Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Thermodynamics · ⁨อุณหพลศาสตร์⁩

A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩ · Topic 16 · ⁨หัวข้อ 16⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
15:27

Internal Energy

Pump up a bicycle tyre, quickly and hard, and something surprising happens: the pump gets hot. Warm enough to feel. You did not heat it with a flame. So where…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

16.1

Internal energy · ⁨พลังงานภายใน⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. understand that internal energy is determined by the state of the system and that it can be expressed as the sum of a random distribution of kinetic and potential energies associated with the molecules of a system
  2. relate a rise in temperature of an object to an increase in its internal energy
ไทย
  1. เข้าใจว่า พลังงานภายใน กำหนดโดยสถานะของระบบและสามารถแสดงเป็นผลรวมของการกระจายแบบสุ่มของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลของระบบ
  2. เชื่อมโยงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของวัตถุกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของมัน

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English

The internal energy 内能 $U$ of a system is the sum of:

  • the random kinetic energies 动能 of its molecules 分子 — they fly through space (translational 平动 motion), and unless they are single atoms they also spin (rotational 转动) and shake (vibrational 振动), and
  • the potential energies from the forces between the molecules.

For a real solid, liquid or gas, both parts matter. In the ideal-gas 理想气体 model the intermolecular 分子间 forces are ignored, so the molecular potential energy is zero and the internal energy is purely kinetic.

The two-mark definition. The internal energy of a system is the sum of the random distribution of the kinetic and potential energies of its molecules (or atoms). Both marks need "sum of kinetic and potential energies" and "random" (or "of the molecules") — leaving out "random" describes the energy of a moving object, not its internal energy. For an ideal gas, "with reference to kinetic and potential energy": the internal energy is the total kinetic energy of the molecules only, because there are no intermolecular forces and therefore no potential energy.

Two key points:

  1. $U$ depends only on the state of the system (its temperature 温度, pressure 压强, volume 体积, amount of substance 物质的量) — not on the path taken to get there.
  2. $U$ is a sum over the molecules, not the kinetic energy of the whole object moving. A moving train of gas has bulk kinetic energy, but that is separate from $U$ — $U$ is the energy of the random molecular motion.

Temperature and internal energy

Raising an object's temperature raises the random kinetic energy of its molecules, and so raises its internal energy.

For an ideal gas every molecule has average translational kinetic energy $\tfrac{3}{2} k T$ (Topic 15). With zero intermolecular potential energy, the total internal energy is

$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

So the internal energy of an ideal gas is directly proportional to the thermodynamic temperature 热力学温度. Doubling $T$ doubles $U$. This is only exact for an ideal gas.

During a phase change 相变 (melting or boiling) of a real substance, $U$ rises because the molecular potential energy rises (bonds breaking), even though the temperature stays constant.

Describing a change in internal energy — always name both energies. A three-mark "describe and explain, with reference to molecular kinetic and potential energies" answer says what happens to each:

  • a gas heated at constant volume: the kinetic energy of the molecules increases, because temperature is a measure of their mean kinetic energy; the potential energy is unchanged (no work is done, the molecules' separation does not change); so the internal energy increases.
  • a wire stretched within its elastic limit at constant temperature: the kinetic energy of the atoms is unchanged (same temperature); the potential energy increases, because the atoms are pulled further apart against the interatomic forces; so the internal energy increases.
  • ice melting at $0\ ^{\circ}\text{C}$: the kinetic energy is unchanged (constant temperature); the potential energy increases as the bonds between molecules are broken and the separation grows; so the internal energy increases by the latent heat supplied.

Worked example. A fixed mass of ideal gas is heated at constant pressure. Sketch the variation of its internal energy $U$ with its volume $V$.

At constant pressure $V \propto T$ (Charles's law) and for an ideal gas $U \propto T$, so $U \propto V$: a straight line through the origin. The origin is on the line because at absolute zero both $V$ (extrapolated) and $U$ are zero.

ไทย

พลังงานภายใน $U$ ของระบบคือผลบวกของ:

  • พลังงานจลน์แบบสุ่ม ของ โมเลกุล —它们เคลื่อนที่ผ่านอวกาศ (การเคลื่อนที่แบบเลื่อน), และเว้นแต่จะเป็นอะตอมเดี่ยวพวกมันยังหมุน (การหมุน) และสั่น (การสั่น), และ
  • พลังงานศักย์ จากแรงระหว่างโมเลกุล

สำหรับของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สจริง ทั้งสองส่วนมีความสำคัญ ในแบบจำลอง แก๊สอุดมคติ แรงระหว่างโมเลกุลถูกมองข้าม ดังนั้นพลังงานศักย์ของโมเลกุลจึงเป็นศูนย์และพลังงานภายในเป็นพลังงานจลน์ล้วนๆ

นิยาม 2 คะแนน พลังงานภายในของระบบคือผลรวมของการกระจายแบบสุ่มของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล (หรืออะตอม) ทั้งสองคะแนนต้องมี "ผลบวกของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์" และ "แบบสุ่ม" (หรือ "ของโมเลกุล") — การละ "แบบสุ่ม" อธิบายถึงพลังงานของวัตถุที่เคลื่อนที่ ไม่ใช่พลังงานภายใน สำหรับแก๊สอุดมคติ "โดยอ้างอิงจากพลังงานจลน์และพลังงานศักย์": พลังงานภายในคือพลังงาน จลน์ รวมของโมเลกุลเท่านั้น เนื่องจากไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลดังนั้นจึงไม่มีพลังงานศักย์

