ของเหลวทั่วไปมีสมบัติดังนี้


        ก. ปริมาตรและรูปร่าง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวมีมากพอที่จะกีดกันไม่ให้โมเลกุลของของเหลวเคลื่อนที่ไปได้มากภายในปริมาตรที่กำหนดให้ แต่แรงดึงดูดนี้ไม่มากพอที่จะยึดเหนี่ยวให้โมเลกุลของของเหลวอยู่ประจำที่ โมเลกุลหนึ่งจึงสามารถเคลื่อนที่ผ่านโมเลกุลอื่นๆ ได้ เป็นเหตุให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าของเหลวไหลได้ ดังนั้นของเหลวจึงมีปริมาตรที่แน่นอน แต่ไหลได้ และมีรูปร่างขึ้นกับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุของเหลวนั้น
        ข. การถูกอัดและการขยายตัว ดังได้กล่าวมาแล้วว่าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวทำให้โมเลกุลของของเหลวอยู่ใกล้กัน การเพิ่มความดันจึงมีผลน้อยมากต่อปริมาตรของของเหลว เพราะช่องว่างโมเลกุลของของเหลวมีน้อยมาก ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่าของเหลวไม่ถูกอัดให้เปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ ในทำนองเดียวกันการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมีผลให้ปริมาตรของของเหลวเปลี่ยนแปลงได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น (เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีของแก๊ส) เช่น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลมีพลังงานโดยเฉลี่ยเพิ่มขึ้น เป็นเหตุให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลเพิ่มขึ้น แต่ก็เพิ่มได้ไม่มากนัก เพราะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลทำหน้าที่คอยต่อต้านอยู่
        ค. การแพร่ ทำนองเดียวกับแก๊ส โมเลกุลของของเหลวแพร่ได้ ถ้านำของเหลวสองชนิดที่สามารถละลายในกันและกันมาผสมกันโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวชนิดหนึ่งจะแพร่กระจายไปทั่วระหว่างโมเลกุลต่างๆ ของของเหลวอีกชนิดหนึ่ง แต่อัตราของการแพร่ของของเหลวช้ากว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับอัตราการแพร่ของโมเลกุลของแก๊ส แต่จะเร็วกว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกับของแข็ง

       การแพร่ของโมเลกุลของของเหลวเห็นได้ชัดโดยหยดหมึกสีน้ำเงินสัก 2 – 3 หยดลงไปในน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 8.1 จะพบว่าหมึกที่หยดลงไปในน้ำค่อยๆ แพร่กระจายออก จนในที่สุดน้ำในบิกเกอร์เป็นสีน้ำเงินและเข้มข้นเท่ากันโดยตลอดทั้งบิกเกอร์ แสดงว่าโมเลกุลของสีได้แพร่กระจายไปทั่วโมเลกุลของน้ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวอยู่ใกล้กันมาก เปรียบเทียบกับกรณีของโมเลกุลของแก๊ส โมเลกุลของของเหลวจึงชนกันบ่อยครั้งกว่ามาก เป็นเหตุให้ของเหลวแพร่ช้ากว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการแพร่ของแก๊ส

       ง. ความตึงผิว ถึงแม้โมเลกุลของของเหลวสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ แต่ก็มีขีดจำกัดเนื่องจากแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นๆ ที่ล้อมรอบอยู่ สมมุติของเหลวอยู่หนึ่งบิกเกอร์ โมเลกุลของของเหลวที่มีตำแหน่งอยู่ด้านในจะจับแรงดึงดูดมากที่สุดจากโมเลกุลที่อยู่ล้อมรอบ และได้รับแรงดึงดูดจากทุกทิศทางเท่าๆ กัน (ดูรูปที่ 8.2) ตรงกันข้ามโมเลกุลที่มีตำแหน่งอยู่ที่ผิวของของเหลวถูกล้อมรอบไม่ตลอดโดยโมเลกุลอื่นๆ กล่าวคือ รับแรงดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ข้างและอยู่ใต้เท่านั้น หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งอยู่โมเลกุลที่อยู่บนผิวของของเหลวถูกดึงเข้าสู่ด้านในตลอดเวลา

