บทที่ 12 อุณหพลศาสตร์ 12.1 อุณหพลศาสตร์ ฟิสิกส์เชิงสถิติ และจลนพลศาสตร์ 12.2 บทนิยามพจน์ต่าง ๆ ของอุณหพ

1. บทที่ 12 อุณหพลศาสตร์ 12.1 อุณหพลศาสตร์ ฟิสิกส์เชิงสถิติ และจลนพลศาสตร์ 12.2 บทนิยามพจน์ต่าง ๆ ของอุณหพลศาสตร์ 12.3 กฎข้อที่ศูนย์และแนวคิดเกี่ยวกับอุณหภูมิ 12.4 สมการสถานะของแก๊สอุดมคติ 12.5 สมการสถานะของแวนเดอร์วาลส์

2. 12.6 งาน 12.7 พลังงานและกฎข้อที่หนึ่งของ อุณหพลศาสตร์ 12.8 เอนทัลปีและความจุความร้อน 12.9 เอนโทรปีและกฎข้อที่สองของ อุณหพลศาสตร์

3. 12.10 การหาค่าเอนโทรปี 12.11 หลักการเพิ่มเอนโทรปีหรือลด พลังงาน 12.12 เครื่องยนต์ความร้อน ตู้เย็น และวัฏจักรคาร์โนท์

4. 12.1 อุณหพลศาสตร์ ฟิสิกส์เชิงสถิติ และจลนพลศาสตร์ การศึกษาระบบมหาทรรศน์ (macroscopic systems) • อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) • ฟิสิกส์เชิงสถิติ (statistical physics)

5. อุณหพลศาสตร์ (thermodynamics) - ไม่ขึ้นกับแบบจำลอง (model) ใด ๆ ของโครงสร้างอะตอมและโมเลกุลของสสาร - ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณที่วัดได้ เช่น ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ ความ เข้มข้นของสารละลาย เป็นต้น

6. ฟิสิกส์เชิงสถิติ (statistical physics) - ตั้งอยู่บนแบบจำลองของโครงสร้าง อะตอมและโมเลกุลของสสาร - หากฏที่อธิบายความสัมพันธ์และ ลักษณะของอนุภาคในระบบเพื่อนำ ไปสู่กฏที่อธิบายความสัมพันธ์ของ ปริมาณต่าง ๆ

7. 12.2 บทนิยามพจน์ต่าง ๆ ของอุณหพลศาสตร์ • ระบบเปิด (open system) • สามารถแลกเปลี่ยนสสาร • สามารถ แลกเปลี่ยน พลังงาน • กับสิ่งแวดล้อม

8. ระบบปิด (closed system) • ไม่สามารถแลกเปลี่ยนสสาร • แต่สามารถ แลกเปลี่ยน พลังงาน • กับสิ่งแวดล้อม

9. ระบบเอกเทศ (isolated system) • ไม่สามารถแลกเปลี่ยนสสาร • ไม่สามารถ แลกเปลี่ยน พลังงาน • กับสิ่งแวดล้อม

10. ปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ปริมาณทางอุณหพลศาสตร์ 1. ปริมาณที่ไม่ขึ้นกับจำนวนเนื้อสาร (intensive quantities) 2. ปริมาณที่ขึ้นกับจำนวนเนื้อสารหรือ มวลของวัตถุในระบบ (extensive quantities)

11. 1. ปริมาณที่ไม่ขึ้นกับจำนวนเนื้อสาร (intensive quantities) เช่น ความดัน อุณหภูมิ ความหนาแน่น

12. 2. ปริมาณที่ขึ้นกับจำนวนเนื้อสารหรือ มวลของวัตถุในระบบ (extensive quantities) เช่น ปริมาตร

13. ระบบเอกพันธ์(homogeneous system) ไม่ขึ้นกับจำนวนเนื้อสารเช่น ความหนาแน่น และความดันซึ่งเป็นฟังก์ชันต่อเนื่องของ ตำแหน่ง

14. ระบบวิวิธพันธุ์ (heterogeneous system or inhomogeneous system) ระบบไม่ขึ้นกับจำนวนเนื้อสารแต่ เป็นฟังก์ชันที่ไม่ต่อเนื่องของตำแหน่ง เช่น ระบบที่มี สาร 2 ชนิดปนกันโดย สามารถ แยกออกจากกันได้ชัดเจน

15. สมการสถานะ(equation of state) หมายถึง สมการที่แสดงความสัมพันธ์ของตัวแปรต่างๆ ที่เรียกว่า thermodynamic coordinates หรือ state variables เช่น ความดัน ความหนาแน่น อุณหภูมิ ปริมาตร เป็นต้น

16. สมดุลเชิงกล (mechanical equilibrium) สมดุลระหว่างแรงในระบบกับสิ่งแวดล้อม สมดุลเชิงความร้อน (thermal equilibrium) ทุกส่วนภายในระบบมีอุณหภูมิสม่ำเสมอ และมีค่าเท่ากับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม

17. สมดุลเคมี (chemical equilibrium) องค์ประกอบทางเคมีของระบบมี ค่าเท่ากันหมด

18. สมดุลเชิงอุณหพลวัต (thermodynamic equilibrium) • ระบบที่อยู่ในสถานะสมดุลเชิงความร้อน • สมดุลเชิงกล และสมดุลเคมี • กำหนดได้ด้วยค่าความดันปริมาตร และ • อุณหภูมิ

19. การเปลี่ยนค่าตัวแปรต่างๆ ของระบบ เรียกว่า กระบวนการ (process)

20. กระบวนผันกลับได้ (reversible process) • สถานะของระบบแตกต่างจากสถานะ • สมดุลน้อยมาก • กระบวนการนี้จึงเกิดขึ้นอย่างช้าๆ • ภายใต้การควบคุมบางอย่าง • ที่ ณ เวลาใดๆ ความดัน อุณหภูมิ • และความหนาแน่นขององค์ประกอบ • ของระบบมีค่าสม่ำเสมอ

21. กระบวนผันกลับไม่ได้ (irreversible process) • สถานะของระบบแตกต่างจากสถานะ • สมดุลมาก • กระบวนการนี้จึงเกิดขึ้นอย่างฉับพลัน • โดยมากควบคุมได้ยาก • เป็นกระบวนการที่สถานะของระบบเปลี่ยน • แปลงอย่างถาวรโดยไม่อาจกลับมา • สู่สถานะเดิมได้อีกต่อไป

22. isothermal process กระบวนการที่อุณหภูมิ ของระบบคงตัวตลอดเวลา adiabatic process กระบวนการที่ไม่มีการแลก เปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบ กับสิ่งแวดล้อมเลย isobaric process กระบวนการที่เกิดขึ้นในขณะ ที่ความดันมีค่าคงตัวตลอดเวลา

23. isochoric process หรือ isovolumic process กระบวนการที่เกิดขึ้นในขณะที่ปริมาตรคง ตัวไม่เปลี่ยนแปลง เรียกว่า

24. 12.3 กฎข้อที่ศูนย์และแนวคิดเกี่ยวกับอุณหภูมิ ถ้าระบบสองระบบอยู่ในสถานะสมดุล เชิงความร้อนกับระบบที่สาม ทั้งสองระบบ นั้นจะอยู่ในสถานะสมดุลเชิงความร้อน ระหว่างกันด้วย

25. แม้ว่าพารามิเตอร์ (P, V) จะแตกต่างกัน แต่ค่าเชิงตัวเลข จะเท่ากันและ จะเรียกค่านี้ว่า เป็นอุณหภูมิ

26. 12.4 สมการสถานะของแก๊สอุดมคติ • ไม่คิดปริมาตรของภาชนะว่าถูกแทนที่ด้วนเแก๊ส • ไม่คิดแรงกระทำกันระหว่างโมเลกุลของแก๊ส จากการทดลองทำให้สรุปได้ว่า P V = nRT

27. P ความดัน V ปริมาตร n จำนวนโมล (mole) R = 8.31451J / (mole) (K) T อุณหภูมิ

28. มวลของแก๊สที่นำมาศึกษา m กรัม จำนวนโมล (n) = มวลโมเลกุล M กรัม ที่ความดัน 1 บรรยากาศ และอุณหภูมิ 273 K แก๊สใดๆ จำนวน 1 โมลมีปริมาตร 22.4 ลิตร หรือ 0.0224 m3

29. สมการ PV = ค่าคงตัว เป็นสมการไฮเพอร์โบลา (hyperbola) แต่ละเส้นเรียกว่า ไอโซเทอร์มัล (isothermal) หรือ ไอโซเทอร์ม (isoterm)

30. 12.5 สมการสถานะของแวนเดอร์วาลส์ • คิดปริมาตรของภาชนะว่าถูกแทนที่ด้วนเแก๊ส • (V-b) • คิดแรงกระทำกันระหว่างโมเลกุลของแก๊ส • (P + a / V2 )

31. กรณี 1 โมล หรือ

32. กรณี n โมล

35. 12.6 งาน งานภายนอก (external work) คือ งานที่ทำโดยระบบหรือกระทำต่อระบบ งานภายใน (internal work) คือ งานที่ทำโดยบางส่วนของระบบต่อส่วนอื่น ของระบบเดียวกันเรียกว่า

36. dW = PAdy = PdV

38. พิจารณา งาน ที่เกิดขึ้นในขบวนการต่างๆ • 1) isochoric process ปริมาตรมีค่าคงตัว • dV = 0 ทำให้ไม่มีงานเกิดขึ้น • ไม่มีส่วนใดของสิ่งแวดล้อมเกิดการ • เคลื่อนที่ • ระบบไม่ได้ทำงาน หรือ W = 0

39. 2) isobaric process ความดันมีค่าคงตัว คือเท่ากับ P ดังนั้น งานที่ทำโดยระบบ จึงเท่ากับ

40. D V มีเครื่องหมายบวกแสดงการขยายตัวของระบบ งานที่ทำ (P D V) จึงมีเครื่องหมายบวกด้วย D V เป็นลบซึ่งหมายถึงการอัด งานที่ทำ (P D V) โดยระบบจะมีเครื่องหมายลบ

42. 3) isothermal process งานมีค่าเท่ากับพื้นที่ • ใต้เส้นโค้งของแผนภาพ P-V • PV = nRT หรือ P = nRT/V

43. isothermal process งานที่ได้ W มีค่าเป็นบวกถ้า Vf > Vi W มีค่าเป็นลบเมื่อ Vf < Vi

44. 4) adiabatic process เป็นกระบวนการที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมเลย ความดันและปริมาตรมีการเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กันโดย P1V1g = P2V2g ค่าคงตัว

45. แทนค่า

46. 3. ยางรถยนต์ของ ดร.ท่านหนึ่งแตก พบว่าอากาศภายในยางขยายตัวจาก 0.0125 เป็น 0.40 m3 ที่อุณหภูมิ คงตัว 290K จนกระทั่งความดันสุด ท้ายเป็น 1.00 x 105 N/m2 ดร.ท่าน นี้คำนวณหางานที่ทำจากการ ขยายตัวของแก๊สพบว่าเป็นเท่าใด ? (ตอบ : 4.65 x 103 J)

47. 12.7 พลังงานและกฎข้อที่หนึ่งของ12.7 พลังงานและกฎข้อที่หนึ่งของ อุณหพลศาสตร์ กล่าวว่า พลังงานความร้อนที่ให้แก่ระบบ (Q) จะเท่ากับพลังงานที่ทำโดยระบบ (W) บวกกับพลังงานภายในที่เพิ่มขึ้น (U)

48. สมการเชิงอนุพันธ์ของกฎข้อที่หนึ่งสมการเชิงอนุพันธ์ของกฎข้อที่หนึ่ง ของอุณหพลศาสตร์ dQ = dU + dW หมายเหตุ dQ และ dW เป็น inexact differentials

50. ข้อสังเกต • เป็นหลักการอนุรักษ์พลังงาน • พลังงานที่เปลี่ยนไป (dU) ขึ้นอยู่กับ • สถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย • ของระบบเท่านั้น • สถานะในที่นี้หมายถึงสถานะสมดุล • อุณหพลวัต