รู้จักไนโตรเจนเหลวครั้งแรกก็ตอนเรียนที่รัสเซียเนี่ยแหละ
ตอนสมัยเป็นเด็กช่วงยุค 80’s แล้วมีรายการ”โลกดนตรี” (รายการคอนเสริตร้องสด โอ้ว บ่งบอกอายุ 555 เราเป็นวัยรุ่นยุค 90’s ค่ะ เราคือ gen –x) ตอนที่พี่เบริ์ด พี่หนุ่ย กำลังเล่นคอนเสริตอยู่ บนเวทีมันมีควันๆอะไรสักอย่างบนพื้นด้วยแฮะ มันคือควันอะไรกันนะ แล้วถ้าเราไปโดนมัน เราจะรู้สึกร้อนหรือเย็นล่ะ คำถามพวกนี้ผุดขึ้นมาอยู่ในใจ ต่อมาหลังจากที่ได้สอบถามผู้รู้ผู้ใหญ่ ก็ได้คำตอบว่า มันคือ “น้ำแข็งแห้ง”
น้ำแข็งแห้ง
น้ำแข็งแห้ง คือ การควบแน่นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้มีสถานะเป็นของแข็ง น้ำแข็งแห้งมีอุณหภูมิ -79 องศาเซลเซียส หรือประมาณ 194 เคลวิน เมื่อมันอยู่ในสภาวะอุณหภูมิห้อง (ประมาณ 300 เคลเวิน) มันจะระเหิดกลาย
เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งต่างจากน้ำแข็งธรรมดา ที่อุณหภูมิห้อง น้ำแข็งธรรมดาจะละลายเปลี่ยนถานะกลายเป็น “น้ำ”แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ของน้ำแข็งแห้งนี้จะให้ความรู้สึกเย็นถ้าเราไปสัมผัสมัน
เกร็ด: หลักการแปลงอุณหภูมิจากองศาเซลเซียสเป็น K (เคลวิน) คือ สเกลอุณหภูมิองศาเซลเซียสที่มี + 273.15 เช่น อุณหภูมิของน้ำแข็งคือ 0 องศาเซลเซียส จะมีค่าเท่ากับ 273.15 K เป็นต้น
เมื่อมาเรียนที่รัสเซีย พอเข้าชั้นเรียนป.โท เราก็ต้องทำงานวิจัย งานวิจัยของเราเกี่ยวข้องกับการนำวัตถุนาโนบ่อ
ควอนตัม (Quantum well nanostructure) ประเภทสารกึ่งตัวนำรอยต่อเฮเทอโร (Heterojunction semiconductors) มาทำเป็นแหล่งกำเนิดแสง เช่น เลเซอร์ LED หรืออุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ซึ่งการที่เราจะพัฒนาประสิทธิภาพของวัตถุชนิดนี้ เรามีความจำเป็นต้องนำวัตถุไปทดลองในช่วงอุณหภูมิค่าต่างๆ
ตั้งแต่ 77 K จนถึง 300 K เพื่อสังเกตสมบัติทางฟิสิกส์ของมันในขณะที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป
แต่ เอ... อุณหภูมิ 77 K นี่มันต้องเย็นมากเลยนะ เพราะมันเท่ากับ -196.15 องศาเซลเซียส ใข่ค่ะ มันเย็นมากและถ้าเราไม่ระวังและเผลอไปสัมผัสมัน ความรู้สึกเบื้องต้นคือจะรู้สึกเจ็บ ถ้าสัมผัสนานขึ้นอาจทำให้เซลล์ผิวหนังที่
บริเวณนั้นตายได้ค่ะ ดังนั้นเมื่อเราการทดลองโทรใช้ไนโตรเจนเหลว เราต้องมีความระมัดระวังมากๆ รวมถึงต้องใช้ภาชนะที่ทำจากวัสดุที่สามารถควบคุมอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวนี้ให้คงที่ตลอดเวลาอีกด้วย
เราทำแก๊สไนโตรเจนให้มีสถานะเป็นของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำชนาดนี้ได้อย่างไร ? ใช้หลักการอะไร?
