ห่วงทางสะดวก MO Memoir : Tuesday 24 April 2555

เมื่อช่วงลอยกระทงปลายปีที่แล้วที่กลุ่มเราได้มีโอกาสไปนำเสนอผลงานวิชาการที่หาดใหญ่ ก็มีการถือโอกาสหลบฉากจากการประชุมเพื่อไปทำความรู้จักสถานที่ต่าง ๆ ที่อยู่รอบ ๆ หาดใหญ่ สถานที่หนึ่งที่เราได้แวะไปกันก็คือปาดังเบซาร์ซึ่งเป็นด่านชายแดนระหว่างไทยและมาเลเซีย ตอนขากลับก็เลยมีการแวะถ่ายรูปเล่นกันนิดหน่อยที่สถานีรถไฟคลองแงะ

รูปที่ ๑ ป้ายที่สถานีรถไฟคลองแงะ สถานีนี้อยู่ระหว่างสถานีชุมทางหาดใหญ่และสถานีปาดังเบซาร์ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อเข้าไปยังประเทศมาเลเซีย (รถไฟสายกรุงเทพ-บัตเตอร์เวอร์ธ)

ที่คลองแงะเนี่ยผมเคยมาเที่ยวตอนเด็ก ๆ เพราะมีญาติผู้ใหญ่บางท่านอาศัยอยู่ที่นั่น สถานีรถไฟคลองแงะก็ตั้งอยู่ริมถนนเพชรเกษมพอดี

บังเอิญจังหวะที่เราแวะเข้าไปถ่ายรูปเล่นกันนั้น กำลังจะมีขบวนรถไฟจากปาดังเบซาร์ขบวนหนึ่งวิ่งผ่านสถานีพอดี ผมก็ชี้ให้ดูเสาต้นหนึ่งที่อยู่ที่ชานชาลาแล้วถามพวกที่ไปด้วยว่ารู้ไหมว่าเสาต้นนั้นมีไว้ทำไม ซึ่งดูเหมือนว่าจะไม่มีใครรู้จักเลย ผมก็บอกว่านั่นเป็นเสาสำหรับรับ-ส่งห่วงทางสะดวก เดี๋ยวคอยดูซิว่าเขารับส่งห่วงทางสะดวกอย่างไร

รถไฟขบวนดังกล่าววิ่งเข้าสถานีคลองแงะแบบไม่มีการเบาเครื่อง และพนักงานประจำรถไฟคนหนึ่งก็โผล่ออกมาจากหน้าต่างหัวรถจักร แล้วยื่นแขนคว้าเอาห่วงทางสะดวกที่นายสถานีนำมาติดไว้ที่เสา โดยไม่จำเป็นต้องมีการเบาเครื่องเลย

เชื่อว่าวันนั้นคงเป็นครั้งแรกของพวกที่ไปด้วยกัน ๕ คน ที่ได้เห็นการปฏิบัติงานดังกล่าวของเจ้าพนักงานรถไฟ

การเดินรถไฟในบ้านเรานั้นในท้องที่ที่ห่างไกลจากกรุงเทพยังใช้ระบบรางเดี่ยวอยู่ คือรถวิ่งไป-กลับบนรางเดียวกัน ดังนั้นจึงต้องมีการป้องกันไม่ให้มีขบวนรถสองขบวนวิ่งสวนทางกันบนรางเดียวกัน ระบบที่บ้านเราใช้คือการใช้ "ห่วงตราทางสะดวก" หรือ "เครื่องทางสะดวก" หรือ "ห่วงทางสะดวก"

"ห่วงทางสะดวก" เป็นเสมือนสัญญลักษณ์ที่รถไฟที่จะวิ่งในรางระหว่างสถานี ก และสถานี ข ต้องมี ถ้ารถไฟขบวนที่หนึ่งวิ่งมาถึงสถานี ก เพื่อไปยังสถานี ข และได้รับห่วงทางสะดวกที่สถานี ก รถไฟขบวนนี้ก็จะวิ่งไปยังสถานี ข ได้ ในขณะเดียวกันถ้ามีรถไฟขบวนที่สองวิ่งจากสถานี ค มายังสถานี ข เพื่อจะไปยังสถานี ก รถไฟขบวนที่สองนี้ก็จะนำห่วงทางสะดวก(สำหรับช่วงระหว่างสถานี ข และสถานี ค) ที่รับมาจากสถานี ค มาส่งให้ที่สถานี ข แต่จะออกจากสถานี ข ไปยังสถานี ก ไม่ได้ เพราะไม่มีห่วงทางสะดวกสำหรับช่วงระหว่างสถานี ข และสถานี ก เพราะห่วงทางสะดวกสำหรับช่วงนี้มันมีอยู่ชิ้นเดียวและอยู่ในขบวนรถขบวนที่หนึ่งที่กำลังวิ่งจากสถานี ก มายังสถานี ข ดังนั้นรถไฟขบวนที่สองจึงต้องหยุดรอที่สถานี ข ก่อน ที่เรียกกันทั่วไปว่ารอหลีก

