First Law of Thermodynamics (กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์)

นิยามของกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์

กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ (First Law of Thermodynamics) หรือเรียกว่า กฎอนุรักษ์พลังงาน มีหลักการว่า “พลังงานสามารถเปลี่ยนรูป หรือถูกถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ แต่ไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ หรือทำลายให้สูญสลายไปได้”

ดังนั้นเมื่อพิจารณาการถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมแล้ว จะพบว่าพลังงานรวมของระบบกับสิ่งแวดล้อมจะมีค่าคงที่ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการที่ระบบได้รับพลังงานจากสิ่งแวดล้อมนั้น ปริมาณพลังงานที่ระบบได้รับจะเท่ากับปริมาณพลังงานที่สิ่งแวดล้อมสูญเสีย โดยสามารถเขียนเป็นสมการแสดงการถ่ายโอนพลังงานของระบบใด ๆ ได้ดังนี้

พลังงานที่เข้าสู่ระบบ – พลังงานที่ออกจากระบบ = พลังงานรวมในระบบที่เปลี่ยนแปลง

รูป กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ในชีวิตประจำวัน

Source: www.boundless.com, (2015)

กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์สำหรับระบบปิด

(CLOSED SYSTEM)

สสารที่มีอุณหภูมิค่าหนึ่งนั้นหมายความว่าได้ว่า สสารนั้นมีพลังงานความร้อนอยู่ในตัว ซึ่งมีการกำหนดค่าคุณสมบัติหนึ่งขึ้นมาเพื่อแสดงปริมาณความร้อนที่มีอยู่ในสสารเหล่านั้น คุณสมบัติที่ใช้ในกรณีนี้เรียก “พลังงานภายใน (Internal energy, U)” ซึ่งพลังงานภายในต่อมวลของสสารนั้น ๆ 1 kg จะเรียกว่า “พลังงานภายในจำเพาะ (Specific internal energy, u)” ในวิชาเทอร์โมไดนามิกส์นั้นพลังงานภายในถือเป็นคุณสมบัติของสสารที่สำคัญอย่างหนึ่ง

U = m x u             โดยที่ m = มวลของสสาร (kg)

เมื่อพิจารณาให้เป็นระบบปิด ภายในมีมวล m kg เมื่อใส่ปริมาณความร้อน Q₁₂ จากภายนอกเข้าไป พลังงานภายในของสสารนั้น ๆ จะเปลี่ยนจาก U₁ ไปเป็น U₂ และได้งาน W₁₂ ออกมา จากกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์สามารถเขียนสมการได้ดังต่อไปนี้

Q₁₂ = U₂ – U₁ + W₁₂ 

รูป การเปลี่ยนแปลงสภาวะของสสารเมื่อได้รับความร้อนในระบบปิด

ในการวิเคราะห์จำเป็นต้องพิจารณาทิศทางของการถ่ายเท Q₁₂ และ W₁₂ ซึ่งกระทำ โดยการใส่เครื่องหมาย (บวกหรือลบ) ให้กับค่าความร้อน (Q) และงาน (W) ที่เกี่ยวข้องสามารถสรุปเครื่องหมายได้ดังนี้

ฉะนั้นสามารถเขียนสมการพลังงานที่เปลี่ยนแปลงในระบบปิดนี้ได้ดังนี้

∆Q = ∆U + ∆W

เมื่อคิดต่อมวลสาร 1 kg จะได้ปริมาณความร้อน และงาน โดยใช้เป็นอักษรตัวเล็กคือ

q₁₂ = u₂ – u₁ + w₁₂

∆q  = ∆u + ∆w

กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์สำหรับระบบเปิด (Open system)

ระบบเปิดเป็นระบบที่มีการเคลื่อนที่ของมวลผ่านขอบเขตระบบ สามารถแบ่งกระบวนการเคลื่อนที่ของมวลได้เป็น 2 ลักษณะ คือ กระบวนการที่มีการไหลแบบคงตัว (Steady-flow process) และกระบวนการที่มีการไหลแบบไม่คงตัว (Unsteady-flow process) ในที่นี้จะพิจารณาเฉพาะการไหลแบบคงตัวเท่านั้น

กระบวนการที่มีการไหลแบบคงตัว (Steady-flow process)

เมื่อนำกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์มาใช้คำนวณในระบบเปิด ในระบบเปิดนั้นมวลสารในระบบมีการเปลี่ยนแปลง แต่ถ้าปริมาณมวลสารที่เข้าสู่ระบบไม่มีการเปลี่ยนแปลงไปกับเวลา เราจะเรียกว่าเป็น “การไหลแบบคงตัว” ระบบที่เป็นการไหลแบบคงตัวนั้น งานและพลังงานความร้อนในระบบเปิดที่พิจารณา จะคิดเป็นต่อหน่วยของเวลา โดยปริมาณต่อหน่วยของเวลาจะใช้สัญลักษณ์เป็น [^.] ที่ข้างบน รวมไปถึงพลังงานและงานที่เข้าและที่ออกด้วย

รูป การไหลแบบคงตัวในระบบเปิด

จากความสัมพันธ์ที่กล่าวมาทั้งหมดสามารถสร้างเป็นสมการความสัมพันธ์ได้ดังนี้

ถ้าจัดเทอมของค่าคุณสมบัติสำหรับทางเข้าไว้ทางซ้ายมือ และจัดเทอมของค่าคุณสมบัติสำหรับทางออกไว้ที่ทางขวามือ จะสามารถสร้างสมการได้ดังต่อไปนี้

เอนทัลปี (Enthalpy)

จากสมการการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบเปิดจะสังเกตว่า u + Pv เป็นค่าคุณสมบัติ ที่เกิดในระบบของการไหล ซึ่งจะเรียกค่าคุณสมบัตินั้นว่า “เอนทัลปี (Enthalpy)” ค่าเอนทัลปีต่อมวล 1 [kg] จะเรียกว่าค่า “เอนทัลปีจำเพาะ” ใช้สัญลักษณ์เป็น h ดังสมการ

h = u + Pv

และเมื่อใช้ค่าเอนทัลปีแทนเข้าไปในสมการในระบบเปิด จะได้สมการใหม่เป็น

สมการที่กล่าวมานี้นี้เป็นการแสดงการใช้กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ที่คลอบคลุมไปถึงระบบเปิด และเรียกสมการนี้ว่า “สมการพลังงาน (Energy equation)”

อ้างอิง

Yunus A. Cengel, M. A. (2005). In Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Science/Engineering/Math.

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004). ความร้อนเบื้องต้น. Retrieved from DEDE: http://www2.dede.go.th/bhrd/old/file_handbook.html