      เนื่องจากโมเลกุลที่อยู่บนผิวได้รับแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นๆ ไม่ทั่วถึง โมเลกุลที่อยู่บนผิวจึงมีเสถียรภาพน้อยกว่าโมเลกุลที่มีตำแหน่งอยู่ด้านใน เพื่อให้ได้เสถียรภาพมากที่สุด ของเหลวจึงพยายามลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด นี่เป็นเหตุผลที่อธิบายปรากฏการณ์ตามธรรมชาติหลายอย่าง เช่น เมื่อโปรยน้ำลงบนแผ่นกระจกที่เรียบและสะอาดจะสังเกตเห็นว่าน้ำพยายามเกาะตัวเป็นหยดกลมๆ หรือหยดน้ำฝนก็เช่นกัน มีรูปร่างค่อนข้างกลม ทั้งนี้เนื่องจากทรงกลมมีพื้นที่ผิวน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการถูกแผ่กระจายออกไป (เปรียบเทียบระหว่างของเหลวชนิดเดียวกันและมีปริมาตรเท่ากัน) ในห้องปฏิบัติการก็เช่นกัน เช่นการทำไตเตรชัน เมื่อปล่อยสารละลายออกจากบิวเรตต์ (burette) อย่างช้าๆ จะสังเกตเห็นว่าหยดของสารละลายที่เกาะอยู่ที่ปลาย (tip) ของบิวเรตต์ ก่อนที่จะหยดออกมามีรูปร่างทรงกลม


       งานที่จะต้องทำเพื่อขยายพื้นที่ผิวของของเหลวขึ้นกับความแรงของแรงดึงดูดของ โมเลกุลที่อยู่ข้างและอยู่ใต้ งาน นี้เรียกว่า ความตึงผิว (surface tension) ของของเหลว ถ้า โมเลกุลของของเหลวถูกดึงดูดมากโดยโมเลกุลที่อยู่ข้างและอยู่ใต้ของเหลวนั้นย่อมมีความตึงผิวสูงความตึงผิวของของเหลวขึ้นกับอุณหภูมิด้วย ถ้าเพิ่มอุณหภูมิ (ทำให้โมเลกุล ต่างๆ มีพลังงานจลน์สูงขึ้น) จะทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลลดลงความตึงผิวของของเหลวจะลดลงด้วย

ความตึงผิว (surface tension) ของของเหลวคือ แรง หรือพลังงาน ต่อตารางเซนติเมตรที่ ต้องใช้เพิ่มพื้นที่ผิวของของเหลวนั้นความตึงผิวจะมีค่าสูงถ้าของเหลวนั้นมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมาก ความตึงผิวลดลงถ้าเพิ่ม อุณหภูมิ
จ. การระเหย เนื่องจากโมเลกุลเคลื่อนที่และชนกัน (collision) การชนกันทำให้บางโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง (มีพลังงานสูง) บ้างก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ (มีพลังงานต่ำ) เป็นผลให้เกิดการแจกแจง (distribution) ของอัตราการเคลื่อนที่หรือพลังงานของโมเลกุล ดังแสดงในรูป 8.3 ดังนั้นถึงแม้อุณหภูมิจะต่ำ เช่น ที่อุณหภูมิห้อง จะมีโมเลกุลบางส่วนที่มีพลังงานสูง และสูงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ข้างเคียง โมเลกุลนั้นก็จะหลุดออกจากผิว เปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส ปรากฏการณ์ที่โมเลกุลหลุดออกจากของเหลวและกลายเป็นแก๊สนี้เรียกว่า การระเหย (evaporation)

 

    อักษร E ในรูป หมายถึงพลังงานขั้นต่ำสุดที่โมเลกุลหนึ่งจะต้องมีในการเอาชนะแรงดึงดูดจากโมเลกุลอื่นๆ ที่อยู่ข้างเคียงเพื่อระเหยเป็นไอ
 

    เนื่องจากอุณหภูมิแปรผันโดยตรงกับพลังงานจลน์ ดังนั้นเมื่อเกิดการะเหยขึ้น โมเลกุลที่เหลือจะมีพลังงานจลน์โดยเฉลี่ยต่ำลงเป็นเหตุให้อุณหภูมิลดต่ำลง ปรากฏการณ์นี้เห็นเป็นประจำในชีวิตประจำวัน เช่น เราจะรู้สึกเย็นลงหลังการอาบน้ำ หรือมือเราจะรู้สึกเย็นลงหลังจากการล้างมือ ทั้งนี้เนื่องจากการระเหยของน้ำนำพาความร้อนไปด้วย
 

