ความแตกต่างระหว่างกฎข้อหนึ่งและข้อสองของอุณหพลศาสตร์

• 2020

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เกี่ยวข้องกับการอนุรักษ์พลังงานในขณะ ที่กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ให้เหตุผลว่ากระบวนการอุณหพลศาสตร์บางส่วนนั้นไม่สามารถยอมรับได้และไม่ปฏิบัติตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

คำว่า ' อุณหพลศาสตร์ ' มาจากคำภาษากรีกโดยที่ "เทอร์โม" หมายถึงความร้อนและ "การเปลี่ยนแปลง" หมายถึงพลังงาน ดังนั้นอุณหพลศาสตร์คือการศึกษาพลังงานที่มีอยู่ในรูปแบบต่าง ๆ เช่นแสงความร้อนพลังงานไฟฟ้าและเคมี

อุณหพลศาสตร์เป็นส่วนสำคัญของฟิสิกส์และสาขาที่เกี่ยวข้องเช่นเคมีวัสดุศาสตร์วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม ฯลฯ ในขณะเดียวกัน 'กฎหมาย' หมายถึงระบบของกฎ ดังนั้นกฎของอุณหพลศาสตร์จึงต้องเกี่ยวข้องกับพลังงานรูปแบบหนึ่งซึ่งก็คือความร้อนพฤติกรรมของพวกมันภายใต้สถานการณ์ต่าง ๆ ที่สอดคล้องกับงานเครื่องกล

แม้ว่าเรารู้ว่ามีสี่กฎของอุณหพลศาสตร์ตั้งแต่เริ่มต้นจากกฎโซโร ธ กฎข้อที่หนึ่งกฎข้อที่สองและกฎข้อที่สาม แต่สิ่งที่ใช้บ่อยที่สุดคือกฎข้อที่หนึ่งและข้อที่สองดังนั้นในเนื้อหานี้เราจะพูดคุยและแยกความแตกต่างของกฎข้อที่หนึ่งและที่สอง

แผนภูมิเปรียบเทียบ

นิยามของกฎข้อหนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ระบุว่า ' พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นหรือถูกทำลายได้ ' มันสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งเป็นอีกรัฐหนึ่งเท่านั้น สิ่งนี้เรียกว่ากฎการอนุรักษ์

มีตัวอย่างมากมายที่จะอธิบายข้อความข้างต้นเช่นหลอดไฟฟ้าซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าและแปลงเป็นแสงและพลังงานความร้อน

เครื่องจักรและเครื่องยนต์ทุกชนิดใช้เชื้อเพลิงบางชนิดหรือบางชนิดเพื่อทำงานและให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน แม้แต่สิ่งมีชีวิตกินอาหารที่ย่อยและให้พลังงานเพื่อทำกิจกรรมต่าง ๆ

ΔE = Q + W

มันสามารถแสดงได้โดยสมการอย่างง่าย ๆ เช่นΔEซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบเท่ากับผลรวมของความร้อน (Q) ที่ไหลข้ามขอบเขตของสภาพแวดล้อมและทำงานเสร็จ (W) บน ระบบโดยรอบ แต่สมมติว่าถ้าความร้อนไหลออกจากระบบดังนั้น 'Q' จะเป็นลบเช่นเดียวกันหากงานเสร็จโดยระบบแล้ว 'W' จะเป็นลบเช่นกัน

ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่ากระบวนการทั้งหมดอาศัยสองปัจจัยคือความร้อนและการทำงานและการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเหล่านี้จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานภายในของระบบ แต่ในขณะที่เราทุกคนรู้ว่ากระบวนการนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเองและไม่สามารถใช้ได้ทุกครั้งเช่นพลังงานไม่เคยไหลตามธรรมชาติจากอุณหภูมิที่ต่ำกว่าไปยังอุณหภูมิที่สูงขึ้น

นิยามของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

มีหลายวิธีในการแสดงกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ แต่ก่อนหน้านั้นเราต้องเข้าใจว่าทำไมจึงมีการเปิดตัวกฎข้อที่สอง เราคิดว่าในกระบวนการจริงของชีวิตประจำวันกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ควรเป็นที่พึงพอใจ แต่ไม่ได้บังคับ

ตัวอย่างเช่นพิจารณาหลอดไฟฟ้าในห้องซึ่งจะครอบคลุมพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน (ความร้อน) และพลังงานแสงและห้องจะสว่างขึ้น แต่ไม่สามารถย้อนกลับได้ว่าถ้าเราให้แสงและความร้อนเท่ากัน หลอดไฟก็จะเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า แม้ว่าคำอธิบายนี้จะไม่ต่อต้านกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ แต่ในความเป็นจริงมันเป็นไปไม่ได้เช่นกัน

ตาม คำสั่ง Kelvin-Plancks “ มันเป็นไปไม่ได้สำหรับอุปกรณ์ใด ๆ ที่ทำงานในรอบรับความร้อนจากอ่างเก็บน้ำเดียวและแปลงมัน 100% เป็นงานเช่นไม่มีเครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพเชิงความร้อน 100%” .

