งานเทอร์โมไดนามิก

กฎขอ้ ที่หน่ึงของ อุณหพลศาสตร์ (FIRST LAW OF THERMODYNAMICS)

คานา หนังสืออิเล็กทรอนิกสเ์ ร่อื ง กฎขอ้ ทหี่ น่งึ ของอณุ หพลศาสตร์ ได้จัดทาข้นึ เพ่ือใช้ ประกอบการเรียนการสอน สาหรบั นักเรียน เพราะมเี นอื้ หาทเ่ี ขา้ ใจง่าย มภี าพประกอบ ตลอดจน บุคคลท่สี นใจ โดยผพู้ ัฒนาไดแ้ บง่ เนือ้ หาของหนงั สอื อเิ ล็กทรอนกิ ส์นีไ้ ว้ หัวเรอ่ื ง ไดแ้ ก่ คานา สารบญั เนื้อเรื่อง ผพู้ ฒั นาหวงั เป็นอยา่ งย่งิ วา่ เนอื้ หาสาระของหนงั สืออเิ ล็กทรอนิกสเ์ ล่มนี้ จะเป็น ประโยชน์และใหค้ วามรแู้ กผ่ ู้เรียนและผ้สู นใจท่วั ไป ก

สารบัญ เรื่อง หน้า คานา สารบญั ก เนื้อเร่อื ง ข อ้างอิง 1-19 20 ข

น้องพายุ: สวัสดีครับพส่ี ายฟ้า พส่ี ายฟา้ : สวัสดีครับนอ้ งพายุ น้องพายุ: วันนพ้ี ายุจะถามพี่ พ่สี ายฟา้ : ออ๋ เคยไดย้ ินครับ แต่ สายฟา้ วา่ ...รูจ้ กั กฎข้อที่หน่งึ ของ ยงั ไมร่ จู้ ักแบบลกึ ซึง้ …ว่าแต่พายุ อณุ หพลศาสตร์ ไหมครับ ชว่ ยเลา่ เนอื้ หาให้ฟงั หนอ่ ยไดไ้ หม นอ้ งพาย:ุ ได้ครับพส่ี ายฟา้ กอ่ นเราจะ พี่สายฟา้ : ง้ัน…ก็ดีนะครบั ไปรจู้ ักกบั กฎข้อทห่ี น่ึงของ อุณหพลศาสตร์ เรามาทาความรู้จักกบั คาวา่ “อณุ หพลศาสตร์” กันก่อนดไี หม ครบั นอ้ งพาย:ุ อณุ หพลศาสตร์ 1 คอื ……..

อณุ หพลศาสตร์ THERMODYNAMICS ………. อณุ หพลศาสตร์ เปน็ วิชาที่ทาการศกึ ษาความสัมพนั ธร์ ะหวา่ ง ความรอ้ น (Heat), งาน (Work), อณุ หภูมิ (Temperature), และพลังงาน (Energy) หรอื สามารถพูดแบบกวา้ ง ๆ ได้วา่ เปน็ วิชาท่ีทาการศึกษาการถา่ ยโอนพลงั งานจากท่หี นึ่งไปสูอ่ ีกที่หนงึ่ จากรปู แบบหน่ึงไปยงั อกี รูปแบบหน่ึง เช่น น้าทก่ี ลายเปน็ ไอน้า นา้ แขง็ ทีล่ ะลายกลายเปน็ น้า รวมทั้งยังศกึ ษาการเปลยี่ น รูปแบบพลงั งานความร้อน (Heat Energy) ไปเปน็ พลังงานกล (Mechanical Work) อกี ดว้ ย จริง ๆ แล้วความร้อนไมไ่ ดถ้ กู นิยามวา่ เป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน จนเม่อื ปี ค.ศ.1798 วิศวกรทหารชาวองั กฤษทีม่ ชี ือ่ วา่ Count Rumford (Sir Benjamin Thompson) ได้ สงั เกตเหน็ ว่าในทุกๆ คร้ังที่ยงิ ปนื ใหญ่จะมีความร้อนเกดิ ขึน้ มาด้วย นอกจากนั้นเคา้ ยงั เหน็ ว่า ความรอ้ นท่ีเกิดขึน้ ยิง่ มมี าก แรงในการยิงปืนใหญก่ จ็ ะมมี ากตามไปด้วย เปน็ อตั ราส่วนแบบแปร ผันตรงซงึ่ กันและกนั นจี่ งึ เป็นจุดเรมิ่ ตน้ ของวชิ าอุณหพลศาสตร์ 2

อุณหพลศาสตร์ THERMODYNAMICS แต่วชิ านี้ไมไ่ ด้มจี ดุ เรม่ิ ตน้ เพยี งแหล่งเดียว ในปี ค.ศ.1824 เป็นอกี จดุ เร่มิ ต้น ของวชิ านี้ โดยเริม่ ตน้ มาจากคนผหู้ นงึ่ ที่สามารถคดิ คน้ แนวคิดของวัฏจักร เครื่องจกั รกลความรอ้ นและทฤษฎกี ารยอ้ นกลบั ได้ของพลังงาน ซ่งึ คนผนู้ นั้ คอื วิศวกร ทหารชาวฝรงั่ เศสนามว่า Sadi Carnot ทส่ี รา้ งทฤษฎที ชี่ ่ือวา่ Carnot’s Work ซ่ึง เปน็ ทฤษฎที ีเ่ กยี่ วกับการพจิ ารณางานสูงสุดทจ่ี ะได้รับจากเครอ่ื งจักรกลไอนา้ (เครอ่ื งจกั รกลอณุ หภมู สิ งู ทีข่ ับเคล่อื นดว้ ยการใช้หลกั การของการถา่ ยเทความร้อน) หลังจากนั้นหนึ่งศตวรรษกไ็ ด้มกี ารศกึ ษาและพฒั นาแนวคดิ นจี้ ากนกั คณติ ศาสตร์และ ฟิสกิ ส์ชาวเยอรมันชอ่ื วา่ Rudolf Clausius จนเกิดเป็นกฎขอ้ ที่ 1 และ 2 ของ อณุ หพลศาสตร์ 3

นอ้ งพายุ : โอเคจัดไปครบั พีส่ ายฟ้า : เร่อื งราวน่าสนใจ กฎขอ้ ที่หน่ึงของอุณหพลศาสตร์ มากเลยครบั นอ้ งพาย…ุ .. ง้ัน คอื ….. เราไปร้เู น้อื หาของ กฎข้อที่หนง่ึ ของอณุ หพศาสตร์ กันเลย… 4

นกั วิทยาศาสตร์ผูค้ ดิ คน้ กฎข้อทห่ี นึง่ ของอณุ หพลศาสตร์ ยูลีอุส ฟอ็ น ไมเออร์ ยูลีอสุ โรแบร์ท ฟ็อน ไมเออร์ เป็นนกั ฟิสกิ สช์ าวเยอรมนั หน่งึ ในผู้วางรากฐานของ อุณหพลศาสตร์ มชี อ่ื เสียงในฐานะผกู้ าหนดหลกั เกณฑ์ขน้ั ต้นของกฎการอนรุ กั ษ์ พลังงาน หรือพัฒนาตอ่ มาเป็นกฎขอ้ ท่หี นึง่ ของอณุ หพลศาสตร์ หลักเกณฑน์ ้ัน ได้แก่ พลงั งานไมส่ ามารถเกิดข้นึ ใหม่หรอื ถกู ทาลายลงได้ Energy can be neither created nor destroyed. 5

กฎขอ้ ที่หนึ่งของอณุ หพลศาสตร์ (first Law of Thermodynamics) ก่อนอ่ืนเรามาทาความรจู้ ักกับเทอมพ้นื ฐานตา่ งๆท่มี คี วามสาคัญใน การทาความเขา้ ใจในเนือ้ หาของกฎข้อน้ี สาหรับการศกึ ษาในหัวขอ้ นี้ เรากาหนดให้จักรวาลสามารถแบ่งออกไดเ้ ปน็ สองส่วน 1) ระบบ (system) คอื อะไรกไ็ ด้ในจกั รวาลน้ี ท่ีเราสนใจท่จี ะศึกษา ทาความเข้าใจ ซึง่ อาจจะเป็นเครือ่ งยนต์, ปฏิกิริยาเคมี, เซลลข์ อง สิง่ มชี วี ติ และอน่ื ๆ 2)สิ่งแวดล้อม (surrounding) คอื บริเวณอื่นทเ่ี ราใชใ้ นการสังเกต การเปลี่ยนแปลงที่เกิดข้นึ ภายในระบบ 6

กฎข้อทหี่ นึง่ ของอณุ หพลศาสตร์ (first Law of Thermodynamics) โดยทว่ั ไประบบสามารถแบง่ ออกได้เปน็ ดงั นี้ 1)ระบบเปดิ (open system) คอื ระบบท่ีสามารถเกิดการถ่ายเทมวลสาร เข้า-ออก จาก ระบบไปสูส่ ิง่ แวดลอ้ มได้ 2)ระบบปดิ (closed system) คอื ระบบท่ีไม่สามารถเกดิ การถา่ ยเทมวลสาร เขา้ -ออก จากระบบไปส่สู ิง่ แวดล้อมได้(แต่อาจเกดิ การถา่ ยเทพลังงานได้) 3)ระบบโดดเดยี่ ว(isolated system) คือ ระบบทีไ่ มส่ ามารถเกิดการถา่ ยเทมวลสารและ พลังงาน เข้า-ออก จากระบบไปส่สู ง่ิ แวดลอ้ มได้ 7

การศึกษาวิชาอณุ หพลศาสตร์ ส่วนใหญ่จะสนใจการ เปล่ยี นแปลงพลงั งานท่ีเกิดขึน้ เม่ือเกิดกระบวนการตา่ งๆ เชน่ การหลอมเหลวของสสาร, การเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมี และอ่นื ๆ สาหรบั กระบวนการทเ่ี กดิ ข้นึ แลว้ มีการให้พลังงานกบั สง่ิ แวดลอ้ ม เรา เรยี กว่ากระบวนการแบบคายความร้อน(exothermic process) ตวั อย่างของกระบวนการเปลีย่ นแปลงแบบนก้ี ็ไดแ้ ก่ การเผาไหม้ ตา่ งๆ ในทางตรงกันขา้ มถ้ากระบวนการท่เี กิดขึน้ แล้วมกี ารรบั พลงั งานจากสิ่งแวดลอ้ ม เราเรยี กวา่ กระบวนการแบบดูดความ รอ้ น(endothermic process) ซงึ่ ไดแ้ ก่ การหลอมเหลว, การระเหย ของสสาร 8

นิยามของกฎขอ้ ท่ีหนึ่งของอุณหพลศาสตร์ กฎขอ้ ท่หี นง่ึ ของอณุ หพลศาสตร์ (First Law ofThermodynamics) หรอื เรยี กว่า กฎอนรุ กั ษ์พลังงาน มีหลักการว่า “พลังงานสามารถเปลี่ยนรูป หรือถูกถ่ายโอนจากท่หี นงึ่ ไปยังอีกทหี่ น่ึงได้ แตไ่ มส่ ามารถสร้างข้ึนใหม่ หรอื ทาลายใหส้ ูญสลาย ไปได”้ ดังน้นั เมือ่ พจิ ารณาการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบกับ ส่งิ แวดล้อมแล้ว จะพบวา่ พลงั งานรวมของระบบกับสงิ่ แวดล้อมจะมี ค่าคงท่ี ตวั อย่างเชน่ ในกระบวนการที่ระบบได้รับพลังงานจาก สงิ่ แวดลอ้ มน้ัน ปริมาณพลังงานทร่ี ะบบไดร้ ับจะเท่ากับปริมาณ พลังงานที่สงิ่ แวดลอ้ มสูญเสีย โดยสามารถเขยี นเป็นสมการแสดงการ ถา่ ยโอนพลังงานของระบบใด ๆ ไดด้ งั นี้ 9 พลังงานทเ่ี ขา้ สูร่ ะบบ – พลังงานท่ีออกจากระบบ = พลังงานรวมใน ระบบทีเ่ ปลี่ยนแปลง

