โรงเรียนบดินทร เดชา (สิงห์ สิง หเสนี ) เค้าโครงโครงงานวิทยาศาสตร์

1. เค้าโครงโครงงานวิทยาศาสตร์เรื่อง ภาชนะอุ่นอาหารจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างโพแตสเซียมไฮดรอกไซด์กับน้ำ

2. โรงเรียนบดินทรเดชา (สิงห์ สิงหเสนี) เค้าโครงโครงงานวิทยาศาสตร์ เรื่อง ภาชนะอุ่นอาหารจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างโพแตสเซียมไฮดรอกไซด์กับน้ำ โดย นางสาวกุสุมา ยอดเสาดี นางสาวภัทรพรรณ เรือนนาค นางสาวสิริเลิศ แซ่ลิ่ม ครูที่ปรึกษา นางสาวเอกอนงค์ แก้วดี นายธรรมธีร์โพธิพีรนันท์ นายอติรัฐ มากสุวรรณ์ รายงานนี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา ว 30290 โครงงานวิทยาศาสตร์ 1 ตามหลักสูตรห้องเรียนพิเศษวิทยาศาสตร์ของ สสวท. โรงเรียนบดินทรเดชา (สิงห์ สิงหเสนี) ภาคเรียนที่ 2 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5 ปีการศึกษา 2553

3. ที่มาและความสำคัญปัจจุบันนี้มนุษย์ต้องการความสะดวกสบายในการดำรงชีวิตมากขึ้น จึงได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆขึ้นมามากมาย เพื่อรองรับความต้องการเหล่านั้นทำให้ได้รับความสะดวกสบายอย่างที่ต้องการ ซึ่งก็รวมถึงในการเดินทาง ซึ่งจำเป็นต้องนำอาหารและเครื่องดื่มสำเร็จรูปติดตัวไปและไม่สามารถประกอบอาหารโดยวิธีการหุงต้มแบบทั่วไปได้ คณะผู้จัดทำจึงมีความเห็นว่าหากมีอุปกรณ์ที่สามารถทำให้อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นได้โดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้าก็จะสะดวกในการปรุงอาหารและเครื่องดื่มสำเร็จรูปดังกล่าวนั้นได้ จึงได้คิดค้นภาชนะอุ่นอาหารโดยอาศัยการคายความร้อนจากปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และน้ำขึ้น โดยใส่น้ำลงไปในโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์จะเกิดปฏิกิริยาเคมีและคายความร้อนออกมาในปริมาณที่มากพอที่จะสามารถนำความร้อนที่ได้นั้นไปใช้ในการปรุงอาหารและเครื่องดื่มสำเร็จรูปนั้นได้ โดยไม่ต้องยุ่งยากในการใช้ไฟฟ้า และความร้อนที่ได้ยังอาจนำมาใช้ประโยชน์อื่นได้อีกด้วย เช่น การอุ่นอาหารและเครื่องดื่มที่ปรุงไว้เป็นเวลานานแล้ว เป็นต้น

4. จุดมุ่งหมายของการศึกษาเพื่อสร้างภาชนะอุ่นอาหารจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์กับน้ำโดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้า ขอบเขตการศึกษาความร้อนที่นำไปอุ่นอาหารได้มาจากปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์กับน้ำสมมติฐานโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ทำปฏิกิริยากับน้ำ เกิดความร้อน ที่สามารถทำให้น้ำร้อนขึ้นได้ตัวแปรตัวแปรอิสระ ปริมาณโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ และน้ำ ตัวแปรตาม อุณหภูมิที่สูงขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีตัวแปรควบคุมปริมาตรของน้ำที่ต้ม ชนิดวัสดุที่ใช้ทำภาชนะ รูปทรงและขนาดภาชนะ

