กฎของอุณหพลศาสตร์เป็นกฎที่สำคัญที่สุดบางประการในวิชาฟิสิกส์ทั้งหมด และการทำความเข้าใจวิธีการใช้กฎแต่ละข้อนั้นเป็นทักษะที่สำคัญสำหรับนักศึกษาฟิสิกส์ทุกคน
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์โดยพื้นฐานแล้วเป็นคำแถลงการอนุรักษ์พลังงาน แต่ก็มีประโยชน์หลายอย่าง สำหรับสูตรเฉพาะนี้ คุณจะต้องเข้าใจก่อนว่าต้องการแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเรื่องความร้อนหรือไม่ เครื่องยนต์
เรียนรู้ว่ากระบวนการอะเดียแบติก ไอโซบาริก ไอโซคอริก และไอโซเทอร์มอลคืออะไร และวิธีการใช้กฎข้อที่หนึ่งของ อุณหพลศาสตร์ในสถานการณ์เหล่านี้ ช่วยให้คุณอธิบายพฤติกรรมของระบบอุณหพลศาสตร์ในทางคณิตศาสตร์ได้ วิวัฒนาการในเวลา
พลังงานภายใน งาน และความร้อน
กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ เช่นเดียวกับกฎอื่นๆ ของเทอร์โมไดนามิกส์ จำเป็นต้องมีความเข้าใจในคำศัพท์สำคัญบางคำพลังงานภายในของระบบคือการวัดพลังงานจลน์ทั้งหมดและพลังงานศักย์ของระบบโมเลกุลที่แยกได้ ตามสัญชาตญาณ นี่เป็นเพียงปริมาณพลังงานที่มีอยู่ในระบบ
งานอุณหพลศาสตร์คือปริมาณงานที่ระบบทำกับสิ่งแวดล้อม เช่น โดยการขยายตัวที่เกิดจากความร้อนของก๊าซที่ผลักลูกสูบออกไปด้านนอก นี่เป็นตัวอย่างว่าพลังงานความร้อนในกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้อย่างไร และนี่คือหลักการสำคัญที่อยู่เบื้องหลังการทำงานของเครื่องยนต์จำนวนมาก
ในทางกลับกันความร้อนหรือพลังงานความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานทางอุณหพลศาสตร์ระหว่างสองระบบ เมื่อระบบเทอร์โมไดนามิกส์สองระบบสัมผัสกัน (ไม่แยกจากกันด้วยฉนวน) และอยู่ที่อุณหภูมิต่างกัน การถ่ายเทความร้อนจะเกิดขึ้นในลักษณะนี้ จากตัวที่ร้อนกว่าไปยังระบบที่เย็นกว่า ปริมาณทั้งสามนี้เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง จึงวัดเป็นจูล
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ระบุว่าความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบจะเพิ่มพลังงานภายใน ขณะที่งานที่ทำโดยระบบจะลดพลังงานภายใน ในสัญลักษณ์ คุณใช้∆Uเพื่อแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในคิวเพื่อรองรับการถ่ายเทความร้อนและWสำหรับงานที่ทำโดยระบบ ดังนั้นกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คือ
∆U = Q - W
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์จึงเชื่อมโยงพลังงานภายในของระบบกับพลังงานสองรูปแบบ การถ่ายโอนที่สามารถเกิดขึ้นได้และดังนั้นจึงควรเป็นคำแถลงของกฎการอนุรักษ์ของ พลังงาน.
การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบมาจากการถ่ายเทความร้อนหรืองานที่ทำด้วยการถ่ายเทความร้อนถึงระบบและงานที่ทำบนระบบเพิ่มพลังงานภายในและการถ่ายเทความร้อนจากระบบและงานที่ทำโดยมันลดพลังงานภายใน นิพจน์นี้ใช้และเข้าใจได้ง่าย แต่การค้นหานิพจน์ที่ถูกต้องสำหรับการถ่ายเทความร้อนและงานที่ทำเพื่อใช้ในสมการอาจเป็นเรื่องยากในบางกรณี
ตัวอย่างกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
เครื่องยนต์ความร้อนเป็นระบบทางอุณหพลศาสตร์ทั่วไปที่สามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจพื้นฐานของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เครื่องยนต์ความร้อนแปลงการถ่ายเทความร้อนเป็นงานที่ใช้งานได้โดยพื้นฐานแล้วผ่านกระบวนการสี่ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มความร้อนลงในถังเก็บก๊าซ เพื่อเพิ่มแรงดันจึงขยายตัวในปริมาตร ส่งผลให้ความดันลดลงเมื่อความร้อนถูกดึงออกจากแก๊สและสุดท้ายกลายเป็นก๊าซ บีบอัด (เช่น ลดระดับเสียง) เมื่องานเสร็จสิ้นเพื่อนำกลับเข้าสู่สถานะเดิมของระบบและเริ่มกระบวนการใหม่ อีกครั้ง
ระบบเดียวกันนี้มักถูกทำให้เป็นอุดมคติว่า aวงจรการ์โนต์ซึ่งกระบวนการทั้งหมดสามารถย้อนกลับได้และไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปีด้วยการขยายตัวของอุณหภูมิไอโซเทอร์มอล (กล่าวคือ ที่อุณหภูมิเดียวกัน) ระยะของการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (โดยไม่มีการถ่ายเทความร้อน) ระยะของการบีบอัดแบบไอโซเทอร์มอล และระยะของการบีบอัดแบบอะเดียแบติกเพื่อนำกลับคืนสู่สภาพเดิม สถานะ.
