สารบัญเนื้อหา

หน้าแรก

กฎข้อที่ 1

ความจุความร้อนและเอนทาลปี

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี

กฎข้อที่ 2

กฎข้อที่ 3 และพลังงานอิสระ

      ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับเทอมพื้นฐานต่างๆที่มีความสำคัญในการทำความเข้าใจในเนื้อหาของกฎข้อนี้

      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 งั้นเรามาเริ่มทำความรู้จักกับแนวคิดและหลักการเกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่งกันเลย

กฎข้อที่ 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(V_i) ไปสู่ปริมาตรสุดท้าย (V_f) 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 = q_V นั่นเอง (ตัวห้อย V หมายความว่า ปริมาตรคงที่)

         วิธีทั่วไปที่นิยมใช้ในการวัดหาค่า q_V 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 q_V นั่นเอง จากสมการที่ (5) เราก็จะได้ค่า การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในสำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ปริมาตรคงที่ดังนี้

DU = q_V = C × DT              (7)

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

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต