1st Law of Thermodynamics

งานนำเสนอเรื่อง: "1st Law of Thermodynamics"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 1st Law of Thermodynamics
Conservation of energy (กฎอนุรักษ์พลังงาน): พลังงานสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายไม่ได้ แต่สามารถถ่ายเทหรือเปลี่ยนรูปได้ U=change of Internal energy (การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน) q=Heat (ความร้อนที่ระบบดูดกลืน) w=work (งานที่สิ่งแวดล้อมทำให้กับระบบ) System heat work

2 U = q + w Usystem = -USurrounding
UUniverse = Usystem + USurrounding = 0 Usystem = -USurrounding

3 พลังงานภายใน (Internal energy, U)
คือ ผลรวมของพลังงานจลน์ อันเนื่องมาจากการ เคลื่อนที่, การสั่น, การหมุนของโมเลกุล การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน และรวมถึงพลังงานศักย์อันเนื่องมาจากแรงกระทำ ระหว่างโมเลกุลและอนุภาคต่าง ๆ ในโมเลกุล

4 Internal Energy of Ideal Gas
แต่ละอนุภาคไม่มี interaction กัน อนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่ม ความเร็วของอนุภาคขึ้นกับอุณหภูมิ มีพลังงานจลน์ ไม่มีพลังงานศักย์ พลังงานภายในขึ้นกับอุณหภูมิ

5 Heat and Work CaCO3 CaO CO2 Heat Melting Ice Heat การถ่ายเทพลังงานที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่แบบไม่เป็นระเบียบของระบบ Work การถ่ายเทพลังงานที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ที่เป็นระเบียบของระบบ

6 Heat ความร้อนคือการถ่ายเทพลังงานจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังอุณหภูมิต่ำ 0th law of thermodynamics: TA=TB, TB=TC TA=TC

7 ฟังก์ชันสภาวะ หรือ ตัวแปรสภาวะ
คือ ปริมาณต่าง ๆ ที่บ่งบอกสภาวะ (State function, State variable) ไม่ขึ้นกับวิธีการเปลี่ยนแปลงของระบบ แต่จะขึ้นกับสภาวะ ตั้งต้น (initaial State) และสภาวะสุดท้าย (final State) เท่านั้น

8 W (งาน) , q (ความร้อน) ไม่เป็น ฟังก์ชันสภาวะ
(State Function) W (งาน) , q (ความร้อน) ไม่เป็น ฟังก์ชันสภาวะ U (พลังงานภายใน) เป็น ฟังก์ชันสภาวะ

9 V1, P1 V1, P1 P1 P2 V2, P2 V2, P2 V1 V2 V1 V2

10 Heat Capacity Heat capacity (ความจุความร้อน) internal energy ที่ต้องใช้ในการทำให้สารมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น Temperature Internal energy

11 Heat Capacity Heat capacity (ความจุความร้อน) ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สารมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 Kelvin ปริมาตรคงที่ ความดันคงที่ Specific heat capacity (ความจุความร้อนจำเพาะ) ปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สาร 1 หน่วยปริมาณ มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 Kelvin

12 Expansion Work (i) จากกลศาสตร์ งานจากการขยายตัว ถ้าความดันภายนอกคงที่
Pext System dV P pext Pressure V V2 volume

13 Expansion Work (ii) งานเนื่องจากการขยายตัว
Psys>>Pext; ขยาย (V=+) Psys>Pext ; ขยาย (V=+) PsysPext ; ขยาย (V+) Psys<Pext ; หด (V=-) Pext System Psys

14 - - + + กระบวนการ เครื่องหมาย งานที่ระบบทำให้สิ่งแวดล้อม (แก๊สขยายตัว)
งานที่สิ่งแวดล้อมทำให้ระบบ (แก๊สหดตัว) + ความร้อนที่ระบบดูดกลืนจากสิ่งแวดล้อม (ดูดความร้อน) - ความร้อนที่สิ่งแวดล้อมดูดกลืนจากระบบ (คายความร้อน)

15 Reversible Expansion Work
เราสนใจเฉพาะกระบวนการผันกลับได้ (แต่ละขณะระบบใกล้สมดุลกล) คือ Psys Pext Isobaric Process (P คงที่) Isothermic Process (T คงที่)

