เทอร์โมไดนามิกส์เคมี (Chemical Thermodynamics)

สารบัญเนื้อหา

หน้าแรก

กฎข้อที่ 1

ความจุความร้อนและเอนทาลปี

การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี

กฎข้อที่ 2

กฎข้อที่ 3 และพลังงานอิสระ

กลับหน้าหลัก

เรียบเรียงโดย ดร. รักชาติ ไตรผล

ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร จ.พิษณุโลก

E-mail: rakchartt@nu.ac.th

เอกสารอ้างอิง: P. W. Atkins Physical Chemistry 5th ed. Oxford University Press, Oxford 1994.

หมายเหตุ: เนื้อหาที่อยู่ในบทเรียนนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อนักศึกษาชั้นปีที่ 3 และ 1 ดังนั้นเนื้อหาจะดูง่ายสำหรับนักศึกษาชั้นปีที่ 3 เพราะไม่ได้เน้นการหาที่มาของสมการต่างๆ แต่อาจจะยากและเยอะไปสำหรับนักศึกษาชั้นปีที่ 1  เพราะมีเนื้อหาหลายส่วนที่จำเป็นต้องกล่าวถึง เพื่อที่จะทำให้ง่ายต่อการเข้าใจยิ่งขึ้น วิชาเทอร์โมไดนามิกส์เป็นวิชาที่อธิบายเกี่ยวกับแนวคิดต่างๆที่อาจจะยากต่อการทำความเข้าใจ ดังนั้นผู้ที่สนใจจริงๆ ควรจะศึกษาจากเอกสารอ้างอิงโดยตรงซึ่งมีตัวอย่างและรูปภาพประกอบคำธิบายที่มากกว่านี้

บทนำ

          เทอร์โมไดนามิกส์เป็นแขนงวิชาที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดทางด้าน พลังงาน, ความร้อน, งาน,  รวมไปทั้งกลไกการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน ซึ่งการเข้าใจในเนื้อหาของวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ จะช่วยให้เราสามารถอธิบายหรือแม้แต่ทำนาย การเปลี่ยนแปลงต่างๆได้ ยกตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนสถานะของสาร, การเกิดปฏิกิริยาทางเคมีและอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งบางครั้งตัวเราเองไม่รู้ตัวด้วยซ้ำว่า เรากำลังใช้หลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์มาอธิบายอยู่  อย่างไรก็ตามในการที่จะเข้าใจในวิชานี้อย่างลึกซึ้งนั้น เราจำเป็นที่จะต้องนิยามตัวแปรต่างๆ ขึ้นมามากมาย ซึ่งตัวแปรเหล่านี้เป็นสิ่งที่เราไม่ได้พบเจอในชีวิตประจำวัน เป็นเพียงแนวคิดที่ตั้งขึ้นมาเท่านั้น รวมทั้งยังต้องมีการคำนวณและสร้างสมการหาความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปรเหล่านี้  ซึ่งตรงนี้เป็นจุดสำคัญที่ทำให้นักศึกษารู้สึกว่า วิชาเทอร์โมไดนามิกส์เป็นสิ่งที่เข้าใจยาก เนื้อหาบทเรียนภายในนี้จะแนะนำเพียงแนวคิดแบบกว้างๆ และจะพยายามใช้ภาษาที่ง่ายต่อการทำความเข้าใจ (อย่างน้อยก็หวังว่าอย่างนั้น!) นอกจากนี้สมการที่สำคัญกับเนื้อหาวิชาจะถูกรวบรวมไว้ด้วย

กฎของเทอร์โมไดนามิกส์ (Laws of Thermodynamics)

           โดยทั่วไปแล้วเราจะรู้กันโดยทั่วไปว่ากฎของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นมีอยู่ 3 ข้อ ซึ่งเราจะได้เรียนรู้ถึงแนวคิดและความสำคัญของกฎแต่ละข้อต่อไป แต่ก่อนอื่นเราควรที่จะมาเรียนรู้กฎข้อที่ ศูนย์ ของเทอร์โมไดนามิกส์ก่อน (ที่เป็นกฎข้อที่ ศูนย์ ก็เพราะว่าแนวคิดนี้จริงๆแล้ว เป็นส่วนหนึ่งของกฎข้อที่ 1)

            1. กฎข้อที่ ศูนย์ กล่าวว่า "หากเรามีระบบ (หรือวัตถุ) อยู่ 3 ระบบ เช่น ระบบ ก, ข, ค แล้วระบบทั้งสามนี้สัมผัสกันอยู่และสามารถถ่ายเทความร้อนไปมาระหว่างกันได้ ถ้าหากว่า ระบบ ก กับ ระบบ ข อยู่ในสภาวะสมดุลกันทางความร้อน (มีความร้อนเท่ากันนั่นเอง) และ ระบบ ข กับ ระบบ ค อยู่ในสภาวะสมดุลกันทางความร้อนเช่นกัน นั่นย่อมหมายความว่า ระบบ ก กับ ระบบ ค อยู่ในสภาวะสมดุลกันทางความร้อนเหมือนกัน"

กฎข้อนี้จริงๆแล้วเป็นแนวคิด ที่เป็นที่มาของการสร้าง เทอร์โมมิเตอร์ คนส่วนใหญ่ไม่ได้สนใจหรอกว่า หลักการของเทอร์โมมิเตอร์ เป็นอย่างไรเพราะเป็นอะไรที่ง่ายเหลือเกิน แต่ลองนึกดูสักนิดสิว่า ถ้าไม่มีกฎข้อนี้รองรับแล้ว เทอร์โมมิเตอร์ คือ อะไร???

