อุณหพลศาสตร์: กฎ แนวคิด สูตร และแบบฝึกหัด

อุณหพลศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ศึกษาการถ่ายเทพลังงาน โดยพยายามทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน พลังงาน และงาน วิเคราะห์ปริมาณความร้อนที่แลกเปลี่ยนและงานที่ทำในกระบวนการทางกายภาพ

วิทยาศาสตร์อุณหพลศาสตร์ได้รับการพัฒนาขึ้นโดยนักวิจัยที่กำลังมองหาวิธีปรับปรุงเครื่องจักรในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

ความรู้นี้ถูกนำไปใช้ในสถานการณ์ต่างๆ ในชีวิตประจำวันของเรา ตัวอย่างเช่น: เครื่องทำความร้อนและตู้เย็น เครื่องยนต์รถยนต์และกระบวนการแปรรูปแร่ธาตุและผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม

กฎของอุณหพลศาสตร์

กฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ควบคุมการทำงานของความร้อนและในทางกลับกัน

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

THE กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เกี่ยวข้องกับ หลักการอนุรักษ์พลังงาน. ซึ่งหมายความว่าพลังงานในระบบไม่สามารถทำลายหรือสร้างได้ แต่จะแปลงสภาพเท่านั้น

สูตรที่แสดงถึงกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์มีดังนี้

ปริมาณความร้อน งาน และการแปรผันของพลังงานภายในมีหน่วยวัดมาตรฐานจูล (J)

ตัวอย่างเชิงปฏิบัติของการประหยัดพลังงานคือ เมื่อบุคคลใช้ปั๊มสูบลมวัตถุที่พองได้ เขากำลังใช้แรงสูบลมเข้าไปในวัตถุ ซึ่งหมายความว่าพลังงานจลน์ทำให้ลูกสูบลดลง อย่างไรก็ตาม ส่วนหนึ่งของพลังงานนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน ซึ่งสูญเสียไปกับสิ่งแวดล้อม

THE กฎของเฮสส์ เป็นกรณีเฉพาะของหลักการอนุรักษ์พลังงาน รู้มากขึ้น!

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ที่ การถ่ายเทความร้อน พวกเขามักจะเกิดขึ้นจากร่างกายที่อบอุ่นที่สุดไปยังร่างกายที่เย็นที่สุด มันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ แต่ไม่ใช่ในทางกลับกัน กล่าวคือกระบวนการถ่ายเทพลังงานความร้อนไม่สามารถย้อนกลับได้

ด้วยวิธีนี้โดย กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ความร้อนไม่สามารถแปลงเป็นพลังงานรูปแบบอื่นได้อย่างเต็มที่ ด้วยเหตุผลนี้ ความร้อนจึงถือเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เสื่อมโทรม

ตัวอย่างกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ปริมาณทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือ เอนโทรปีซึ่งสอดคล้องกับระดับความผิดปกติของระบบ

อ่านด้วย:

• วงจรการ์โนต์
• การขยายตัวทางความร้อน

กฎศูนย์ของอุณหพลศาสตร์

THE กฎศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ เกี่ยวกับเงื่อนไขในการได้รับ สมดุลความร้อน. ท่ามกลางเงื่อนไขเหล่านี้ เราสามารถพูดถึงอิทธิพลของวัสดุที่ทำให้ค่าการนำความร้อนสูงหรือต่ำได้

ตามกฎหมายนี้

1. ถ้าวัตถุ A อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเมื่อสัมผัสกับร่างกาย B และ
2. ถ้าร่างกาย A นี้อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเมื่อสัมผัสกับร่างกาย C แล้ว
3. B อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเมื่อสัมผัสกับ C

เมื่อสองร่างที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกัน ตัวที่อุ่นกว่าจะถ่ายเทความร้อนไปยังตัวที่เย็นกว่า ทำให้อุณหภูมิเท่ากันถึง reaching สมดุลความร้อน.

มันถูกเรียกว่ากฎศูนย์เพราะความเข้าใจของมันพิสูจน์แล้วว่าจำเป็นสำหรับกฎสองข้อแรกที่มีอยู่แล้ว นั่นคือกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์

THE กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ ปรากฏว่าเป็นความพยายามที่จะสร้างจุดอ้างอิงที่แน่นอนที่กำหนดเอนโทรปี เอนโทรปีเป็นพื้นฐานของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

Walther Nernst นักฟิสิกส์ผู้เสนอแนวคิดนี้ สรุปว่าเป็นไปไม่ได้ที่สารบริสุทธิ์ที่มีอุณหภูมิเป็นศูนย์จะมีเอนโทรปีอยู่ที่ค่าประมาณศูนย์

ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นกฎข้อขัดแย้ง ซึ่งนักฟิสิกส์หลายคนมองว่าเป็นกฎ ไม่ใช่กฎหมาย

ระบบอุณหพลศาสตร์

ในระบบอุณหพลศาสตร์ อาจมีวัตถุหนึ่งหรือหลายวัตถุที่เกี่ยวข้องกัน สภาพแวดล้อมที่ล้อมรอบมันและจักรวาลเป็นตัวแทนของสภาพแวดล้อมภายนอกระบบ ระบบสามารถกำหนดเป็น: เปิด ปิด หรือแยก

ระบบอุณหพลศาสตร์

เมื่อเปิดระบบจะมีการถ่ายโอนมวลและพลังงานระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อมภายนอก ในระบบปิดมีเพียงการถ่ายเทพลังงาน (ความร้อน) และเมื่อแยกออกจะไม่มีการแลกเปลี่ยน