5. เอกสารที่เกี่ยวข้องโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ หรือด่างคลี เป็นสารประกอบไฮดรอกไซด์ของโพแทสเซียม มีสูตรโมเลกุลว่า KOH ชื่อตาม IUPAC Potassium hydroxide และ ชื่ออื่นได้แก่ Caustic potash , Potash lye , PotassiaและPotassium hydrateความร้อนของการละลาย เมื่อละลายสารในน้ำ สารละลายอาจเย็นลงหรือร้อนขึ้นจากเดิม แสดงว่ามีการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนเกิดขึ้น เอนทัลพีของสารละลาย หรือ ความร้อนของสารละลาย คือ ความร้อนที่คายออกมา หือ ดูดกลืน เมื่อสาร 1 โมลละลายในตัวทำละลายตามจำนวนโมลที่กำหนด ความร้อนของสารละลายมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณของตัวทำละลาย หรือ ความเข้มข้นของสารละลายนั้น สารละลายที่เกิดอุณหภูมิต่ำกว่าเดิม แสดงว่าการละลายนี้เป็นกระบวนการ ดูดความร้อน( endothermic) แต่ถ้าสารละลายนั้นมีอุณหภูมิสูงกว่าเดิม แสดงว่าสารละลายนั้นเป็นกระบวนการ คายความร้อน(exothermic) ความร้อนที่ดูดเข้าไป หรือ คายออกมาในการเกิดสารละลาย เรียกว่า ความร้อนของการละลาย (heat of solution) ค่านี้บอกให้ทราบว่า สารละลายมีพลังงานต่ำกว่า หรือ สูงกว่า ตัวทำละลาย และ ตัวถูกละลายก่อนที่จะผสมกันมากน้อยเพียงใด ในโครงงานฉบับนี้ ความร้อนของการละลายจะเกิดขึ้นเมื่อนำน้ำเทใส่ลงไปในโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เมื่อสารทั้ง 2 ทำปฏิกิริยากันจะเกิดความร้อนออกมา สารละลายนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้นกว่าเดิม ทำให้สรุปได้ว่า สารละลายนี้ เป็นกระบวนการคายความร้อน

6. เทอร์โมไดนามิกส์เคมีเทอร์โมไดนามิกส์ หรือ อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) เป็นวิทยาศาสตร์ที่กล่าวถึงความร้อนและกฎต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปพลังงาน โดยเน้นความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติมหัพภาค หรือ สมบัติที่วัดได้จากการทดลองโดยตรง เช่น ความดัน ปริมาตร และ อุณหภูมิ ของระบบที่สมดุล เทอร์โมไดนามิกส์เคมีเป็นการนำหลักการของเทอร์โมไดนามิกส์มาใช้กับระบบที่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีสิ่งที่ต้องศึกษาคือ ระบบ (system) คือ สิ่งที่เรากำลังศึกษา และ สิ่งแวดล้อม (surroundings) คือ สิ่งต่างๆที่อยู่นอกจากสิ่งที่เรากำลังศึกษา อาจกล่าวได้ว่า ระบบถูกห่อหุ้มด้วยสิ่งแวดล้อม ก็ได้ เราจำแนกระบบออกเป็น 3 ประเภท 1.ระบบโดดเดี่ยว (isolated system) หมายถึง ระบบที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงาน หรือ มวลสารกับสิ่งแวดล้อม เช่น น้ำในขวดที่ปิดจุกสนิทและมีฉนวนหุ้ม สามารถหนีออกจากขวด หรือ แลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมได้ 2.ระบบปิด (closed system) หมายถึง ระบบที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อมได้ แต่แลกเปลี่ยนมวลสารไม่ได้ เช่น น้ำในขวดน้ำที่ปิดสนิทแต่ไม่มีฉนวนหุ้ม อาจรับหรือคายความร้อนกับสิ่งแวดล้อมได้ 3.ระบบเปิด (open system) หมายถึง ระบบที่สามารถแลกเปลี่ยนทั้งพลังงาน และ มวลสารกับสิ่งแวดล้อมได้ เช่น น้ำในขวดที่ไม่มีจุกปิด อาจระเหยออกได้ และ อาจรับหรือคายความร้อนกับสิ่งแวดล้อมได้ เพราะไม่มีฉนวนหุ้มจึงสามารถถ่ายเทความร้อนจากสิ่งแวดล้อมสู่ระบบได้

