อุณหพลศาสตร์

อุณหภูมิบอกระดับความร้อน-เย็นของวัตถุ วัดได้หลายสเกล ที่ใช้บ่อยในฟิสิกส์คือเซลเซียส (°C) และเคลวิน (K) ซึ่งเป็นสเกลสัมบูรณ์ (absolute) ที่ 0 K คือศูนย์สัมบูรณ์ (จุดที่พลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลเป็นศูนย์ในทางทฤษฎี)

ความสัมพันธ์ระหว่างสองสเกล คือ T(K) = T(°C) + 273 — สูตรนี้ต้องใช้ตลอดเมื่อคำนวณกับกฎแก๊สหรือทฤษฎีจลน์ เพราะสูตรเหล่านั้นต้องใช้อุณหภูมิสัมบูรณ์เท่านั้น

ความร้อน (Q) ที่ทำให้วัตถุเปลี่ยนอุณหภูมิ (ไม่เปลี่ยนสถานะ) คำนวณจาก Q = mcΔT โดย m คือมวล, c คือความร้อนจำเพาะ (ค่าประจำตัวของแต่ละสาร บอกว่าต้องใช้ความร้อนเท่าใดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิ 1 กิโลกรัมขึ้น 1 องศา), ΔT คือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ความร้อนแฝง (Q = mL) คือความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะ (หลอมเหลว/กลายเป็นไอ) โดยอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงเลยตลอดกระบวนการ L คือความร้อนแฝงจำเพาะของการเปลี่ยนสถานะนั้น

กฎข้อที่หนึ่งคือการอนุรักษ์พลังงานในรูปแบบที่รวมความร้อนเข้ามา: ΔU = Q − W โดย ΔU คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ, Q คือความร้อนที่ระบบได้รับ (บวกถ้าได้รับ), และ W คืองานที่ระบบทำต่อสิ่งแวดล้อม (บวกถ้าระบบขยายตัวทำงาน)

พลังงานภายใน (internal energy) ของแก๊สอุดมคติขึ้นกับอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว — ถ้าอุณหภูมิไม่เปลี่ยน พลังงานภายในก็ไม่เปลี่ยน ไม่ว่าความดันหรือปริมาตรจะเปลี่ยนไปอย่างไร

กระบวนการเทอร์โมไดนามิกส์ของแก๊สมีสี่แบบหลักที่ควบคุมตัวแปรหนึ่งให้คงที่: ไอโซบาริก (ความดันคงที่), ไอโซเทอร์มัล (อุณหภูมิคงที่, ΔU = 0 จึง Q = W), ไอโซคอริก (ปริมาตรคงที่, ไม่มีงาน W = 0 จึง ΔU = Q), และแอเดียแบติก (ไม่มีความร้อนถ่ายเทเข้า-ออก Q = 0 จึง ΔU = −W)

งานที่แก๊สทำเมื่อขยายตัวที่ความดันคงที่คำนวณได้จาก W = PΔV — ยิ่งแก๊สขยายตัวมาก งานที่ทำก็มากตาม

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่า ไม่มีเครื่องยนต์ความร้อนใดเปลี่ยนความร้อนเป็นงานได้ 100% — ต้องมีความร้อนส่วนหนึ่งสูญเสียไปยังแหล่งเย็นเสมอ

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคำนวณจาก e = 1 − Qc/Qh = W/Qh โดย Qh คือความร้อนที่รับจากแหล่งร้อน และ Qc คือความร้อนที่ปล่อยสู่แหล่งเย็น