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 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 กับ ระบบ อยู่ในสภาวะสมดุลกันทางความร้อน (มีความร้อนเท่ากันนั่นเอง) และ ระบบ กับ ระบบ อยู่ในสภาวะสมดุลกันทางความร้อนเช่นกัน นั่นย่อมหมายความว่า ระบบ กับ ระบบ อยู่ในสภาวะสมดุลกันทางความร้อนเหมือนกัน"

 

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

    การใช้เทอร์โมมิเตอร์ ก็คือ การนำเทอร์โมมิเตอร์ (สมมุติว่าเป็นระบบ ข ก็แล้วกัน) ให้ไปสัมผัสแล้วเกิดสมดุลทางความร้อนกับระบบ ทำให้เราสามารถบอกว่าระบบ มีพลังงานอยู่เท่าไหร่ โดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกายภาพของสารที่อยู่ภายในเทอร์โมมิเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่แล้ว จะพิจารณาการขยายตัวของ ปรอท หรือ แอลกอฮอล์ ซึ่งตัวแปรที่เรากำหนดขึ้นเพื่อบ่งบอกถึงปริมาณของพลังงานก็คือ อุณหภูมิ นั่นเอง จากกฎข้อ ศูนย์ จะทำให้บอกได้ว่า ถ้าเรานำเทอร์โมมิเตอร์ไปสัมผัสแล้วเกิดสมดุลทางความร้อนกับระบบอื่น เช่น ระบบ แล้ว สารที่อยู่ภายในเทอร์โมมิเตอร์เกิดการขยายตัวเท่ากัน แสดงว่าระบบ และ 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 ข้อที่ 3 ซึ่งนิยามเอนโทรปีของระบบที่ ศูนย์องศาเคลวิน ดังนี้ "ค่าเอนโทรปีของระบบผลึกที่สมบูรณ์แบบที่อุณหภูมิศูนย์องศาเคลวินจะมีค่าเป็น ศูนย์" (คลิกที่นี่)

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 1  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร์
3.  การเคลื่อนที่แบบหนึ่งมิติ 4.  การเคลื่อนที่บนระนาบ
5.  กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน 6. การประยุกต์กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน
7.  งานและพลังงาน  8.  การดลและโมเมนตัม
9.  การหมุน   10.  สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง
11. การเคลื่อนที่แบบคาบ 12. ความยืดหยุ่น
13. กลศาสตร์ของไหล   14. ปริมาณความร้อน และ กลไกการถ่ายโอนความร้อน
15. กฎข้อที่หนึ่งและสองของเทอร์โมไดนามิก  16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร
17.  คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง

 

กลับสู่หน้าแรกของโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

 

 

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

การเรียนฟิสิกส์ 1 ผ่านทางอินเตอร์เน็ต