รูป กฎข้อท่ีหนึง่ ของอณุ หพลศาสตร์ ในชวี ติ ประจาวัน 10

กฎข้อทห่ี นึ่งของอุณหพลศาสตร์สาหรบั ระบบปิด (CLOSED SYSTEM) สสารที่มอี ุณหภมู คิ ่าหนงึ่ น้ันหมายความไดว้ ่า สสารนั้นมี พลงั งานความรอ้ นอยใู่ นตัว ซงึ่ มีการกาหนดค่าคุณสมบตั ิ หนง่ึ ขึ้นมาเพ่อื แสดงปริมาณความร้อนทีม่ ีอยูใ่ นสสาร เหลา่ นนั้ คณุ สมบตั ทิ ใี่ ชใ้ นกรณีนเี้ รียก “พลงั งานภายใน (Internal energy,U)” ซึ่งพลังงานภายในต่อมวลของ สสารนน้ั ๆ 1 kg จะเรยี กวา่ “พลงั งานภายในจาเพาะ (Specific internal energy, u)” ในวชิ าอณุ หพลศาสตร์ นั้นพลังงานภายในถือเปน็ คณุ สมบัตขิ องสสารที่สาคญั อย่างหนงึ่ 11

U=mxu โดยท่ี m = มวลของสสาร (kg) 12

เมือ่ พจิ ารณาใหเ้ ป็นระบบปดิ ภายในมีมวล m kg เมื่อใส่ปริมาณความร้อน Q12 จากภายนอกเขา้ ไป พลงั งานภายในของสสารน้ัน ๆ จะเปลีย่ นจาก U1 ไปเปน็ U2 และได้งาน W12 ออกมา จากกฎขอ้ ทห่ี นง่ึ ของอุณหพลศาสตรส์ ามารถเขียนสมการได้ ดังตอ่ ไปน้ี Q12 = U2 – U1 + W12 รูป การเปลี่ยนแปลงสภาวะของสสาร เมอ่ื ได้รับความรอ้ นในระบบปดิ 13

ในการวเิ คราะหจ์ าเปน็ ตอ้ งพจิ ารณาทศิ ทางของการถ่ายเท Q12 และ W12 ซ่ึงกระทา โดยการใส่ เครือ่ งหมาย (บวกหรือลบ) ใหก้ บั คา่ ความร้อน (Q) และงาน (W) ทเ่ี กี่ยวขอ้ งสามารถสรปุ เคร่อื งหมาย ได้ดงั นี้ ทศิ ทาง เคร่อื งหมายแสดงทิศทาง ฉะนั้นสามารถเขยี นสมการพลังงานท่ี เปลีย่ นแปลงในระบบปิดนไี้ ด้ดังน้ี ความร้อนเข้าไปใน เครอ่ื งหมายบวก (+) ∆Q = ∆U + W ระบบ (Q in) เครื่องหมายลบ (-) เม่อื คิดต่อมวลสาร 1 kg จะไดป้ ริมาณความ เคร่ืองหมายบวก (+) ร้อน และงาน โดยใชเ้ ปน็ อกั ษรตวั เล็กคือ ความร้อนออกจาก เคร่ืองหมายลบ (-) q12 = u2 – u1 + w12 ระบบ (Q out) ∆q = ∆u + w มงี านเกดิ ขนึ้ ในระบบ 14 (W out) ใส่งานเขา้ ไปในระบบ (W in)