    เมื่อน้ำระเหยจากภาชนะ ความร้อนจากสิ่งแวดล้อมจะต้องถูกดูดเข้าไปในน้ำเสมอ เพื่อทดแทนความร้อนหรือพลังงานที่สูญเสียไปเนื่องจากการระเหย ดังนั้นถ้าสิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิสูง ความร้อนที่ถูกดูดโดยน้ำในภาชนะย่อมเกิดเร็วขึ้น เป็นเหตุให้น้ำระเหยเร็วขึ้นในวันที่อากาศร้อนอบอ้าว เมื่อเปรียบเทียบกับวันซึ่งมีอากาศเย็น

การระเหย คือปรากฏการณ์ซึ่งโมเลกุลหลุดออกมาจากผิวของของเหลวกลายเป็นไอ เมื่อโมเลกุลนั้นมีพลังงานสูงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของโมเลกุลอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง
 

    มีคำศัพท์อีกคำหนึ่งคือ การกลายเป็นไอ (vaporization) ซึ่งเป็นผลของการระเหย กล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าการระเหยของของเหลวทำให้ของเหลวกลายเป็นไอ คำศัพท์สองคำนี้จึงมีความหมายคล้ายคลึงกันและมักใช้แทนกันได้

    สมบัติประการหนึ่งของของเหลวที่เกี่ยวกับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ได้แก่ ความตึงผิว โมเลกุลที่อยู่ภายในของเหลวถูกดึงดูดจากโมเลกุลข้างเคียงรอบด้านเท่าๆ กัน ทุกทิศทาง แต่โมเลกุลซึ่งอยู่ที่ผิวของของเหลวถูกดึงดูดจากโมเลกุลที่อยู่ด้านล่างและด้านข้างเท่านั้น แรงดึงดูดจากด้านบนไม่มี ที่ผิวของของเหลวจึงมีแต่แรงดึงเข้าภายใน แรงนี้พยายามดึงโมเลกุลที่ผิวจำนวนมากที่สุดที่จะมากได้ ทำให้ผิวของของเหลวหดลง โดยพยายามลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด พลังงานที่ดึงโมเลกุลที่ผิวของของเหลวเข้าภายในทำให้เกิด ความตึงผิว

    ถ้าโมเลกุลภายในของเหลวจะออกมาที่ผิว ก็จะต้องใช้พลังงานดึงมันขึ้นมาเป็นการต่อต้านแรงดึงเข้าภายใน หรือจะกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าจะทำให้ผิวของของเหลวขยายออกจะต้องใส่พลังงานเข้าไปเมื่อการขยายพื้นที่ผิวเป็นการใส่พลังงานเข้าไป การลดพื้นที่ผิวจึงเป็นการคายพลังงานออกมาของเหลวเข้าภายในทำให้เกิด ความตึงผิว ถ้าโมเลกุลภายในของเหลวจะออกมาที่ผิว ก็จะต้องใช้พลังงานดึงมันขึ้นมาเป็นการต่อต้านแรงดึงเข้าภายใน หรือจะกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าจะทำให้ผิวของของเหลวขยายออกจะต้องใส่พลังงานเข้าไป
 

    เมื่อการขยายพื้นที่ผิวเป็นการใส่พลังงานเข้าไป การลดพื้นที่ผิวจึงเป็นการคายพลังงานออกมาของเหลวพยายามที่จะมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะในสถานะเช่นนั้นจะมีพลังงานต่ำสุด หมายความว่าของเหลวอยู่ในสถานะที่เสถียรที่สุด

 

     หยดกลม หยดน้ำค้างบนใบไม้ในตอนเช้าตรู่ก็มีรูปกลมเช่นเดียวกัน และถึงแม้ใช้กระจกเรียบธรรมดาไม่ฉาบขี้ผึ้งหยดน้ำก็จะแบนลงไปเท่านั้น แต่ยังเกาะกันอยู่ ไม่ถึงกับแยกออกกระจัดกระจาย ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องมาจากความตึงผิว ของเหลวพยายามหดตัวเนื่องจากแรงดึงดูดภายในให้มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด

 

