คุณสมบัติที่ควรรู้สำหรับเทอร์โมไดนามิกส์ (Properties for Thermodynamics)

ประเภทของสมบัติในระบบ

สมบัติที่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบ (Extensive properties) คือ สมบัติใด ๆ ของวัตถุ หรือ ระบบ ที่แปรผันหรือขึ้นอยู่กับ ขนาด หรือ ขอบเขตของระบบ เช่น มวล (mass), ปริมาตร (Volume), พลังงานรวม (Total energy ) เป็นต้น ยกตัวอย่างเช่น น้ำหนักน้ำ 1 กิโลกรัม ย่อมมีค่ามวลไม่เท่ากับน้ำหนักน้ำ 2 กิโลกรัม

สมบัติที่ไม่ขึ้นอยู่กับมวลของระบบ (Intensive properties) คือ สมบัติใด ๆ ของวัตถุ หรือ ระบบ ที่ไม่ขึ้นอยู่กับ ขนาดหรือขอบเขตของระบบ หรือ เป็นคุณสมบัติที่เป็นอิสระต่อขนาด เช่น อุณหภูมิ (Temperature), ความดัน (Pressure), ความหนาแน่น (Density), ความร้อนจำเพาะ (Specific heat) เป็นต้น ยกตัวอย่างเช่น น้ำหนักน้ำ 1 กิโลกรัมนั้นมีความหนาแน่นเท่ากับ น้ำหนักน้ำ 2 กิโลกรัม (ความหนาแน่นของน้ำเท่ากับ 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร)

อุณหภูมิ (TEMPERATURE)

อุณหภูมิ (Temperature) เป็นสมบัติที่ใช้บอกความร้อน-เย็นของสสาร แต่เราไม่สามารถบอกระดับอุณหภูมิจากความรู้สึกเพียงอย่างเดียว ซึ่งในบางครั้งการพิจารณาความร้อน-เย็นจากความรู้สึกอาจมีความผิดพลาดได้ เช่น เราจะมีความรู้สึกว่าสสารที่เป็นโลหะจะเย็นกว่าวัตถุที่เป็นไม้ แม้ว่าวัตถุทั้งสองจะมีอุณหภูมิเท่ากันก็ตาม

จากคุณสมบัติของสสารหลายอย่างที่เกิดการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิโดยมีทิศทาง และขนาดของการเปลี่ยนแปลงที่แน่นอน ปรากฏการณ์ดังกล่าวได้ถูกนำมาเป็นหลักเกณฑ์ในการวัดอุณหภูมิที่มีความแม่นยำ โดยวิธีที่นิยม คือการวัดจากการขยาย และการหดตัว (การเปลี่ยนแปลงปริมาตร) ของปรอทที่บรรจุในหลอดแก้วโดยเครื่องมือดังกล่าวเรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์

หน่วยของอุณหภูมิ (Temperature  units)

หน่วยอุณหภูมิ (Temperature units) สำหรับวัดที่ใช้ในระบบ SI คือ องศาเซลเซียส [°C] ส่วนสเกลอุณหภูมิที่ใช้ในระบบอังกฤษ คือ องศาฟาเรนไฮต์ [°F] สเกลหน่วยอุณหภูมิมักกำหนดอ้างอิงกับจุดอ้างอิงหลักสองจุด คือ จุดน้ำแข็ง (Freezing point) และจุดเดือด (Boiling point) ของน้ำ โดยในสเกลองศาเซลเซียสมีการกำหนดให้จุดน้ำแข็ง และจุดน้ำเดือดมีระดับอุณหภูมิเป็น 0 °C และ 100 °C ตามลำดับ ในขณะที่สเกลองศาฟาเรนไฮต์กำหนดให้เป็น 32 °F และ 212 °F ตามลำดับ

รูป เปรียบเทียบสเกลของอุณหภูมิในหน่วย องศาเซลเซียส [^oC] , องศาฟาเรนไฮต์ [°F] และ เคลวิน [K]

นอกจากอุณหภูมิในหน่วย องศาเซลเซียสและองศาฟาเรนไฮต์ แล้วยังมีหน่วยของอุณหภูมิอีก 2 ระบบได้แก่  องศาเคลวิน [K] และ องศาแรงคีน [R] โดยหน่วยอุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics) คือ องศาเคลวิน [K] ซึ่งสมการที่ใช้ในการแปลงหน่วยอุณหภูมิในระบบต่าง ๆ มีดังนี้

สำหรับขนาดของผลต่างของอุณหภูมิ (ΔT) ในหน่วยต่าง ๆ มีความสัมพันธ์กันดังนี้

ΔT[R] = ΔT[°F] = 1.8 ΔT[K] = 1.8 ΔT[°C]

ความชื้น (HUMIDITY)

โดยธรรมชาติทั่วไปแล้วอากาศจะมีไอน้ำผสมอยู่ ปริมาณไอน้ำที่ผสมอยู่ในอากาศนั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขต่าง ๆ ดังนั้นในกระบวนการต่าง ๆ เช่น การผสมอากาศ การอบแห้ง จึงจำเป็นต้องพิจารณาปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศนี้ด้วย อากาศที่มีไอน้ำผสมรวมอยู่นี้ เรียกว่า “อากาศชื้น (Moist air or Humid air)”  เนื่องจากปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศมีการเปลี่ยนแปลงได้ง่าย   ดังนั้นอากาศชื้นนี้สามารถแยกออกเป็นอากาศที่ไม่มีไอน้ำปนอยู่หรือเรียกว่า “อากาศแห้ง (dry air)”กับไอน้ำโดย

อากาศชื้น (Moist air) = อากาศแห้ง (dry air)+ ไอน้ำ (vapor) 

จากกฎของดัลตัน (Dalton’s law) ที่เกี่ยวกับของผสมของแก๊สในอุดมคติ (Ideal gas) ความสัมพันธ์ระหว่างความดันของอากาศชื้นสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

ความดันของอากาศชื้น (P) = ความดันของอากาศแห้ง (P_a) + ความดันของไอน้ำ (P_w)

อัตราส่วนอากาศชื้น (Humidity ratio)

อัตราส่วนความชื้น (Humidity ratio) คือ สัดส่วนของมวลไอน้ำที่มีอยู่ต่อมวลของอากาศแห้ง หรือเรียกอีกอย่างว่า ความชื้นจำเพาะ (specific humidity) หรือ ความชื้นสมบูรณ์ (Absolute humidity) โดยสามารถเขียนอัตราส่วนความชื้นได้ดังนี้

จากสมการข้างบน เมื่อทราบอัตราส่วนของความชื้นของอากาศแล้ว ก็สามารถคำนวณหามวลอากาศแห้ง และมวลของไอน้ำ ที่มีอยู่ในอากาศชื้นได้

ความชื้นสัมพัทธ์  (Relative humidity)

ความชื้นสัมพัทธ์เป็นค่าที่แสดงถึงปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศชื้น  เทียบกับปริมาณไอน้ำที่มากที่สุดที่มีอยู่ในอากาศนั้นได้ จะหาได้จากความชื้นสัมพัทธ์กับค่าระดับความชื้นอิ่มตัว (Degree of saturation)

ความชื้นสัมพัทธ์ ยังนิยามได้ว่าเป็นสัดส่วนกันระหว่างความดันย่อยของไอน้ำ ณ ขณะนั้นกับความดันย่อยของไอน้ำในอากาศชื้นมากที่สุดที่สามารถมีได้ ที่เรียกว่า “อากาศชื้นอิ่มตัว (Saturated moist air)” ค่าความชื้นสัมพัทธ์ สามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้

อัตราส่วนความชื้นของอากาศต่ออัตราส่วนความชื้นของอากาศอิ่มตัวจะเรียกว่า “ระดับความอิ่มตัว หรือ เปอร์เซ็นต์ความชื้น (Percentage humidity)” สามารถเขียนเป็นสมการได้ว่า

ความสัมพันธ์ระหว่างระดับความอิ่มตัวกับอัตราส่วนความชื้น

อัตราส่วนความชื้นเป็นค่าที่จำเป็นต้องใช้ในหลาย ๆ กระบวนการ ซึ่งในกรณีที่ให้ค่าระดับความอิ่มตัวมา จากคำจำกัดความของระดับของความอิ่มตัว ค่าอัตราส่วนความชื้นสามารถคำนวณได้ดังต่อไปนี้

ในการคำนวณอัตราส่วนความชื้น ใช้สมการสภาวะของแก๊สในอุดมคติ ค่าอัตราส่วนระหว่างมวลไอน้ำและมวลอากาศแห้งจะเป็น

จากความหมายอากาศชื้นสามารถหาอากาศแห้งได้จาก

P_a= P - P_w

และจากคำจำกัดความของความชื้นสัมพัทธ์จะได้ว่า

P_w = ØP_s

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าอัตราส่วนความชื้นกับค่าความชื้นสัมพัทธ์จะเขียนเป็นสมการได้ดังต่อไปนี้

ฉะนั้นสามารถหาค่าความชื้นสัมพัทธ์จากสมการ

ความร้อน (HEAT)

