อุณหพลศาสตร์: นิยาม กฎหมาย & สมการ

สำหรับคนจำนวนมาก เทอร์โมไดนามิกส์ฟังดูเหมือนสาขาฟิสิกส์ที่น่ากลัวซึ่งมีแต่คนฉลาดเท่านั้นที่จะเข้าใจได้ แต่ด้วยความรู้พื้นฐานและการทำงานเพียงเล็กน้อย ทุกคนสามารถเข้าใจสาขาวิชานี้ได้

เทอร์โมไดนามิกส์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่สำรวจสิ่งที่เกิดขึ้นในระบบทางกายภาพเนื่องจากการถ่ายเทพลังงานความร้อน นักฟิสิกส์ตั้งแต่ Sadi Carnot ถึง Rudolf Clausius และ James Clerk Maxwell ถึง Max Planck ต่างก็มีส่วนร่วมในการพัฒนา

คำว่า "เทอร์โมไดนามิกส์" มาจากรากศัพท์ภาษากรีก กระติกน้ำร้อน, หมายถึง ร้อนหรืออุ่น, และ ไดนามิกอสความหมายอันทรงพลัง แม้ว่าในภายหลังจะตีความแอตทริบิวต์รูทถึงความหมายของการกระทำและการเคลื่อนไหว โดยพื้นฐานแล้ว อุณหพลศาสตร์คือการศึกษาพลังงานความร้อนในการเคลื่อนที่

อุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับวิธีการสร้างและแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานรูปแบบต่างๆ เช่น พลังงานกล นอกจากนี้ยังสำรวจแนวคิดของระเบียบและความผิดปกติในระบบทางกายภาพตลอดจนประสิทธิภาพการใช้พลังงานของกระบวนการต่างๆ

การศึกษาอุณหพลศาสตร์เชิงลึกยังต้องอาศัย กลศาสตร์สถิติ เพื่อให้เข้าใจทฤษฎีจลนศาสตร์เป็นต้น แนวคิดพื้นฐานคือกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์สามารถเข้าใจได้ในแง่ของสิ่งที่โมเลกุลเล็กๆ ทั้งหมดในระบบกำลังทำอยู่

อย่างไรก็ตาม ปัญหาคือมันเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตและอธิบายการกระทำของโมเลกุลแต่ละอย่าง ดังนั้นจึงใช้วิธีการทางสถิติแทนและเพื่อความแม่นยำที่ยอดเยี่ยม

งานพื้นฐานบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับอุณหพลศาสตร์ได้รับการพัฒนาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1600 กฎของบอยล์ซึ่งพัฒนาโดยโรเบิร์ต บอยล์ กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างความดันและปริมาตร ซึ่งนำไปสู่กฎแก๊สในอุดมคติในที่สุดเมื่อรวมกับกฎของชาร์ลส์และกฎของเก-ลุสแซก

จนกระทั่งปี 1798 เคาท์ รัมฟอร์ด (หรือที่รู้จักว่า เซอร์ เบนจามิน ทอมป์สัน) เข้าใจว่าความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน เขาสังเกตว่าความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นเป็นสัดส่วนกับงานที่ทำในการหมุนเครื่องมือที่น่าเบื่อ

ในช่วงต้นปี 1800 Sadi Carnot วิศวกรทหารชาวฝรั่งเศสทำงานเป็นจำนวนมากใน การพัฒนาแนวคิดของวัฏจักรเครื่องยนต์ความร้อน ตลอดจนแนวคิดเรื่องการย้อนกลับในอุณหพลศาสตร์ กระบวนการ. (กระบวนการบางอย่างทำงานย้อนเวลาได้เช่นเดียวกับการส่งต่อในเวลา กระบวนการเหล่านี้เรียกว่าย้อนกลับได้ กระบวนการอื่นๆ อีกมากมายทำงานในทิศทางเดียวเท่านั้น)

งานของ Carnot นำไปสู่การพัฒนาเครื่องจักรไอน้ำ

ต่อมา รูดอล์ฟ เคลาเซียส ได้กำหนดกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งจะอธิบายต่อไปในบทความนี้ สาขาวิชาอุณหพลศาสตร์มีวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วในปี ค.ศ. 1800 เนื่องจากวิศวกรพยายามทำให้เครื่องยนต์ไอน้ำมีประสิทธิภาพมากขึ้น

คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์และปริมาณมีดังต่อไปนี้:

• ความร้อนซึ่งเป็นพลังงานที่ถ่ายเทระหว่างวัตถุที่อุณหภูมิต่างกัน
• อุณหภูมิซึ่งเป็นการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในสาร
• กำลังภายในซึ่งเป็นผลรวมของพลังงานจลน์ของโมเลกุลและพลังงานศักย์ในระบบโมเลกุล
• ความดันซึ่งเป็นหน่วยวัดแรงต่อหน่วยพื้นที่บนภาชนะที่มีสารอยู่
• ปริมาณ คือปริภูมิสามมิติที่สสารเข้ามา
• ไมโครสเตท คือสถานะที่แต่ละโมเลกุลอยู่
• Macrostates เป็นสถานะที่ใหญ่กว่าที่มีการสะสมของโมเลกุลอยู่
• เอนโทรปี เป็นตัววัดความผิดปกติในสาร มีการกำหนดทางคณิตศาสตร์ในแง่ของไมโครสเตทหรือเทียบเท่าในแง่ของการเปลี่ยนแปลงของความร้อนและอุณหภูมิ

