กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์

กระบวนการทางเทอร์โมไดนามิก

ความร้อน (Q) คือพลังงานที่เคลื่อนที่จากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ในส่วนของระบบและสิ่งแวดล้อม ความร้อนคือพลังงานที่เคลื่อนที่จากระบบไปยังสิ่งแวดล้อม หรือพลังงานที่เคลื่อนที่จากสิ่งแวดล้อมไปยังระบบ เนื่องมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิ หากอุณหภูมิของระบบสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อม ความร้อนจะไหลจากระบบไปยังสิ่งแวดล้อม หากอุณหภูมิแวดล้อมสูงกว่าอุณหภูมิของระบบ ความร้อนจะไหลจากสิ่งแวดล้อมไปยังระบบ

ความร้อน (Q) คือพลังงานที่เคลื่อนที่เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ ในขณะที่งาน (W) เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานผ่านการทำงาน ตัวอย่างเช่น หากระบบทำงานให้กับสิ่งแวดล้อม พลังงานจะเคลื่อนที่จากระบบไปยังสิ่งแวดล้อม ในทางกลับกัน หากสิ่งแวดล้อมทำงานให้กับระบบ พลังงานจะเคลื่อนที่จากสิ่งแวดล้อมไปยังระบบ

พลังงานภายในและกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์

พลังงานภายใน (U) ของระบบคือผลรวมของพลังงานจลน์ของโมเลกุลทั้งหมดในระบบ บวกกับพลังงานศักย์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลในระบบ หากความร้อนไหลจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่ระบบ (ระบบได้รับพลังงาน) พลังงานในระบบจะเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน หากระบบทำงานให้กับสิ่งแวดล้อม (ระบบปล่อยพลังงาน) พลังงานในระบบจะลดลง

ตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบคือ ความร้อนถูกเพิ่มเข้าไปในระบบ (ระบบได้รับพลังงาน) ลบด้วยงานที่ระบบทำ (ระบบปล่อยพลังงาน)

Δ U = การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน, Q = ความร้อน, W = งาน

พลังงานภายในเป็นปริมาณระดับจุลภาคของระบบ ดังนั้นจึงไม่สามารถทราบค่าได้ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในสามารถทราบได้จากพลังงานที่เพิ่มเข้าไปในระบบและพลังงานที่ปล่อยออกมาจากระบบในรูปของความร้อนและงาน ในทางตรงกันข้าม ปริมาณระดับมหภาค เช่น อุณหภูมิ (T) ความดัน (p) ปริมาตร (V) และมวล (m) หรือจำนวนโมล (n) นั้นสามารถทราบค่าได้

ความร้อนและงานมีส่วนเกี่ยวข้องเฉพาะในกระบวนการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมเท่านั้น ความร้อนและงานไม่ใช่ปริมาณที่บ่งบอกถึงสถานะของระบบ

กฎการติดป้ายสำหรับความร้อน (Q) และงาน (W)

กฎเรื่องเครื่องหมายสำหรับความร้อนและงานนั้นถูกปรับให้เข้ากับสมการของกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ ความร้อน (Q) ในสมการข้างต้นคือความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบ (Q เป็นบวก) ในขณะที่งาน (W) ในสมการข้างต้นคืองานที่ระบบทำ (W เป็นบวก) ถ้าความร้อนออกจากระบบ Q จะเป็นลบ ถ้ามีงานทำกับระบบ W จะเป็นลบ

ตัวอย่างที่ 1 :

ถ้าความร้อน 2000 จูลถูกเพิ่มเข้าไปในระบบ ในขณะที่ระบบทำงาน 1000 จูล พลังงานภายในของระบบจะเปลี่ยนแปลงไปเท่าใด

Solution

Δ U = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 จูล

ระบบดูดซับความร้อน 2000 จูล (ระบบรับพลังงาน) และระบบยังส่งมอบงาน 1000 จูล (ระบบปล่อยพลังงาน) การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ = 1000 จูล

ตัวอย่างที่ 2 :

ความร้อน 2000 จูลออกจากระบบ ระบบทำงาน 1000 จูล จงคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ

Solution

หากระบบปล่อยความร้อนออกมา ค่า Q จะเป็นลบ

Δ U = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 จูล

ระบบปล่อยความร้อน 2000 จูล และยังทำงาน 1000 จูล (พลังงานที่ระบบปล่อยออกมา) ดังนั้น พลังงานภายในของระบบจึงลดลง 3000 จูล

ตัวอย่างที่ 3 :

มีการเพิ่มความร้อน 2000 จูลให้กับระบบ และมีการทำงาน 1000 จูลกระทำต่อระบบ จงคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ

Solution

มีการทำงานเกิดขึ้นกับระบบ ดังนั้นค่า W จึงเป็นค่าลบ

Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 จูล

พลังงานภายในของระบบเพิ่มขึ้น 3000 จูล