กฎขอ้ ทีห่ น่งึ ของอุณพลศาสตร์สาหรบั ระบบเปดิ (Open system) ระบบเปิดเปน็ ระบบที่มกี ารเคล่อื นทข่ี องมวลผ่านขอบเขตระบบ สามารถแบ่งกระบวนการเคลอ่ื นทข่ี องมวลได้เปน็ 2 ลักษณะ คอื กระบวนการท่ีมีการไหลแบบคงตวั (Steady-flow process) และ กระบวนการทม่ี กี ารไหลแบบไม่ คงตัว (Unsteady-flow process) ในท่ีน้ีจะพจิ ารณาเฉพาะการไหลแบบคงตัวเทา่ น้นั กระบวนการทีม่ กี ารไหลแบบคงตัว (Steady-flow process) เม่ือนากฎขอ้ ที่หน่ึงของอณุ หพลศาสตรม์ าใชค้ านวณในระบบเปดิ ในระบบเปดิ น้นั มวลสารในระบบมกี าร เปล่ียนแปลง แตถ่ า้ ปรมิ าณมวลสารที่เข้าสูร่ ะบบไมม่ กี ารเปล่ียนแปลงไปกับเวลา เราจะเรยี กวา่ เป็น “การไหลแบบคงตวั ” ระบบท่เี ปน็ การไหลแบบคงตวั นนั้ งานและพลังงานความร้อนในระบบเปิดทพ่ี ิจารณา จะคดิ เป็นตอ่ หน่วยของเวลา โดยปรมิ าณตอ่ หนว่ ยของเวลาจะใชส้ ญั ลักษณ์เปน็ [.] ท่ขี ้างบน รวมไปถงึ พลังงานและงาน ทเ่ี ข้าและท่ีออกด้วย 15

รปู การไหลแบบคงตวั ใน ระบบเปดิ 16

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตรส์ าหรับระบบเปิด (Open system) จากความสัมพันธท์ ก่ี ลา่ วมาทั้งหมดสามารถสร้างเปน็ สมการความสัมพนั ธ์ได้ดงั นี้ โดยที่ w = เป็นความเรว็ ทไี่ หลเขา้ หรือไหลออก (m/s) m´ = อัตราการไหลเชงิ มวลของสสาร [kg/s] อตั ราการไหลเชิงปรมิ าตรของสสารทีไ่ หลเข้าหรอื ไหล V´ = ออก (m3/s) P = ความดันที่ไหลเข้าหรือไหลออก (Pa) อุณหภมู สิ ดุ ท้ายของวัตถเุ มอื่ มกี ารถ่ายเทความรอ้ น 17 T2 = [K],[oC]

ถา้ จัดเทอมของค่าคุณสมบตั สิ าหรับทางเข้าไวท้ างซา้ ยมอื และจดั เทอมของคา่ คุณสมบัตสิ าหรบั ทางออกไว้ที่ทางขวามือ จะสามารถสร้างสมการได้ดังตอ่ ไปน้ี 18

เอนทลั ปี (Enthalpy) จากสมการการเปลี่ยนแปลงพลงั งานในระบบเปิดจะสงั เกตวา่ u + Pv เป็นค่าคณุ สมบัติ ท่เี กิดใน ระบบของการไหล ซึง่ จะเรียกคา่ คณุ สมบตั นิ น้ั ว่า “เอนทลั ปี (Enthalpy)” ค่าเอนทัลปตี อ่ มวล 1 [kg] จะเรยี กว่าคา่ “เอนทลั ปีจาเพาะ” ใชส้ ัญลักษณเ์ ปน็ h ดงั สมการ h = u + Pv และเมอื่ ใช้คา่ เอนทัลปีแทนเข้าไปในสมการในระบบเปิด จะได้สมการใหม่เป็น สมการทก่ี ล่าวมาน้นี ้เี ป็นการแสดงการ ใชก้ ฎขอ้ ทห่ี นงึ่ ของอุณหพลศาสตรท์ ีค่ ลอบคลุมไปถงึ ระบบเปดิ 19 และเรียกสมการน้ีว่า “สมการพลงั งาน (Energy equation)”

อ้างอิง cimath.org/article-physics/item/9593-2018-12-13- 07-52- 43?fbclid=IwAR0BYkMfXsDgMOuyy_FUpMsQKDEkH3g PcV2uHH4sfovAGakyLWgk2Ov3mew https://ienergyguru.com/2015/09/first-law-of- thermodynamics/?fbclid=IwAR3cTQLUOdJGz__YWOMn htPPYTbM_wW00J1eL3cn75ZlnRKADcNuM_328SU 20