ความร้อน (Heat) เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่มีการถ่ายเทพลังงานจากระบบ, ขอบเขต หรือวัตถุหนึ่งไปอีกระบบ, ขอบเขต หรืออีกวัตถุหนึ่งโดยอาศัยความแตกต่างกันของอุณหภูมิ ความร้อนสามารถถ่ายเทพลังงานได้ 3 รูปแบบได้แก่ การนำความร้อน (Conduction), การพาความร้อน (Convection) และการแผ่รังสีความร้อน  (Radiation) นอกจากนี้ความร้อนที่วัตถุได้รับหรือดึงออกไปนั้นสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ ความร้อนสัมผัส (Sensible heat) และ ความร้อนแฝง (Latent heat)

ความร้อนสัมผัส (Sensible heat)

สสารหรือวัตถุใด ๆ เมื่อได้รับความร้อนจนร้อนขึ้น หรือคลายความร้อนจนเย็นลงปริมาณความร้อนที่รับเข้าหรือคลายออก จะมีสัดส่วนโดยตรงกับมวลของสสารและอุณหภูมิของสสารที่เปลี่ยนไป เรียกว่า ความร้อนสัมผัส (Sensible heat) โดยสามารถเขียนความสัมพันธ์ดังกล่าวออกมาเป็นสมการดังนี้

Q = m x c x ΔT

ค่าความร้อนจำเพาะ หรือเรียกว่า “(Specific Heat)” หมายถึง ปริมาณความร้อนที่ทำให้สสารใด ๆ ที่มีน้ำหนัก 1 kg มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1°C

เมื่อต้องการทำให้สสารใด ๆ มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1 °C ปริมาณความร้อนที่จำเป็นต้องใช้ ในกระบวนการนี้จะเรียกว่า ปริมาณความจุความร้อน (Calorific capacity or Heat capacity, C) โดยปริมาณความร้อน และค่าความร้อนจำเพาะมีความสัมพันธ์กันดังนี้

C = mc    [kJ/K]

ดังนั้นเมื่อต้องการเพิ่มความร้อน หรือทำความเย็น ถ้าเราทราบค่าความร้อนจำเพาะของสสารใด ๆ เราก็สามารถคำนวณหาปริมาณความร้อนที่จำเป็นต้องเพิ่มเข้าไปในระบบ หรือปริมาณความร้อนที่ต้องดึงออกจากระบบได้ ค่าความร้อนจำเพาะสามารถเปลี่ยนแปลงไปได้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และความดัน ตลอดจนขึ้นอยู่กับเงื่อนไขในการเพิ่มความร้อน หรือทำความเย็น

สำหรับสสารที่เป็นของแข็งและของเหลว ค่าความร้อนจำเพาะของสสารนั้น ๆ จะไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก สามารถคิดเป็นค่าคงที่ที่ไม่เปลี่ยนแปลงได้ แต่สำหรับสสารที่เป็นแก๊สแล้วค่าความร้อนจำเพาะนั้นมีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะต่างๆ อย่างมาก ดังนั้นสำหรับสสารที่เป็นแก๊ส จึงจำเป็นที่จะต้องกำหนดเงื่อนไขของการให้ความร้อน หรือทำความเย็นอย่างชัดเจนก่อน โดยปกติทั่วไปแล้วค่าที่ใช้กันจะถูกกำหนดให้อยู่ภายใต้เงื่อนไขที่ความดันคงที่ กับเงื่อนไขที่ปริมาตรคงที่ ซึ่งจะเรียกว่า ค่าความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ และ ค่าความร้อนจำเพาะที่ปริมาตรคงที่

ความร้อนแฝง  (Latent heat)

ความร้อนแฝง (Latent heat) คือ ปริมาณความร้อนที่เข้าหรือออกจากสสารใด ๆ แล้วทำให้สสารดังกล่าวเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวหรือของเหลวเป็นไอ โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เช่น ที่บรรยากาศปกติน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0°C สามารถเปลี่ยนไปเป็น น้ำ อุณหภูมิ 0°C หรือ น้ำ เปลี่ยนไปเป็นไอน้ำ  ที่ 100°C  ซึ่งโดยทั่วไปเราเรียก ความร้อนเหล่านั้นว่า ความร้อน(แฝง)ในการหลอมละลาย และ ความร้อน(แฝง)ในการระเหย ตามลำดับ โดยความร้อนแฝงสามารถคำนวณได้จากสมการดังนี้

QL = m x L

ความร้อนของปฏิกิริยา (Heat of Reaction)

ความร้อนของปฏิกิริยา (Heat of reaction) คือ ปฏิกิริยาทางเคมีที่มีความร้อนเกิดขึ้นจากปฏิกิริยา เช่นในปฏิกิริยาการเผาไหม้ (Combustion reaction) ปริมาณความร้อนจากเชื้อเพลิงจะถูกปล่อยออกมา ซึ่งสามารถนำ ความร้อนจากปฏิกิริยาเหล่านี้ไปใช้ประโยชน์ได้

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