สรุป บทที่ 10

นิยามศัพท์และกฎข้อศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ การนำความร้อน (Thermally Conducting) คือ ระบบสองระบบซึ่งสามารถถ่ายโอน ความร้อนระหว่างกันได้ ฉนวนความร้อน (Thermally Insulating) คือ ระบบสองระบบซึ่งไม่สามารถถ่าย โอนความร้อนระหว่างกันได้ อุณหภูมิ (Temperature) คือ ปริมาณทางฟิสิกส์ซึ่งบอกถึงสมดุลทางความร้อน ระหว่างระบบสองระบบ กฎข้อศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ (Zeroth Law of Thermodynamics) ถ้าวัตถุ A และ B ต่างอยู่ในสมดุลทางอุณหภูมิกับวัตถุ C แล้ววัตถุ A และ B จะ อยู่ในสมดุลอุณหภูมิซึ่งกันและกัน ระดับอณุหภูมิองศาเซลเซียส (The Celsius Temperature Scale : °C) อุณหภูมิ 0 °C คือ อุณหภูมิที่น้ำและน้ำแข็งอยู่ในสมดุลของอุณหภูมิที่ ความดัน บรรยากาศ อุณหภูมิ 100 °C คือ อุณหภูมิที่ไอน้ำและน้ำอยู่ในสมดุลของอุณหภูมิที่ ความดัน บรรยากาศ

การแปลงอุณหภูมิ แนวคิด คือ การเทียบอัตราส่วนโดยอ้างอิงจากตำแหน่งอุณหภูมิเดียวกัน เช่น จุดหลอมเหลวของน้ำ และจุดเดือดของน้ำ เป็นต้น T  - T T  - T A A at 0 °C B B at 0 °C = T         - T T         - T A at 100 °C A at 0 °C B at 100 °C B at 0 °C การแปลงอุณหภูมิระหว่างหน่วย K, °C and °F T  - 273.15 T  - 0 T  - 32 K °C °F = = 373.15 - 273.15 100 - 0 212 - 32 T  - 273.15 T T  - 32 K °C °F ∴ = = 5 5 9

ข้อสังเกต อุณหภูมที่เปลี่ยนไปในหน่วยเคลวินเท่ากับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปในหน่วยองศา เซลเซียส

การเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุเนื่องจากอุณหภูมิที่เปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงรูปร่างในเชิงเส้น (1 มิติ) ΔL = αL₀ΔT ΔL คือ ความยาวที่เปลี่ยนไปของวัตถุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT α คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นเฉลี่ย (Average Coefficient of Linear Expansion ; 〚Temperature⁻¹〛) L₀ คือ ความยาวของวัตถุที่อุณหภูมิเริ่มต้น การเปลี่ยนแปลงรูปร่างในเชิงพื้นที่ (2 มิติ) ΔA = γA₀ΔT ΔA คือ พื้นที่ที่เปลี่ยนไปของวัตถุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT γ คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงพื้นที่เฉลี่ย โดย γ = 2α A₀ คือ พื้นที่วัตถุที่อุณหภูมิเริ่มต้น การเปลี่ยนแปลงรูปร่างในเชิงปริมาตร (3 มิติ) ΔV = βV₀ΔT ΔV คือ ปริมาตรที่เปลี่ยนไปของวัตถุเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT β คือ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรเฉลี่ย โดย β = 3α V₀ คือ ปริมาตรวัตถุที่อุณหภูมิเริ่มต้น

แก๊สในอุดมคติ (Ideal Gas) กฎของบอยล์ (Boyle’s Law) 1 P ∝ หรือ PV = ค่าคงที่ V P คือ ความดันของแก๊ส V คือ ปริมาตรของแก๊ส กฎของชาร์ล (Charles’s Law) V V ∝ T หรือ = ค่าคงที่ T T คือ อุณหภูมิของแก๊ส กฎของเกย์-ลูสแซก (Gay-Lussac’s Law) P P ∝ T หรือ = ค่าคงที่ T กฎของแก๊สในอุดมคติ PV = Nk T B P คือ ความดันของแก๊ส V คือ ปริมาตรของแก๊ส N คือ จำนวนโมเลกุลของแก๊ส k คือ Boltzmann’s Constant ≈ 1.38×10⁻²³ J/K B T คือ อุณหภูมิของแก๊ส (หน่วย K) N m จาก n = = m N A A n คือ โมลของแก๊ส m คือ มวลของแก๊ส m คือ molar mass (เท่ากับมวลแก๊ส 1 โมเลกุล) A N คือ Avogadro’s Number ≈ 6.022×10²³ mol⁻¹ A จะได้ PV = (nN )k T A B PV = n(N k )T A B PV = nRT ; R = N k A B R คือ Universal Gas Constant = N k ≈ 8.31 J/mol·K A B P₂V₂ P₁V₁ ในระบบปิด (n หรือ N คงที่) จะได้ = T₁ T₂ ข้อสังเกต ความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิของแก๊สมีความสัมพันธ์ตามกฎของแก๊ส อุดมคติ เมื่ออยู่ในระบบปิด

สมบัติของแก๊สในอุดมคติ 1) โมเลกุลเคลื่อนที่ตามกฎของนิวตัน และเคลื่อนที่แบบสุ่ม (ส่งผลให้ค่าเฉลี่ยของ ความเร็วยกกำลังสองในแต่แกนเท่ากัน v ² = v ² = v ²) x,av y,av z,av 2) ในระบบมีจำนวนโมเลกุลมากๆ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลโดยเฉลี่ยมากกว่าขนาด ของโมเลกุลมากๆ และปริมาตรของโมเลกุลมีขนาดน้อยมากๆ เมื่อเทียบกับปริมาตร ของภาชนะ 3) โมเลกุลทุกตัวเหมือนกัน (Identical) 4) ไม่มีแรงกระทำระหว่างโมเลกุล มีเพียงแรงเนื่องจากการชนกันเองของโมเลกุลและ ชนกับภาชนะเท่านั้น 5) การชนเป็นการชนแบบยืดหยุ่นในช่วงเวลาที่สั้นมากๆ

พลังงานของแก๊สในอุดมคติ 1 โมเลกุล d d E₁ = k T = PV B 2 2 E₁ คือ พลังงานของแก๊สในอุดมคติ 1 โมเลกุล d คือ Degree of Freedom ในกรณีอะตอมเดี่ยวเคลื่อนที่อิสระใน 3 มิติ จะได้ d = 3 ในกรณีอะตอมคู่เคลื่อนที่อิสระใน 3 มิติ ในสถานะปกติ จะได้ d = 5 ในกรณีอะตอมคู่เคลื่อนที่อิสระใน 3 มิติ ในสถานะกระตุ้น จะได้ d = 7 k คือ Boltzmann’s Constant ≈ 1.38×10⁻²³ J/K B T คือ อุณหภูมิ ข้อสังเกต พลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแก๊ส แต่ไม่ขึ้นกับมวลรวม ทั้งหมดของแก๊ส ที่อุณหภูมิหนึ่ง แก๊สอะตอมเดี่ยวทุกชนิดจะมีพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่ากัน ไม่ขึ้น กับมวลของแก๊ส เมื่อแก๊สในภาชนะปิดมีอุณหภูมิสูงขึ้น จะทำให้แก๊สเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว เพิ่มขึ้น จำนวนโมเลกุลของแก๊สที่ชนต่อพื้นที่จะเพิ่มขึ้น ความดันของแก๊สจึงเพิ่มขึ้น

การแจกแจงแบบโบลทซ์มันส์ (Boltzmann Distribution Law) E - k T n = n₀e B n คือ ความหนาแน่นของจำนวนโมเลกุลแก๊สที่มีพลังงานอยู่ในช่วง E ถึง E + dE n₀ คือ ความหนาแน่นของจำนวนโมเลกุลแก๊สที่มีพลังงานอยู่ในช่วง 0 ถึง dE E คือ พลังงานของโมเลกุลแก๊ส T คือ อุณหภูมิ k คือ Boltzmann’s Constant ≈ 1.38×10⁻²³ J/K B