กระบวนการทั้งสองนี้ (วัฏจักรคาร์โนต์ในอุดมคติและวัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อน) มักจะถูกพล็อตบน aPVแผนภาพ (เรียกอีกอย่างว่าแผนภาพปริมาตรความดัน) และปริมาณทั้งสองนี้สัมพันธ์กันโดยกฎของแก๊สในอุดมคติซึ่งระบุว่า:
PV = nRT
ที่ไหนพี= ความดันวี= ปริมาณน= จำนวนโมลของก๊าซR= ค่าคงที่แก๊สสากล = 8.314 J โมล−1 K−1 และตู่= อุณหภูมิ เมื่อใช้ร่วมกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อนี้สามารถใช้อธิบายขั้นตอนของวัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อนได้ อีกสำนวนที่มีประโยชน์ให้พลังงานภายในยูสำหรับก๊าซในอุดมคติ:
U = \frac{3}{2}nRT
วัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อน
วิธีง่ายๆ ในการวิเคราะห์วัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อนคือการจินตนาการถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในกล่องด้านตรงในPVพล็อต โดยแต่ละขั้นตอนจะเกิดขึ้นที่ความดันคงที่ (กระบวนการไอโซบาริก) หรือปริมาตรคงที่ (กระบวนการไอโซโคริก)
เริ่มจากวี1, เพิ่มความร้อนและความดันเพิ่มขึ้นจากพี1 ถึงพี2และเนื่องจากระดับเสียงคงที่ คุณจึงรู้ว่างานที่ทำเสร็จแล้วเป็นศูนย์ ในการแก้ไขปัญหาขั้นนี้ คุณต้องสร้างกฎแก๊สอุดมคติสองเวอร์ชันสำหรับสถานะที่หนึ่งและสอง (จำไว้ว่าวีและนเป็นค่าคงที่):พี1วี1 = nRT1 และพี2วี1 = nRT2แล้วลบอันแรกออกจากอันที่สองเพื่อรับ:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
การแก้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้:
(T_2 - T_1) = \frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR}
หากคุณมองหาการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน คุณสามารถแทรกสิ่งนี้ลงในนิพจน์สำหรับพลังงานภายในยูที่จะได้รับ:
\begin{aligned} ∆U &= \frac{3}{2}nR∆T \\ \\ &=\frac{3}{2} nR \bigg(\frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR }\bigg) \\ \\ &=\frac{3}{2} V_1 (P_2 -P_1) \end{aligned}
สำหรับขั้นตอนที่สองของวงจร ปริมาตรของก๊าซจะขยายตัว (และก๊าซก็ทำงาน) และความร้อนเพิ่มขึ้นในกระบวนการ (เพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่) ในกรณีนี้งานWที่ทำโดยแก๊สเป็นเพียงการเปลี่ยนแปลงปริมาตรคูณด้วยความดันพี2, ซึ่งจะช่วยให้:
W = P_2 (V_2 -V_1)
และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะพบได้ด้วยกฎของแก๊สอุดมคติเช่นเดิม (ยกเว้นการรักษาพี2 เป็นค่าคงที่และจำได้ว่าปริมาตรเปลี่ยนไป) เป็น:
T_2 - T_1 = \frac{ P_2 (V_2 - V_1)}{nR}
หากคุณต้องการทราบปริมาณความร้อนที่แน่นอน คุณสามารถใช้สมการความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่เพื่อค้นหาได้ อย่างไรก็ตาม คุณสามารถคำนวณพลังงานภายในของระบบได้โดยตรง ณ จุดนี้เหมือนเมื่อก่อน:
\begin{aligned} ∆U &= \frac{3}{2}nR∆T \\ \\ &=\frac{3}{2}nR\bigg(\frac{ P_2 (V_2 – V_1)}{nR }\bigg) \\ \\ &=\frac{3}{2} P_2 (V_2 – V_1) \end{aligned}
ขั้นตอนที่สามโดยพื้นฐานแล้วเป็นการย้อนกลับของขั้นตอนแรก ดังนั้นความดันจะลดลงที่ปริมาตรคงที่ (คราวนี้วี2) และดึงความร้อนออกจากแก๊ส คุณสามารถทำงานผ่านกระบวนการเดียวกันโดยพิจารณาจากกฎของแก๊สในอุดมคติและสมการของพลังงานภายในของระบบที่จะได้รับ:
∆U = -\frac{3}{2} V_2 (P_2 - P_1)
สังเกตเครื่องหมายลบนำหน้าในครั้งนี้เนื่องจากอุณหภูมิ (และพลังงาน) ลดลง
ในที่สุด ระยะสุดท้ายจะเห็นปริมาตรลดลงเมื่อทำงานเกี่ยวกับก๊าซและความร้อนที่ดึงออกมาใน กระบวนการไอโซบาริก ทำให้เกิดนิพจน์ที่คล้ายคลึงกันมากกับครั้งสุดท้ายสำหรับงาน ยกเว้นด้วยการนำหน้า เครื่องหมายลบ:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
การคำนวณเดียวกันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในดังนี้:
∆U = -\frac{3}{2} P_1 (V_2 - V_1)
กฎอื่นๆ ของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์อาจมีประโยชน์ในทางปฏิบัติมากที่สุดสำหรับนักฟิสิกส์ แต่อีกข้อหนึ่ง กฎหมายสำคัญสามข้อก็ควรค่าแก่การกล่าวถึงสั้น ๆ เช่นกัน (แม้ว่าจะครอบคลุมในรายละเอียดอื่นๆ เพิ่มเติมก็ตาม) บทความ) กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าหากระบบ A อยู่ในสมดุลความร้อนกับระบบ B และระบบ B อยู่ในสมดุลกับระบบ C ดังนั้นระบบ A จะอยู่ในสมดุลกับระบบ C
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบปิดใดๆ มีแนวโน้มเพิ่มขึ้น
สุดท้าย กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบเข้าใกล้ค่าคงที่เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์