7. ถ้าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในระบบโดยไม่มีการถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม เรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนการ แอเดียแบติก (adiabatic) เช่น ปฏิกิริยาที่ทำให้ระเบิด ซึ่งเกิดเร็วมากจนไม่สามารถถ่ายเทความร้อนได้ ในการทำโครงงานครั้งนี้คณะผู้จัดทำใช้ระบบที่เป็นระบบปิด สามารถถ่ายเทความร้อนกับสิ่งแวดล้อมได้ ตามเทอร์โมไดนามิกส์กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ในการเปลี่ยนแปลงทั้งทางกายภาพและเคมี พลังงานจะเกิดขึ้นหรือหายไปเองไม่ได้ แต่อาจเปลี่ยนรูปได้ เรียกว่า กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ เมื่อเขียนเป็นสมการ จะได้ว่า E = q ₊ wเมื่อ q คือ พลังงานในรูปของความร้อน และ w คือ งานสมการนี้ หมายความว่า พลังงานอาจเข้าสู่ระบบ หรือ ออกจากระบบได้ใน 2 รูปแบบเท่านั้น ดังนี้ พลังงานภายในของระบบอาจเปลี่ยนรูปไปเป็นความร้อนและ/หรือ งาน หรือ เปลี่ยนรูปมาจากความร้อนและงานก็ได้ โครงงานนี้จะใช้การถ่ายเทความร้อนจากสิ่งแวดล้อมก็คือ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ทำปฏิกิริยากับน้ำ เมื่อเกิดความร้อนก็จะถ่ายเทให้แก่ระบบ ซึ่งคือ ภาชนะที่ใส่อาหาร ปฏิกิริยาเคมีK( OH)(aq) + H₂O(aq) ---------> K⁺(aq) + OH‾(aq)

8. วิธีดำเนินงานวัสดุอุปกรณ์1. ภาชนะเทอร์มอส 2 ชั้น 2.โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์3. น้ำ4. ช้อนตักสาร 5. อาหาร(ที่ต้องการอุ่น)สารเคมีโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ และ น้ำขั้นตอนการทดลอง 1.เตรียมภาชนะที่สามารถทนความร้อนและกักเก็บความร้อนได้ เช่น กระป๋องอะลูมิเนียม โดยมีลักษณะเป็นทรงกระบอก ความสูงประมาณ 20 เซนติเมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 15 เซนติเมตรนำมาดัดแปลงให้มีลักษณะดังนี้

9. ปุ่มควบ • คุมการเปิด-ปิด ช่องบรรจุอาหาร เกลียว เปิด-ปิด ช่องบรรจุสาร ช่องถ่ายสาร

10. 2.ทดลอง ดังนี้ *หมายเหตุ อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนทำปฏิกิริยาวัดได้ 31°C ทุกบีกเกอร์ และ จับเวลา 5 นาทีเท่ากัน

11. แผนการปฏิบัติงาน

12. ผลที่คาดว่าจะได้รับ มีภาชนะอุ่นอาหารจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์กับ น้ำ แทนการต้มน้ำด้วยไฟฟ้า เอกสารอ้างอิง กฤษณา ชุติมา. หลักเคมีทั่วไป เล่ม1. พิมพ์ครั้งที่11 . โรงพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย:จุฬาลงกรณ์ มหาวิทยาลัย, 2536 หน้า 192-193 Raymond Chang . เคมี1 Chemistry . ร.ศ.ดร.นราดล ไชยคำ ผู้แปลและเรียบเรียง, ร.ศ.ดร.พีรพรรณ พันธุม นาวิน ผู้แปลร่วม, ผ.ศ.ดร.ลัดดาวัลย์ ผดุงทรัพย์ ผู้แปลร่วม . สำนักพิมพ์ท้อป จำกัด, 2546 . คณะอนุกรรมการปรับปรงหลักสูตรวิทยาศาสตร์ สาขาเคมี ตามโครงการปรับปรุงหลักสูตรวิทยาศาสตร์ ระดับมหาวิทยาลัย.เคมี เล่ม 1.โรงพิมพ์ ห้างหุ้นส่วนจำกัด โงพิมพ์ชวนพิมพ์.สำนักพิมพ์ ชวนพิมพ์, 2537 . http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%82%E0%B8%9E%E0%B9%81%E0%B8%97%E0%B8%AA%E0 %B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%A1%E0%B9%84%E0%B8%AE%E0%B8%94%E0%B8%A3%E0%B8%AD%E0%B8%81%E0%B9%84%E0%B8%8B%E0%B8%94%E0%B9%8C (23 มิถุนายน 2554 )