การทำแก๊สให้มีสถานะเป็นของเหลวจะใช้หลักการ “กระบวนการทรอทลิง (throttling process)”
ทำได้โดยการ flow แก๊สไปตลอดท่อที่ฉนวนไว้กับ “สิ่งแวดล้อม” ภายนอก เพื่อไม่ให้มีการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างแก๊สภายในท่อกับภายนอกท่อ ตรงช่วงกลางของท่อจะใส่วัสดุรูพรุน เช่นพวก เยื่อเมมเบรน หรือทำเป็น
วาล์วเปิดปิดก็ได้ จากนั้นค่อยๆเปิดแก๊สให้ไหลจากฝั่งซ้ายของท่อไปยังฝั่งขวาของท่อ เมื่อแก๊สไหลไปอีกฝั่ง ปริมาตรของแก๊สขยายตัวมากขึ้น ทำให้ความดันของแก๊สลดลงนิดหนึ่งจากค่าเริ่มต้น (ตามกฎของแก๊ส ความดันและปริมาตรเป็นปริมาณที่ผกผันกัน)
กระบวนการทรอทลิง
นำไปพล็อตกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความดัน ต่อมา flow แก๊สไปเรื่อยๆ จนได้ชุดข้อมูลมาหนึ่งชุด เปลี่ยนค่าความดันทางฝั่งซ้ายเป็นค่าอื่นแล้วทดลองซ้ำ จะได้เส้นกราฟที่เป็นชุดข้อมูลหลายๆชุดที่มีอุณหภูมิ
ต่างๆกันโดยในแต่ละชุดหรือเส้นกราฟนั้นจะมีผลรวมของพลังงานภายในและความดันกับปริมาตร หรือเรียกปริมาณนี้ว่า เอ็นทัลปี (enthalpy, H)
ที่มีค่าคงที่ในแต่ละเส้นกราฟนั้น เรียกเส้นกราฟแต่ละเส้นนี้ว่า “เส้นไอเซนทัลปิก”
กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและความดันของแก๊สในกระบวนการทรอทลิง
ณ จุดสูงสุดของแต่ละเส้นไอเซนทัลปิก เราวาด “เส้นประ” ไว้ เพื่อแบ่งเขตแก๊สที่ “เย็น” กับแก๊สที่ “ร้อน” และค่าสูงสุดของ “เส้นประ” ที่ไปตัดแกนอุณหภูมิ เราจะได้ “อุณหภูมิสูงสุด (Timax) ที่แก๊สามารถมีสถานะเป็น “ของเหลว” ได้ ถ้าแก๊สใดในระหว่างกระบวนการทรอทลิงนี้มีอุณหภูมิที่สูง
กว่าอุณหภูมิสูงสุด แก๊สนั้นก็ยังคงมีสถานะเป็น “แก๊ส” อยู่นั่นเอง
สำหรับแก๊สไนโตรเจนมี Timax ที่ประมาณ 621 K ซึ่งมีค่าสูงกว่าอุณหภูมิห้องอยู่มาก ดังนั้น ในทางการทดลอง เราสามารถทำแก๊สไนโตรเจนให้เป็นไนโตรเจนเหลวได้ที่อุณหภูมิห้อง
ถ้าเราลองเสริชหาใน youtube จะมีหลายคลิปเลยค่ะ ที่เค้าทดลองทำ “ไนโตรเจน” เหลวด้วยตัวเอง แต่เราก็ยังไม่เคยลองทำเหมือนกันค่ะ
วันนี้เขียนเรื่อง content ฟิสิกส์ที่เช้มข้นนิดนึงนะคะ หวังว่าเพื่อนๆจะได้ประโยชน์ เผื่อทดลองทำ Homemade Liquid Nitrogen ด้วยตนเอง อิอิ
ขอบคุณสำหรับการติดตามนะคะ คราวหน้าจะเขียนเกี่ยวกับวัสดุ อุปกรณ์แบบ homemade ที่คนรัสเซีย โดยเฉพาะในแล็บของเราตอนไปเรียนที่โน่น เค้าประดิษฐ์ขึ้นมาเพื่อการวิจัยเฉพาะเรื่องโดยเฉพาะค่ะ
ที่มาของรูปน้ำแข็งแห้ง: https://menmen-aboutwater.blogspot.com/2013/05/dry-ice.html
- 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