    การใช้เทอร์โมมิเตอร์ ก็คือ การนำเทอร์โมมิเตอร์ (สมมุติว่าเป็นระบบ ข ก็แล้วกัน) ให้ไปสัมผัสแล้วเกิดสมดุลทางความร้อนกับระบบ ก ทำให้เราสามารถบอกว่าระบบ ก มีพลังงานอยู่เท่าไหร่ โดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกายภาพของสารที่อยู่ภายในเทอร์โมมิเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่แล้ว จะพิจารณาการขยายตัวของ ปรอท หรือ แอลกอฮอล์ ซึ่งตัวแปรที่เรากำหนดขึ้นเพื่อบ่งบอกถึงปริมาณของพลังงานก็คือ อุณหภูมิ นั่นเอง จากกฎข้อ ศูนย์ จะทำให้บอกได้ว่า ถ้าเรานำเทอร์โมมิเตอร์ไปสัมผัสแล้วเกิดสมดุลทางความร้อนกับระบบอื่น เช่น ระบบ ค แล้ว สารที่อยู่ภายในเทอร์โมมิเตอร์เกิดการขยายตัวเท่ากัน แสดงว่าระบบ ก และ ค มีพลังงานเท่ากัน ดังนั้นเมื่อนำทั้งสองระบบมาสัมผัสกันจะไม่ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อน

    อุณหภูมิ (Temperature) คือ คุณสมบัติ หรือตัวแปรหนึ่งที่มีความสำคัญมาก ทางเทอร์โมไดนามิกส์ เพราะว่าเป็นตัวแปรที่บ่งบอกถึงปริมาณพลังงานของระบบ รวมไปทั้งบอกทิศทางการไหลของพลังงาน ซึ่งจะไหลจากระบบที่มีพลังงานสูงไปสู่พลังงานต่ำนั่นเอง ในช่วงแรกของการใช้เทอม อุณหภูมินั้น ได้กำหนดให้จุดหลอมเหลวของน้ำเท่ากับ ศูนย์ และจุดเดือดของน้ำเท่ากับ 100 (ระบบนี้ คือ สเกลแบบ Celsius) แล้วก็กำหนดให้การขยายตัวของเหลวที่ใช้ในหลอด capillary ของเทอร์โมมิเตอร์ที่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมินี้เท่ากับ100 ^oC แล้วก็ทำการแบ่งสเกลของการขยายตัวออกเป็น 100 ช่วงสเกล แต่ว่าข้อเสียของระบบนี้คือ การขยายตัวของของเหลวแต่ละชนิด เช่น ปรอท กับ แอลกอฮอล์ ที่พลังงานเท่ากันอาจแตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้ค่าอุณหภูมิที่วัดได้เกิดการคลาดเคลื่อนได้ ดังนั้นสเกลที่มีความถูกต้องมากกว่า คือ สเกลแบบ Kelvin, K (thermodynamic temperature scale) ซึ่งพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงความดันของแก๊สสมบูรณ์แบบ (perfect gas) ต่อไปนี้อุณหภูมิที่จะกล่าวถึงในบทเรียนทั้งหมดจะอยู่ในสเกลแบบ Kelvin ซึ่งมีความสัมพันธ์กับสเกล Celsius ดังนี้

 T (K) = T (^oC) + 273.15

     2. กฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์

           แนวคิดของกฎข้อที่หนึ่งนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับ กฎของการอนุรักษ์พลังงาน (conservation of energy) ซึ่งกล่าวว่า "ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงต่างๆ นั้น พลังงานจะไม่ถูกสร้างขึ้นมาใหม่และไม่มีการสูญหายไป แต่สามารถเปลี่ยนไปอยู่ในรูปอื่นได้" กฎข้อหนึ่งจะบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นภายในระบบต่างๆ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงทั้งทางเคมีและทางกายภาพ

           ในการอธิบายกฎข้อนี้ก็จะมีการกำหนดตัวแปรอีกหลายชนิดขึ้นมา ซึ่งได้แก่ พลังงานภายใน (Internal Energy, U), ความร้อน (Heat, q), งาน (Work, w), เอนทาลปี (Enthalpy, H) รวมทั้งความจุความร้อน (Heat Capacity, C) ซึ่งจะได้อธิบายโดยละเอียดในหน้าต่อไป (คลิกที่นี่)

     3. กฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์

            กฎข้อที่ 2 อธิบายเกี่ยวกับตัวแปรที่เป็นตัวกำหนดทิศทางของการเกิดกระบวนการต่างๆไม่ว่าจะเป็นทางกายภาพหรือทางเคมี (driving force of physical and chemical change) ซึ่งตัวแปรที่สำคัญเกี่ยวกับการกำหนดทิศทางของการเกิดกระบวนการต่างๆ คือ เอนโทรปี (Entropy, S) ในส่วนนี้ของบทเรียนก็จะกล่าวถึงนิยามของตัวแปรตัวนี้ และวิธีการคำนวณที่เกี่ยวข้อง (คลิกที่นี่)

      4. กฎข้อที่ 3 ของเทอร์โมไดนามิกส์

            ในการที่จะหาค่าเอนโทรปีของระบบที่อุณหภูมิใดๆนั้นจำเป็นต้องอาศัย กฎข้อที่ 3 ซึ่งนิยามเอนโทรปีของระบบที่ ศูนย์องศาเคลวิน ดังนี้ "ค่าเอนโทรปีของระบบผลึกที่สมบูรณ์แบบที่อุณหภูมิศูนย์องศาเคลวินจะมีค่าเป็น ศูนย์" (คลิกที่นี่)

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต