เชื้อเพลิงทางเคมี
เชื้อเพลิงเช่น ไม้ กระดาษ น้ำมัน หรือแกส ประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอน อันมีองค์ประกอบหลักคืออะตอมไฮโดรเจนและคาร์บอน เมื่อเผาเชื้อเพลิงดังกล่าวในอากาศไฮโดรเจนกับคาร์บอนจะรวมตัวกันกับออกซิเจนจากอากาศเกิดเป็นน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ตามลำดับ ในกระบวนการนี้พลังงานที่ปลดปล่อยในรูปของความร้อน ที่สามารถนำไปใช้ในการผลิตไฟฟ้า นำไฟฟ้าที่ำดไปใช้ให้พลังงานกับมอเตอร์ ให้กับหลอดไฟฟ้าให้แสงสว่าง ในอุปกรณ์ที่ให้ความร้อนต่างๆ เป็นต้น
เมื่อดูว่าพลังงานเกี่ยวข้องขึ้นอยู่กับฟิสิกส์ควอนตัมอย่างไร เร่ิ่มจากตัวอย่างการรวมตัวทางเคมีอย่างง่ายที่อะตอมไฮโดรเจนรวมตัวกันสองอะตอมเกิดเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน ที่ประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและอิเลคตรอนสองตัวดังในรูปที่ 3.1
รูปที่ 3.1 เมื่ออะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอมมารวมกันเกิดเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน (a)พลังงานรวมของระบบลดลง และพลังงานส่วนเกิดปลดปล่อยออกมาในรูปของความร้อน กราฟ(b)แสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ เมื่อระยะห่างระหว่างอะตอมไฮโดรเจนเปลี่ยนแปลง สถานะสุดท้ายของโมเลกุลตรงกับจุดที่พลังงานต่ำที่สุดที่แสดงด้วย p
ในบทที่2 ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าคุณสมบัติคลื่นของอิเลคตรอนส่งผลให้พลังงานของอะตอมไฮโดรเจนอยู่สภาพควอนไตย์ ดังนั้นระดับพลังงานมีค่าชุดหนึ่งเป็นการเฉพาะ เมื่อไม่ถูกกระตุ้น อะตอมจะอยู่ที่ระดับพลังงานต่ำสุดหรือสถานะพื้น (ground state) ต่อไปเมื่อพิจารณาว่าพลังงานรวมของระบบได้รับผลกระทบอย่างไรเมื่อนำอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอมเข้าใกล้กันและกัน ประการแรกพิจารณาพลังงานศักย์ซึ่งเปลี่ยนแปลงใน 3 แนวทาง ทางแรกพลังงานศักย์มีค่าเพิ่มขึ้นเพราะแรงผลักไฟฟ้าสถิตย์ระหว่างโปรตอนประจุบวก แนวทางที่สอง พลังงานศักย์มีค่าลดลงเพราะว่าอิเลคตอนแต่ละตัวตอนนี้ถูกดึงดูดด้วยโปรตอนทั้งสอง แนวทางที่สามพลังงานศักย์เพิ่มขึ้นเพราะแรงผลักระหว่างอิเลคตรอนประจุลบทั้งสอง นอกจากนี้พลังงานจลน์ของอิเลคตรอนลดลงเพราะว่าอิเลคตรอนสามารถเตลื่อนไปได้ทั่วระหว่างนิวเคลียสทั้งสอง ดังนั้นขนาดของกล่องที่ส่งผลที่จำกัดขอบเขตอิเลคตรอนไว้เพิ่มขึ้น (เห็นได้จากที่อภิปรายพฤติกรรมควอนตัมของอนุภาคในกล่อง ในบทที่ 2 ที่พบว่ากล่องยิ่งมีขนาดใหญ่ขึ้น ก็ยิ่งมีพลังงานจลน์ต่ำที่สถานะพื้น) และยังได้กำหนดว่าข้อยกเว้นของ พอลลิ (Pauli exclusion principle) ยอมให้อิเลคตรอนทั้งสองเข้าครองที่สถานะพื้น จัดให้ว่าอิเลคตรอนทั้งสองมีสปิน(spin)ตรงข้ามกัน ผลที่ตามมาของการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดขึ้นอยู่กับว่าอะตอมอยู่ห่างกันเท่าใด เมื่ออยู่ห่างกันมากพลังงานรวมจะเปลี่ยนน้อยมาก และเมื่ออยู่ใกล้กันมาก การผลักกันทางไฟฟ้าสถิตย์ระหว่างนิวเคลียสจะมีผลมาก ที่ห่างกันกลางๆ จะมีการลดลงของพลังงานรวม การลดลงมากที่สุดเมื่อโปรตอนห่างประมาณ 7.4x10^-10 m (เทียบเคียงกับรูป 3.1 (b))