พฤติกรรมของก๊าซ

พฤติกรรมด้วยกล้องจุลทรรศน์ของก๊าซสามารถอธิบายและตีความได้ง่ายกว่าในสถานะทางกายภาพอื่น ๆ (ของเหลวและของแข็ง) นั่นเป็นเหตุผลที่ก๊าซถูกใช้มากที่สุดในการศึกษาเหล่านี้

ในการศึกษาทางอุณหพลศาสตร์จะใช้ก๊าซในอุดมคติหรือก๊าซสมบูรณ์แบบ เป็นแบบจำลองที่อนุภาคเคลื่อนที่อย่างไม่เป็นระเบียบและมีปฏิสัมพันธ์เฉพาะในการชนกันเท่านั้น นอกจากนี้ ยังถือว่าการชนกันระหว่างอนุภาคและระหว่างอนุภาคกับผนังของภาชนะนั้นมีความยืดหยุ่นและคงอยู่ได้ในเวลาอันสั้น

ในระบบปิด ก๊าซในอุดมคติจะสมมติพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับปริมาณทางกายภาพต่อไปนี้: ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ ตัวแปรเหล่านี้กำหนดสถานะทางอุณหพลศาสตร์ของก๊าซ

พฤติกรรมของก๊าซตามกฎของแก๊ส

แรงดัน (p) เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคก๊าซภายในภาชนะ พื้นที่ที่ก๊าซบรรจุอยู่ในภาชนะคือปริมาตร (v) และอุณหภูมิ (t) สัมพันธ์กับพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคก๊าซที่เคลื่อนที่

อ่านด้วยนะ กฎหมายแก๊ส และ การศึกษาก๊าซ.

กำลังภายใน

พลังงานภายในของระบบคือปริมาณทางกายภาพที่ช่วยในการวัดว่าการเปลี่ยนแปลงของก๊าซเกิดขึ้นได้อย่างไร ขนาดนี้สัมพันธ์กับการแปรผันของอุณหภูมิและพลังงานจลน์ของอนุภาค

ก๊าซในอุดมคติที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงชนิดเดียว มีพลังงานภายในเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิของก๊าซ นี่แสดงโดยสูตรต่อไปนี้:

แก้ไขแบบฝึกหัดเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์

คำถามที่ 1

กระบอกสูบที่มีลูกสูบเคลื่อนที่ได้บรรจุก๊าซที่ความดัน 4.0.10⁴N/m². เมื่อจ่ายความร้อนให้กับระบบ 6 kJ ที่ความดันคงที่ ปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มขึ้น 1.0.10^-1ม³. กำหนดงานที่ทำและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในในสถานการณ์นี้

ดูคำตอบ

คำตอบที่ถูกต้อง: งานที่ทำคือ 4000 J และการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคือ 2000 J

ข้อมูล:

พี = 4,0.10⁴ N/m²
คิว = 6KJ หรือ 6000J
ΔV = 1,0.10^-1 ม³
ท =? ΔU = ?

ขั้นตอนที่ 1 คำนวณงานด้วยข้อมูลปัญหา

ท = ป. ΔV
T = 4.0.10⁴. 1,0.10^-1
T = 4000 J

ขั้นตอนที่ 2: คำนวณความแปรผันของพลังงานภายในด้วยข้อมูลใหม่

Q = T + ΔU
ΔU = Q - T

ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J

ดังนั้นงานที่ทำคือ 4000 J และการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคือ 2000 J

คำถาม2

(ดัดแปลงจาก ENEM 2011) มอเตอร์สามารถทำงานได้ก็ต่อเมื่อได้รับพลังงานจากระบบอื่นในปริมาณหนึ่งเท่านั้น ในกรณีนี้ พลังงานที่เก็บไว้ในเชื้อเพลิงส่วนหนึ่งจะถูกปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ เพื่อให้เครื่องสามารถทำงานได้ เมื่อเครื่องยนต์ทำงาน พลังงานบางส่วนที่แปลงหรือแปลงในการเผาไหม้จะไม่สามารถใช้งานได้ ซึ่งหมายความว่ามีการรั่วไหลของพลังงานในรูปแบบอื่น

ตามข้อความ การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์นั้นเกิดจาก:

ก) การปล่อยความร้อนภายในเครื่องยนต์เป็นไปไม่ได้
b) การทำงานของเครื่องยนต์นั้นไม่สามารถควบคุมได้
c) การแปลงความร้อนให้ทำงานเต็มที่เป็นไปไม่ได้
d) การแปลงพลังงานความร้อนเป็นจลนศาสตร์เป็นไปไม่ได้
จ) การใช้พลังงานที่อาจเกิดขึ้นของเชื้อเพลิงนั้นไม่สามารถควบคุมได้

ดูคำตอบ

ทางเลือกที่ถูกต้อง: c) การแปลงความร้อนเป็นการทำงานอย่างสมบูรณ์เป็นไปไม่ได้

อย่างที่เห็นก่อนหน้านี้ ความร้อนไม่สามารถแปลงเป็นงานได้เต็มที่ ระหว่างการทำงานของมอเตอร์ พลังงานความร้อนบางส่วนจะสูญเสียไปและถูกถ่ายโอนไปยังสภาพแวดล้อมภายนอก

ดูด้วย: แบบฝึกหัดเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์