      ถ้าเราพิจารณาระดับผิวน้ำในถ้วยแก้ว จะเห็นว่าตรงขอบน้ำที่ติดกับข้างแก้วจะสูงกว่าระดับน้ำตรงกลาง ยิ่งใช้ภาชนะเล็กแคบลง เช่น หลอดแก้วเล็กๆ จะเห็นรอยเว้าลงตรงกลางได้ชัดเจน ที่เป็นเช่นนี้เพราะน้ำเปียกผิวแก้ว และโมเลกุลน้ำถูกผิวแก้วดึงดูดไว้ ขอบน้ำตรงที่สัมผัสกับแก้วจึงสูงกว่าระดับตรงกลาง และถ้าหากใช้หลอดแก้วที่มีขนาดเล็กมาที่เรียกว่าหลอดรูเล็กจุ่มลงไปในน้ำ น้ำสูงขึ้นไปในหลอดรูเล็ก การที่น้ำเปียกแก้วเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวของน้ำ แต่ความตึงผิวพยายามลดพื้นที่ผิว ดังนั้นน้ำจึงสูงขึ้นไปในหลอดจนกระทั่งน้ำหนักของน้ำส่วนที่สูงกว่าระดับนอกหลอดถ่วงดุลกันพอดีกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างน้ำกับหลอดรูเล็ก

     หลอดยิ่งเล็กเส้นน้ำยิ่งสูงขึ้นไป เช่น ถ้าหลอดมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 mm น้ำขึ้นไปในหลอดได้สูงถึง 14.7 cm ถ้าเอาหลอดรูเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันจุ่มลงในเบนซีนแทนน้ำปรากฏว่าเบนซีนไต่ขึ้นไปในหลอดได้สูงไม่เท่ากับน้ำ ของเหลวใดยิ่งมีความตึงผิวมากและโมเลกุลถูกดึงดูดด้วยผิวแก้วได้ ก็ยิ่งขึ้นไปได้สูงมากในหลอดรูเล็ก ในกรณีปรอทซึ่งเป็นของเหลวไม่เปียกแก้ว ไม่มีแรงดึงดูดระหว่างปรอทกับแก้ว แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลเข้าภายในเนื้อปรอทมีมากจึงดึงผิวหน้าเส้นปรอทให้โค้งลง ระดับตรงกลางสูงกว่าระดับตรงริม และทำให้ระดับของเส้นปรอทในหลอดรูเล็กต่ำกว่าระดับ
 

      ถ้ากำหนดให้มุมที่ของเหลวสัมผัสกับผนังหลอดเท่ากับ ( รูป 11.7 ) ของเหลวต่างชนิดกันให้มุม ไม่เท่ากัน สำหรับน้ำและเบนซีน มุม ต่ำกว่า กล่าวได้ว่า ค่าของ ไม่ได้ขึ้นอยู่กับชนิดของของเหลวเท่านั้น หากแต่ขึ้นกับชนิดของสารที่เป็นหลอดรูเล็กด้วย เช่น เป็นหลอดแก้วหรือหลอดโลหะ ถ้าแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลภายในของของเหลวน้อยกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างของเหลวกับหลอดรูเล็ก มุม น้อยกว่า ดังในกรณีของน้ำกับหลอดแก้ว แต่ถ้าหากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของเหลวมีมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างของเหลวกับหลอดรูเล็ก มุม จะมากกว่า และของเหลวนั้นไม่เปียกหลอด เช่น ปรอทกับหลอดแก้ว

      นอกจากนั้น ความตึงผิวยังทำให้ผิวหน้าของเหลวดึงรั้งกันเข้ามามีลักษณะเหมือนฟิล์มบางๆ แมลงเล็กๆ อาจเดินบนผิวน้ำได้ ทั้งที่ตัวแมลงมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ
โดยเหตุที่ความตึงผิวเป็นสมบัติที่เนื่องมาจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ของเหลวที่มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมากกว่าย่อมมีความตึงผิวมากกว่า สิ่งใดก็ตามที่ทำให้แรงดึงดูดนี้อ่อนกำลังลง ย่อมลดความตึงผิวลงด้วย เช่น การเพิ่มอุณหภูมิจะลดความตึงผิว
 

      เราวัดความตึงผิวของของเหลวได้โดยใช้หลอดรูเล็กใส่ลงในของเหลวนั้น ของเหลวขึ้นไปสูงถึงระยะหนึ่งแล้วหยุด ของเหลวหยุดนิ่งต่อเมื่อแรงที่ดึงขึ้นข้างบนอันเนื่องจากความตึงผิวสมดุลพอดีกับแรงดึงลงอันเนื่องมาจากระดับของเหลวในหลอดสูงกว่าระดับภายนอกหลอด

 

