บทที่ 6 อุณหภูมิและความร้อน

ความร้อน ความร้อนถูกนิยามว่า เป็นพลังงานที่ไหลหรือถ่ายเทจากที่ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ไปยัง ที่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ดังนั้น ความร้อนจะเกิดขึ้นได้ เมื่อมีการไหลของพลังงาน เท่านั้น เราจึงไม่อาจบอกว่า วัตถุกักเก็บความร้อน แต่เราจะใช้คำว่า พลังงาน ภายใน (Internal Energy) แทน ซึ่งพลังงานภายใน นี่เองที่สามารถเปลี่ยนเป็น ความร้อนได้ บางครั้งเราจึงเรียกพลังงานภายในนี้เองว่า พลังงานความร้อน (Thermal Energy)

พลังงานความร้อน (Thermal Energy) พลังงานภายใน หรือ พลังงานความร้อน เกิดขึ้นจากพลังงานจลน์อันเนื่องมาจากการ เคลื่อนที่ของอะตอม/โมเลกุล อันเป็นองค์ประกอบ ของวัตถุ บวกกับพลังงานศักย์ซึ่ง เกิดขึ้นจากแรงกระทำระหว่างอะตอม/โมเลกุล (Molecular Interactions) ซึ่งอันที่ จริงนั้น วิชาเทอร์โมไดนามิกส์แบบดั้งเดิมก็มิได้สนใจความเป็นไปในระดับอะตอมแต่อย่าง ใด กฎต่างๆ ของเทอร์โมไดนามิกส์ได้ถูกพิสูจน์ถึงความถูกต้อง ก่อนที่มนุษย์จะพัฒนา ทฤษฎีอะตอมขึ้นมาเสียอีก สมมิตว่าเรากำลังสนใจพลังงานความร้อนของวัตถุที่เป็นก๊าซ และ เราก็มีความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมเสียด้วย (ซึ่งเทอร์โมไดนามิกส์แบบดั้งเดิมไม่ได้ ใส่ใจเรื่องนี้เลย) พลังงานความร้อนนี้เป็นผลมาจาก อะตอมของก๊าซเคลื่อนที่ไปมา ถ้าก๊าซ เป็นก๊าซอะตอมเดี่ยว (monatomic gases) เช่น ก๊าซเฉื่อยทั้งหลาย อย่างเช่น ฮีเลียม หรือ นีออน พลังงานจลน์นั้นมาจากการเคลื่อนที่เชิงเส้น (translational motion) ของอะตอม แต่ถ้าก๊าซเป็นก๊าซอะตอมคู่ หรือ อาจมี จำนวนอะตอมมากกว่าสองขึ้นไป พลังงานความร้อนนั้นมาจากพลังงานจลน์อันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่เชิงเส้น (translational motion) บวกกับ การหมุน (rotational motion) และ การสั่น (vibrational motion) และ ยังรวมถึง พลังงานศักย์อันเกิดจากแรงดึงดูดระหว่าง โมเลกุลอีกด้วย

หน่วยของความร้อน เนื่องจาก ความร้อน และ พลังงานความร้อน เป็นรูปหนึ่งของพลังงาน มันจึงมี หน่วยเดียวกับ พลังงาน ซึ่งตามระบบ SI ก็จะมีหน่วยเป็น จูล นั่นเอง จะว่าไปแล้ว หน่วย จูล นั้นกลับไม่ค่อยจะ มีใครใช้ เนื่องจาก จูล ถูกนิยามจากกลศาสตร์ ดังที่ได้ กล่าวไปแล้ว 1 จูล มีค่าเท่ากับ 1 นิวตันเมตร นั่นคือ การออกแรงกับวัตถุเป็นแรง ขนาด 1 นิวตันเป็นระยะทาง 1 เมตร หน่วยที่ได้รับความนิยมมากกว่าในเรื่องของ การวัดปริมาณของพลังงานความร้อน ก็คือ คาลอรี (calorie) ตัวย่อว่า cal ซึ่ง นิยามว่าเป็นปริมาณความร้อนที่ทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส หน่วยคาลอรี มัก ถูกใช้กับการพูดถึงโภชนาการ ว่าให้คาลอรีสูงหรือต่ำ ซึ่ง ความหมายในทางโภชนาการนั้น หน่วยคาลอรี (1 Cal) สังเกตว่า ตัว C เป็น ตัวพิมพ์ใหญ่ มีค่าเท่ากับ 1000 cal 1 Cal = 1000 cal = 1 kcal

