สรุปคอนเซ็ปท์เทอร์โม

• กฏข้อที่ 1ทางอุณหพลศาสตร์ (เทอร์โมไดนามิกส์)   ข้อความเกี่ยงกับการคงตัวของพล้งงาน เขียนเป็นสมการได้คือ

                                          AU  =  Q + W

            เมื่อAU คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบ Q คือความร้อนที่ไหลเข้าไปในระบบ  และ W               คืองานที่ทำต่อระบบ

• ความดัน (P), อุณหภูมิ (T), ปริมาตร (V), จำนวนโมล (mole) และเอนโทรปี๊ คือตัวแปรสถานะใช้อธิบายสถานะของระบบที่ขณะหนึ่งของเวลา แต่ไม่ใช่การที่ระบบจะไปถึงสถานะนั้นได้อย่างไร  ความร้อน และงานไม่ใช่ตัวแปรสถานะ แต่ใช้ในการอธิบายว่าระบบจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้อย่างไร

• งานที่ทำต่อระบบเมื่อความดันคงที่  หรือเมื่อปริมาตรเปลี่ยนแปลงไปน้อยมากพอที่การเปลี่ยนความดันน้อยมากไม่มีนัยสำคัญ เขียนได้ว่่า 

                                                                             W = - PAV

          ขนาดของงานที่ทำต่อระบบหาได้จากพื้นที่ใต้กราฟ PV

• การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของไอเดียลแกสหาได้เฉพาะจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ      ดังนั้น  
                               AU = 0  (ไอเดียลแกส กระบวนการความร้อนคงที่ )

• กระบวนการที่ไม่มีความร้อนผ่านเข้าออก ระบบ เรียกว่ากระบวนการอะเดียเบติก

• ความร้อนจำเพาะโมลาร์ของไอเดียลแกส ที่ความดัน และที่ปริมาตรคงที่ สัมพันธ์กันตามสมการ

                                   Cp  = Cv  + R

          เมื่อ Cp คือความร้อนจำเพาะ เมื่อความดันคงที่  Cv คือความร้อนจำเพราะเมื่อปริมาตรคงที่

          R คือค่าคงที่ของแกส

• การไหลของความร้อนจากวัตถุที่ร้อนไปยังวัตถุที่เย็นกว่ามักจะย้อนกลับไม่ได้

               

• สำหรับ 1 ไซเคิลของเครื่องจักรความร้อน   ปั้มความร้อน หรือ ตู้เย็น  ตากหลักการคงตัวของพลังงานแล้ว   

                                 Qnet  = QH - Qc  = Wnet

        

           เมื่อกำหนดให้ QH , Qc  และ   Wnet  มีค่าเป็นปริมาณบวก

                           

• ประสิทธิภาพของเครื่องจัก กำหนดได้ตามสมการ

                                                    e  =  Wnet/ QH

• ประสิทธิภาพการปฏิบัติของปั้มความร้อน คือ 

                                  Kp  = ความร้อนที่ถ่านเทเคลื่อนย้ายได้ /  งานลัพธ์ที่ให้      =  QH/Wnet

• ประสิทธิภาพการปฏิบัติงานของตู้เย็นหรือเครื่องปรับอากาศคือ

                                 Kr  =  ความร้อนที่เอาออกไป / งานลัพธ์ที่ให้   =  Qc / Wnet

• รีเซอร์วัว (reservoir) คือระบบหนึ่งที่มีความจุความร้อนสูงมากที่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อน ไม่ว่าในทิศทางใดที่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนไปน้อยมาก

• กฏข้อที่ 2 ทางเทอร์โมไดนามิกส์สามารถที่จะกล่าวได้หลายอย่าง ดังเช่น 1) ความร้อนตามธรรมชาติไม่เคยไหลจากวัตถุที่เย็นกว่าไปสู่วัตถุที่ร้อนกว่า 2) เอนโทรปี๊ของจักรวาลไม่เคยลดลงเลย

• ประสิทธิภาพของเครื่องจักรที่ย้อนกลับได้หากได้จาก อุณหภูมสมบูรณ์ ของรีเซอร์วัวที่ร้อน และรีเซอร์วัวที่เย็น

                                                er   = 1 - Tc/TH

• ถ้าจำนวนความร้อน Q ไหลเข้าสู่ระบบที่อุณหภูมสัมบูรณ์คงที่ T เอนโทรปี๊ที่เปลี่ยนแปลงคือ

                                            AS  =  Q/T

• กฏข้อที่ 3 ทางเทอร์โมไดนามิก กล่าวว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้ระบบเย็นลงเข้าสู่ศูนย์องศาสมบูรณ์

เครื่องจักรความร้อน แบบเป็นวงจร

เครื่องยนต์สันดาปภายใน
     เชื่อเพลิงที่ใช้คือน้ำมัน เผาไหม้ภายในกระบวกสูบ ผลก็คืออากาศร้อนขยายตัวดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ไปทำงานขับเคลื่อน  ส่วนเครื่องจักรไอน้ำก็เป็นเครื่องจักรความร้อนเช่นกันที่จัดสันดาปภายนอก  เช่นเผาถ่านให้ความร้อนไปต้มน้ำเกิดไอน้ำ ถือว่าสารในการทำงาน เช่นเครื่องจักขับเคลื่อนกังหัน (Turbine)

เครื่องจักรหรือเครื่่องยนต์ของรถยนต์ ทำงานเป็นวงจรของกระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกส์  พลังงานที่ได้จากการเผาน้ำมัน  เพียงประมาณ 20-25% เท่านั้นที่เปลี่ยนไปเป็นงานไปขับเคลื่อนรถและระบบอื่นๆทำงาน ส่วนที่เหลือปล่อยออกไปหรือนำความร้อนออกจากเครื่องจักร ในรูปของความร้อนไอเสีย โดยไม่มีประโยชน์กลับต้องใช้ของเหลวในการระบายความร้อน

   ประสิทธิภาพเครื่องจักร   =  e  =  งานลัพท์ที่ทำโดยเครื่องจักร/ความร้อนนำเข้า  = Wnet/Qin

กฏข้อที่สองทางเทอร์โมไดนามิกส์

ตามกฏข้อที่ 2 ทางเทอร์โมไดนามิกส์จำนวนรวมทั้งหมดของความไร้ระเบียบของจักรวาลไม่เคยลดลง  กระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้เพิ่มความไร้ระเบียบให้กับจักรวาล  กฏข้อที่ 2 ฯ นี้อยู่บนฐานของสถิติของระบบด้วจำนวนอะตอมหรือโมเลกุลระดับจำนวนมาก และ คำกล่าวกฏข้อที่ 2 ที่เท่าเทียมกันคือ

ความร้อนไม่เคยไหลเองตามธรรมชาติจากวัตถุที่เย็นกว่าไปยังวัตถุที่ร้อนกว่า

    

โมเลกุลแกส และ ไอเดียลแกส

งานที่ทำต่อระบบเป็นวงจรปิด

รูป (a) และ (b) มีเส้นทางต่างกัน แต่มีจุดเริ่มต้นและจุดปลายเดียวกัน ส่วน รูป (c) เป็นวงลูปครบวงจร โดยงานลัพธ์ที่ทำต่อแกสระหว่างที่วงจรนี้เป็นลบของพื้นที่ภายในสี่เหลือบผืนผ้า เพราะว่างานทำเป็นลบระหว่างการขยายจาก 1 ---> 2  มีขนาดมากกว่างานที่เป็นบวกที่ทำระหว่างการอัดจาก 3--->4

กระบวนการที่ ความดันคงที่ ก(Constant Pressure Process)
     กระบวนการซึ่งสถานะของระบบเปลี่ยนแปลงขณะที่จัดให้ความดันคงที่เรียกว่ากระบวนการไอโซบาริก(isobaric process) ตามรูป (a) ข้างบนการเปลี่ยนสถานะแรกสุดจาก Vi ไป Vf ตามเส้น 1---> 2เกิดขึ้นเมื่อความดัน Pi คงที่  กระบวนการที่ความดันคงที่ปรากฏเป็นเส้นในแนวระดับ ตามไดอะแกรม PV งานที่ทำต่อแกสคือ   W =-Pi(Vf - Vi) = -PiAV

ไดอะแกรม PV

การเปลี่ยนสถานะของระบบไปเป็นอีกสถานะและเข้าสู่การสมดุล  โดยมีตัวแปรสถานะ เป็นความดัน P และ ปริมาตร V  เมื่อพล็อตกราฟระหว่าง P กับ V ก้จะเรียกว่าไดอะแกรม PV ดังรูป

ตามรูป a แสดงการขยายตัวของแกส เริ่มจากปริมาตร Vi และความดับ Pi   รูป b แสดงไดอะแกรม PV ของกระบวนการ
ตามรูปแรงที่ลูกสูบกระทำต่อแกสมีทิศทางลง ขณะที่ระยะขจัด d  มีทิศขึ้น  ดังนั้นลูกสูบทำงานลบต่อแกส    งานที่ทำแสดงถึงการส่งผ่านพลังงานจากแกสไปยังสิ่งแวดล้อม (กล่าวได้เหมือนกันว่าแกสทำงานบวกต่อลุกสูบ)  ลูกสูบผลักดันต่อแกสด้วยขนาดของแรง F = PA  เมื่อ P เป็นความดันของแกส และ A คือพื้นที่ภาคตัดขวางของลูกสูบ  แรงไม่คงที่เนื่องจากความดันลดลงขณะที่แกสขยายตัว  จากนี้จะแสดงให้เห็นว่างานที่ทำโดยตัวแปรแรงคือพื้นที่ใต้กราของแรง Fx(x)

เพื่อดูว่างานสัมพันธ์กับพื้นที่ใต้เคิร์ฟ  พิสูจน์ได้ว่า PV มีมิติหรือเป็นหน่วยของงานหรือพลังงานดังนี้

       

     เมื่อคิดให้ลูกสูบเคลื่อนออกที่ละน้อยๆ d น้อยมากที่ทำให้คิดได้ว่าความดันไม่ได้เปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญ  งานที่ทำต่อแกสจะเป็น

                                       W = Fdcos180 = -PAd = -pAV 

ดังนั้นงานที่ทำต่อแกสคือ 

                                        W = -PAV

กระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกส์คืออะไร

หมายถึงการเปลี่ยนสถานะของระบบจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่ง อธิบายได้ด้วยตัวแปรสถานะอันได้แก่ ความดัน อุณหภูมิ ปริมาตร จำนวนโมล และพลังงานภายใน

     -ตัวแปรสถานะอธิบายสถานะของระบบ ที่ขณะเวลาหนึ่ง ไม่ใช่ว่าระบบเข้าสู่สถานะนั้นอย่างไร

     -ความร้อนและงานไม่ใช่ตัวแปรสถานะ  แต่อธิบายได้ว่าระบบเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งได้อย่างไร