พอรถไฟขบวนที่หนึ่งวิ่งเข้ามาถึงสถานี ข รถไฟขบวนนี้ก็จะนำเอาห่วงทางสะดวกที่รับมาจากสถานี ก มาคล้องที่เสารับห่วงทางสะดวก (ดูรูปที่ ๑ ด้านซ้าย)) เสานี้จะมีอยู่สองต้น อยู่คนละปลายของชานชาลาสถานีรถไฟ พอรถไฟขบวนที่หนึ่งวิ่งจะพ้นจากสถานีรถไฟ พนักงานประจำรถก็จะคว้าเอาห่วงทางสะดวกอีกห่วงหนึ่ง (สำหรับใช้ระหว่างสถานี ข และสถานี ค ที่อยู่ถัดไป) ที่นายสถานีรับมาจากรถไฟขบวนที่สองที่จอรอหลีกอยู่ และเอาไปติดเอาไว้ที่เสาอีกต้นหนึ่งที่อยู่ที่อีกปลายด้านหนึ่งของชานชาลา

รูปที่ ๒ รูปซ้ายคือเสาคล้องห่วงทางสะดวก แขนที่ยื่นออกมา (วงสีเหลือง) มีไว้สำหรับให้พนักงานในขบวนรถที่วิ่งเข้าสถานีเอาห่วงทางสะดวกที่รับมาจากสถานีก่อนหน้ามาส่งให้ที่สถานีนี้ ส่วนกล่องสีแดงที่อยู่เหนือขึ้นไป (วงส้ม) เป็นที่สำหรับนายสถานีเอาห่วงทางสะดวกมากเสียบเอาไว้ เพื่อให้ขบวนรถที่ออกจากสถานีคว้าเอาไปส่งให้กับสถานีถัดไป ที่อยู่บนยอดเสาคือโคมไฟส่องสว่าง ส่วนรูปขวาคือเครื่องทางสะดวก (ที่สถานีคลองแงะ) ที่พนักงานจะต้องเอาตราที่อยู่ในกระเป๋าที่อยู่ที่ห่วงทางสะดวกมาใส่ในเครื่องนี้

ห่วงทางสะดวกนั้นจะมีกระเป๋าหนังติดอยู่ ในกระเป๋าจะใส่ตรา (ไม่รู้ว่าเรียกถูกหรือเปล่า) ที่เป็นสัญญลักษณ์ประจำเส้นทางระหว่างสถานีสองสถานีเอาไว้ นายสถานีจะต้องเอาตราที่รับมามาใส่ในเครื่องทางสะดวก (รูปที่ ๑ ด้านขวา) เพื่อบอกว่าเส้นทางระหว่างสถานี ก และสถานี ข เปิดให้รถไฟขบวนที่สองวิ่งไปได้

เมื่อนายสถานี ข ได้รับห่วงทางสะดวกจากสถานี ก ที่ขบวนรถขบวนที่หนึ่งนำมาให้ นายสถานีก็จะนำเอาห่วงทางสะดวกนั้นไปให้พนักงานประจำรถไฟขบวนที่สองที่จอดรอหลีกอยู่ รถไฟขบวนที่สองนั้นก็จะสามารถวิ่งจากสถานี ข ไปยังสถานี ก ได้