ฟังก์ชันแจกแจงอัตราเร็วแบบแมกซ์เวลล์-โบลทซ์มันส์ (Maxwell- Boltzmann Speed Distribution Function) mv² - m / 2k T N = 4πN( )³ ²v²e B v 2πk T B N คือ จำนวนโมเลกุลแก๊สที่มีอัตราเร็ว v v N คือ จำนวนโมเลกุลแก๊สทั้งหมด m คือ มวลโมเลกุลของแก๊ส T คือ อุณหภูมิ v คือ อัตราเร็วของแก๊ส k คือ Boltzmann’s Constant ≈ 1.38×10⁻²³ J/K B อัตราเร็วเฉลี่ย (Average Speed ; v 〚m/s〛) av ∫N(v)vdv Σv ΣN v i i v = = = av N N N อัตราเร็วรากที่สองเฉลี่ยกำลังสอง (rms Speed ; v 〚m/s〛) rms ∫N(v)v²dv Σv² ΣN v ² i i v = = = rms N N N อัตราเร็วที่มีอนุภาคสูงสุด (Most Probable Speed ; v 〚m/s〛) mp dN(v) หา v จาก = 0 mp dv N v อุณหภูมิต่ำกว่า อุณหภูมิสูงกว่า v v v v mp av rms d จาก E₁ = k T B 2 1 d m(v²) = k T av B 2 2 1 d mv ² = k T rms B 2 2 dk T B ∴ v = rms m 3k T B สำหรับโมเลกุลเดี่ยวเคลื่อนที่อิสระใน 3 มิติ จะได้ v = rms m

v , v และ v สำหรับแก๊สในอุดมคติ rms av mp 3k T B v = rms m 8k T B v = av mπ 2k T B v = mp m ข้อสังเกต เมื่อแก๊สมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราเร็วอาร์เอ็มเอสของโมเลกุลแก๊สจะเพิ่มขึ้น โดยมีความสัมพันธ์ตามทฤษฎีจลน์ของแก๊ส

ระยะทางเฉลี่ยอิสระ และเวลาเฉลี่ยอิสระ (Mean Free Path and Mean Free Time) ระยะทางเฉลี่ยอิสระ (Mean Free Path ; ℓ 〚m〛) คือ ระยะทางเฉลี่ยที่โมเลกุลจะ เคลื่อนที่โดยไม่เกิดการชน หรือ ระยะทางเฉลี่ยในการชนแต่ละครั้ง 1 ℓ = 2n πd² v n คือ ความหนาแน่นของจำนวนอนุภาค v d คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลแก๊ส เวลาเฉลี่ยอิสระ (Mean Free Time ; T 〚s〛) คือ เวลาเฉลี่ยที่โมเลกุลจะเคลื่อนที่ โดยไม่เกิดการชน 1 1 T = = f 2n πd²v v av f คือ ความถี่เฉลี่ยในการชนของโมเลกุลแก๊ส v คือ อัตราเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลแก๊ส av

พลังงานภายในระบบ (Internal Energy) พลังงานภายในระบบ (Internal Energy ; U 〚J, kg·m²/s²〛) คือ พลังงาน ทั้งหมดของระบบซึ่งเกิดจากส่วนประกอบเล็กๆ ทั้งหมดของระบบ ดังนั้น U = ΣE i d d สำหรับแก๊สในอุดมคติ U = Σ( k T) ; E = k T B B 2 2 d U = N k T B 2 d U = (nN ) k T ; N = nN A B A 2 d U = n (N k )T A B 2 d U = n( R)T ; R = N k A B 2 d หรือ U = ( )PV ; PV = nRT 2 ข้อสังเกต พลังงานภายในของแก๊ส หรือพลังงานภายในระบบขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแก๊ส และจำนวนโมเลกุลของแก๊สที่มีในระบบ

ความร้อน (Heat) ความร้อน (Heat ; Q 〚J, kg·m²/s²〛) คือ พลังงานที่ถ่ายเทระหว่างระบบกับสิ่ง แวดล้อมเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม ในกรณีที่อุณหภูมิของระบบมีการเปลี่ยนแปลง Q = CΔT C คือ ค่าความจุความร้อนเชิงมวล (Heat Capacity) ΔT คือ อุณหภูมิของระบบที่เปลี่ยนไป Q = mcΔT m คือ มวลของระบบ C c คือ ค่าความจุความร้อนจำเพาะเชิงมวล (Mass Specific Heat) โดยที่ c = m ΔT คือ อุณหภูมิของระบบที่เปลี่ยนไป Q = ncΔT n คือ จำนวนโมลของระบบ c คือ ค่าความจุความร้อนจำเพาะเชิงโมล (Molar Specific Heat) ในกรณีที่อุณหภูมิของระบบไม่เปลี่ยนแปลง (ระบบกำลังเปลี่ยนเฟส) Q = mL L คือ ค่าความร้อนแฝงเชิงมวล (Mass Latent Heat) Q = nL L คือ ค่าความร้อนแฝงเชิงโมล (Molar Latent Heat) ข้อสังเกต วัตถุต่างชนิดกันที่มีมวลเท่ากันและอุณหภูมิเท่ากันเมื่อได้รับความร้อนปริมาณ เท่ากันจะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นแตกต่างกันขึ้นกับสมบัติของสารแต่ละชนิด สารชนิดเดียวกันแต่มีมวลต่างกันจะมีความจุความร้อนต่างกันแต่มีความร้อน จำเพาะเท่ากัน เมื่อให้ความร้อนในขณะที่สารเปลี่ยนเฟส อุณหภูมิของสารนั้นจะคงที่ สำหรับสารใดๆ ความร้อนที่ทำให้สารเปลี่ยนเฟสจากของแข็งเป็นของเหลวมี ขนาดเท่ากับความร้อนที่ทำให้สารเปลี่ยนเฟสจากเหลวเป็นของแข็ง และความร้อนที่ ทำให้สารเปลี่ยนเฟสจากของเหลวเป็นของแก๊สมีขนาดเท่ากับความร้อนที่ทำให้สาร เปลี่ยนเฟสจากแก๊สเป็นของเหลว

งานในกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ งาน (Work ; W 〚J, kg·m²/s²〛) P P f P i W = -∫PdV V V V i f W = -∫PdV = -(พื้นที่ใต้กราฟ P กับ V) P คือ ความดัน dV คือ ปริมาตรที่เปลี่ยนไปเล็กๆ เมื่อปริมาตรลดลง (dV < 0) จะได้ W > 0 (งานที่ทำโดยแก๊สภายในลูกสูบเป็น บวก) คือ สิ่งแวดล้อมทำงานให้กับระบบ หรือ ระบบได้รับงานจากสิ่งแวดล้อม เมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น (dV > 0) จะได้ W < 0 (งานที่ทำโดยแก๊สภายในลูกสูบเป็น ลบ) คือ ระบบทำงานให้กับสิ่งแวดล้อม หรือ ระบบเสียงานให้กับสิ่งแวดล้อม ในกรณีที่ความดันคงที่ P P W V V V i f W = -PΔV P คือ ความดัน ΔV คือ ปริมาตรที่เปลี่ยนไปของแก๊ส

งานในกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์เท่ากับพื้นที่วงปิดของกราฟ P กับ V P ทิศตามเข็มนาฬิกา W < 0 W ทิศทวนเข็มนาฬิกา W > 0 V

กฎข้อหนึ่งของอุณหพลศาสตร์ (The First Law of Thermodynamics) ΔU = Q + W ΔU คือ การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบ Q คือ ความร้อนที่ถ่ายเทเข้าสู่ระบบ W คือ งานที่กระทำให้กับระบบ ΔU > 0 คือ พลังงานภายในของระบบเพิ่มขึ้น ΔU < 0 คือ พลังงานภายในของระบบลดลง Q > 0 คือ ความร้อนถ่ายเทเข้าสู่ระบบ Q < 0 คือ ความร้อนถ่ายเทออกจากระบบ W > 0 คือ สิ่งแวดล้อมทำงานให้กับระบบ หรือระบบได้รับงานเข้ามา W < 0 คือ ระบบทำงานให้กับสิ่งแวดล้อม หรือระบบเสียงานออกไป

สรุปทั้ง 4 กระบวนการ Isovolumetric Process Isobaric Isothermal Adiabatic (Isochoric) ΔV = 0 ΔP = 0 ΔT = 0 Q = 0 Meaning P₂V₂ P₁V₁ = T₂ T₁ P₂ P₁ V₂ V₁ γ γ = = P₂V₂ = P₁V₁ Ideal Gas P₂V₂ = P₁V₁ T₁ T₂ T₂ T₁ γ-1 γ-1 T₂V₂ =T₁V₁ nc ΔT nc ΔT 0 nc ΔT ΔU V V V ΔU = nc ΔT V P₂V₂ - P₁V₁ γ - 1 V₂ 0 -PΔV -nRTln( ) W P₁V₁ V₁ γ-1 V₁ (( ) - 1) γ - 1 V₂ P₂V₂ V₂ γ-1 (1 - ( ) ) γ - 1 V₁ V₂ ΔU = nc ΔT nc ΔT 0 -W = nRTln( ) Q V P V₁ st ΔU = Q ΔU = Q + W 0 = Q + W ΔU = W 1 Law d c = R V 2 d + 2 c = c + R = ( )R P V 2 c R 2 d + 2 P γ = = 1 + = 1 + = c c V V d d

การถ่ายโอนพลังงาน (Energy Transfer) การนำความร้อน (Thermal Conduction) คือ การส่งความร้อนต่อไปเรื่อยๆ จาก บริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า อุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิต่ำกว่า กฎการนำความร้อน (Law of Thermal Conduction) A อุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิต่ำกว่า dx dT ℘ = kA| | dx ℘ คือ กำลังในนำความร้อน k คือ สัมประสิทธิ์การนำความร้อน (Thermal Conductivity) A คือ พื้นที่หน้าตัดในการนำความร้อน dT คือ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิช่วงเล็กๆ dx คือ ระยะทางช่วงเล็กๆ ในการส่งผ่านความร้อน พิจารณาในกรณีที่วัตถุพื้นที่หน้าตัด A หนา L₁ สัมประสิทธิ์การนำความร้อน k₁ ติดกับวัตถุพื้นที่หน้าตัด A หนา L₂ สัมประสิทธิ์การนำความร้อน k₂ โดยที่อุณหภูมิ ด้านหนึ่งเป็น T₁ และอีกด้านหนึ่งเป็น T₂ (T₁ > T₂) ดังรูปด้านล่าง T₁ T₂ L₁ L₂ พิจารณากำลังการนำความร้อนบริเวณรอยต่อของวัตถุทั้งสองจะต้องเท่ากัน จะได้ ℘₁ = ℘₂ T - T₂ T₁ - T k₁A( ) = k₂A( ) L₁ L₂ k₁AL₂T₁ - k₁AL₂T = k₂AL₁T - k₂AL₁T₂ (k₂L₁ + k₁L₂)T = k₁L₂T₁ + k₂L₁T₂ k₁L₂T₁ + k₂L₁T₂ T = k₂L₁ + k₁L₂ แทนที่เข้าไปใน ℘₁ จะได้ k₁L₂T₁ + k₂L₁T₂ k₁A ℘₁ = (T₁ - ) L₁ k₂L₁ + k₁L₂ k₁A ℘₁ = (k₂L₁T₁ + k₁L₂T₁ - k₁L₂T₁ - k₂L₁T₂) L₁(k₂L₁ + k₁L₂) k₁k₂A ℘₁ = (T₁ - T₂) (k₂L₁ + k₁L₂) A(T₁ - T₂) ℘₁ = L₁ +  L₂ k₁ k₂ L A ℘₁ = (T₁ - T₂) ; R = ΣR k A L ∴ ในกรณีที่วัตถุมีหลายชั้น จะได้ ℘ = (T - T ) ; R = h c k ΣR T คือ อุณหภูมิของหน้าตัดที่มีอุณหภูมิสูงกว่า h T คือ อุณหภูมิของหน้าตัดที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า c การพาความร้อน (Convection) คือ การส่งต่อความร้อนจากบริเวณที่อุณหภูมิสูง กว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยที่ตัวกลางหนึ่งถ่ายเทความร้อนให้อีก ตัวกลางหนึ่งผ่านการสัมผัสโดยไม่ผ่านตัวกลางอื่น อุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิต่ำกว่า การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) คือ การส่งต่อความร้อนจากบริเวณที่อุณหภูมิสูง กว่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า โดยไม่ผ่านตัวกลางอื่นๆ และตัวกลางทั้งสองไม่ สัมผัสกัน อุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิต่ำกว่า กฎของสเตฟาน (Stefan’s Law) ℘ = σAeT⁴ ℘ คือ กำลังในการแผ่รังสี σ คือ Stefan’s Constant ≈ 5.6696×10⁻⁸ W/m²·K⁴ A คือ พื้นที่ผิวของวัตถุ e คือ ความสามารถในการแผ่รังสี (Emissivity) T คือ อุณหภูมิที่พื้นผิววัตถุในหน่วย K เมื่อพิจารณาสิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิ T และวัตถุมีอุณหภูมิ T เมื่อ T > T s s วัตถุจะถ่ายเทพลังงานออกมาด้วยการแผ่รังสีในอัตรา (กำลังในการแผ่รังสี) ℘ = σAe(T⁴ - T ⁴) s ข้อสังเกต การถ่ายโอนความร้อนเกิดขึ้นได้โดยการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้ ความร้อนจะถ่ายโอนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ และหยุดถ่ายโอนเมื่ออุณหภูมิของทั้งสองบริเวณเท่ากัน

การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี เอนโทรปี (Entropy ; S 〚J/K, kg·m²/s²·K〛) คือ ปริมาณที่บ่งบอกถึงความไม่ เป็นระเบียบของระบบ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี dQ ΔS = ∫ T ΔS คือ การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี dQ คือ การเปลี่ยนแปลงความร้อนในช่วงเล็กๆ T คือ อุณหภูมิ

ตัวแปรสถานะ ตัวแปรส่งผ่าน กระบวนการผันกลับได้ และกระบวนการผัน กลับไม่ได้ ตัวแปรสถานะ (State Variables) คือ ตัวแปรที่มีค่าไม่ขึ้นกับเส้นของการ เปลี่ยนแปลง เช่น ความดัน (P), อุณหภูมิ (T), ปริมาตร (V), พลังงานภายใน (U) และ เอนโทรปี (S) เป็นต้น เมื่อการเปลี่ยนแปลงกลับมาสู่จุดเดิม (Cyclic Process) ค่าของตัวแปรสถานะจะกลับมาเท่าเดิม หรือกล่าวได้ว่าการเปลี่ยนแปลง ของตัวแปรสถานะจะเท่ากับศูนย์ (ΔP = 0, ΔT = 0, ΔV = 0, ΔU = 0 และ ΔS = 0) ตัวแปรส่งผ่าน (Transfer Variables) คือ ตัวแปรที่มีค่าขึ้นกับเส้นของการ เปลี่ยนแปลง เช่น ความร้อน (Q) และ งาน (W) เป็นต้น กระบวนการผันกลับได้ (Reversible Process) คือ กระบวนการที่สามารถกลับมา เหมือนเดิมได้อย่างสมบูรณ์ กระบวนการผันกลับไม่ได้ (Irreversible Process) คือ กระบวนการที่ไม่สามารถ กลับมาเหมือนเดิมได้อย่างสมบูรณ์

กฎข้อสองของอุณหพลศาสตร์ (มุมมองของเอนโทรปี) การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของจักรวาลจะต้องมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับศูนย์เสมอ ΔS ≥ 0 U ในกรณีที่ ΔS = 0 คือ กระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้ และผันกลับได้ U ในกรณีที่ ΔS > 0 คือ กระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้ แต่ผันกลับไม่ได้ U ในกรณีที่ ΔS < 0 คือ กระบวนการที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ U

เครื่องยนต์ความร้อน เครื่องยนต์ความร้อน (Heat Engines) คือ อุปกรณ์ที่ได้รับความร้อนจากแหล่ง อุณหภูมิสูงและคายความร้อนไปสู่แหล่งอุณหภูมิต่ำด้วยกระบวนการวัฏจักร (Cyclic Process) และทำให้เกิดงานขึ้นมา

