PV diagram กับการอัดแก๊ส MO Memoir : Friday 6 September 2556

P-V diagram ของแก๊สนั้นมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ ๑ สำหรับแก๊สใด ๆ นั้นที่อุณหภูมิคงที่ เมื่อเราเพิ่มความดัน (P) ให้กับแก๊ส ปริมาณ (V) ของแก๊สนั้นก็จะลดลง

คำถามก็คือถ้าเราเพิ่มความดันให้สูงขึ้นเรื่อย ๆ (ที่อุณหภูมิคงที่) จะเกิดอะไรขึ้นกับแก๊สนั้น

คำตอบของคำถามข้างต้นขึ้นอยู่กับว่าแก๊สที่เราทำการอัดนั้นมี "อุณหภูมิ" เท่าใด

ถ้าอุณหภูมิของแก๊สนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต (critical temperature หรือ Tc) สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือเมื่อเราเพิ่มความดันสูงขึ้นระดับหนึ่ง แก๊สจะควบแน่นกลายเป็นของเหลว (ดูตามเส้นสีส้มมาจนถึงเส้นประสีเขียว) ณ จุดนี้จะมีเฟสสองเฟสปรากฏให้เห็นชัดเจน คือเฟสของเหลวซึ่งเป็นเฟสที่มีความหนาแน่นสูง (ทางฟากเส้นประสีน้ำเงิน) และเฟสแก๊สที่เป็นเฟสที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า
 

ความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างเฟสของเหลวและเฟสแก๊สจะลดลงเรื่อย ๆ ถ้าอุณหภูมิที่ทำการอัดแก๊สนั้นเพิ่มสูงขึ้น จนในที่สุดจะเท่ากัน (หรือบอกความแตกต่างไม่ได้) ณ จุดนี้เราเรียกว่า "จุดวิกฤต - critical point) อุณหภูมิ ณ จุดวิกฤตนี้ก็เรียกว่า "อุณหภูมิวิกฤต - critical temperature หรือ Tc" ความดัน ณ จุดนี้ก็เรียกว่า "ความดันวิกฤต - critical pressure หรือ Pc" (ตามเส้นสีแดง)
 

ถ้าอุณหภูมิที่ใช้ในการอัดแก๊สนั้นสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต (เช่นตามเส้นสีม่วง) เมื่อเราเพิ่มความดันให้กับแก๊สนั้นให้สูงขึ้นเรื่อย ๆ ความหนาแน่นของแก๊สนั้นก็จะสูงขึ้นในระดับเดียวกับของเหลว แต่มันก็ไม่ใช่ของเหลว ในสภาพเช่นนี้มักจะเรียกสสารดังกล่าวว่าอยู่ในสภาพ "ของไหล หรือ fluid" เพราะมันบอกไม่ได้ว่ามันเป็นของเหลวหรือแก๊ส

รูปที่ ๑ ตัวอย่าง PV diagram ของแก๊ส
 

ที่นี้ถ้าเราลองมาพิจารณากรณีของแก๊สเชื้อเพลิงสองชนิดที่เราใช้กันมากในชีวิตประจำวันคือ แก๊สธรรมชาติหรือมีเทน (CH₄) ที่ใช้กับยานยนต์ และแก๊สหุงต้มหรือ LPG (สารผสมระหว่าง C₃H₈ + C₄H₁₀) ที่ใช้กันในครัวเรือนและรถยนต์
 

คำถามก็คือ  

ที่อุณหภูมิห้อง ถังบรรจุแก๊สธรรมชาติที่ความดัน 200 bar เมื่อเปิดใช้ไปเรื่อย ๆ ความดันในถังจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร
 

ที่อุณหภูมิห้อง ถังบรรจุแก๊สหุงต้มที่ความดันประมาณ 7 bar เมื่อเปิดใช้ไปเรื่อย ๆ ความดันในถังจะเปลี่ยนแปลงอย่างไร
 