ภาพโมเลกุลแก๊สห้าตัววาดเป็นวงกลม แต่ละตัวมีลูกศรชี้ทิศทางเคลื่อนที่แบบสุ่ม และมีสปริงสั้นๆ เชื่อมโยงโมเลกุลเพื่อนบ้านเพื่อแทนแรงระหว่างกัน: ลูกศรคือพลังงานจลน์ของโมเลกุลและสปริงคือพลังงานศักย์
พลังงานภายในคือพลังงานจลน์แบบสุ่มของโมเลกุล (ลูกศร) บวกกับพลังงานศักย์ของแรงระหว่างโมเลกุล (สปริง)

จุดสำคัญสองจุด:

  1. $U$ขึ้นอยู่กับสถานะ ของระบบ (อุณหภูมิ, ความดัน, ปริมาตร, ปริมาณสาร) — ไม่ขึ้นกับเส้นทางที่ใช้ในการไปถึงสถานะนั้น
  2. $U$เป็นผลรวมของโมเลกุลทั้งหมด ไม่ใช่พลังงานจลน์ของวัตถุทั้งชิ้นที่กำลังเคลื่อนที่ รถไฟแก๊สที่เคลื่อนที่มีพลังงานจลน์รวม แต่สิ่งนั้นแยกต่างหากจาก $U$ — $U$คือพลังงานของการเคลื่อนที่แบบ สุ่ม ของโมเลกุล

อุณหภูมิและพลังงานภายใน

การเพิ่มอุณหภูมิของวัตถุจะเพิ่มพลังงานจลน์แบบสุ่มของโมเลกุล และดังนั้นก็เพิ่มพลังงานภายใน

สำหรับแก๊สอุดมคติ ทุกโมเลกุลมีพลังงานจลน์การเคลื่อนที่เฉลี่ย $\tfrac{3}{2} k T$ (หัวข้อ 15) ด้วยพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลเป็นศูนย์ พลังงานภายในรวมจึงเป็น

$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

ดังนั้นพลังงานภายในของแก๊สอุดมคติจึงแปรผันตรงกับ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ การคูณ $T$ เป็นสองเท่าจะทำให้ $U$ เป็นสองเท่าด้วย สิ่งนี้ ถูกต้องเพียง สำหรับแก๊สอุดมคติเท่านั้น

ระหว่างการ เปลี่ยนสถานะ (การหลอมเหลวหรือการเดือด) ของสารจริง $U$ จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากพลังงานศักย์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น (การแตกของพันธะ) แม้ว่าจะมีอุณหภูมิคงที่ก็ตาม

การอธิบายการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน — ต้องระบุทั้งสองประเภทของพลังงานเสมอ คำตอบ "อธิบายและอธิบายประกอบ โดยอ้างอิงถึงพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุล" ที่ให้คะแนน 3 คะแนน จะระบุว่าเกิดอะไรขึ้นกับ แต่ละชนิด:

  • แก๊สที่ถูกทำความร้อนที่ปริมาตรคงที่: พลังงานจลน์ของโมเลกุลเพิ่มขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิเป็นการวัดค่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของพวกมัน; พลังงานศักย์ไม่เปลี่ยนแปลง (ไม่มีการทำงาน ปริมาณการแยกตัวของโมเลกุลไม่เปลี่ยน); ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น
  • ลวดที่ถูกดึงออกภายในขีดจำกัดยืดหยุ่นที่อุณหภูมิคงที่: พลังงานจลน์ของอะตอมไม่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิเท่าเดิม); พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น เนื่องจากอะตอมถูกดึงออกจากกันไกลขึ้นเพื่อต้านแรงระหว่างอะตอม; ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น
  • น้ำแข็งละลายที่ $0\ ^{\circ}\text{C}$: พลังงานจลน์ไม่เปลี่ยนแปลง (อุณหภูมิคงที่); พลังงานศักยเพิ่มขึ้นเมื่อพันธะระหว่างโมเลกุลแตกออกและระยะห่างเพิ่มขึ้น ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้นตามความร้อนแฝงที่ได้รับ

ตัวอย่างวิธีทำ. มวลคงที่ของแก๊สอุดมคติถูกทำความร้อนที่ความดันคงที่ จงวาดกราฟแสดงความแปรปรวนของพลังงานภายใน $U$ กับปริมาตร $V$

ที่ความดันคงที่ $V \propto T$ (กฎชาร์ลส์) และสำหรับแก๊สอุดมคติ $U \propto T$ ดังนั้น $U \propto V$: เส้นตรงผ่านจุดกำเนิด จุดกำเนิดอยู่บนเส้นเพราะที่อุณหภูมิสัมบูรณ์ ทั้ง $V$ (ส่วนต่อขยาย) และ $U$ เป็นศูนย์

Explore · ⁨สำรวจ⁩

The spread of molecular energies · ⁨ช่วงกระจายตัวของพลังงานโมเลกุล⁩

Internal energy is the total random kinetic + potential energy of the molecules. Heat the gas and the whole speed distribution shifts to higher energy. · ⁨พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานจลน์ + พลังงานศักย์แบบสุ่มของโมเลกุล若ให้ความร้อนแก๊ส การกระจายตัวของความเร็วทั้งหมดจะเลื่อนไปด้านพลังงานที่สูงขึ้น⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ พลังงานภายใน
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ พลังงานจลน์
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ โมเลกุล
translational/trænˈsleɪʃənl/ การเคลื่อนที่เชิงเส้น
rotational/rəʊˈteɪʃənl/ การหมุน
vibrational/vaɪˈbreɪʃənl/ การสั่น
ideal-gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ ก๊าซอุดมคติ
intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ ระหว่างโมเลกุล
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ แก๊สอุดมคติ
temperature/ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิ
pressure/ˈpreʃə/ ความดัน
volume/ˈvɒljuːm/ ปริมาตร
amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ ปริมาณสาร
thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์
phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ การเปลี่ยนแปลงสถานะ
latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ ความร้อนแฝง
piston/ˈpɪstn/ ลูกสูบ
first law of thermodynamics/fɜːst lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ กฎข้อที่หนึ่งแห่งอุณหพลศาสตร์
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ กฎการอนุรักษ์พลังงาน
isothermal/ˌaɪsəˈθɜːml/ อุณหภูมิคงที่
adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/ อะเดียเบติก
heat capacity/hiːt kəˈpæsɪti/ ความจุความร้อน
monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ อะตอมเดี่ยว
16.2

Work done on or by a gas · ⁨งานที่ทำโดยหรือต่อแก๊ส⁩

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. recall and use $W = p\Delta V$ for the work done when the volume of a gas changes at constant pressure and understand the difference between the work done by the gas and the work done on the gas
  2. recall and use the first law of thermodynamics $\Delta U = q + W$ expressed in terms of the increase in internal energy, the heating of the system (energy transferred to the system by heating) and the work done on the system
ไทย
  1. จำและใช้ $W = p\Delta V$ สำหรับ งานที่ทำ เมื่อปริมาตรของแก๊สเปลี่ยนที่ ความดันคงที่ และเข้าใจความแตกต่างระหว่างงานที่แก๊สทำและงานที่ทำต่อแก๊ส
  2. จำและใช้ กฎข้อแรกแห่งอุณหพลศาสตร์ $\Delta U = q + W$ แสดงใน terms of การเพิ่มขึ้นของ พลังงานภายใน, การให้ความร้อนแก่ระบบ (พลังงานถ่ายโอนเข้าสู่ระบบด้วยความร้อน) และงานที่ทำต่อระบบ

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International⁩

English

When a gas changes volume against an outside pressure, mechanical work is done. At constant pressure $p$ with a small volume change $\Delta V$, the size of the work is

$$W = p \Delta V.$$

Worked example. A gas at a constant pressure of $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ expands from $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ to $5.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Find the work done by the gas.

$$W = p\,\Delta V = (1.0 \times 10^{5})(5.0 \times 10^{-3} - 2.0 \times 10^{-3}) = 300\ \text{J}.$$

Worked example. An ideal gas of mass $0.35\ \text{kg}$ is heated at a constant pressure of $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; its internal energy rises by $7600\ \text{J}$ and its volume increases by $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^{3}$. Find the work done by the gas and the thermal energy supplied. The gas is then heated at constant volume until its internal energy rises by the same $7600\ \text{J}$; explain why less thermal energy is needed.

Work done by the gas $= p\Delta V = 2.0 \times 10^{5} \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$, so the work done on it is $W = -2400\ \text{J}$. First law: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^{4}\ \text{J}$. At constant volume no work is done ($\Delta V = 0$, $W = 0$), so the whole of the thermal energy goes into internal energy: $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$. The extra $2400\ \text{J}$ at constant pressure was the work the gas did pushing back the surroundings as it expanded.

Worked example. An aluminium block of volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ is heated from $0\ ^{\circ}\text{C}$ to $40\ ^{\circ}\text{C}$; its volume increases by $1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ against atmospheric pressure ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$). Compare the work it does on the atmosphere with the thermal energy it receives ($m = 9.75\ \text{kg}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

Work done by the block $= p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-5} = 1.0\ \text{J}$; thermal energy $q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. The work is about $3 \times 10^{-6}$ of the heating, so for a solid $\Delta U \approx q$: solids and liquids barely expand, and $p\Delta V$ only matters for a gas.

Sign convention in this syllabus

This syllabus writes the first law as $\Delta U = q + W$, where $W$ is the work done on the gas and $q$ is the energy put in by heating.

  • when the gas is compressed, $\Delta V$ is negative and the work done on the gas is positive — the gas gains energy.
  • when the gas expands, $\Delta V$ is positive and the work done on the gas is negative — the gas loses energy (it does work on the surroundings).

Watch which form a question wants:

  • "work done on the gas" — positive when compressing.
  • "work done by the gas" — the opposite sign, positive when expanding.

At constant volume ($\Delta V = 0$), no work is done.

ไทย
โรเตอร์ของกังหันไอน้ำ
กังหันไอน้ำทำงานเมื่อน้ำแข็งที่ขยายตัวดันใบพัดไปรอบๆ
แก๊สในกระบอกสูบดันลูกสูบที่มีพื้นที่หน้าตัด A ออกไปเป็นระยะ Δx ต้านความดันภายนอก p; ปริมาตรแก๊สเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่กวาดไป ΔV = A Δx ดังนั้นแก๊สจึงทำงาน W = p ΔV ต่อสิ่งแวดล้อม
แก๊สที่ดันลูกสูบที่มีพื้นที่ $A$ ออกไปเป็น $\Delta x$ ทำงาน $W = p\,\Delta V$ ต่อสิ่งแวดล้อม (ปริมาตรที่กวาดไป $\Delta V = A\,\Delta x$)

เมื่อแก๊สเปลี่ยนปริมาตรภายใต้แรงดันภายนอก จะเกิดการทำงานทางกลขึ้น ในสภาวะแรงดันคงที่ $p$ เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเล็กน้อย $\Delta V$ ขนาดของงานคือ

$$W = p \Delta V.$$

ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. แก๊สที่มีแรงดันคงที่ $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ ขยายตัวจาก $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ ไปยัง $5.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ จงหาจำนวนงานที่แก๊สทำ

$$W = p\,\Delta V = (1.0 \times 10^{5})(5.0 \times 10^{-3} - 2.0 \times 10^{-3}) = 300\ \text{J}.$$

ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. แก๊สอุดมคติมวล $0.35\ \text{kg}$ ถูกให้ความร้อนด้วยแรงดันคงที่ $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; พลังงานภายในเพิ่มขึ้น $7600\ \text{J}$ และปริมาตรเพิ่มขึ้น $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^{3}$ จงหาจำนวนงานที่แก๊สทำและพลังงานความร้อนที่ได้รับ จากนั้นถูกให้ความร้อนที่ ปริมาตรคงที่ จนกว่าพลังงานภายในจะเพิ่มขึ้นเท่าเดิม $7600\ \text{J}$ อธิบายว่าทำไมต้องใช้พลังงานความร้อนน้อยลง

งานที่ทำ โดย แก๊ส $= p\Delta V = 2.0 \times 10^{5} \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$ ดังนั้นงานที่ทำ ต่อ แก๊สคือ $W = -2400\ \text{J}$. กฎข้อที่หนึ่ง: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^{4}\ \text{J}$. ที่ปริมาตรคงที่ไม่มีการทำงาน ($\Delta V = 0$, $W = 0$) ดังนั้นพลังงานความร้อนทั้งหมดจึงกลายเป็นพลังงานภายใน: $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$. ส่วนเพิ่ม $2400\ \text{J}$ ที่แรงดันคงที่คืองานที่แก๊สทำในการผลักสิ่งแวดล้อมออกขณะขยายตัว

ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. บล็อกอลูมิเนียมปริมาตร $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ ถูกให้ความร้อนจาก $0\ ^{\circ}\text{C}$ ถึง $40\ ^{\circ}\text{C}$; ปริมาตรเพิ่มขึ้น $1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ ภายใต้แรงดันบรรยากาศ ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$). เปรียบเทียบงานที่มันทำต่อบรรยากาศกับพลังงานความร้อนที่ได้รับ ($m = 9.75\ \text{kg}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

งานที่ทำโดยบล็อก $= p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-5} = 1.0\ \text{J}$; พลังงานความร้อน $q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. งานนี้คิดเป็นประมาณ $3 \times 10^{-6}$ ของการให้ความร้อน ดังนั้นสำหรับของแข็ง $\Delta U \approx q$: ของแข็งและของเหลวไม่ขยายตัวมาก และ $p\Delta V$ มีนัยสำคัญเฉพาะแก๊สเท่านั้น

กราฟแรงดัน-ปริมาตรที่มีเส้นสีส้มแนวนอนที่แรงดันคงที่ p จากปริมาตร V1 ไปยัง V2; พื้นที่สี่เหลี่ยมผืนผ้าใต้เส้นทึบสีและติดป้ายว่างานทำ W = p คูณ Delta V และมีลูกศรเหนือเส้นแสดงการขยายตัวของแก๊สจาก V1 ไปยัง V2
บนกราฟแรงดัน–ปริมาตร งานที่ทำที่แรงดันคงที่คือพื้นที่ใต้เส้น: $W = p\,\Delta V$

สัญญาณตามหลักในหลักสูตรนี้

หลักสูตรนี้เขียนกฎข้อที่หนึ่งเป็น $\Delta U = q + W$ โดยที่ $W$ คืองานที่ทำ ต่อ แก๊ส และ $q$ คือพลังงานใส่เข้า ด้วยความร้อน

แผนภาพทรงกระบอกสองรูป: การอัดตัว: ลูกสูบถูกดันเข้าไปในก๊าซทำให้ปริมาตรลดลง และงานที่ทำต่อก๊าซมีค่าเป็นบวก; การขยายตัว: ก๊าซดันลูกสูบออกทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้น และงานที่ทำต่อก๊าซมีค่าเป็นลบ
งานที่ทำต่อแก๊ส: เป็นบวกเมื่อถูกอัดตัว และลบเมื่อขยายตัว
  • เมื่อแก๊ส ถูกอัดตัว, $\Delta V$ เป็นลบและงานที่ทำ ต่อ แก๊สเป็นบวก — แก๊สได้รับพลังงาน
  • เมื่อแก๊ส ขยายตัว, $\Delta V$ เป็นบวกและงานที่ทำ ต่อ แก๊สเป็นลบ — แก๊สสูญเสียพลังงาน (มันทำงานต่อสิ่งแวดล้อม)

สังเกตว่าคำถามต้องการรูปแบบใด:

  • "งานที่ทำ ต่อ แก๊ส" — เป็นบวกเมื่ออัดตัว
  • "งานที่ทำ โดย แก๊ส" — สัญญาณตรงข้าม เป็นบวกเมื่อขยายตัว

ที่ปริมาตรคงที่ ($\Delta V = 0$) ไม่มีการทำงาน

Watch lesson · ⁨ดูบทเรียน⁩
16.2

First law of thermodynamics · ⁨กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์⁩

English

The first law of thermodynamics 热力学第一定律 says that energy is conserved when heat and work pass between a system and its surroundings:

$$\Delta U = q + W,$$

where $\Delta U$ is the rise in internal energy, $q$ is the energy added by heating (positive in, negative out), and $W$ is the work done on the gas (positive when compressed). This is conservation of energy 能量守恒 for a gas.

As the exam asks it. "State the first law of thermodynamics, identifying any symbols" (2 marks): the increase in internal energy of a system, $\Delta U$, is equal to the sum of the thermal energy transferred to the system by heating, $q$, and the work done on the system, $W$: $\Delta U = q + W$. Every symbol must be defined with its direction — "to the system" and "on the system" are what make the signs mean something. "State two ways in which the first law says the internal energy of a system may be changed": by heating (thermal energy transferred into or out of the system) and by doing work on or by the system.

Worked example. A gas absorbs $500\ \text{J}$ of heat while it expands and does $200\ \text{J}$ of work on its surroundings. Find the change in its internal energy.

