เทคโนโลยีของแข็ง

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสมบัติของ ของแข็ง

น้้าแข็งแห้ง (dry ice)

  เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะของแข็ง เรียกอีกชื่อหนึ่งว่าคาร์บอนไดออกไซด์แข็ง

หรือ solid carbon dioxide เตรียมได้จากการน้าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาผ่านกระบวนการอัดและท้าให้เย็นลง ภายใต้ความดันสูงกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์เหลว แล้วลดความดันลงอย่างรวดเร็วโดยการพ่น คาร์บอนไดออกไซด์เหลวสู่ความดันบรรยากาศ ผลที่ได้คือเกล็ดน้้าแข็งคล้ายเกล็ดหิมะ แล้วจึงน้ามาอัดเป็นรูปแบบและขนาดต่าง ๆ ตามวัตถุประสงค์ของการน้าไปใช้ ซึ่งมีทั้งรูปแบบเป็นก้อน (block) ขนาดครึ่งถึง 15กิโลกรัม เป็นแผ่น (slice) ขนาดตั้งแต่ครึ่งถึง 1กิโลกรัมเป็นแท่ง (pellet) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 มิลลิเมตร 9 มิลลิเมตร และ 15 มิลลิเมตร เป็นต้น น้้าแข็งแห้งแตกต่างจากน้้าแข็งธรรมดาทั่วไปคือ มีอุณหภูมิเย็นจัดถึง -79?C ในขณะที่น้้าแข็งธรรมดาทั่วไปมีอุณหภูมิประมาณ 0?C ที่อุณหภูมิห้องน้้าแข็งแห้งจะระเหิดกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยไม่หลอมละลายเป็นของเหลวเหมือนน้้าแข็งธรรมดาทั่วไป จึงเป็นเหตุผลว่าท้าไมเราจึงเรียก "น้้าแข็งแห้ง" น้้าแข็งแห้งจะให้ความเย็นมากกว่าน้้าแข็งธรรมดาทั่วไปถึง 2 หรือ 3เท่าเมื่อเทียบโดยน้้าหนักหรือปริมาตรที่เท่ากัน น้้าแข็งแห้งถูกน้ามาใช้ประโยชน์หลาย ๆ ด้าน เช่น ในอุตสาหกรรมอาหารประเภทไอศกรีม นม เบเกอรี่ ไส้กรอก และเนื้อสัตว์ เพื่อถนอมอาหารในขั้นตอนการผลิตหรือในการขนส่งหรือเก็บอาหารส้าหรับเสิร์ฟบนเครื่องบิน ใช้ใน

การขนส่งเวชภัณฑ์ใช้ในการท้าความสะอาดเครื่องจักร แบบหล่อหรือแม่พิมพ์ หรือใช้ในการบดเย็นวัสดุสังเคราะห์ที่แตกยาก นอกจากนี้ยังใช้ในการท้าหมอก ควัน ในการแสดงต่าง ๆ และอาจใช้ผสมในเครื่องดื่มเพื่อให้เกิดฟองปุดและให้เกิดความเย็น เป็นต้นการท้าน้้าแข็งแห้งน้้าแข็งแห้ง (dry ice) คือ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่อยู่ในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิประมาณ -790Cกระบวนการท้าน้้าแข็งแห้งพิจารณาได้จากแผนภาพต่อไปนี้เริ่มต้นน้าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาท้าให้เป็นของเหลวก่อน โดยกระบวนการ Liquefaction คือน้าก๊าซดังกล่าวมาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิ หลังจากได้คาร์บอนไดออกไซด์เหลวแล้ว จึงน้ามาท้าให้แห้งและท้าให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการที่เหมาะสม จากนั้นจึงน้ามาเพิ่มความดันและลดอุณหภูมิอีกครั้ง จนได้ความดันประมาณ 18 atmและอุณหภูมิประมาณ -250C จึงอัดคาร์บอนไดออกไซด์เหลวนั้นผ่านรูพรุน จะได้คาร์บอนไดออกไซด์แข็ง หรือน้้าแข็งแห้งที่มีลักษณะคล้ายเกล็ดน้้าแข็งซึ่งสามารถน้าไปอัดเป็นก้อนได้น้าแข็งแห้งมีอุณหภูมิต่้ามาก สามารถระเหิดกลายเป็นไอได้โดยตรง จึงน้ามาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับความเย็น หรือที่ต้องการอุณหภูมิต่้า ๆ เช่น การแช่แข็งสัตว์น้้า การท้าไอศครีม การรักษาผักและผลไม้ให้สด เป็นต้นแผนผังการท้าน้าแข็งแห้งอันตรายของน้้าแข็งแห้งอยู่ที่

1.การหยิบจับ สัมผัส น้้าแข็งแห้งโดยตรง จะท้าให้บริเวณที่สัมผัสไหม้จากความเย็น

จัดได้ ดังนั้นจึงห้ามสัมผัสน้้าแข็งแห้งโดยตรง

2. อาจท้าให้เกิดระเบิดในกรณีที่น้าน้้าแข็งแห้งมาใส่ภาชนะที่ปิดสนิท เนื่องจาก

แรงดันที่เกิดขึ้นจากการที่น้้าแข็งแห้ง ระเหิดกลายเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สะสม

จนถึงระดับหนึ่งที่สามารถระเบิดได้

3.การใช้น้้าแข็งแห้งในห้องแสดงคอนเสิร์ต ควรต้องมีการจัดการระบายอากาศที่ดีพอ

โดยเฉพาะการระบายอากาศทางด้านล่าง เพื่อป้องกันการสะสมของก๊าซ

คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งจะท้าให้ขาดอากาศหายใจได้

4.หากใช้น้้าแข็งแห้งเพื่อความเย็นของไอศกรีม ควรห่อน้้าแข็งแห้งด้วยกระดาษหรือ

บรรจุในถุงกระดาษให้เรียบร้อย

คุณสมบัติของแข็ง

      อนุภาคของของแข็งมีพลังงานจลน์น้อยมาก แต่ก็ยังสั่นได้ เนื่องจากอนุภาคของของแข็งอยู่ชิดกันมากกว่าของเหลว และแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของของแข็งมีมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของของเหลว ของแข็งจึงมีรูปร่างแน่นอน ไม่เปลี่ยนแปลงไปตามภาชนะที่บรรจุ ไม่สามารถไหลได้ในภาวะปกติ มีปริมาตรคงที่ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารสูงกว่า สารที่อยู่ในสถานะของเหลวและแก๊ส ของแข็งบางชนิดระเหิดได้ เช่น แนพทาลีน โดยเกิดที่ผิวหน้าของของแข็ง

ของแข็ง และเทคโนโลยีของแข็ง

ของแข็ง

ของแข็ง หมายถึง เป็น สถานะ ของ สสาร ซึ่งมีลักษณะเฉพาะ ที่สามารถทนและต้านทานต่อการเสียรูปทรง และการเปลี่ยนแปลงในปริมาตรของตัวมันเอง มีการจัดเรียงตัวของอนุภาคองค์ประกอบใกล้ชิดกัน แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคมีค่ามาก อนุภาคของแข็งจึงเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่จะสั่นไปมาได้เล็กน้อย เนื่องจากมีช่องว่างระหว่างโมเลกุลน้อยมาก ของแข็งจึงไหลไม่ได้เหมือนของเหลว และอัดไม่ได้เหมือนแก๊ส

• ของแข็งที่ไม่มีรูปร่างผลึก (amorphous solids) เช่น แก้ว ยาง พลาสติก เป็นต้น ของแข็งประเภทนี้จะมีจุดหลอมเหลวที่ไม่ชัดเจนเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคจะแตกต่างกันไปในแต่ละโมเลกุล

• ของแข็งที่มีรูปร่างผลึก (crystalline solids) ของแข็งส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นผลึก มีการจัดเรียง มีรูปทรงเรขาคณิตที่แน่นอน หลายแบบ ผลึกมีการจัดเรียงตัวที่เป็นระเบียบ จึงทำให้มีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจน ของแข็งกลุ่มนี้มีปรากฏการณ์สองอย่างได้แก่

• ภาวะหลายรูปแบบ (polymorphism) เป็นปรากฏการณ์ที่สารชนิดเดียวกัน สามารถมีรูปผลึกได้หลายรูปแบบ เช่น คาร์บอน (C) สามารถมีรูปผลึกเป็นได้ทั้ง แกร์ไฟต์ และ เพชร

• ภาวะรูปแบบเดียว (isomorphism) เป็นปรากฏการณ์ที่สารต่างชนิดกัน แต่มีรูปผลึกเป็นแบบเดียวกัน

• อะตอม หรือ โมเลกุล ที่ประกอบกันเป็นของแข็งจะอัดกันแน่น

• องค์ประกอบของธาตุเหล่านี้จะมี ตำแหน่ง อยู่กับที่ (space) และยึดเกาะซึ่งกันและกันทำให้ของแข็งมีความแข็ง

• ถ้ามีแรงที่พอเพียงมากระทำคุณสมบัติเหล่านี้ของมันจะถูกทำลาย และเป็นเหตุให้มันเสียรูปทรงอย่างถาวร

• เนื่องจากของแข็งบางชนิดมี พลังงานความร้อน (thermal energy) อะตอมของมันจึงมีการสั่นไหว แต่อย่างไรก็ดีการเคลื่อนไหวนี้ก็เกิดขึ้นเล็กน้อยและเร็วมากจนกระทั่งไม่สามารถสังเกตได้ด้วยวิธีธรรมดา

• ฟิสิกส์สถานะของแข็ง (solid-state physics) ซึ่งมีเนื้อหาใกล้เคียงกับ ฟิสิกส์สสารอัดแน่น (condensed matter physics) และอาจจะรวมเป็นสาขาเดียวกันได้

• วัสดุศาสตร์ (Materials science) เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของของแข็ง เช่น ความแข็งแรง และการปรับเปลี่ยนสถานะ (transformations) ของมัน ซึ่งมีความคาบเกี่ยวกันมากกับ ฟิสิกส์สถานะของแข็ง

• เคมีสถานะของแข็ง (Solid-state chemistry) คาบเกี่ยวกับวิชาทั้งสองข้างบนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการสังเคราะห็วัสดุในจิตนาการ (novel materials)

เมื่อพิจารณาของแข็งตามรูปผลึก สามารถแบ่งประเภทของของแข็งได้เป็น 2 ชนิด ดังนี้

ของแข็งมีคุณสมบัติในระดับจุลภาคดังนี้

สาขาวิชา ฟิสิกส์ ที่เกี่ยวข้องกับของแข็งมีดังนี้

ของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลกคือ ซิลิกานาโนโฟม (silica nanofoam) มีความหนาแน่นประมาณ 1 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่น้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศ เป็นผลิตภัณฑ์ของแอโรเจล (aerogel) ที่ดูดอากาศออก