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน (Thermal Efficiency of a Heat Engine ; e 〚ไม่มีหน่วย〛) |Q | W eng c e = = 1 - |Q | |Q | h h W คือ งานที่เครื่องยนต์ทำออกมา eng Q คือ ความร้อนจากแหล่งอุณหภูมิสูงซึ่งถ่ายเทเข้ามาสู่เครื่องยนต์ h Q คือ ความร้อนจากเครื่องยนต์ซึ่งถ่ายเทออกไปมาสู่แหล่งอุณหภูมิต่ำ c เครื่องยนต์คาร์โนต์ (Carnot Engine) เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine) P P Q Q T T t t V V q q เครื่องยนต์เบนซิน (Gasoline Engine) เครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine) P P Q Adiabatic Process Adiabatic Process Adiabatic Process Q Adiabatic Process T q q t V V V₁ V₂ V₃ V₁ V₂ ข้อสังเกต เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซลมีการใช้เชื้อเพลิงแตกต่างกัน และมี กลไกการจุดระเบิดที่แตกต่างกัน โดยเครื่องยนต์เบนซินใช้หัวเทียนในการจุดระเบิด ส่วนเครื่องยนต์ดีเซลใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงในการจุดระเบิด การถ่ายโอนความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังบริเวณที่มี อุณหภูมิสูงกว่าสามารถทำได้โดยการใช้สารทำความเย็นรับความร้อนจากบริเวณที่มี อุณหภูมิต่ำไปถ่ายโอนความร้อนไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ผ่านการทำงานของ เครื่องยนต์ความร้อน เช่น ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ

กฎข้อสองของอุณหพลศาสตร์ (มุมมองของเครื่องยนต์) The Kelvin - Planck Statement : เป็นไปไม่ได้ที่เครื่องยนต์ความร้อนจะทำงาน มากกว่าหรือเท่ากับพลังงานที่ให้เข้าไปกับเครื่องยนต์ความร้อน (ไม่มีเครื่องยนต์ความ ร้อนที่สมบูรณ์ในจักรวาล)

เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในจักรวาลกับเครื่องยนต์ที่ผันกลับได้ พิจารณาเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในจักรวาล t จะได้ e = 1 - T จากเครื่องหมาย = นั้นเริ่มมาจาก ΔS = 0 U ดังนั้น ΔS = 0 U ∴ เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในจักรวาล จึงเป็นเครื่องยนต์ที่ผันกลับได้

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์และทฤษฎีบทของคาร์โนต์ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์ t e = 1 - C T e คือ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์ C t คือ อุณหภูมิของแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำซึ่งได้รับความร้อนจากเครื่องยนต์ T คือ อุณหภูมิของแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูงซึ่งถ่ายเทความร้อนให้เครื่องยนต์ ทฤษฎีบทของคาร์โนต์ (Carnot’s Theorem) ไม่มีเครื่องยนต์ความร้อนใดในจักรวาลนี้จะมีประสิทธิภาพเกินกว่าเครื่องยนต์คาร์โนต์ เมื่อเครื่องยนต์ทั้งสองทำงานระหว่างแหล่งความร้อนสองแหล่งเหมือนกันทั้งสอง เครื่องยนต์

เครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็น (เครื่องยนต์ผันกลับ) เครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็น (Heat Pumps and Refrigerators) คือ อุปกรณ์ที่ ได้รับงานเข้าไป แล้วดึงความร้อนจากแหล่งอุณหภูมิต่ำ และคายความร้อนไปสู่แหล่ง อุณหภูมิสูงด้วยกระบวนการวัฏจักร (Cyclic Process)

กฎข้อสองของอุณหพลศาสตร์ (เครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็น) The Clausius Statement : เป็นไปไม่ได้ที่เครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็นจะดึงความ ร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปปล่อยยังแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าโดยไม่ให้งาน เข้าไป ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (Coefficient of Performance ; COP 〚ไม่มีหน่วย〛 ) |Q | |Q | h c COP = and COP = heating mode cooling mode W W COP คือ ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะในฝั่งคายความร้อน heating mode COP คือ ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะในฝั่งรับความร้อน cooling mode |Q | คือ ความร้อนจากเครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็นที่ถ่ายเทสู่แหล่งอุณหภูมิสูง h |Q | คือ ความร้อนจากแหล่งอุณหภูมิต่ำที่ถ่ายเทสู่เครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็น c W คือ งานที่ให้กับเครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็น

การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี เอนโทรปี (Entropy ; S 〚J/K, kg·m²/s²·K〛) คือ ปริมาณที่บ่งบอกถึงความไม่ เป็นระเบียบของระบบ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี dQ ΔS = ∫ T ΔS คือ การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี dQ คือ การเปลี่ยนแปลงความร้อนในช่วงเล็กๆ T คือ อุณหภูมิ กฎข้อสองของอุณหพลศาสตร์ (มุมมองของเอนโทรปี) การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของจักรวาลจะต้องมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับศูนย์เสมอ ΔS ≥ 0 U ในกรณีที่ ΔS = 0 คือ กระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้ และผันกลับได้ U ในกรณีที่ ΔS > 0 คือ กระบวนการที่สามารถเกิดขึ้นได้ แต่ผันกลับไม่ได้ U ในกรณีที่ ΔS < 0 คือ กระบวนการที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ U กฎข้อสองของอุณหพลศาสตร์ (มุมมองของเครื่องยนต์) The Kelvin - Planck Statement : เป็นไปไม่ได้ที่เครื่องยนต์ความร้อนจะทำงาน มากกว่าหรือเท่ากับพลังงานที่ให้เข้าไปกับเครื่องยนต์ความร้อน (ไม่มีเครื่องยนต์ความ ร้อนที่สมบูรณ์ในจักรวาล) กฎข้อสองของอุณหพลศาสตร์ (มุมมองเครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็น) The Clausius Statement : เป็นไปไม่ได้ที่เครื่องปั๊มความร้อนและตู้เย็นจะดึงความ ร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปปล่อยยังแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าโดยไม่ให้งาน เข้าไป กฎข้อสามของอุณหพลศาสตร์ (The Third Law of Thermodynamics) เอนโทรปีของผลึกที่สมบูรณ์แบบทุกชนิดมีค่าเท่ากับศูนย์ที่อุณหภูมิ 0 K (ที่ 0 K อนุภาคจะไม่มีการเคลื่อนที่ใดๆ ทั้งสิ้น) ดังนั้น ถ้าอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นจะทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้น และถ้าผลึกมีตำหนิ (ไม่สมบูรณ์) เอนโทรปีที่ 0 K จะมีค่ามากกว่าศูนย์ พลังงานอิสระ (Free Energy) คือ พลังงานที่ต้องใช้ในการสร้างระบบ มุมมอง Enthalpy (H) พลังงานที่ใช้สร้างระบบ = พลังงานภายในระบบ + งานในการสร้างพื้นที่ให้ระบบ dH = dU + d(PV) หรือ H = U + PV มุมมอง Helmholtz Free Energy (F) พลังงานที่ใช้สร้างระบบ = พลังงานภายในระบบ - ความร้อนที่ดึงมาจากสิ่งแวดล้อม dF = dU - d(TS) หรือ F = U - TS มุมมอง Gibbs Free Energy (G) พลังงานที่ใช้สร้างระบบ = พลังงานภายในระบบ + งานในการสร้างพื้นที่ให้ระบบ - ความร้อนที่ดึงมาจากสิ่งแวดล้อม dG = dH - d(TS) หรือ G = H - TS = U + PV - TS จาก ΔS ≥ 0 TΔS ≥ 0 -TΔS ≤ 0 ΔH - TΔS ≤ ΔH ΔG ≤ ΔH ΔG < 0 ตีความได้ว่า ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเองได้ (ในทิศทางไปข้างหน้า) ΔG > 0 ตีความได้ว่า ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเองไม่ได้ (อาจเกิดในทิศทางย้อนกลับ) ΔG = 0 ตีความได้ว่า ระบบอยู่ในสมดุล (ไปข้างหน้าและย้อนกลับเท่ากัน)