมบัติในการชุบแข็ง
- ในการผลิตช็อกโกแลตผงโกโก้ผสมกับน้ำและนมซึ่งเมื่อแห้งแล้วจะแข็งตัว