อุณหภูมิ อุณหภูมิ เป็นปริมาณที่ใช้บ่งบอกว่าวัตถุหรือสสารนั้ยร้อนหรือหนาว ขึ้นอยู่กับพลังงานภายในของสสารนั้น

สเกลอุณหภูมิ

ความสัมพันธ์ของอุณหภูมิ

ระบบ

ประเภทของระบบ ระบบอิสระ (isolated systems) คือ ระบบที่ปิดกั้นตัวเองจากสิ่งแวดล้อมโดย สมบูรณ์ มวลหรือพลังงานภายนอกไม่สามารถเข้ามาในระบบได้ ระบบปิด (closed systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้พลังงานถ่ายเทผ่านเข้าหรือ ออกระบบได้ แต่ไม่อนุญาตให้มวลเข้ามาในระบบ (มวลโดยรวมของระบบคงที่ ตลอดเวลา) ในการวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ เรานิยามพลังงานที่ เข้าออกจากระบบให้มีสองประเภทคือ พลังงานความร้อน (พลังงานที่เกิดจากความ แตกต่างระหว่างอุณหภูมิของระบบกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม) และ พลังงานอื่น (เช่น พลังงานที่เกิดจากงานทางกลศาสตร์) ระบบเปิด (open systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้ทั้งมวลและพลังงานเข้าออก จากระบบได้ หนังสือบางเล่มกำหนดว่าระบบเปิดจะต้องนิยามให้ปริมาตรคงที่ (fixed volume)

กฏของอุณหพลศาสตร์ กฏข้อที่ศูนย์ กล่าวถึงภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ โดยอธิบายได้ดังนี้ ถ้าระบบ A และ B อยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และระบบ B และ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์แล้ว ระบบ A และ C จะอยู่ในภาวะ สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ด้วยเช่นกัน นั่นคือภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์มีคุณสมบัติถ่ายทอด (transitive) ได้นั่นเอง

กฏข้อที่ 1 กล่าวถึงกฎทรงพลังงาน โดยอธิบายได้ดังนี้ พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการอะเดียแบติก (กระบวนการที่ ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อ ระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและ สถานะสุดท้ายเท่านั้น นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติความไม่แปรผัน (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. เรา สามารถแสดงได้ว่ากฎข้อนี้เขียนแทนได้ด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ โดย E หมายถึงพลังงานของระบบ, Q หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ W หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

กฏข้อที่ 2 กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีหรือพลังงานเสียในระบบอิสระ โดยอธิบายได้ หลายแบบดังนี้ ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 % (เคลวิน-พลังค์) ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณภูมิสูง กว่าได้ โดยธรรมชาติ (เคลาซิอุส) เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใด ๆ (ทั่วไป) นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็นฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของ เวลา. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีใน การระบุทิศทางของเวลาได้

กฏข้อที่ 3 กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้ เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะ ลู่เข้าค่าคงที่

การถ่ายเทความร้อน 1. การนำความร้อน (conduction) หมายถึงการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นตกคร่อมระหว่างตัวสื่อกลาง 2. การพาความร้อน (convection) หมายถึงการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นตกคร่อมระหว่างพื้นผิวและของไหลที่ เคลื่อนที่ผ่านพื้นที่ผิว และมีอุณหภูมิที่แตกต่างกัน 3. การแผ่รังสีความร้อน (radiation) ทุกๆ พื้นผิวมีอุณหภูมิอยู่ค่าๆ หนึ่งจะมีการส่งพลังงานออกมาในรูปของคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้า และโดยที่ไม่ต้องมีสื่อกลางใดๆ จะมีการส่งผ่านความร้อนระหว่างสองพื้นที่ผิวที่มีอุณหภูมิแตกต่างกัน

การบ้าน 1. การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบทางอุณหพลศาสตร์ กระบวนการแอเดียแบติก (Adiabatic Process) กระบวนการไอโซคอริก (Isochoric Process) กระบวนการไอโซบาลิกก (Isobaric Process) กระบวนการไอโซเทอร์มอล (Isothermal Process) 2 . สมการการถ่ายเทความร้อนทั้งสามแบบ