web site เพื่อการเรียนการสอนรายวิชาเทอร์โมไดนามิกส

บทที่1.

คำนิยามและแนวคิดทางอุณหพลศาสตร์

 

Concepts and Definitions
คำนิยามและแนวคิดทางอุณหพลศาสตร์

Scope and meaning of thermodynamics (ขอบเขตและความหมายของอุณหพลศาสตร)์
Thermodynamic system and thermodynamic states (ระบบเทอร์โมไดนามิกส์และสภาวะเทอร์โมไดนามิกส์)
Mass and weight (มวลและน้ำหนัก)
Specific volume (ปริมาตรจำเพาะ)
Pressure (ความดัน)
Equilibrium (สภาพของอุณหภูมิ)
The zero law of thermodynamics (กฏข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์)
Temperature of scales (อุณหภูมิสเกล)
Exercises (คำถามท้ายบท)


Scope and meaning of thermodynamics (ขอบเขตและความหมายของอุณหพลศาสตร์)
สำหรับวิศวกร อุณหพลศาสตร์ คือ สาขาวิชาที่พัฒนากลไกการเปลี่ยนแปลง “ความร้อน” (heat) ที่ได้จากการสันดาปเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานกลที่ทำงานที่เป็นประโยชน์ให้แก่มนุษย์ หรือโดยนัยกลับกัน ศึกษากลไกการสกัดความร้อนเพื่อทำบริเวณอุณหภูมิต่ำสำหรับรักษาอาหารหรือปรับอุณหภูมิเพื่อความสบายของมนุษย์ สำหรับนักวิทยาศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ยังหมายถึง การขยายขอบเขตการศึกษาธรรมชาติ ให้กว้างขวางขึ้นไปเรื่อยๆ ทั้งนี้มิได้มุ่งหนักไปในทางให้นักวิทยาศาสตร์มีความรู้มากขึ้น แต่หากจะมุ่งไปทางที่จะเพิ่มหรือพัฒนาความสามารถของนักวิทยาศาสตร์ที่จะเรียนรู้ให้ได้มากขึ้นเรื่อยๆ
ความรู้และความเข้าใจที่ว่าความร้อนเป็นพลังงานที่ถ่ายโอนเปลี่ยนเป็นพลังงานกลที่ทำงาน ที่เป็นประโยชน์ให้แก่เราได้เพิ่งเกิดเมื่อไม่นานมานี้เอง คือประมาณเกือบ 200 ปีที่ผ่านมา ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์ยังเข้าใจ(กันผิดๆ)ว่าความร้อนเป็นของไหลชนิดหนึ่งที่มีปริมาณคงตัว และเมื่อของไหลความร้อนเข้าไปอยู่ในวัตถุใด วัตถุนั้นก็จะร้อนหรือมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนกระทั่งในปี 1824 วิศวกรชาวฝรั่งเศส ชื่อ Nicholas Leonard Sadi Carnot (1796-1832) ใช้หลักการที่ว่าความร้อนเป็นของไหลชนิดหนึ่งที่มีปริมาณคงตัว เปลี่ยนรูปได้ แต่สร้างขึ้นมาเองไม่ได้ และเป็นปัจจัยที่ทำให้เครื่องยนต์ความร้อนให้ พลังงานกลและนอกจากนั้นคาร์โนยังได้คำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ข้อสรุปของคาร์โน ที่เรียกว่า ทฤษฎีบทของคาร์โน ก็คือหัวใจของกฏเทอร์โมไดนามิกส์ ข้อที่สอง ในปี 1842 คือ 18 ปีหลังจากคาร์โนเสนอเครื่องยนต์ความร้อนและหลักการที่ ว่าความร้อนเป็นของไหล R.J. Mayer ได้เสนอความคิดใหม่ที่ว่าความร้อนเป็นพลังงาน ชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้ และได้คำนวณอัตราการแลกเปลี่ยนพลังงาน ความร้อนเป็นพลังงานกลอย่างคร่าวๆ ที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า The Equivalence of Heat and Mechanical Energy หลักการที่ว่าพลังงานความร้อน พลังงานกลและ พลังงานภายในของระบบมีค่าคงตัว เป็นหัวใจของกฏเทอร์โมไดนามิกส์ข้อที่หนึ่ง
ในปัจจุบันนี้เราทราบกันดีแล้วว่าฐานความคิดที่จะช่วยให้เราเข้าใจในการแลกเปลี่ยน หรือถ่ายโอนระหว่างความร้อนและพลังงานกลนั้นคือทฤษฎีจลน์ ทฤษฎีจลน์แปล ปรากฏการณ์ความร้อนทั้งหมดออกเป็นการสั่นสะเทือนและการเคลื่อนที่อย่างไม่เป็น ระเบียบของอะตอมและโมเลกุล ถ้าเรามองปรากฏการณ์ในแง่นี้ เทอร์โมไดนามิกส์ก็คือ สาขาวิชาหนึ่งของวิชากลศาสตร์ระบบอนุภาค ระบบอนุภาคประกอบด้วยอนุภาคเป็น จำนวนมากและสภาวะของอนุภาคแต่ละตัวจะไม่มีความหมาย หรือจะไม่ช่วยให้เรา เข้าใจปรากฏการณ์ของสิ่งที่ต้องการศึกษา แต่สมบัติเฉลี่ยของบรรดาอนุภาคเหล่านี้เท่านั้นที่มีความหมายและมีประโยชน์ การศึกษาปรากฏการณ์ของระบบอนุภาคตามแนวนี้เรียก กลศาสตร์สถิติหรือ Statistical Mechanics ผู้บุกเบิกสาขาวิชานี้ได้แก่ Maxwell, Boltzmann และ Gibbs ส่วนการศึกษาตามแนวของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นค่อนข้าง จะแตกต่างไปจากแนวของกลศาสตร์สถิติ สาขาวิชาเทอร์โมไดนามิกส์เริ่มต้นจากกฏซึ่ง ได้จากการสรุปผลการทดลอง ทั้งนี้โดยไม่คำนึงถึงกลไกทางกลศาสตร์ของปรากฏการณ์ ข้อได้เปรียบของการศึกษาตามแนวของเทอร์โมไดนามิกส์คือการไม่ใช้สมมติฐานหลาย อย่างที่กลศาสตร์สถิติใช้ แต่จะให้ผลการที่ค่อนข้างจะแม่นยำหรือกระชับกว่า

 

Thermodynamic systems and thermodynamic States (ระบบเทอร์โมไดนามิกส์และสภาวะเทอร์โมไดนามิกส์)
ในการศึกษาตามแนววิชาเทอร์โมไดนามิกส์ เราระบุสภาวะหรือรายละเอียดหรือสมบัติของเทอร์โมไดนามิกส์ที่มีปริมาตรมาก (จนปรากฏพื้นที่ผิว ไม่มีผล เมื่อเทียบกับปรากฏการณ์ของปริมาตร) ด้วยต้วแปรสภาวะ (state variebles) อันเป็นตัวแปรที่เราวัดได้ ได้แก่ อุณหภูมิ T, ปริมาตร V และความดัน P เราวัดอุณหภูมิของระบบด้วยเทอร์โมมิเตอร์ วัดปริมาตรได้โดยการคำนวณจากรูปทรงเลขาคณิต และวัดความดันด้วย pressure guage (เกจความดัน)

 

Mass and weight (มวลและน้ำหนัก)
มวล หมายถึง คุณสมบัติใช้ต้านการเปลี่ยนสภาพการเคลื่อนที่ของวัตถุ หรือความเฉื่อย มวลเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัม kg
แรง จากกฎการเคลี่อนที่ของนิวตันกล่าวว่า “เมื่อมีแรงลัพธ์ที่มีขนาดไม่เป็นศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุเกิดความเร่งในทิศเดียวกับแรงลัพธ์ที่มากระทำ และขนาดของความเร่งนี้จะแปรผันตรงกับขนาดของแรงลัพธ์และแปรผกผันกับมวลของวัตถุนั้น”

ในหน่วย SI พบว่า k = 1 ดังนั้น

แรง 1 นิวตัน หมายถึง แรงที่ทำให้วัตถุซึ่งมีมวล 1 kg เคลื่อนที่ไปด้วยความเร่ง 1 m/s2 นั่นคือ
1 N = 1 kg.m/s2
น้ำหนัก หมายถึงวัตถุหนึ่งๆ ขณะอยู่บนพื้นโลก ซึ่งเป็นแรงที่โลกดึงดูดวัตถุนั้น ใช้สัญลักษณ์และมีหน่วยเช่นเดียวกับแรง
คือ ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงเฉพาะที่ สำหรับความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงมาตรฐาน 0 มีค่าเท่ากับ 9.80665 m/s2

 

Specific volume (ปริมาตรจำเพาะ)
ปริมาตรจำเพาะ หมายถึง ปริมาตรทั้งหมดต่อหนึ่งหน่วยมวล ซึ่งเป็นคุณสมบัติไม่ขึ้นกับปริมาณ ใช้สัญลักษณ์และมีหน่วยเป็น m3/kg ส่วนกลับของปริมาตรจำเพาะก็คือ ความหนาแน่น r ในหน่วย kg/m3
ในปริมาตรขนาดของระบบหนึ่ง มีมวลเป็นดังนั้นปริมาตรจำเพาะ คือ

ปริมาตรเล็กที่สุด ซึ่งยังสามารถพิจารณาให้อยู่ในสภาวะต่อเนื่องได้
ในหน่วย SI นั้นกำหนดหน่วยของปริมาตรจำเพาะเป็น m3/kg และหน่วยของปริมาตรจำเพาะโดยโมลเป็น mol/kmol3 สำหรับหน่วยของปริมาตรจะใช้เป็น m3 แต่ยังมีหน่วยของปริมาตรที่ตั้งขึ้นเป็นพิเศษและนิยมใช้กันอยู่คือ ลิตร และใช้สัญลักษณ์ L ซึ่ง 1 L = 10-3 m3

 

Pressure (ความดัน)
ความดันของของไหลสถิตที่ตำแหน่งต่างๆ นั้นมีค่าเท่ากันทุกทิศทุกทาง และกำหนดให้ความดันคือ แรงในแนวตั้งฉากต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ นั่นคือ

ในที่นี้เป็นแรงในแนวตั้งฉากกับพื้นที่ขนาดเล็กและ คือพื้นที่เล็กที่สุดที่ยังสามารถพิจารณาให้ของไหลนั้นอยู่ในสภาวะต่อเนื่องได้
ในที่นี้ SI นั้นกำหนดให้ความดันมีหน่วยเป็น Pa (พาสคาล) โดยที่ 1 Pa = 1 N/m2 หน่วยความดันอื่นอีก 2 หน่วย ที่ไม่ใช่หน่วย SI แต่ยังนิยมใช้กันอยู่คือ บาร์ (bar) และบรรยากาศ (atm) โดยที่
1 bat = 105 Pa = 0.1 MPa= 100 kPa
1 atm = 1.01325 ? 105 Pa = 101.032 kPa = 1.01325 bar

Equilibrium (สภาพของอุณหภูมิ)
เมื่อวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงสัมผัสกับวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ ความร้อนจะถ่ายเทจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ กระทั้งมีอุณหภูมิเดียวกันความร้อนจึงหยุดถ่ายเท วัตถุทั้งสองอยู่ในสมดุลทางความร้อน นั่นคือ วัตถุทั้งสองมีสมภาพของอุณหภูมิต่อกัน

 

The zero law of thermodynamics (กฏข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์)
กฏข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่า “เมื่อวัตถุทั้งสองมีความสมภาพของอุณหภูมิกับวัตถุอันที่สาม วัตถุทั้งสองนั้นจะมีสมภาพของอุณหภูมิต่อกัน” กฎข้อที่ศูนย์นี้ไม่ได้พิสูจน์มาจากกฎอื่นๆ แต่ได้มาจากการทดลอง กฎข้อที่ศูนย์นี้สามารถพัฒนาไปสู่กฎข้อที่หนึ่งและกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ต่อไป

 

Temperature of scales (อุณหภูมิสเกล)
สำหรับสเกลอุณหภูมิสัมบูรณ์ในระบบ SI คือ สเกลเคลวิน (K) สเกลเคลวินสัมพัทธ์กับสเกลเซลเซียส คือ

T(K) = T(?C) + 273.15
ในระบบอังกฤษ สเกลอุณหภูมิสัมบูรณ์คือสเกลแรงคิน (R) โดยที่

T(R) = T(?F) + 459.67

 

Exercises (คำถามท้ายบท)
(a) ลูกสูบมีพื้นที่หน้าตัด 500 mm2 ขณะนั้นความดันของก๊าซภายในกระบอกสูบเท่ากับ 500 kPa ความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วงมาตรฐาน=9.80665 m/s2 จงคำนวณหามวลของลูกสูบนั้น

 

(b) มานอมิเตอร์บรรจุปรอทวัดความดันสูญญากาศ ปรากฏว่าอ่านความสูงแตกต่างได้ L=700 mm และอ่านความดันบรรยากาศจากบารอมิเตอร์ได้เท่ากับ 97 kPa จงหาความดันของของไหลในภาชนะดังกล่าว

 

(c) กระบอกสูบตั้งอยู่ในแนวดิ่งและบรรจุก๊าซอาร์กอน ก๊าซอาร์กอนถูกอัดตัวด้วยลูกสูบด้วยซึ่งมีมวลเท่ากับ 40 kg และพื้นที่หน้าตัดเท่ากับ 0.025 m2 กำหนดให้ความดันบรรยากาศเท่ากับ 95 kPa และความเร่งเนื่องจากความโน้มถ่วง= 9.79 m/s2 จงหาความดันของก๊าซอาร์กอนภายในกระบอกสูบนั้น

 

     

พัฒนาโดย นางสาวกรณิการ์ ฟักแก้ว เสนออาจารย์ภาสกร เรืองรอง รายวิชา เทคโนโลยีและสื่อสารการศึกษา 355201
สงวนลิขสิทธิ์ โดยคณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร พ.ศ.2547

[ กลับสู่หน้าหลัก ]