ข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์ (1st Law of Thermodynamics)

 

สารบัญเนื้อหา

หน้าแรก

กฎข้อที่ 1

ความจุความร้อนและเอนทาลปี

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี

กฎข้อที่ 2

กฎข้อที่ 3 และพลังงานอิสระ

 

 

 

      ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับเทอมพื้นฐานต่างๆที่มีความสำคัญในการทำความเข้าใจในเนื้อหาของกข้อนี้

      สำหรับการศึกษาในหัวข้อนี้ เรากำหนดให้จักรวาลสามารถแบ่งออกได้เป็นสองส่วน  1) ระบบ (system) คือ อะไรก็ได้ในจักรวาลนี้ ที่เราสนใจที่จะศึกษาทำความเข้าใจ ซึ่งอาจจะเป็นเครื่องยนต์, ปฏิกิริยาเคมี, เซลล์ของสิ่งมีชีวิต และอื่นๆ 2) สิ่งแวดล้อม (surrounding) คือ บริเวณอื่นที่เราใช้ในการสังเกตการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในระบบ

โดยทั่วไประบบสามารถแบ่งออกได้เป็นดังนี้

     1) ระบบเปิด (open system) คือ ระบบที่สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสาร เข้า-ออก จากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อมได้

      2) ระบบปิด (closed system) คือ ระบบที่ไม่สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสาร เข้า-ออก จากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อมได้ (แต่อาจเกิดการถ่ายเทพลังงานได้)

     3) ระบบโดดเดี่ยว (isolated system) คือ ระบบที่ไม่สามารถเกิดการถ่ายเทมวลสารและพลังงาน เข้า-ออก จากระบบไปสู่สิ่งแวดล้อมได้

       การศึกษาวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ ส่วนใหญ่จะสนใจการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นเมื่อเกิดกระบวนการต่างๆ เช่น การหลอมเหลวของสสาร, การเกิดปฏิกิริยาเคมี และอื่นๆ  สำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นแล้วมีการให้พลังงานกับสิ่งแวดล้อม เราเรียกว่า กระบวนการแบบคายความร้อน (exothermic process) ตัวอย่างของกระบวนการเปลี่ยนแปลงแบบนี้ก็ได้แก่ การเผาไหม้ต่างๆ  ในทางตรงกันข้ามถ้ากระบวนการที่เกิดขึ้นแล้วมีการรับพลังงานจากสิ่งแวดล้อม เราเรียกว่า กระบวนการแบบดูดความร้อน (endothermic process) ซึ่งได้แก่ การหลอมเหลว, การระเหย ของสสาร

       ตอนนี้เราพอจะรู้และคุ้นเคยกับเทอมต่างๆบ้างแล้ว งั้นเรามาเริ่มทำความรู้จักกับแนวคิดและหลักการเกี่ยวกับกข้อที่หนึ่งกันเลย

ข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์

       ในเทอร์โมไดนามิกส์นั้น เรากำหนดให้พลังงานทั้งหมดของระบบเรียกว่า พลังงานภายใน (Internal Energy, U ซึ่งค่าของพลังงานภายในขึ้นอยู่กับค่าตัวแปรต่างๆ เช่น จำนวนโมล (n), ความดัน (p), ปริมาตร (v), อุณหภูมิ (T),... ซึ่งเราสามารถเขียนแทนด้วยเทอม U(n,p,v,..) ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงค่าของตัวแปรเหล่านี้ ดังแสดงในรูป

         หลักการสำคัญของกฎข้อที่ 1 แสดงอยู่ในสมการภายในรูป ซึ่งบอกว่า "การเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน (DU) จะเกิดขึ้นในลักษณะที่ทำให้เกิดการทำงาน(Work,w) หรือ เกิดเป็นความร้อน (Heat, q) หรือเกิดทั้งสองอย่างพร้อมๆ กัน" นั่นคือ กฎของการอนุรักษ์พลังงานนั่นเอง สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทีละน้อยเราสามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ดังสมการนี้

dU = dq + dw             (1)

d หมายถึงการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทีละเล็กน้อย(differential)   งานที่เกิดขึ้นสามารถมีได้หลายแบบขึ้นอยู่กับระบบที่เราสนใจ แต่งานที่เราสนใจศึกษาในบทเรียนนี้ จะเกี่ยวข้องกับการขยายตัวของระบบที่ความดันคงที่(p) ซึ่งงานที่เกิดขึ้นคือ 

dw = -pdV             (2)

dV คือค่าการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร และ p คือ ความดันภายนอก ซึ่งมีค่าเท่ากับความดันภายในของระบบสำหรับกระบวนการที่ผันกลับได้ จากสมการนี้เราสามารถหางานที่ระบบทำ เมื่อมีการขยายตัวของระบบจากปริมาตรเริ่มต้น(Vi) ไปสู่ปริมาตรสุดท้าย (Vf) โดยทำการอินติเกรตทั้งสองข้าง ได้ดังนี้

                            (3)

ตัวอย่างที่ 1

        ลองมาพิจารณาให้ลึกลงไปในตัวอย่างของการขยายตัวแบบผันกลับได้ ของแก๊สสมบูรณ์แบบ (perfect gas ) ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที (Isothermal reversible expansion) ว่าเราจะหาความสัมพันธ์ที่ชัดเจนกว่านี้ได้หรือเปล่า

จากสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ความดัน (p), ปริมาตร (V), อุณหภูมิ (T), จำนวนโมล (n) ของแก๊สสมบูรณ์แบบ จะได้ว่า

pV = nRT หรือ p = (nRT)/V

เมื่อนำค่า p ไปแทนลงในสมการที่ 3 แล้วจัดรูปใหม่ จะได้ดังนี้

            (4)

ดังนั้นสมการนี้สามารถนำไปใช้ในการคำนวณหางานที่เกิดขึ้น เมื่อมีการขยายตัวของระบบที่มีแก๊สสมบูรณ์แบบบรรจุอยู่ภายใน และเกิดที่อุณหภูมิคงที่ (ลองใช้สมการนี้คำนวณดูซิว่า แก๊ส 1 โมล เมื่อขยายตัวเป็น 2 เท่า ที่ 298 K จะเกิด การทำงานเท่าไหร่??)

        ที่ผ่านมาเรากล่าวถึงกฎข้อที่ 1 โดยเน้นไปที่ความหมายของตัวแปรที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในตัวแรก คือ งาน (w) ต่อไปเราลองมาดูความหมายของความร้อนกันบ้างว่ามีอะไรบ้าง และสามารถหาได้อย่างไร

จากสมการที่ 1 จะเห็นว่า ถ้าเราทำการควบคุมการเกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน(DU) ให้เกิดขึ้นในลักษณะที่ไม่เกิดการทำงานขึ้น (dw = 0) ซึ่งอาจทำได้โดยการควบคุมปริมาตรของระบบให้คงที่ นั่นคือ dV = 0 [dw = -pdV = 0] เราจะได้ว่า

dU = dq (ที่ปริมาตรคงที่ และไม่มีงานแบบอื่นเกิดขึ้น)            (5)

หรือสามารถเขียนอีกแบบได้ว่า DU = qV นั่นเอง (ตัวห้อย V หมายความว่า ปริมาตรคงที่)

         วิธีทั่วไปที่นิยมใช้ในการวัดหาค่า qV สำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ เรียกว่า Bomb Calorimeter ซึ่งมีลักษณะส่วนประกอบอย่างคร่าวดังแสดงในรูปข้างล่างนี้

    

ผนังรอบนอกสุดเป็นฉนวนที่ไม่ยอมให้ความร้อนผ่านได้ ในขณะที่ผนังด้านในนำความร้อนได้เป็นอย่างดี หลักการทำงานอย่างง่ายมีดังนี้ สารตัวอย่างที่อยู่ภายในบรรยากาศอิ่มตัวของ ออกซิเจน ถูกเผาโดยการจุดระเบิดจากวงจรไฟฟ้าภายนอก พลังงานที่เกิดขึ้นจะถูกถ่ายเทสู่น้ำที่บรรจุอยู่รอบนอก ทำให้อุณหภูมิของน้ำเพิ่มขึ้น ซึ่งเราสามารถวัดได้โดยใช้เทอร์โมมิเตอร์ ซึ่งทำให้เราสามารถวัดพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นได้

ความร้อนของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแปรผันตรงกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (DT) ของแคลอริมิเตอร์  นั่นคือ

q = C × DT             (6)

โดยที่ค่า C เป็นค่าคงที่ของแคลอริมิเตอร์ ซึ่งจะแตกต่างกันสำหรับแต่ละแคลอริมิเตอร์ที่ใช้ ปกติเราจะหาค่านี้ได้โดยใช้ปฏิกิริยาที่เราทราบค่าความร้อนของปฏิกิริยา (จากวิธีการวัดแบบอื่น) นั่นคือเราจะทราบค่า q และ DT เมื่อนำไปแทนค่าในสมการ (6) จะหาค่า C ได้

เนื่องจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นที่ปริมาตรคงที่ เราจะได้ค่าความร้อนที่เกิดขึ้นก็คือ qV นั่นเอง จากสมการที่ (5) เราก็จะได้ค่า การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในสำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ปริมาตรคงที่ดังนี้

DU = qV = C × D            (7)

ถึงตรงนี้จะเห็นว่าเราได้นำเทอมใหม่เข้ามาใช้อีก 1 เทอม คือ C ค่านี้มีความสำคัญมากในการหาความร้อนของกระบวนการต่างๆ และมีหลายชนิดดังจะกล่าวต่อไป ค่าของ C โดยทั่วไปแล้วจะ เรียกว่า ค่าความจุความร้อน เราลองมาดูกันซิว่าค่านี้มีอะไรบ้างและหาได้อย่างไร (คลิกที่นี่)

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร์
3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ 4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ
5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน 6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
7.  งานและพลังงาน  8.  การดลและโมเมนตัม
9.  การหมุน   10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง
11. การเคลื่อนที่แบบคาบ 12. ความยืดหยุ่น
13. กลศาสตร์ของไหล   14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน
15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก  16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร
17.  คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง

 

กลับสู่หน้าแรกของโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

 

 

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

การเรียนฟิสิกส์ 1 ผ่านทางอินเตอร์เน็ต