     ในกรณีเช่นนี้ เราคำนวณความตึงผิว ได้ ถ้าทราบความสูงของของเหลวในหลอดรูเล็ก ความหนาแน่นของของเหลว และรัศมีของหลอด ความตึงผิวมีหน่วยเป็น erg cm-2 หรือ dyne cm-1 หรือ N m-1 ตาราง (11.3) แสดงค่าความตึงผิวของของเหลวบางชนิด

 

11.8 ความหนืดของเหลวบางชนิดไหลคล่อง เช่น เบนซีนไหลคล่องกว่าน้ำ ของเหลวบางชนิดไม่ใคร่ไหล เช่น น้ำเชื่อม น้ำมันหล่อลื่น เรากล่าวว่ามันมีความหนืดมาก ความหนืดเป็นความต้านทานที่จะไหล ความหนืดเป็นสมบัติอย่างหนึ่งของของเหลวที่เกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ถ้าโมเลกุลของของเหลวมีแรงดึงดูดมากก็หนืดมาก เพราะโมเลกุลไหลเลื่อนไปบนโมเลกุลอื่นได้ยาก การเพิ่มอุณหภูมิซึ่งเป็นการเพิ่มพลังงานจลน์ทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้อยลงและทำให้ความหนืดมีค่าลดน้อยลงและทำให้ความหนืดมีค่าลดน้อยลงด้วย กล่าวคือของเหลวไหลง่ายขึ้นกว่าเดิม

     นอกจากนั้นรูปร่างหรือลักษณะการจัดเรียงอะตอมภายในโมเลกุลยังเป็นอีกสิ่งหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อความหนืด โมเลกุลที่เป็นรูปกลมหรือรูปเรียบๆ จะไหลคล่องกว่าโมเลกุลที่มีรูปร่างยาวหยักขดไปมา ไม่เรียบสม่ำเสมอ พวกหลังนี้ไหลเลื่อนผ่านกันไปมาลำบาก และเราพบว่าของเหลวที่มีโมเลกุลทำนองนี้มีความหนืดสูง
 

     ถ้าให้ของเหลว 2 ชนิดที่มีปริมาตรเท่ากันไหลผ่านหลอดขนาดเล็ก ของเหลวทั้งสองชนิดนั้นจะใช้เวลาไหลไม่เท่ากัน ของเหลวที่หนืดกว่าใช้เวลาไหลนนานกว่า



 

   r เป็นรัศมีของหลอดเล็กซึ่งมีความยาว L ที่ของเหลวปริมาตร V ไหลผ่านในเวลา t ด้วยความดัน P  ,  หน่วยของ เรียกว่าปัวส์ เป็น g s-1 cm-1
 

    อย่างไรก็ตาม วิธีที่สะดวกในการปฏิบัติหาความหนืด คือ นำของเหลว 2 ชนิดมาเปรียบเทียบความหนืด โดยให้ไหลผ่านหลอดอันเดียวกันแล้วจับเวลาเปรียบเทียบ ของเหลวหนึ่งในสองชนิดนั้นต้องเป็นของเหลวที่ทราบค่าความหนืดแล้ว เครื่องมือที่ใช้หาความหนืดเรียกว่า มาตรความหนืด ซึ่งมีหลายแบบรูป (11.8) เป็นมาตรความหนืดแบบออสวาลต์


 

    ความดันบนของเหลว P = hdg เมื่อ h เป็นความแตกต่างระหว่างระดับของเหลวสองข้างของมาตรความหนืด ค่า h นี้เป็นค่าคงตัวสำหรับมาตรความหนืดแต่ละอัน d คือความหนาแน่นของของเหลว และ g เป็นอัตราเร่งเนื่องจากความถ่วงซึ่งเป็นค่าคงตัว


 

    ถ้าหากของเหลวชนิดหนึ่งในสองชนิดที่นำมาเปรียบเทียบความหนืดกันนั้นเป็นของเหลวที่ทราบค่า แล้ว t1 และ t2 เป็นระยะเวลาไหลที่บันทึกไว้ d1 และ d2 เป็นความหนาแน่นของของเหลวทั้งสองชนิดนั้น เราก็อาจคำนวณหาสัมประสิทธิ์ความหนืด  ของของเหลวอีกชนิดหนึ่งได้ บางครั้งค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดนี้ เรียกว่าความหนืด โดยเป็นที่เข้าใจกัน ตาราง (11.4) แสดงค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของของเหลวบางชนิด

 



back


 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล