อุณหพลศาสตร์คืออะไรและการประยุกต์ใช้งาน

อุณหพลศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ที่มีพื้นฐานมาจากการศึกษาพลังงาน กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เกิดขึ้นทุกวันในชีวิตประจำวันในบ้านในอุตสาหกรรมโดยมีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเช่นในอุปกรณ์ปรับอากาศตู้เย็นรถยนต์หม้อไอน้ำเป็นต้น ดังนั้นความสำคัญของการศึกษาอุณหพลศาสตร์โดยอาศัยกฎพื้นฐานสี่ประการที่สร้างความสัมพันธ์ระหว่างคุณภาพและปริมาณของพลังงานและคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์

เพื่อให้เข้าใจกฎของอุณหพลศาสตร์อย่างง่าย ๆ เราต้องเริ่มจากแนวคิดพื้นฐานบางประการที่เปิดเผยด้านล่างเช่นพลังงานความร้อนอุณหภูมิและอื่น ๆ

เราขอเชิญคุณดูบทความ อำนาจของกฎของวัตต์ (การใช้งาน - แบบฝึกหัด)

อุณหพลศาสตร์

ประวัติเล็กน้อย:

อุณหพลศาสตร์ศึกษาการแลกเปลี่ยนและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานในกระบวนการต่างๆ ในช่วงทศวรรษ 1600 กาลิเลโอได้เริ่มทำการศึกษาในพื้นที่นี้ด้วยการประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์แก้วและความสัมพันธ์ของความหนาแน่นของของเหลวกับอุณหภูมิ

ด้วยการปฏิวัติอุตสาหกรรมการศึกษาได้ดำเนินการเพื่อให้ทราบถึงความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนการทำงานและพลังงานของเชื้อเพลิงตลอดจนการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ไอน้ำอุณหพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นใหม่เป็นวิทยาศาสตร์การศึกษาเริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 1697 ด้วยเครื่องจักรไอน้ำของ Thomas Savery . กฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์ก่อตั้งขึ้นในปี 1850 นักวิทยาศาสตร์หลายคนเช่น Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell และอื่น ๆ มีส่วนในการพัฒนาวิทยาศาสตร์นี้ "อุณหพลศาสตร์"

อุณหพลศาสตร์คืออะไร?

อุณหพลศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาการแปลงพลังงาน ตั้งแต่เริ่มแรกมีการศึกษาวิธีเปลี่ยนความร้อนเป็นพลังงานในเครื่องจักรไอน้ำคำภาษากรีก "thermos" และ "dynamis" ถูกใช้เพื่อตั้งชื่อวิทยาศาสตร์ใหม่นี้โดยรวมเป็นคำว่า "อุณหพลศาสตร์" ดูรูปที่ 1

การประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์

พื้นที่ของการประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์กว้างมาก การเปลี่ยนแปลงของพลังงานเกิดขึ้นในหลายกระบวนการตั้งแต่ร่างกายมนุษย์ด้วยการย่อยอาหารไปจนถึงกระบวนการทางอุตสาหกรรมจำนวนมากสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ ในบ้านยังมีอุปกรณ์ที่ใช้อุณหพลศาสตร์กับเตารีดเครื่องทำน้ำอุ่นเครื่องปรับอากาศและอื่น ๆ หลักการของอุณหพลศาสตร์ยังถูกนำไปใช้ในหลากหลายสาขาเช่นในโรงไฟฟ้ารถยนต์และจรวด ดูรูปที่ 2

พื้นฐานของ อุณหพลศาสตร์

พลังงาน (E)

ทรัพย์สินของวัสดุหรือร่างกายหรือระบบที่ไม่ใช่วัสดุใด ๆ ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับเปลี่ยนสถานการณ์หรือสถานะ นอกจากนี้ยังกำหนดเป็นศักยภาพหรือความสามารถในการเคลื่อนย้ายสสาร ในรูปที่ 3 คุณจะเห็นแหล่งพลังงานบางอย่าง

รูปแบบของพลังงาน

พลังงานมีหลายรูปแบบเช่นลมไฟฟ้าเครื่องกลพลังงานนิวเคลียร์เป็นต้น ในการศึกษาอุณหพลศาสตร์จะใช้พลังงานจลน์พลังงานศักย์และพลังงานภายในของร่างกาย พลังงานจลน์ (Ec) เกี่ยวข้องกับความเร็วพลังงานศักย์ (Ep) กับความสูงและพลังงานภายใน (U) กับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลภายใน ดูรูปที่ 4

ความร้อน (Q):

การถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างสองร่างที่อุณหภูมิต่างกัน ความร้อนวัดเป็นจูลบีทียูปอนด์ฟุตหรือแคลอรี่

อุณหภูมิ (T):

เป็นการวัดพลังงานจลน์ของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นวัตถุใด ๆ วัดระดับความปั่นป่วนของโมเลกุลภายในของวัตถุของพลังงานความร้อน ยิ่งการเคลื่อนที่ของโมเลกุลมีอุณหภูมิสูงขึ้น มีหน่วยวัดเป็นองศาเซลเซียสองศาเคลวินองศาแรงคินหรือองศาฟาเรนไฮต์ ในรูปที่ 5 ความเท่าเทียมกันระหว่างเครื่องชั่งอุณหภูมิบางส่วนจะถูกนำเสนอ

หลักการทางอุณหพลศาสตร์

การศึกษาการแปลงพลังงานในอุณหพลศาสตร์เป็นไปตามกฎสี่ประการ กฎหมายข้อที่ 6 และ 7 เกี่ยวข้องกับคุณภาพและปริมาณของพลังงาน ในขณะที่กฎข้อที่สามและสี่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ (อุณหภูมิและเอนโทรปี) ดูรูปที่ XNUMX และ XNUMX

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์:

กฎหมายฉบับแรกกำหนดหลักการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานสามารถถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างหนึ่งหรือเปลี่ยนเป็นพลังงานรูปแบบอื่นได้ แต่จะได้รับการอนุรักษ์ไว้เสมอดังนั้นปริมาณพลังงานทั้งหมดจะคงที่เสมอ

ทางลาดเป็นตัวอย่างที่ดีของกฎการอนุรักษ์พลังงานซึ่งพบว่าพลังงานไม่ได้ถูกสร้างหรือทำลาย แต่จะเปลี่ยนเป็นพลังงานประเภทอื่น สำหรับนักเล่นสเก็ตอย่างรูปที่ 8 เมื่อมีเพียงแรงโน้มถ่วงเท่านั้นที่มีอิทธิพลเราต้อง:

• ตำแหน่งที่ 1: เมื่อนักเล่นสเก็ตอยู่ที่ด้านบนสุดของทางลาดเขาจะมีพลังงานภายในและพลังงานศักย์เนื่องจากความสูงที่เขาอยู่ แต่พลังงานจลน์ของเขาเป็นศูนย์เนื่องจากเขาไม่ได้เคลื่อนที่ (ความเร็ว = 0 เมตร / วินาที)
• ตำแหน่งที่ 2: ในขณะที่นักสเก็ตเริ่มไถลลงทางลาดความสูงจะลดลงพลังงานภายในและพลังงานศักย์ลดลง แต่จะเพิ่มพลังงานจลน์ของเขาเนื่องจากความเร็วของเขาเพิ่มขึ้น พลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ เมื่อผู้เล่นถึงจุดต่ำสุดของทางลาด (ตำแหน่งที่ 2) พลังงานศักย์ของเขาจะเป็นศูนย์ (ความสูง = 0 เมตร) ในขณะที่เขาได้รับความเร็วสูงสุดในการเดินทางลงทางลาด
• ตำแหน่งที่ 3: เมื่อทางลาดขึ้นไปผู้เล่นจะสูญเสียความเร็วลดพลังงานจลน์ของเขา แต่พลังงานภายในเพิ่มขึ้นและพลังงานศักย์เมื่อเขาได้รับความสูง

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์:

กฎข้อที่สองเกี่ยวข้องกับ "คุณภาพ" ของพลังงานในการเพิ่มประสิทธิภาพของการแปลงและ / หรือการส่งผ่านพลังงาน กฎหมายนี้กำหนดว่าในกระบวนการจริงคุณภาพของพลังงานมีแนวโน้มที่จะลดลง มีการนำคำจำกัดความของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ "เอนโทรปี" ในข้อความของกฎหมายฉบับที่สองกำหนดขึ้นเมื่อกระบวนการสามารถเกิดขึ้นได้และเมื่อไม่สามารถเกิดขึ้นได้แม้ว่าจะยังคงปฏิบัติตามกฎหมายฉบับแรกอยู่ก็ตาม ดูรูปที่ 9

กฎศูนย์:

กฎศูนย์ระบุว่าหากสองระบบอยู่ในภาวะสมดุลกับหนึ่งในสามพวกเขาอยู่ในภาวะสมดุลซึ่งกันและกัน ตัวอย่างเช่นสำหรับรูปที่ 10 ถ้า A อยู่ในสมดุลทางความร้อนกับ C และ C อยู่ในสมดุลทางความร้อนกับ B ดังนั้น A จะอยู่ในสมดุลทางความร้อนกับ B

แนวคิดอื่น ๆ ของ Termodynamics

ระบบ

ส่วนหนึ่งของจักรวาลที่สนใจหรือศึกษา สำหรับถ้วยกาแฟในรูปที่ 11 "ระบบ" คือเนื้อหาของถ้วย (กาแฟ) ที่สามารถศึกษาการถ่ายเทพลังงานความร้อนได้ ดูรูปที่ 12 [4]

สิ่งแวดล้อม

มันเป็นส่วนที่เหลือของจักรวาลภายนอกระบบที่อยู่ระหว่างการศึกษา ในรูปที่ 12 ถ้วยกาแฟถือเป็น "เส้นขอบ" ที่มีกาแฟ (ระบบ) และสิ่งที่อยู่นอกถ้วย (เส้นขอบ) คือ "สิ่งแวดล้อม" ของระบบ

สมดุลทางอุณหพลศาสตร์

สถานะที่คุณสมบัติของระบบได้รับการกำหนดไว้อย่างดีและไม่เปลี่ยนแปลงไปตามช่วงเวลา เมื่อระบบนำเสนอสมดุลทางความร้อนสมดุลเชิงกลและสมดุลเคมีจะอยู่ใน“ สมดุลทางอุณหพลศาสตร์” ในสภาวะสมดุลระบบไม่สามารถปรับเปลี่ยนสถานะได้เว้นแต่เอเจนต์ภายนอกจะดำเนินการกับมัน ดูรูปที่ 13

ผนัง

เอนทิตีที่อนุญาตหรือป้องกันการโต้ตอบระหว่างระบบ ถ้าผนังปล่อยให้สารไหลผ่านก็ว่ากันว่าเป็นผนังที่ซึมผ่านได้ ผนังอะเดียแบติกเป็นผนังที่ไม่อนุญาตให้ถ่ายเทความร้อนระหว่างสองระบบ เมื่อผนังอนุญาตให้ถ่ายเทพลังงานความร้อนเรียกว่ากำแพงไดเทอร์มิค ดูรูปที่ 14

สรุปผลการวิจัย

พลังงานคือความสามารถในการเคลื่อนย้ายสสาร สิ่งนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับเปลี่ยนสถานการณ์หรือสถานะ

อุณหพลศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาการแลกเปลี่ยนและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานในกระบวนการต่างๆ การศึกษาการแปลงพลังงานในอุณหพลศาสตร์เป็นไปตามกฎสี่ประการ กฎหมายข้อที่ XNUMX และ XNUMX เกี่ยวข้องกับคุณภาพและปริมาณของพลังงาน ในขณะที่กฎข้อที่สามและสี่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ (อุณหภูมิและเอนโทรปี)

อุณหภูมิคือการวัดระดับความปั่นป่วนของโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นร่างกายในขณะที่ความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างสองร่างที่มีอุณหภูมิต่างกัน

สมดุลทางอุณหพลศาสตร์เกิดขึ้นเมื่อระบบอยู่พร้อมกันในสมดุลทางความร้อนสมดุลเชิงกลและสมดุลเคมี

ขอบคุณหมายเหตุ: สำหรับการพัฒนาบทความนี้เราได้รับเกียรติจากคำแนะนำของ อิง. มาริโซลปิโนผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องมือวัดและควบคุมอุตสาหกรรม.