MO Memoir : Memoirs of Metal Oxide Catalyst Research Group: ทำไม Latent heat ลดลงเมื่อความดันสูงขึ้น MO Memoir : Sunday 12 April 2563

วันอาทิตย์ที่ 12 เมษายน พ.ศ. 2563

ทำไม Latent heat ลดลงเมื่อความดันสูงขึ้น MO Memoir : Sunday 12 April 2563

"ความจริงมีอยู่ว่า ในวงวิชาการ-ไม่ว่าจะเป็นสาขาใด-บ่อยครั้งที่ผู้ที่มิได้อยู่ในวงการนั้นมาก่อน, มีส่วนสำคัญในการเปลี่ยนแปลง หรือพัฒนาเนื้อหาของวิชานั้น. เหตุผลก็คือ เขามิได้ถูกครอบมาด้วยธรรมเนียม, ด้วยวิธีคิด, ด้วยวิธีมอง อย่างผู้ที่เติบโตและผ่านกระบวนการเช่นนั้นมาส่วนมาก ทำให้เขามองเห็นในสิ่งที่เคยชินชาและละเลยกันมา และสงสัยในประเด็นที่เคยถือกันมาว่าเป็นเรื่องปรกติ."

ข้อความข้างบนผมนำมาจาก "คำนำเสนอ" เขียนโดยคุณสุพจน์ แจ้งเร็ว ในหนังสือ "สยามกู้อิสรภาพตนเอง ทางออกและวิธีแก้ปัญหาชาติบ้านเมือง เกิดจากพระราชกุศโลบายของพระเจ้าแผ่นดิน" ที่เขียนโดยคุณไกรฤกษ์ นานา ผมใส่เครื่องหมายต่าง ๆ (เช่น จุดทศนิยม ลูกน้ำ) ตามต้นฉบับนะครับ

คุณไกรฤกษ์ นานา นั้นไม่ได้ศึกษาทางด้านประวัติศาสตร์มา แต่เมื่อมาสนใจศึกษาประวัติศาสตร์แบบเรียนรู้ด้วยตนเอง จึงทำให้มีมุมมองที่แตกต่างไปจากผู้ที่เรียนจบมาทางด้านประวัติศาสตร์โดยตรงที่มักมีกรอบความคิดที่ยึดติดมาจากการเรียน และนั่นก็คือที่มาของส่วนหนึ่งของ "คำนำเสนอ" ในย่อหน้าแรก

เรื่องที่ดูเป็นเรื่องพื้นฐานธรรมดา ไม่น่าจะมีอะไร สำหรับผู้ที่เรียนมาทางด้านหนึ่งนั้น พอเจอกับคนที่ไม่ได้เรียนมาทางด้านเดียวกันตั้งคำถามขึ้นมา บางทีมันก็ทำเอาอึ้งไปเหมือนกัน ประสบการณ์ตรงที่ตัวเองเคยประสบก็คือตอนที่จบไปทำงานใหม่ ๆ ดูแลการก่อสร้างโรงงาน มีรุ่นพี่วิศวไฟฟ้าผู้หนึ่งถามว่า STP (Standard Temperature and Pressure) นี่มันนิยามตรงไหน ปรากฏว่าเหล่านักเคมีและวิศวกรเคมีในทีมเดียวกัน ต่างตอบไม่ตรงกัน ทั้งนี้เพราะต่างคนต่างช่วงอายุ เรียนมาด้วยตำราที่แตกต่างกัน สิ่งที่เป็นคำถามตามมาก็คือ แล้วตอนที่ทางฝ่ายไทยคุยกับวิศวกรของบริษัทต่างชาติที่ทำหน้าที่ออกแบบโรงงานที่กำลังก่อสร้างอยู่นั้น นิยาม STP ของเรากับของเขานั้นตรงกันหรือไม่

พอเปลี่ยนมาเป็นสายงานสอนหนังสือ บ่อยครั้งที่ได้เจอคำถามที่จะว่าไปมันก็เป็นสิ่งที่เห็นอยู่ตรงหน้า แต่ด้วยความเคยชินเราจึงไม่เคยตั้งคำถามมัน ว่าทำไมมันเป็นอย่างนั้น พอมีนิสิตถามขึ้นมามันก็เลยชวนให้คิดหาเหตุผลอธิบาย ดังเช่นเรื่องที่เอามาเป็นหัวข้อในวันนี้ เป็นคำถามที่นิสิตที่กำลังฝึกงานผู้หนึ่งถามมาเมื่อ ๗ ปีที่แล้วผ่านมาทาง Facebook คือเขาถามว่า "ทำไม saturated steam ที่ความดันสูงขึ้น ถึงมี latent heat ต่ำลง" (รูปที่ ๑)

รูปที่ ๑ คำถามที่มีนิสิตผู้หนึ่งถามมาเมื่อ ๗ ปีที่แล้ว

ดูเหมือนเรื่องนี้ตำรามันไม่ได้เขียนเอาไว้ด้วย เพื่อที่จะตอบคำถามนี้ก็เลยต้องขอนำเอาความรู้พื้นฐานที่อยู่มาใช้ ดังนั้นสิ่งผมคิดเอาไว้นั้นจะถูกหรือผิดก็ต้องมาช่วยกันพิจารณาครับ แต่ก่อนอื่นเรามาลองทำความรู้จักกันก่อนว่า latent heat นั้นคืออะไร และการที่ latent heat ลดลงเมื่อความดันสูงขึ้นนั้น มันเป็นเฉพาะกรณีของไอน้ำหรือเปล่า

ในกรณีนี้เมื่อพูดถึง latent heat เราก็ต้องมองภาพไปที่ระบบที่อยู่ที่อุณหภูมิจุดเดือดก่อน latent heat นี้ก็คือพลังงานที่ต้องดูดกลืนหรือคายออกเพื่อให้โมเลกุลย้ายจากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่ง มันเป็นพลังงานที่เฟสของเหลว (ที่อุณหภูมิจุดเดือด) ต้องดูดกลืนเพื่อเปลี่ยนสถานะให้กลายเป็นไออิ่มตัว (ที่อุณหภูมิจุดเดือด) และเป็นพลังงานที่เฟสไอ (ที่อุณหภูมิจุดเดือด) ต้องคายออกเพื่อเปลี่ยนสถานะเป็นเฟสของเหลว (ที่อุณหภูมิจุดเดือด) และอุณหภูมิจุดเดือดก็จะเพิ่มสูงขึ้นตามความดันเหนือผิวของเหลวที่เพิ่มสูงขึ้น

ผมลองค้นดู Pressure-Enthalpy Diagram (หรือที่เขียนย่อว่า PH diagram) ของหลายสาร ก็พบว่าค่าlatent heat นั้น "ลดต่ำลง" เมื่ออุณหภูมิระบบสูงขึ้น รูปที่ ๒ - ๔ ที่ยกมาเป็นตัวอย่างก็เป็นกรณีของ น้ำ (รูปที่ ๒) คาร์บอนไดออกไซด์ (R-744 ในรูปที่ ๓ เลขรหัส R-744 เกิดจากการที่มันถูกนำไปใช้เป็นสารทำความเย็นในช่วงอุณหภูมิต่ำด้วย) และสารทำความเย็น tetrafluoroethane (HFC-134a ในรูปที่ ๔) และความแตกต่างนี้จะหมดไปที่จุดวิกฤต (critical point) ที่เราไม่สามารถบอกความแตกต่างระหว่างของเหลวและแก๊สได้ เส้นการเปลี่ยนแปลง latent heat (คือการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี) ระหว่างเฟสของเหลวกับแก๊สก็คือเส้นสีส้มกับเส้นสีเขียว (ที่เป็นเส้นที่ความดันสูงกว่าเส้นสีส้ม) ในแนวนอนที่ผมขีดไว้ให้เห็นในรูปต่าง ๆ เพื่อช่วยให้มองเห็นภาพได้ชัดขึ้น จะเห็นว่าเส้นสีเขียวที่อยู่ที่ความดันสูงกว่านั้นจะสั้นกว่าเส้นสีส้ม แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีที่ลดลงเมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้น

เพื่อที่จะหาคำอธิบายว่าทำไมค่า latent heat จึงลดลงเมื่อความดันสูงขึ้น เนื่องจาก latent heat เป็นตัวบอกพลังงานที่แตกต่างกันระหว่างเฟสของเหลวและไอ ผมจึงมองไปตรงที่เฟสทั้งสองนั้นมี "ความแตกต่าง" กันมากแค่ไหน

แรงกระทำระหว่างโมเลกุลนั้นประกอบด้วยแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล และการชนกันระหว่างโมเลกุลที่เกิดจากพลังงานจลน์ของโมเลกุล แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลนั้นเด่นชัดเมื่อโมเลกุลอยู่ใกล้กัน ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลสูงกว่าแรงที่เกิดจากการชนกันระหว่างโมเลกุล โมเลกุลก็จะอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนได้ (ซึ่งอาจเป็นของแข็งหรือของเหลว) แต่ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลนั้นไม่สูงพอ แรงที่เกิดจากการชนกันระหว่างโมเลกุลทำให้โมเลกุลกระเด็นกระดอนออกไปได้ไกล สารนั้นก็จะกลายเป็นไอไป

ที่ความดันต่ำ อุณหภูมิจุดเดือดก็ต่ำ ในเฟสของเหลวโมเลกุลก็จะมีการเคลื่อนที่ช้า (เพราะอุณหภูมิต่ำ พลังงานจลน์เลยต่ำ) แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าสูง (เพราะโมเลกุลอยู่ใกล้กัน) ในขณะที่เฟสแก๊สนั้นโมเลกุลอยู่ห่างกัน มีการเคลื่อนตัวได้อย่างอิสระมาก (เพราะความดันต่ำ).

ที่ความดันสูง อุณหภูมิจุดเดือดก็สูง ในเฟสของเหลวโมเลกุลจะมีการเคลื่อนที่กันอย่างรวดเร็ว (พลังงานจลน์สูงขึ้น) ระยะห่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มมากขึ้น แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมีค่าลดลง (เพราะโมเลกุลอยู่ห่างกัน) ในขณะที่เฟสแก๊สนั้นแม้ว่าโมเลกุลจะมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้นเช่นกัน แต่ระยะห่างระหว่างโมเลกุลนั้นลดลง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลเลยเพิ่มขึ้น (ความเป็นอิสระของโมเลกุลในการเคลื่อนที่นั้นลดลง) ความแตกต่างระหว่างเฟสของเหลว (โมเลกุลอยู่ห่างกันมากขึ้น แต่ก็ยังห่างกันน้อยกว่าเฟสแก๊ส) กับเฟสแก๊ส (ที่โมเลกุลอยู่ใกล้กันมากขึ้น แต่ก็ยังห่างกันมากกว่าเฟสของเหลว) นั้นลดลง พลังงานที่ต้องดูดกลืนหรือคายออก (ซึ่งก็คือ latent heat เพื่อต้องใส่เข้าไปเพื่อเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล หรือต้องดึงออกเพื่อลดพลังงานจลน์ของโมเลกุล) เพื่อเปลี่ยนเฟสก็เลยลดต่ำลง

คำอธิบายข้างต้นพอจะใช้ได้ไหม ก็ขอให้ผู้อ่านลองพิจารณาด้วยนะครับ :) :) :)