ที่จุดนี้ ความแตกต่างระหว่างพลังงานของโมเลกุลไฮโดรเจนและพลังงานของอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ห่างจากกัน เท่ากับ หนึ่งในสามของพลังงานที่ระดับพื้นของอะตอมไฮโดรเจน พลังงานส่วนที่เกินจากของโมเลกุลไปไหน คำตอบก็คือบางส่วนไปเป็นพลังงานจลน์ในการเคลื่อนโมเลกุล ขณะที่ส่วนที่เหลือปลดปล่อยออกมาในรูปของโฟตอน และทั้งสองกรณีดังกล่าวก่อให้เกิดความร้อน ผลโดยรวมทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นส่วนที่เราคาดหวังจากเชื้อเพลิง
จากตัวอย่างที่แสดงหลักการว่าพลังงานสามารถปลดปล่อยโดยการนำอะตอมเข้ามารวมกันเกิดเป็นโมเลกุล แต่ในกรณีเฉพาะของไฮโดรเจนไม่มีประโยชน์มากนักในทางปฏิบัติที่จะเป็นแหล่งของพลังงาน ทั้งนี้เพราะแกสไฮโดรเจนที่มีบนโลกนั้นมักจะประกอบกันเป็นโมเลกุลอยู่แล้ว ตัวอย่างในทางปฏิบัติมากกว่าคือการรวมกันของไฮโดรเจนกับออกซิเจนเกิดเป็นน้ำ สถานะพลังงานที่ระดับพื้นของของโมเลกุลน้ำน้อยกว่าสถานะพลังงานที่ระดับพื้นของอะตอมออกซิเจนและสองอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับไฮโดรเจนที่ แกสออกซิเจนก็อยู่ในรูปโมเลกุลที่มีสองอะตอม ถ้าเราผสมรวมไฮโดรเจนและออกซิเจนเข้าด้วยกันที่อุณหภูมิห้อง ก็ไม่เกิดอะไรขึ้น ทั้งนี้เพราะก่อนที่จะรวมกันได้ให้เกิดเป็นน้ำ โมเลกุลของไฮโดรเจนและออกซิเจน สิ่งแรกต้องแยกตัวออกเป็นอะตอมที่เป็นองค์ประกอบเสียก่อน ซึ่งจำเป็นต้องให้พลังงานจากแหล่งภายนอกเสียก่อน อย่างไรก็ตามทันทีที่โมเลกุลน้ำก่อตัวขึ้นบ้างแล้ว พลังงานที่ปลดปล่อยในกระบวนการนี้มากเกินพอที่ใช้แยกอะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจน กระบวนการเกิดขึ้นรวดเร็วและเกิดขึ้นได้ด้วยตัวเอง ตัวอย่างหนึ่งในเรื่องนี้คือเปลวไฟจากการจุดแกสในห้องปฏิบัติการหรือ ในครัวโดยใช้ไม้ขีดหรืออุปกรณ์ทำประกายไฟ ไฟจากไม้ขีดหรือประกายไฟที่อุณหภูมิสูง ทำให้โมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนที่อยู่ใกล้เคียงแยกตัวส่งผลให้มีการรวมอะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจนได้โมเลกุลน้ำ และปลดปล่อยพลังงานที่ให้ความร้อนแกสมากขึ้นที่สามารถที่จะจุดให้เกิดเปลวไฟต่อไป กระบวนการเกิดขึ้นต่อเนื่องได้ด้วยตัวเอง และความร้อนที่ได้สามารถนำมาใช้ในการหุงต้ม ให้ความอบอุ่นแก่บ้านเรือน ฯลฯ
หลักการที่เกี่ยวข้องตามตัวอย่างนี้อยู่ภายใต้เชื้อเพลิงทางเคมีที่มีประโยชน์ทั้งหมด และโดยแท้จริงคือพลังงานนิวเคลียร์ ที่เราจะเห็นได้ต่อไป เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนเช่น น้ำมัน หรือ แกสบรรจุไว้ด้วยโมเลกุล ประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน เป็นหลัก ซึ่งอยู่ได้อย่างคงตัวมาเป็นเวลาช้านาน อาจเป็นล้านๆ ปี ความคงตัวนี้ยังมีอยู่แม้เมื่อสารประกอบนี้ได้รับการสัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมิห้อง แต่ทันทีที่ให้พลังงานในการแยกโมเลกุลเป็นอะตอม อะตอมก็จะจัดตัวเองเป็นส่วนผสมของน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน หลักการที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของควอนตัม กล่าวคือ ผลรวมของพลังงานควอนตัมที่สถานะพื้นของโมเลกุลน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์น้อยกว่าโมเลกุลเริ่มต้นไฮโดรคาร์บอน อย่างไรก็ตามเพื่อให้เริ่มต้นการแปลี่ยนแปลงพลังงานจะต้องให้แก่สารนี้ ทันทีที่ส่วนผสมได้รับความร้อนที่อุณหภูมิสูงมากพอกระบวนการก็ดำรงอยู่ได้ด้วยตนเอง (ยกเว้นว่าทำให้กระบวนการตัดขาดไป พลังงานยังคงปลดปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งเชื้อเพลิงหมดไป
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น