โดย อ.วชิราภรณ์ ชูพันธ์ เอกสาร ......อ...

โดย

อ.วชราภรณ ชพนธ

เอกสารประกอบการสอนวชาฟสกส 1

อณหพลศาสตร หรอ เทอรโมไดนามกส (องกฤษ: Thermodynamics; มาจากภาษากรก thermos = ความรอน และ dynamis = ก าลง) เปนสาขาของฟสกสทศกษาความสมพนธเกยวกบความรอน อณหภม งาน และพลงงาน ในชวงแรกการศกษาอณหพลศาสตรเกดจากการศกษาเรองเครองจกรความรอน ตอมาในภายหลง นกวทยาศาสตรไดตระหนกวา อณหพลศาสตรครอบคลมถงกระบวนการการเปลยนแปลงมหาศาล ทงสงมชวตและสงไมมชวต ทงในโลกตลอดจนทงจกรวาล

กอนทเราจะไดท าความเขาใจในรายละเอยดของเทอรโมไดนามกส เราตองมาท าความเขาใจกบนยามทส าคญกนกอน ซงนยามตางๆ ทเราควรรมดงตอไปน

ศพททางเทอรโมไดนามกส สภาวะ (state) ระบบ (system) สงแวดลอม (surrounding) ความรอน (heat) เอนทลป (enthalpy) เอนโทรป (entropy)

เทอรโมไดนามกสเปนการศกษาเกยวกบการเปลยนแปลง สภาวะ (state) ของระบบ (system) พฤตกรรมหรอการเปลยนแปลงสภาวะของระบบ บรรยายโดย ใชปรมาณ ปรมาณเชงมหทรรศน (macroscopic quantities) ความดน ปรมาตร อณหภมและมวลของระบบ ปรมาณเชงจลทรรศน (microscopic quantities) มวล อตราเรว พลงงานจลน และ โมเมนตม ของแตละโมเลกล

ฟงกชนสภาวะ (state function) คอ สมบตทถกก าหนดโดยสภาวะของระบบ (state of a system) ซงขนอยกบสภาวะเรมตนและสภาวะสดทายของระบบเทานน โดยไมสนใจวาการเปลยนแปลงนนจะเกดผานวธใด สภาวะของระบบจะขนอยกบสมบตมหภาคทเกยวของทงหมด เชน องคประกอบ พลงงาน อณหภม ความดน และปรมาตร ซงเราเรยกสมบตมหภาคเหลานวาเปน ฟงกชนสภาวะ

ตวอยางของฟงกชนสภาวะ นกปนเขา 2 คนเรมปนเขาทจดเดยวกน แตใชเสนทางในการปนตางกน ทานคดวา เมอนกปนเขาปนไปบนยอดเขาไดส าเรจ นกปนเขาทง 2 คน จะมพลงงานศกยเทากนหรอไม อยางไร ?

เมอนกปนเขาปนไปบนยอดเขาไดส าเรจและยนอยทจดเดยวกน นกปนเขาทง 2 คน ตางกมพลงงานศกยเทากน เพราะวาพลงงานศกยทวาเกดจากแรงดงดดของโลก ซงนกปนทง 2 คน ตางกถกกระท าเนองจากแรงดงดดของโลกเทากน ไมวาเขาจะใชวธใดกตาม เราจงกลาวไดวา พลงงานศกย (รวมทงพลงงานอนๆ) เปนฟงกชนสภาวะ

ระบบ (System) ในการพจารณาการเปลยนแปลงพลงงานทเกดจากปฏกรยาเคม เรามกจะก าหนด ระบบ (system) หรอสวนเฉพาะทเราสนใจเปนอนดบแรก ซงในทางเคมแลว ระบบจะประกอบไปดวยสงตางๆ ทเกยวของกบการเปลยนแปลงทงทางกายภาพและทางเคม ระบบม 3 แบบ : 1. ระบบเปด (open system) มการแลกเปลยนทงมวลและพลงงาน (ความรอน) กบสงแวดลอม

2. ระบบปด (closed system) มการแลกเปลยนเฉพาะพลงงาน (ความรอน) กบสงแวดลอม 3. ระบบโดดเดยว (isolated system) ไมมการแลกเปลยนทงมวลและพลงงาน (ความรอน) กบสงแวดลอม

อณหภมเปนสมบตทใชในการบอก “ ความรอน ” หรอ “ ความเยน ” ของวตถ ในการวดอณหภมของวตถ ตองสรางเครองวดอณหภม ทเรยกวา เทอรโมมเตอร(thermometer) มาสมผสกบวตถนน ทงเทอรโมมเตอรและวตถอยในสภาวะทสมดลกน(equilibrium

condition) สมดลความรอน (thermal equilibrium)

สมดลความรอน (thermal equilibrium) กฎขอทศนยของเทอรโมไดนามกส

(The Zeroth Law of Thermodynamics) “ ถาวตถ A และวตถ B ตางกอยในสมดลความรอนกบวตถ C แลววตถ A และวตถ B จะอยในสมดลความรอนซงกนและกนดวย ”

C B A

เทอรโมมเตอร(thermometer) Liquid – in – Glass tube thermometer

ขดสเกลบนทอ แบงเปน 100 ชวงเทา ๆ กน จดเยอกแขงของน าบรสทธอยทศนย และ ระดบท อณหภม ณ จดเดอดของน าบรสทธอยท 100 แตละชวงเรยกวา องศา(degree) สเกลนเรยกวา สเกลเซลเซยส (Celsius temperature scale) หนวยทใชบอกอณหภมคอ องศาเซลเซยส

องศาเซลเซยส (C)

องศาฟาเรนไฮต (F) สเกลฟาเรนไฮต (Fahrenheit Temperature Scale) จดเยอกแขงของน าอยท 32 องศาฟาเรนไฮต จดเดอดของน าอยท 212 องศาฟาเรนไฮต จดเยอกแขงและจดเดอดของน าจะอยหางกน 180 องศา ฟาเรนไฮต จะไดความสมพนธระหวางสเกลฟาเรนไฮตกบสเกล เซลเซยส คอ

เคลวน (K) อณหภมในสเกลเคลวนหรอสเกลสมบรณ (Kelvin or Absolute Temperature Scale ) วดความดนท 0 องศาเซลเซยส และ ท 100 องศาเซลเซยส ความดนเปน 0 ท - 273.15 องศาเซลเซยส ใชกาซตางชนดกน กจะพบวาความดนเปนศนยทอณหภม - 273.15 องศาเซลเซยส อณหภมเปน 0 K ทความดนเปน 0

0 K = -273.15 องศาเซลเซยส นนคอ

การน าความรอนเปนผลเนองจากการชนระหวางโมเลกลหรออะตอมในเนอสาร (molecular collision) เกดขนระหวางบรเวณทมอณหภมตางกนเทานน ทศทางของการไหลของความรอนจะตองไปจากททมอณหภมสงกวาไปยงทมอณหภมต ากวาเสมอ

การพาความรอนเกดขนในสสารหรอตวกลางทเปนของไหล โดยการเคลอนทของมวล ของของไหลจากทหนงไปยงอกทหนง เครองท าความรอน(Radiator) ท าใหหองอบอนดวยการพาความรอน อากาศเหนอเครองท าความรอนไดรบความรอน

มการขยายตว ความหนาแนนลดลง

อากาสลอยตวสงขน (ตามหลกของการลอยตว)

การแผรงสเปนการสงผานความรอนโดย คลนแมเหลกไฟฟา วตถทกชนด (อณหภมสงกวา 0K) จะแผรงสออกมาในทกชวงความยาวคลน แตจะมความยาวคลนคาหนงทพลงงานถกแผออกมามากทสด เรยกวา ซงความยาวคลนนจะขนกบอณหภม เมออณหภมของวตถเพมขน ความยาว คลน จะลดลง

max

max

ส าหรบกาซ แรงทยดเหนยวระหวางอะตอมจะนอยมาก ๆ สามารถจนตนาการไดวาไมมแรงยดเหนยวระหวางอะตอม แตละโมเลกลเคลอนทอยางอสระ การชนของโมเลกลเปนการชนแบบยดหยน

ส าหรบกาซจะมปรมาตรเทากบปรมาตรของภาชนะทบรรจ

โดยทวไปสมการสภาวะของกาซมวล m (หรออาจจะใชจ านวนโมล) จะเกยวของกบ ปรมาตร ความดน และ อณหภม (ตวแปรสภาวะ : state variables) สมการทเกยวของกบปรมาณเหลานเรยกวาสมการสภาวะ

(equation of state) ถากาซมความดนต าสมการจะอยในรปแบบทงาย นนคอถากาซมความดนต า(ความหนาแนนนอย)จะเปนกาซอดมคต (ideal gas)

เพอความสะดวกจะบอกจ านวนของกาซในเทอมของจ านวนโมล หนง mole ของสสารบอกดวยเลขอะโวกาโด (Avogadro’s number) ซงกคอจ านวนอนภาคของสสาร(atoms or molecules) Avogadro’s number NA = 6.022 x 1023

จ านวนโมลหาไดจากมวลของสสาร : n = m /M M คอมวลโมเลกล m คอมวลของสสาร n คอจ านวนโมล

เมอกาซม อณหภมคงท ความดนจะ

แปรผกผนกบปรมาตร (Boyle’s law)

เมอกาซม ความดนคงท ปรมาตรจะแปร

ผนตรงกบอณหภม (Charles ’s law)

น ากฎของบอยสและชารล มาพจารณา

รวมกนจะไดวา

PV

1

TV

kT

PV

การหาคานจของแกส ท STP อณหภม 0 องศาเซลเซยส (ประมาณ 273K) ณ ความดน 1 บรรยากาศ

(1.013x105 N/m2) กาซทกชนด 1 โมล จะมปรมาตร 22.4 ลกบาศกเดซเมตร (22.4x10-3 m3)

จะไดคา R = 8.314 J/mol ∙ K

นนคอสมการของกาซอดมคต PV = nRT

กฎของกาซอดมคตสามารถแสดงอยในเทอมของจ านวน โมเลกลทงหมด(N ) PV = nRT = (N/NA) RT = NkBT kB is Boltzmann’s constant kB = 1.38 x 10-23 J/K

โดยทวไปเรยก P, V, และ T วา ตวแปรทางเทอรโมไดนามกส (thermodynamic variables) ของกาซอดมคต

กาซอดมคตมปรมาตร 100 ท และ100 Pa หาจ านวนโมลของกาซในภาชนะ Solution จากสมการ

3cm C020

เอนทลป (enthalpy) คอ ปรมาณความรอนทผานเขาหรอออกจากระบบในกระบวนการทความดนคงท ซงเราเขยนแทนดวยสญลกษณ H

H = E + PV

เมอเราท าการทดลอง สงทเราวดไดจรงๆ จากการทดลอง คอ การเปลยนแปลงเอนทลป และเราใหนยามวา การเปลยนแปลงเอนทลปของปฏกรยา (enthalpy of reaction; DH) ซงเปนความแตกตางระหวางเอนทลปของสารผลตภณฑกบเอนทลปของสารตงตน

DH = Hสารผลตภณฑ - Hสารตงตน

เอนโทรป (entropy) คอ ปรมาณทบอกถงความไมเปนระเบยบของระบบ ยงระบบมความไมเปนระเบยบสง เอนโทรปกจะยงมคาสง แตถาระบบมความไมเปนระเบยบนอย เอนโทรปกจะยงมคาต า ระบบทกประเภทในธรรมชาต เมอเวลาผานไปจะมแนวโนมเขาสความไรระเบยบเสมอ เพราะฉะนน เอนโทรปของระบบมแนวโนมทจะเพมคาขนเสมอ

เอนโทรป สามารถน าไปผกกบแนวคดของเวลา ทวาทกๆระบบมแนวโนมทวงเขาหาความไรระเบยบเสมอ ซงไปสอดคลองกบเวลาทเพมขนอยตลอดเวลา โดยเราไมสามารถทยอนเวลากลบไดเชนเดยวกบเอนโทรป