มีการใช้คำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์ที่แตกต่างกันจำนวนมากในการศึกษาอุณหพลศาสตร์ เพื่อให้การตรวจสอบของคุณง่ายขึ้น นี่คือรายการคำจำกัดความของคำศัพท์ที่ใช้กันทั่วไป:

• สมดุลความร้อนหรือสมดุลทางอุณหพลศาสตร์: สถานะที่ทุกส่วนของระบบปิดมีอุณหภูมิเท่ากัน
• ศูนย์สัมบูรณ์เคลวิน: เคลวินเป็นหน่วย SI สำหรับอุณหภูมิ ค่าต่ำสุดในระดับนี้คือศูนย์หรือศูนย์สัมบูรณ์ เป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุด
• ระบบอุณหพลศาสตร์: ระบบปิดใดๆ ที่มีปฏิสัมพันธ์และการแลกเปลี่ยนพลังงานความร้อน
• ระบบแยก: ระบบที่ไม่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งภายนอกได้
• พลังงานความร้อนหรือพลังงานความร้อน: พลังงานมีหลายรูปแบบ ในหมู่พวกเขาคือพลังงานความร้อนซึ่งเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในระบบ
• กิ๊บส์พลังงานฟรี: ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ที่ใช้ในการกำหนดปริมาณงานที่ย้อนกลับได้สูงสุดในระบบ
• ความจุความร้อนจำเพาะ: ปริมาณพลังงานความร้อนที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนอุณหภูมิของมวลหน่วยของสาร 1 องศา ขึ้นอยู่กับชนิดของสารและเป็นตัวเลขที่มักจะค้นหาในตาราง
• แก๊สในอุดมคติ: แบบจำลองก๊าซอย่างง่ายที่ใช้กับก๊าซส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน โมเลกุลของแก๊สเองถูกสันนิษฐานว่าชนกันในการชนแบบยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ยังสันนิษฐานว่าโมเลกุลอยู่ห่างจากกันมากพอที่จะรักษาได้เหมือนมวลจุด

มีสามหลัก กฎของอุณหพลศาสตร์ (เรียกว่ากฎข้อที่หนึ่ง กฎข้อที่สอง และกฎข้อที่สาม) แต่ก็มีกฎข้อที่ศูนย์เช่นกัน กฎหมายเหล่านี้อธิบายไว้ดังนี้:

กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ น่าจะเป็นสัญชาตญาณที่สุด ระบุว่าหากสาร A อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับสาร B และสาร B อยู่ในสภาวะความร้อน สมดุลกับสาร C แล้วตามด้วยสาร A จะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนด้วย สาร C.

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ โดยพื้นฐานแล้วเป็นคำกล่าวของกฎการอนุรักษ์พลังงาน โดยระบุว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบเท่ากับความแตกต่างระหว่างพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนเข้าสู่ระบบและงานที่ทำโดยระบบโดยรอบ

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ซึ่งบางครั้งเรียกว่ากฎที่บอกเป็นนัยถึงลูกศรแห่งเวลา ซึ่งระบุว่าเอนโทรปีทั้งหมดในระบบปิดสามารถคงค่าคงที่หรือเพิ่มขึ้นได้ก็ต่อเมื่อเวลาเคลื่อนไปข้างหน้า เอนโทรปีสามารถคิดอย่างหลวม ๆ ว่าเป็นการวัดความผิดปกติของระบบ และกฎข้อนี้ก็สามารถคิดได้ อย่างหลวมๆ ว่า “ของต่างๆ มักจะปนๆ กันยิ่งเขย่า ตรงข้ามกับ ไม่ผสม”

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ ระบุว่าเอนโทรปีของระบบเข้าใกล้ค่าคงที่เมื่ออุณหภูมิของระบบเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ เนื่องจากที่ศูนย์สัมบูรณ์ ไม่มีการเคลื่อนที่ของโมเลกุล มันจึงสมเหตุสมผลที่เอนโทรปีจะไม่เปลี่ยนแปลง ณ จุดนั้น

อุณหพลศาสตร์ใช้ประโยชน์จากกลศาสตร์ทางสถิติ นี่เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ใช้สถิติกับทั้งคลาสสิกและฟิสิกส์ควอนตัม

กลศาสตร์ทางสถิติช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำงานกับปริมาณมหภาคในลักษณะที่ตรงไปตรงมามากกว่าปริมาณจุลทรรศน์ พิจารณาอุณหภูมิเป็นต้น มันถูกกำหนดให้เป็นพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในสาร

เกิดอะไรขึ้นถ้าคุณจำเป็นต้องกำหนดพลังงานจลน์ที่แท้จริงของแต่ละโมเลกุล และยิ่งไปกว่านั้น ให้ติดตามการชนกันระหว่างโมเลกุลแต่ละครั้ง แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคืบหน้า แทนที่จะใช้เทคนิคทางสถิติที่ช่วยให้เข้าใจอุณหภูมิ ความจุความร้อน และอื่นๆ ในลักษณะที่ใหญ่ขึ้นของวัสดุ

คุณสมบัติเหล่านี้อธิบายพฤติกรรมโดยเฉลี่ยที่เกิดขึ้นภายในวัสดุ เช่นเดียวกับปริมาณเช่นความดันและเอนโทรปี

อา เครื่องยนต์ความร้อน เป็นระบบเทอร์โมไดนามิกที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล เครื่องยนต์ไอน้ำเป็นตัวอย่างของเครื่องยนต์ความร้อน พวกมันทำงานโดยใช้แรงดันสูงเพื่อเคลื่อนลูกสูบ

เครื่องยนต์ความร้อนทำงานบนวัฏจักรที่สมบูรณ์บางประเภท พวกมันมีแหล่งความร้อนชนิดหนึ่ง ซึ่งปกติเรียกว่าอ่างความร้อน ซึ่งช่วยให้พวกมันรับพลังงานความร้อน พลังงานความร้อนนั้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางอุณหพลศาสตร์บางอย่างภายในระบบ เช่น แรงดันที่เพิ่มขึ้นหรือการขยายตัวของแก๊ส

เมื่อก๊าซขยายตัว มันจะทำงานต่อสิ่งแวดล้อม บางครั้งดูเหมือนว่าจะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ในเครื่องยนต์ เมื่อสิ้นสุดรอบ จะใช้อ่างน้ำเย็นเพื่อนำระบบกลับไปยังจุดเริ่มต้น

เครื่องยนต์ความร้อนจะดึงพลังงานความร้อน นำไปใช้ในการทำงานที่มีประโยชน์ แล้วปล่อยหรือสูญเสียพลังงานความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมในระหว่างกระบวนการ ประสิทธิภาพ ของเครื่องยนต์ความร้อนถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ต่ออินพุตความร้อนสุทธิ

ไม่น่าแปลกใจที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต้องการให้เครื่องยนต์ความร้อนมีประสิทธิภาพมากที่สุด โดยแปลงปริมาณพลังงานความร้อนสูงสุดที่ป้อนเข้าเป็นงานที่มีประโยชน์ คุณอาจคิดว่าเครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือประสิทธิภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ แต่นี่ไม่ถูกต้อง

อันที่จริงมีข้อจำกัดเกี่ยวกับประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน ประสิทธิภาพไม่เพียงขึ้นอยู่กับประเภทของ กระบวนการ ในวัฏจักรแม้ในขณะที่ดีที่สุด กระบวนการ (ชนิดที่สามารถย้อนกลับได้) ถูกใช้ เครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดขึ้นอยู่กับความแตกต่างสัมพัทธ์ของอุณหภูมิระหว่างอ่างความร้อนและอ่างเย็น

ประสิทธิภาพสูงสุดนี้เรียกว่า ประสิทธิภาพการ์โนต์ และมันคือประสิทธิภาพของ a วงจรการ์โนต์ซึ่งเป็นวัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนที่ประกอบกลับได้ทั้งหมด กระบวนการ.

มีการประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์มากมายเพื่อ กระบวนการ ที่เห็นในชีวิตประจำวัน ยกตัวอย่างตู้เย็นของคุณ ตู้เย็นทำงานนอกวงจรอุณหพลศาสตร์

ขั้นแรกให้คอมเพรสเซอร์บีบอัดไอสารทำความเย็น ซึ่งทำให้แรงดันเพิ่มขึ้นและดันไปข้างหน้าเป็นขดลวดที่อยู่ด้านหลังตู้เย็นของคุณ หากคุณสัมผัสขดลวดเหล่านี้ พวกมันจะรู้สึกอบอุ่นเมื่อสัมผัส

อากาศโดยรอบทำให้พวกเขาเย็นลง และก๊าซร้อนจะเปลี่ยนกลับเป็นของเหลว ของเหลวนี้จะเย็นตัวลงที่แรงดันสูงขณะที่ไหลเข้าสู่ขดลวดภายในตู้เย็น ดูดซับความร้อนและทำให้อากาศเย็นลง เมื่อร้อนเพียงพอก็จะระเหยเป็นแก๊สอีกครั้งและกลับเข้าไปในคอมเพรสเซอร์และวงจรจะเกิดซ้ำ

ปั๊มความร้อนซึ่งสามารถให้ความร้อนและทำให้บ้านของคุณเย็นลง ทำงานบนหลักการเดียวกัน