แก๊สมีเทนนั้นมีอุณหภูมิวิกฤตต่ำกว่าอุณหภูมิห้องมาก ดังนั้นที่อุณหภูมิห้องแก๊สมีเทนที่อยู่ในถังบรรจุจึงอยู่ในรูปของแก๊สความดันสูง เมื่อเรานำแก๊สในถังออกมาใช้ ปริมาณแก๊สในถังก็จะลดลง ความหนาแน่นของแก๊สในถังก็จะลดลง ความดันภายในถังก็จะลดลงไปด้วย
 

ส่วนแก๊สหุงต้มนั้นมีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ที่อุณหภูมิห้องนั้นแก๊สหุงต้มในถังจะอยู่ในรูปของเหลวที่สมดุลกับส่วนที่เป็นไอที่อยู่เหนือผิวของเหลว เมื่อเรานำส่วนที่เป็นแก๊สออกมาใช้จะทำให้ความดันเหนือผิวของเหลวลดลง ระบบจะปรับตัวโดยของเหลวจะระเหยออกมาเพื่อชดเชยแก๊สส่วนที่หายไป จนในที่สุดความดันก็จะกลับมาคืนเดิม (ณ อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง ของเหลวมีค่าความดันไอค่าเดียว) แต่ปริมาตรส่วนที่เป็นแก๊สจะเพิ่มมากขึ้น ปริมาตรส่วนที่เป็นของเหลวจะลดลง (รูปที่ ๒)
 

ดังนั้นในกรณีของแก๊สหุงต้มนั้น ตราบเท่าที่ยังมีของเหลวอยู่ในถัง แม้ว่าเราจะดึงเอาแก๊สออกมาใช้งานเรื่อย ๆ ความดันในถังก็จะยังคงเดิม จะลดลงก็ต่อเมื่อไม่มีเฟสของเหลวเหลืออยู่ในถังแล้ว

รูปที่ ๒ สมมุติว่าในช่วงแรกความดันแก๊สหุงต้มในถังคือ P1 เมื่อเราดึงแก๊สหุงต้มออกมาใช้งาน (เราดึงตรงส่วนที่เป็นไอที่อยู่เหนือผิวของเหลว) ความดันเหนือผิวของเหลวจะลดลง แต่ของเหลวจะระเหยขึ้นมาชดเชยส่วนที่เป็นไอที่หายไป ดังนั้นความดันแก๊สในถัง (P2) จะยังคงเท่าเดิม (P2 = P1) แต่ปริมาตรส่วนที่เป็นไอจะเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่ปริมาตรส่วนที่เป็นของเหลวจะลดลง แต่ถ้าเมื่อใดก็ตามที่ไม่มีของเหลวเหลืออยู่ในถัง ความดันในถังก็จะลดลง (P3 < P1, P2)

ทีนี้ถ้าเรามาลองพิจารณาในทางกลับกัน ถ้าเรามีแก๊สที่ความดันต่ำและจะพยายามอัดลงถังให้ความดันสูงขึ้นบ้าง จะเกิดอะไรขึ้นระหว่างการอัดแก๊สธรรมชาติและแก๊สหุงต้ม
 

ในกรณีของแก๊สมีเทนนั้น เมื่อเราอัดแก๊สเข้าไปในถัง ความดันในถังจะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ ตามปริมาณแก๊สที่เราใส่เข้าไป ยิ่งใส่มาก ความดันก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้น ดังนั้นเราจะอัดแก๊สได้ความดันสูงสุดเท่าใดขึ้นอยู่กับว่าถังของเรารับความดันได้แค่ไหนและเครื่องอัดแก๊สของเราอัดแก๊สได้ความดันสูงสุดเท่าใด
  

แต่ในกรณีของแก๊งหุงต้มนั้นแตกต่างออกไป
 

ในกรณีของแก๊สหุงต้มนั้น สมมุติว่าในช่วงแรกนั้นเราบรรจุแก๊สลงในกระบอกสูบที่มีปริมาตรมากที่ความดันต่ำ ดังนั้นแก๊สหุงต้มที่บรรจุเข้าไปจะอยู่ในสถานะที่เป็นแก๊ส แต่ถ้าเราอัดแก๊สนั้นให้มีความดันเพิ่มสูงขึ้น (เช่นด้วยการลดปริมาตรกระบอกสูบดังแสดงในรูปที่ ๓) ความดันในกระบอกสูบก็จะเพิ่มมากขึ้น โมเลกุลแก๊สหุงต้มก็จะอยู่ใกล้กันมากขึ้น แต่เมื่อเราเพิ่มความดันจนสูงขึ้นจนถึงระดับหนึ่ง แก๊สในถังบางส่วนจะเริ่มควบแน่นเป็นของเหลว จากจุดนี้แม้ว่าเราจะพยายามอัดความดันให้กับถังอีก ความดันในถังก็จะไม่เพิ่มขึ้น เพราะส่วนที่เป็นไออยู่นั้นจะควบแน่นเป็นของเหลว ทำให้ปริมาตรส่วนที่เป็นของเหลวในถังแก๊สเพิ่มมากขึ้น ส่วนที่เป็นที่ว่างให้ไออยู่นั้นจะลดน้อยลง
 

เราจะไปอัดให้ความดันเพิ่มได้อีกทีก็ต่อเมื่อส่วนที่เป็นไอนั้นควบแน่นเป็นของเหลวหมด กล่าวอีกนัยหนึ่งคือในกระบอกสูบมีแต่ของเหลวเท่านนั้น

รูปที่ ๓ การอัดแก๊สหุงต้มลงถัง สมมุติว่าเริ่มแรกเรามีแก๊สความดัน P4 อยู่ในถัง พอเราอัดแก๊สให้มีความดันสูงขึ้น ตราบเท่าที่ยังไม่มีการควบแน่น ความดัน P4 ในถังก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แต่พอความดันสูงถึงระดับหนึ่ง (P5) แก๊สบางส่วนจะเกิดการควบแน่นเป็นของเหลว จากจุดนี้แม้ว่าจะพยายามอัดความดันให้กับถังอีก ความดันในถัง (P6) ก็จะไม่เพิ่มสูงขึ้น เพราะส่วนที่เป็นไอจะกลายเป็นของเหลว ทำให้ปริมาตรเฟสของเหลวเพิ่มมากขึ้น ส่วนปริมาตรเฟสที่เป็นไอลดน้อยลง

ในการอัดแก๊สนั้น ถ้าแก๊สนั้นไม่มีการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เราก็จะอัดให้มันมีความดันสูงเท่าใดก็ได้ เท่าที่จะมีปัญญาอัด ในทำนองเดียวกันการอัดของเหลวอย่างเดียว (ไม่มีแก๊สในระบบ) เราก็สามารถอัดให้มันมีความดันสูงเท่าใดก็ได้ ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์ไฮดรอลิกต่าง ๆ ที่ใช้ของเหลวเป็นตัวส่งผ่านกำลัง จึงมักต้องระวังไม่ให้มีอากาศตกค้างอยู่ในระบบ เพราะไม่เช่นนั้นความดันที่อัดเข้าไปแทนที่จะเพิ่มให้กับของเหลว จะสูญเสียไปกับการอัดฟองอากาศให้มีปริมาตรเล็กลง
 

แต่ถ้ามันมีการเปลี่ยนเฟสเป็นของเหลว ความดันมันจะหยุดตรงที่ความดันไอของเฟสของเหลว ณ อุณหภูมิที่ทำการอัด (ที่อุณหภูมิห้องระดับเดียวกัน แก๊สหุงต้มถังเล็กหรือถังใหญ่ก็มีความดันในถังที่ระดับเดียวกัน) นี่ก็เป็นเหตุผลที่ว่าทำไปเราจึง "ไม่สามารถ" อัดแก๊สหุงต้ม (LPG) จนมีความดันสูงเหมือนแก๊สธรรมชาติ (CNG) ได้