แม้แต่ Clausius กล่าวว่า "มันเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างอุปกรณ์ที่ทำงานในรอบและถ่ายโอนความร้อนจากอ่างเก็บน้ำอุณหภูมิต่ำไปยังอ่างเก็บน้ำที่มีอุณหภูมิสูงในกรณีที่ไม่มีงานภายนอก"

ดังนั้นจากข้อความข้างต้นเป็นที่ชัดเจนว่ากฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อธิบายเกี่ยวกับวิธีการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นในทิศทางเฉพาะเท่านั้นซึ่งไม่ได้ถูกยกเลิกในกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ยังเป็นที่รู้จักกันในนามกฎของเอนโทรปีที่เพิ่มขึ้นซึ่งบอกว่าเมื่อเวลาผ่านไปเอนโทรปีหรือระดับความผิดปกติในระบบจะเพิ่มขึ้นเสมอ ขอยกตัวอย่างว่าทำไมเราถึงสับสนมากขึ้นหลังจากเริ่มทำงานกับสิ่งที่วางแผนไว้ทั้งหมด ดังนั้นเมื่อเวลาเพิ่มขึ้นความผิดปกติหรือความระส่ำระสายก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

ปรากฏการณ์นี้ใช้ได้กับทุกระบบที่มีการใช้พลังงานที่มีประโยชน์พลังงานที่ใช้ไม่ได้จะถูกส่งออกไป

ΔS = ΔS (ระบบ) + ΔS (โดยรอบ)> 0

ดังที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ delS ที่เป็นการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในเอนโทรปีคือผลรวมของการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปีของระบบและสภาพแวดล้อมซึ่งจะเพิ่มขึ้นสำหรับกระบวนการจริงใด ๆ และต้องไม่น้อยกว่า 0

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างกฎข้อที่หนึ่งและข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

รับด้านล่างเป็นจุดสำคัญในการแยกความแตกต่างระหว่างกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์:

1. ตาม กฎข้อที่หนึ่ง ของพลังงาน ของอุณหพลศาสตร์ ไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้มันสามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้ ตาม กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งไม่ได้ละเมิดกฎข้อที่หนึ่ง แต่บอกว่าพลังงานที่เปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งนั้นไม่ได้มีประโยชน์เสมอไปและ 100% ตามที่ได้รับมา ดังนั้นจึงสามารถกล่าวได้ว่า 'เอนโทรปี (ระดับความผิดปกติ) ของระบบโดดเดี่ยวไม่เคยลดลง แต่จะเพิ่มขึ้นเสมอ'
2. กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สามารถแสดงเป็น ΔE = Q + W, ใช้สำหรับการคำนวณค่าหากรู้ปริมาณสองจำนวนใด ๆ ในขณะที่กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถแสดงเป็น ΔS = ΔS (ระบบ) + ΔS ( โดยรอบ)> 0
3. การแสดงออก หมายถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบเท่ากับผลรวมของการไหลของความร้อนเข้าสู่ระบบและการทำงานที่ทำบนระบบโดยรอบในกฎข้อที่หนึ่ง ในกฎข้อที่สองการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในเอนโทรปีคือผลรวมของการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปีของระบบและสภาพแวดล้อมซึ่งจะเพิ่มขึ้นสำหรับกระบวนการจริงใด ๆ และต้องไม่น้อยกว่า 0

ข้อสรุป

ในบทความนี้เราได้พูดถึงอุณหพลศาสตร์ซึ่งไม่ จำกัด เฉพาะฟิสิกส์หรือเครื่องจักรเช่นตู้เย็นรถยนต์เครื่องซักผ้า แต่แนวคิดนี้ใช้ได้กับงานทุกวันของทุกคน แม้ว่าที่นี่เราจะแยกแยะกฎหมายที่ทำให้เกิดความสับสนมากที่สุดของอุณหพลศาสตร์ แต่เรารู้ว่ามีอีกสองข้อซึ่งง่ายต่อการเข้าใจและไม่ขัดแย้งกัน