16 1st Law with Different Processes
Isothermal (อุณหภูมิคงที่) Isobaric (ความดันคงที่) Isochoric (ปริมาตรคงที่) Adiabatic (q=0) Free Expansion (ขยายตัวในสุญญากาศ) Water Bath Pistol Fixed-Volume Chamber Insulation wall

17 Processes of Ideal Gas Isothermal (อุณหภูมิคงที่)
Isobaric (ความดันคงที่) Isochoric (ปริมาตรคงที่) Adiabatic (q=0) Free Expansion (ขยายตัวในสุญญากาศ) (Pext = 0)

18 Example 1 Calculate the work done when 50 g of iron reacts with hydrochloric acid in A) a closed vessel of fixed volume B) an open beaker at 25 °C

19 Heat Transaction ถ้าเป็นกระบวนการปริมาตรคงที่
ถ้าเป็นกระบวนการความดันคงที่

20 Enthalpy การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (H): ความร้อนที่มีการถ่ายเทเมื่อกระบวนการเกิดที่ความดันคงที่ กำหนดให้ เมื่อความดันคงที่

21 Calorimeter อุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดค่าความร้อนของปฏิกิริยา
C =Heat capacity q=qV=U ที่ปริมาตรคงที่ q=qP=H ที่ความดันคงที่ Fixed V Chamber Rxn. water Fixed Pressure Rxn. Isolation

22 SI unit Quantity Name Symbol
Volume cubic meter m3 Velocity, acceleration meter per second m/s Acceleration meter per second2 m/s2 Wave number reciprocal meter m-1 Mass density kg per cubic meter kg/m3 Frequency hertz Hz, s-1 Force Newton N, kg m s-2 Pressure, stress pascal Pa, N/m2, kg m-1 s-2 energy, work, heat joule J, N m, kg m2 s-2

23 Calcite (100g=37cm3) => aragonite (100g=34cm3)
Example 2 2. Calculate the difference between U and H CaCO3 1.0 mol changes from calcite to aragonite U=+0.21 kJ. Pressure=1 bar --- Constant pressure Density: calcite = 2.71gcm-3, aragonite = 2.93gcm-3 Calcite (100g=37cm3) => aragonite (100g=34cm3)

24 CP and CV ดังนั้น สำหรับ perfect gas 1 mol PV = RT
จากนิยามของ Enthalpy ดังนั้น สำหรับ perfect gas 1 mol PV = RT (6) สำหรับของแข็งและของเหลว

25 Ex 2 การหา H, U H2 2 โมล ทำปฎิกริยากับ O2 1 โมล ที่ 100 ๐C ความดัน 1 atm ได้ไอน้ำ 2 โมลที่ T, P เดิม ได้ความร้อน kJ จงหา H, U ในการเกิดไอน้ำ 1 โมล

26 วิธีทำ 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)
H = kJ/2 mol หา H: เมื่อ P คงที่ qp = H H = kJ/H2O 2 โมล H = kJ/H2O 1 โมล

27 หา U: U = H - PV ใน ระบบ gas PV = nRT nRT=(-1)(8.314)(373)mol.Jmol-1K-1.K = - 3,100 J = kJ/H2O 2 โมล

28 เมื่อแทนค่า H และ nRT  U = -242.2 - (-1.55) kJmol-1
 nRT = kJ/H2O 1 โมล เมื่อแทนค่า H และ nRT  U = (-1.55) kJmol-1 U = kJmol-1 H และ U ต่างกัน= ( ) = 1.6 kJmol-1

29 Temperature Dependence of H
At constant pressure A substance is heated from T1 to T2 “Kirchhoff’s law”

30 Kirchhoff’s law Products Enthalpy Temperature T2 T1 Reactants

31 The standard reaction enthalpy change

32 Ex. 1 The standard enthalpy of formation of gaseous H2O at 298 K is -241.82 kJmol-1.
Estimate its value at 100 C given the following values of the molar heat capacities at constant pressure: H2O (g) : JK-1mol-1 H2(g) : JK-1mol-1 O2(g) : JK-1mol-1. Assume that the heat capacities are independent of temperature.