ถ้าเกิดกรณีที่พนักงานที่ประจำหัวรถจักรรับห่วงพลาด ก็จะเกิดเหตุการณ์ที่ขบวนรถไฟต้องหยุด และอาจมีการวิ่งถอยหลังมารับห่วงทางสะดวกจากนายสถานี หรือไม่นายสถานีก็จะปั่นจักรยานเอาไปส่งให้กับพนักงานประจำรถไฟ เหตุการณ์ดังกล่าวตอนเด็ก ๆ ที่ผมต้องนั่งรถไฟไปเยี่ยมญาติต่างจังหวัดก็เจออยู่หลายครั้ง แต่ปัจจุบันหลาย ๆ สถานี โดยเฉพาะในเขตรอบ ๆ กรุงเทพมหานครและเส้นทางที่สร้างใหม่ (เช่นเส้นทางสายตะวันออกไปท่าเรือน้ำลึกที่แหลมฉบังและที่มาบตาพุด) ก็ไม่มีการใช้ระบบนี้แล้ว ดูเหมือนจะใช้ระบบ track circuit แทนกันแล้ว

วันที่ไปที่คลองแงะนั้นผมถ่ายรูปการรับส่งห่วงของพนักงานประจำหัวรถจักรไม่ทัน ก็เลยยังไม่ได้เขียนเรื่องนี้สักที บังเอิญไปค้นเจอรูปการรับส่งห่วงทางสะดวกที่เห็นว่าชัดเจนดีก็เลยขอเอามาลงประกอบ รูปที่ ๓ และ ๔ ผมเอามาจากhttp://www.panoramio.com/photo/385422xx ทั้งสองรูปถูกระบุว่าถ่ายโดยคุณ Sumran R. Dumpee สถานีปากคลองเป็นสถานีรถไฟที่ถ้าเป็นรถมุ่งหน้าลงใต้ก็จะเป็นสถานีที่อยู่ก่อนถึงพัทลุง

รูปที่ ๓ รถไฟกำลังจะวิ่งผ่านสถานีปากคลอง (จ.พัทลุง) จะเห็นห่วงทางสะดวกคล้องอยู่ที่เสา

รูปที่ ๔ ต่อเนื่องจากรูปที่ ๓ พนักงานประจำรถโผล่หน้าออกมากำลังจะคว้าห่วงทางสะดวกโดยไม่มีการหยุดรถไฟ

ในขณะที่คนกรุงเทพโหยหาสถานที่ท่องเที่ยวต่าง ๆ ที่จัดขึ้นในรูปแบบย้อนยุคนั้น บรรยากาศตามสถานีรถไฟเก่า ๆ เล็ก ๆ ในย่านชนบทของต่างจังหวัดเมื่ออดีต (เท่าที่ผมจำความได้ก็ร่วม ๔๐ ปีที่แล้ว) เคยเป็นอย่างไร ปัจจุบันก็ยังคงเป็นสภาพอย่างนั้นอยู่ สิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปที่เห็นได้ชัดคือภาชนะใส่ของกินต่าง ๆ 

 

ปัจจุบัน ภาพพ่อค้าแม่ค้าขายที่นำข้าวแกงใส่กระทงที่ทำจากใบตองหรือใบบัว พร้อมกับคนขายกาแฟร้อนใส่กระป๋องนมข้นหวานที่เปิดฝา (แต่ไม่ตัดให้ขาดจากตัวกระป๋อง) และมีเชือกร้อย เดินขายตามชานชาลาสถานียามที่รถไฟเทียบชานชาลาตอนรุ่งสาง คงไม่มีให้เห็นอีกแล้ว

การดูดซับบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ ตอนที่ ๕ แบบจำลองไอโซเทอมการดูดซับของ Temkin MO Memoir : Saturday 21 April 2555

เราเริ่มจากแนะนำให้รู้จักไอโซเทอมการดูดซับของนักวิทยาศาสตร์จากเยอรมันในยุคไกเซอร์ ตามด้วยของนักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกาในยุคที่ยังคงใช้ลัทธิมอนโร คราวนี้ก็ถึงทีของนักวิทยาศาสตร์จากรัสเซียในยุคของสตาลินบ้าง

ในขณะนี้เรายังพิจารณาการดูดซับของแก๊สบนพื้นผิวของแข็ง โดยยังคงเป็นการดูดซับที่ไม่เกินชั้นโมเลกุลเดียว

อัตราการดูดซับ (adsorption rate) บนพื้นผิวจะขึ้นอยู่กับ

- ความดันของแก๊ส (P) เหนือผิวของแข็งนั้น ถ้า P มีค่ามาก อัตราการดูดซับก็จะมากตามไปด้วย

- สัดส่วนพื้นที่ผิวของของแข็งที่ยังว่างอยู่ (พื้นที่ที่ยังไม่มีโมเลกุลแก๊สลงไปเกาะ) ซึ่งเท่ากับ (1 - θ) และ

- พลังงานกระตุ้นของการดูดซับ ซึ่งแปรผันตามอุณหภูมิ (k_adsexp(-E_ads/RT))

กล่าวคือ (1)

อัตราการคายซับ (desorption rate) บนพื้นผิวจะขึ้นอยู่กับ

- สัดส่วนพื้นที่ผิวของของแข็งที่มีโมเลกุลแก๊สปกคลุมอยู่ (θ) และ

- ค่าคงที่ของการคายซับ ซึ่งแปรผันตามอุณหภูมิ (k_desexp(-E_ads/RT))

กล่าวคือ (2)

ที่ภาวะสมดุลนั้นอัตราการดูดซับเท่ากับอัตราการคายซับ หรือ สมการ (1) = สมการ (2)

(3)

จัดรูปแบบสมการที่ (3) ใหม่

   (4)

   (5)

สมการที่ (10) ก็คือแบบจำลองไอโซเทอมการดูดซับของ Langmuir นั่นเอง

ในกรณีที่ค่า θ มีค่าต่ำนั้นพบว่าค่า ΔH_ads ค่อนข้างคงที่ แต่เมื่อ θ เพิ่มขึ้นมีการสังเกตว่า ΔH_ads มีแนวโน้มที่จะลดลง การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดจากการที่ตำแหน่งดูดซับบนพื้นผิวนั้นมีความแตกต่างกันอยู่และเกิดจากการมีแรงกระทำกันระหว่างโมเลกุลที่ถูกดูดซับอยู่บนพื้นผิวและโมเลกุลที่กำลังจะถูกดูดซับบนพื้นผิว (ตอนที่ Langmuir นำเสนอไอโซเทอมการดูดซับของเขาในปีค.ศ. ๑๙๑๖ นั้น ภาพโครงสร้างอะตอมยังไม่มีความชัดเจน กลศาสตร์ควันตัมยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา)

ที่อุณหภูมิคงที่จะเห็นว่าพจน์แรกทางด้านขวาของสมการที่ (14) นั้นไม่ขึ้นกับค่า θ และถือได้ว่าเป็นค่าคงที่ และค่า ln ของพจน์ที่สองนั้นเปลี่ยนจาก -1.39 (ที่ค่า θ = 0.2) ไปเป็น 1.39 (ที่ค่า θ = 0.8) ซึ่งพอจะประมาณได้ว่าเปลี่ยนแปลงไม่มาก ทำให้สามารถยุบรวมพจน์แรกและพจน์ที่สองเข้าด้วยกันและถือว่าเป็นค่าคงที่ และค่าในวงเล็บของพจน์ที่สามทางด้านขวานั้นก็เป็นค่าคงที่เช่นกัน

สมการที่ (18) คือไอโซเทอมการดูดซับของ Temkin นั่นเอง

ถ้าพิจารณาเทียบกับไอโซเทอม

ไอโซเทอมการดูดซับของ Temkin นั้นสามารถนำไปใช้ได้กับการดูดซับทางเคมี (chemisorption) เนื่องจากในสมการนั้นมีการพิจาณาถึงพลังงานกระตุ้นของการดูดซับด้วย

เอกสารประกอบ

http://www.sussex.ac.uk/Users/kaf18/SurfSci2.pdf

http://web.abo.fi/fak/tkf/tek/Temkin_100%20years.pdf

M. Albert Vannice, "Kinetics of catalytic reactions", Springer Science + Business Media, Inc., 2005.

รูปที่ ๑ Mikhail Temkin รูปซ้ายเป็นปีค.ศ. ๑๙๓๒ ส่วนรูปขวาไม่มีการระบุปีค.ศ.ที่ถ่ายรูป (เกิด ๑๖ กันยายน ค.ศ. ๑๙๐๘ ถึงแก่กรรม ๑ ตุลาคม ค.ศ. ๑๙๙๑) รูปภาพจาก http://web.abo.fi/fak/tkf/tek/Temkin_100%20years.pdf