The gas does work, so the work done on it is $W = -200\ \text{J}$:

$$\Delta U = q + W = 500 + (-200) = 300\ \text{J}.$$

Explaining with the first law. A three-mark "use the first law to explain" answer has three steps: say what $q$ is (and its sign), say what $W$ is (and its sign), then combine them for $\Delta U$ — and, if asked, say what the change in internal energy means for the molecules.

  • Why a bicycle pump gets hot when used quickly: the air is compressed, so work is done on it ($W > 0$); the compression is fast, so there is no time for thermal energy to leave ($q \approx 0$); therefore $\Delta U = W > 0$ — the internal energy, and so the temperature, of the air rises, and the pump warms up.
  • A spring stretched at constant temperature within its elastic limit: work is done on the spring by the stretching force ($W > 0$); there is no thermal energy transfer ($q = 0$); so the internal energy increases — stored as the elastic potential energy of the atoms, which are pulled further apart.
  • Water evaporating from a puddle on a hot day: thermal energy is transferred to the water from the surroundings ($q > 0$); the vapour formed occupies a far larger volume than the liquid, so the system does work on the atmosphere ($W < 0$); the internal energy still increases ($q$ is larger than the work done), and the increase is potential energy — the molecules are separated against the attractive forces between them.

Reading the equation

$\Delta U$ is fixed by the change of state (for an ideal gas, by the change in temperature). The same $\Delta U$ can come from different mixes of $q$ and $W$:

  • all heat, no work: $\Delta U = q$ (constant-volume heating).
  • all work, no heat: $\Delta U = W$ (insulated compression or expansion).

Standard processes

For an ideal gas, $\Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ — it depends only on $\Delta T$.

Process What stays constant $\Delta U$ $W$ (on gas) $q$
Isothermal $T$ $0$ $W$ $-W$
Constant volume $V$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $0$ $\Delta U$
Constant pressure $p$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $-p \Delta V$ $\Delta U - W$
Adiabatic (no heat) varies $W$ $0$

Read each row with the first law $\Delta U = q + W$:

  • Isothermal 等温 (constant $T$): $\Delta T = 0$, so $\Delta U = 0$. Then $q = -W$ — any heat that goes in comes straight back out as work.
  • Adiabatic 绝热 (no heat flow): $q = 0$, so $\Delta U = W$. The gas warms up only because work is done on it.
  • Constant volume (sealed rigid container): no work is done ($\Delta V = 0$), so all the heat goes into internal energy: $q = \Delta U$.
  • Constant pressure (gas pushing a piston 活塞): the gas does work as it expands, so the heat you supply does two jobs — it raises the internal energy and does the expansion work.

So for the same rise in internal energy, heating at constant pressure needs more thermal energy than heating at constant volume, by exactly the work $p\Delta V$ the gas does while expanding — the constant-volume gas keeps every joule; the constant-pressure gas hands some back to the surroundings.

Worked example: two-step process

A sample of ideal gas at temperature $T$ with internal energy $U$ goes through:

  1. compression to temperature $3T$; work $W$ is done on the gas.
  2. cooling at constant volume to temperature $2T$.

Step 1 ($T \to 3T$): $U = \tfrac{3}{2}nRT$, so $U \to 3U$, giving $\Delta U_{1} = 2U$. $W_{1} = +W$. So $q_{1} = \Delta U_{1} - W_{1} = 2U - W$.

Step 2 ($3T \to 2T$, constant volume): $\Delta U_{2} = -U$. $W_{2} = 0$. So $q_{2} = -U$ (heat flows out).

Check: total $\Delta U = 2U - U = U$, taking the gas from $T$ to $2T$ ($U \to 2U$) — consistent.

Worked example: a cycle on a $p$–$V$ diagram

A fixed mass of ideal gas is taken round the cycle ABCDA: A to B at constant volume $V_{1}$ (pressure $p_{1} \to p_{2}$), B to C at constant pressure $p_{2}$ (volume $V_{1} \to V_{2}$), C to D at constant volume, D to A at constant pressure $p_{1}$. Complete a table of the signs of $q$, $W$ and $\Delta U$ for each leg, and explain the internal-energy change from B to C.

Leg Process $W$ (on gas) $\Delta U$ $q$
A → B constant volume, pressure rises $0$ (no volume change) $+$ (temperature rises, $pV$ larger) $+$ ($q = \Delta U$)
B → C constant pressure, expands $-$ (gas does work $p_{2}(V_{2} - V_{1})$) $+$ ($T \propto V$ at constant $p$) $+$ (and larger than $\Delta U$)
C → D constant volume, pressure falls $0$ $-$ $-$ (thermal energy leaves)
D → A constant pressure, compressed $+$ (work done on the gas $p_{1}(V_{2} - V_{1})$) $-$ $-$ (larger in size than $\Delta U$)

From B to C the gas expands at constant pressure, so its temperature rises ($V/T$ constant) and its internal energy increases; it does work on the surroundings ($W$ negative), so the thermal energy supplied must cover both: $q = \Delta U - W$, larger than the rise in internal energy. Round the whole cycle $\Delta U = 0$ (the gas returns to its starting state), so the net thermal energy in equals the net work done by the gas — the area enclosed by the rectangle, $(p_{2} - p_{1})(V_{2} - V_{1})$.

Heat capacity at constant volume

For constant-volume heating of an ideal gas, $q = \Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$. So the molar heat capacity 热容 at constant volume is $\tfrac{3}{2} R$ for a monatomic 单原子 ideal gas. (You are not required to use the symbol $C_V$, but the result $q = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ for constant-volume heating is.)

Heating without a temperature change

If heat is supplied during a phase change at constant pressure (e.g. boiling water), the temperature stays constant but the internal energy still rises (the latent heat 潜热 separates the molecules), and the gas does expansion work. The first law still holds: $\Delta U = q + W$.

ไทย
สถานีไฟฟ้ากำลังพร้อมหอคอยระบายความร้อน
โรงงานผลิตไฟฟ้าเป็นเครื่องยนต์ความร้อน: มันแปลงความร้อนให้เป็นงานที่มีประโยชน์

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ บอกว่า พลังงานมีค่าคงที่เมื่อความร้อนและงานแลกเปลี่ยนระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม:

$$\Delta U = q + W,$$

โดยที่ $\Delta U$ คือการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน, $q$ คือพลังงานที่ใส่เข้า ด้วยความร้อน (บวกเมื่อเข้า ลบเมื่อออก), และ $W$ คืองานที่ทำ ต่อ แก๊ส (บวกเมื่อถูกอัดตัว) นี่คือ การอนุรักษ์พลังงาน สำหรับแก๊ส

ตามที่ข้อสอบถาม. "ระบุกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ พร้อมอธิบายสัญลักษณ์ใดๆ" (2 คะแนน): การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของระบบ, $\Delta U$, เท่ากับผลรวมของพลังงานความร้อนถ่ายโอนเข้าสู่ระบบด้วยการให้ความร้อน, $q$, และงานที่ทำต่อระบบ, $W$: $\Delta U = q + W$. ต้องนิยามสัญลักษณ์ทุกตัวพร้อม ทิศทาง — "เข้าสู่ระบบ" และ "ต่อระบบ" คือสิ่งที่ทำให้สัญญาณมีความหมาย "ระบุสองวิธีที่กฎข้อที่หนึ่งบอกว่าพลังงานภายในของระบบอาจเปลี่ยนแปลงได้": โดยการ ให้ความร้อน (ถ่ายโอนพลังงานความร้อนเข้าหรือออกจากระบบ) และการ ทำ работы ต่อหรือโดยระบบ

กล่องที่ติดป้ายว่า 'ก๊าซ' ซึ่งเป็นระบบ มีลูกศรสีฟ้าที่มีป้าย q (พลังงานเข้าจากการให้ความร้อน) เข้ามาทางซ้าย และมีลูกศรสีส้มที่มีป้าย W (งานที่ทำต่อก๊าซ) เข้ามาทางขวา; ด้านล่างของกล่องมีสมการ Delta U = q + W พร้อมหมายเหตุว่าแต่ละพจน์จะมีค่าเป็นบวกเมื่อพลังงานไหลเข้าสู่ก๊าซ
ทั้งการให้ความร้อน ($q$) และการทำงานต่อแก๊ส ($W$) ล้วนใส่พลังงานเข้า ทำให้พลังงานภายในเพิ่มขึ้น $\Delta U$

ตัวอย่างโจทย์ทำพร้อมกัน. แก๊สดูดความร้อน $500\ \text{J}$ ขณะมันขยายตัวและทำงาน $200\ \text{J}$ ต่อมลแวดล้อม จงหาการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน

แก๊สทำงาน ดังนั้นงานที่ทำ ต่อ มันคือ $W = -200\ \text{J}$:

$$\Delta U = q + W = 500 + (-200) = 300\ \text{J}.$$

อธิบายโดยใช้กฎข้อที่หนึ่ง. คำตอบแบบ "ใช้กฎข้อที่หนึ่งอธิบาย" 3 คะแนน มีสามขั้นตอน: บอกว่า $q$ คืออะไร (และสัญญาณ), บอกว่า $W$ คืออะไร (และสัญญาณ), แล้วรวมกันเพื่อหา $\Delta U$ — และถ้าถามให้บอกว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในหมายถึงอะไรระดับโมเลกุล

บัตรสามใบ: เครื่องสูบลมจักรยานที่ใช้เร็ว ไม่มีการให้ความร้อน และงานทำต่ออากาศมีค่าเป็นบวกจึงทำให้พลังงานภายในเพิ่มขึ้น; ลวดที่ถูกดึงที่อุณหภูมิคงที่ไม่มีการให้ความร้อนและงานเป็นบวกทำให้พลังงานศักย์ของอะตอมเพิ่มขึ้น; บ่อน้ำระเหย ถูกให้ความร้อนจากสิ่งแวดล้อม ในขณะที่ไอน้ำทำงานต่อชั้นบรรยากาศ ทำให้โมเลกุลแยกออกจากกัน
คำอธิบายกฎข้อที่หนึ่งสามแบบคลาสสิก: ให้ $q$连同其符号, $W$连同其符号, แล้ว $\Delta U$
  • เหตุผลที่ลูกสูบลมร้อนขึ้นเมื่อใช้เร็ว: อากาศถูกอัดตัว จึงมีงานทำ บน อากาศ ($W > 0$); การอัดตัวเกิดขึ้นเร็วมาก จึงไม่มีเวลาให้พลังงานความร้อนหลุดออก ($q \approx 0$); ดังนั้น $\Delta U = W > 0$ — พลังงานภายใน และดังนั้นอุณหภูมิของอากาศจึงสูงขึ้น ทำให้ลูกสูบร้อนขึ้น
  • สปริงที่ถูกยืดในอุณหภูมิคงที่ภายในขอบเขตความยืดหยุ่น: มีงานทำบนสปริงโดยแรงดึง ($W > 0$); ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานความร้อน ($q = 0$); ดังนั้นพลังงานภายในจึงเพิ่มขึ้น — เก็บเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นของอะตอม ซึ่งถูกดึงออกจากกันมากขึ้น
  • น้ำระเหยจากแอ่งน้ำในวันที่อากาศร้อน: พลังงานความร้อนถูกถ่ายโอนไปยังน้ำจากสิ่งแวดล้อม ($q > 0$); ไอน้ำที่เกิดขึ้นมีปริมาตรมากกว่าของเหลวมาก ระบบจึงทำงานกับบรรยากาศ ($W < 0$); พลังงานภายในยังคงเพิ่มขึ้น ($q$ มีค่ามากกว่างานที่ทำ) และการเพิ่มขึ้นนี้เป็นพลังงานศักย์ — โมเลกุลถูกแยกออกจากกันเพื่อต้านแรงดึงดูดระหว่างกัน

การอ่านสมการ

$\Delta U$ ถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนสถานะ (สำหรับแก๊สอุดมคติ คือจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) ค่า $\Delta U$ เดียวกันสามารถเกิดจากการผสมผสานของ $q$ และ $W$ ที่แตกต่างกันได้:

  • ความร้อนทั้งหมด ไม่มีงาน: $\Delta U = q$ (การให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่).
  • งานทั้งหมด ไม่มีความร้อน: $\Delta U = W$ (การอัดหรือขยายตัวแบบฉนวน)

กระบวนการมาตรฐาน

สำหรับแก๊สอุดมคติ, $\Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ — ขึ้นอยู่กับ $\Delta T$ เท่านั้น

กราฟความดัน-ปริมาตรที่มีเส้นสี่เส้นเริ่มจากจุดเริ่มต้นเดียวกัน: เส้นแนวนอน (ความดันคงที่), เส้นแนวตั้ง (ปริมาตรคงที่), เส้นโค้งลดลงทางขวา (อุณหภูมิคงที่ โดย T คงที่), และเส้นโค้งที่ชันกว่าด้านล่าง ( Adiabat โดยไม่มีการไหลของความร้อน )
กระบวนการมาตรฐานทั้งสี่ เริ่มจากสถานะเดียวกัน
กระบวนการ สิ่งที่คงที่ $\Delta U$ $W$ (ต่อแก๊ส) $q$
อุณหภูมิคงที่ $T$ $0$ $W$ $-W$
ปริมาตรคงที่ $V$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $0$ $\Delta U$
ความดันคงที่ $p$ $\tfrac{3}{2}n R \Delta T$ $-p \Delta V$ $\Delta U - W$
Adiabat (ไม่มีความร้อน) เปลี่ยนแปลง $W$ $0$

อ่านแต่ละบรรทัดโดยใช้กฎข้อที่หนึ่ง $\Delta U = q + W$:

  • อุณหภูมิคงที่ (constant $T$): $\Delta T = 0$, ดังนั้น $\Delta U = 0$. จากนั้น $q = -W$ — ความร้อนwhateverที่เข้าไปจะออกมาเป็นงานทันที.
  • Adiabat (ไม่มีการไหลของความร้อน): $q = 0$, ดังนั้น $\Delta U = W$. แก๊สร้อนขึ้นก็เพราะมีงานทำบนมันเท่านั้น
  • ปริมาตรคงที่ (ภาชนะแข็งปิดสนิท): ไม่มีการทำงา ($\Delta V = 0$), ดังนั้นความร้อนทั้งหมดจึงไปเพิ่มพลังงานภายใน: $q = \Delta U$.
  • ความดันคงที่ (แก๊สดัน ลูกสูบ): แก๊สทำงานขณะขยายตัว ดังนั้นความร้อนที่คุณจ่ายจึงทำหน้าที่สองอย่าง — เพิ่มพลังงานภายใน และ ทำงานในการขยายตัว

ดังนั้นสำหรับการ เพิ่มพลังงานภายในเท่าเดิม การให้ความร้อนที่ความดันคงที่ต้องใช้พลังงานความร้อน มากกว่า การให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่ พอดีเท่ากับงาน $p\Delta V$ ที่แก๊ส可以做ขณะขยายตัว — แก๊สที่ปริมาตรคงที่เก็บทุกจูล; แต่แก๊สที่ความดันคงที่ส่งบางส่วนกลับสู่สิ่งแวดล้อม

ตัวอย่างวิธีทำ: กระบวนการสองขั้นตอน

ตัวอย่างแก๊สอุดมคติที่อุณหภูมิ $T$ มีพลังงานภายใน $U$ ผ่าน:

  1. การอัดตัว ไปยังอุณหภูมิ $3T$; มีงาน $W$ ทำบนแก๊ส
  2. การทำความเย็นที่ปริมาตรคงที่ ลงไปจนถึงอุณหภูมิ $2T$
แผนภูมิแท่งแสดงพลังงานภายในที่สามสถานะ: สูง U ที่อุณหภูมิ T (เริ่มต้น), เพิ่มขึ้นเป็น 3U หลังขั้นตอนที่ 1 อัดแก๊สไปที่ 3T, จากนั้นลดลงเป็น 2U หลังขั้นตอนที่ 2 ทำความเย็นที่ปริมาตรคงที่ไปที่ 2T
พลังงานภายในติดตามอุณหภูมิ: $U \to 3U$ เมื่ออัดไปที่ $3T$, จากนั้น $3U \to 2U$ เมื่อทำความเย็นไปที่ $2T$

ขั้นตอนที่ 1 ($T \to 3T$): $U = \tfrac{3}{2}nRT$, ดังนั้น $U \to 3U$, ได้ $\Delta U_{1} = 2U$. $W_{1} = +W$. ดังนั้น $q_{1} = \Delta U_{1} - W_{1} = 2U - W$

ขั้นตอนที่ 2 ($3T \to 2T$, ปริมาตรคงที่): $\Delta U_{2} = -U$. $W_{2} = 0$. ดังนั้น $q_{2} = -U$ (ความร้อนไหลออก)

ตรวจสอบ: รวม $\Delta U = 2U - U = U$, นำแก๊สจาก $T$ ไปยัง $2T$ ($U \to 2U$) — สอดคล้องกัน

ตัวอย่างวิธีทำ: รอบวงบนแผนภูมิ $p$–$V$

รอบวงสี่เหลี่ยมผืนผ้า ABCDA บนแผนภูมิความดัน-ปริมาตร: ให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่จาก A ไป B, ขยายตัวที่ความดันคงที่จาก B ไป C, ทำความเย็นที่ปริมาตรคงที่จาก C ไป D, และอัดตัวที่ความดันคงที่จาก D กลับไปหา A; พื้นที่ภายในคืองานสุทธิที่แก๊สทำได้
รอบวง: สำหรับแต่ละข้อยึด $W$ จากการเปลี่ยนแปลงปริมาตร และ $\Delta U$ จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ, แล้ว $q$ จะตามมาจากกฎข้อที่หนึ่ง

มวลคงตัวของแก๊สอุดมคติถูกพาผ่านรอบวง ABCDA: จาก A ไป B ที่ปริมาตรคงที่ $V_{1}$ (ความดัน $p_{1} \to p_{2}$), B ไป C ที่ความดันคงที่ $p_{2}$ (ปริมาตร $V_{1} \to V_{2}$), C ไป D ที่ปริมาตรคงที่, D ไป A ที่ความดันคงที่ $p_{1}$. เติมตารางเครื่องหมายของ $q$, $W$ และ $\Delta U$ สำหรับแต่ละขา และอธิบายการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจาก B ไป C

ขั้ว กระบวนการ $W$ (ต่อก๊าซ) $\Delta U$ $q$
A → B ปริมาตรคงที่, ความดันเพิ่มขึ้น $0$ (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตร) $+$ (อุณหภูมิเพิ่มขึ้น, $pV$ มากขึ้น) $+$ ($q = \Delta U$)
B → C ความดันคงที่ ขยายตัว $-$ (ก๊าซทำงาน $p_{2}(V_{2} - V_{1})$) $+$ ($T \propto V$ ที่ constant $p$) $+$ (และมากกว่า $\Delta U$)
C → D ปริมาตรคงที่, ความดันลดลง $0$ $-$ $-$ (พลังงานความร้อนออก)
D → A ความดันคงที่, อัดตัว $+$ (มีงานทำบนแก๊ส $p_{1}(V_{2} - V_{1})$) $-$ $-$ (มีขนาดใหญ่กว่า $\Delta U$)

จาก B ไป C ก๊าซขยายตัวที่ความดันคงที่ ดังนั้นอุณหภูมิจึงสูงขึ้น ($V/T$ คงที่) และพลังงานภายในเพิ่มขึ้น; ก๊าซทำงานต่อสิ่งแวดล้อม ($W$ เป็นลบ) ดังนั้นพลังงานความร้อนที่ต้องจ่ายจึงต้องครอบคลุมทั้งสองส่วน: $q = \Delta U - W$, มีค่ามากกว่าการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน. สำหรับรอบเต็ม $\Delta U = 0$ (ก๊าซกลับสู่สถานะเริ่มต้น) พลังงานความร้อนสุทธิที่เข้าสู่ระบบเท่ากับงานสุทธิที่ก๊าซทำ — ซึ่งคือพื้นที่ภายในรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า, $(p_{2} - p_{1})(V_{2} - V_{1})$.

ความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่

สำหรับการให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่ของก๊าซอุดมคติ, $q = \Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$. ดังนั้น ความจุความร้อน มولية ที่ปริมาตรคงที่สำหรับ อะตอมเดียว ของก๊าซอุดมคติคือ $\tfrac{3}{2} R$. (ไม่จำเป็นต้องใช้สัญลักษณ์ $C_V$ แต่ผลลัพธ์ $q = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ สำหรับการให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่คือ.)

สองภาชนะ: ปริมาตรคงที่: กล่องแข็งปิดสนิทให้ความร้อนจากด้านล่าง; ไม่มีการทำงานดังนั้นความร้อนทั้งหมดเพิ่มพลังงานภายใน. ความดันคงที่: กล่องที่มีลูกสูบเคลื่อนที่ได้ด้านบนซึ่งจะเคลื่อนออกเมื่อได้รับความร้อน ทำให้ความร้อนเพิ่มพลังงานภายในและยังทำงานด้วย
ที่ปริมาตรคงที่ ความร้อนทั้งหมดเพิ่ม $U$ ($q = \Delta U$); ที่ความดันคงที่ ก๊าซยังทำงาน

การให้ความร้อนโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

หากให้ความร้อนระหว่างเปลี่ยนสถานะที่ความดันคงที่ (เช่น การต้ม น้ำ) อุณหภูมิจะคงที่แต่พลังงานภายในยังเพิ่มขึ้น (เพราะ ความร้อนแฝง แยกโมเลกุลออกจากกัน) และก๊าซจะทำงานขยายตัว กฎข้อแรกยังคงใช้: $\Delta U = q + W$.

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Work done on a gas · ⁨งานที่ทำต่อแก๊ส⁩

Push the piston in and you do work on the gas (W = pΔV); the first law says that work plus the heat added equals the rise in internal energy. · ⁨กดลูกสูบเข้าไป คุณจะทำงานต่อแก๊ส (W = pΔV); กฎข้อที่หนึ่งระบุว่า งานบวกกับความร้อนที่ใส่เข้า equals การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน⁩

16.2

Definitions the examiner accepts · ⁨คำนิยามที่ผู้สอบยอมรับ⁩

English

A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.

Term Definition
internal energy the sum of the random distribution of the kinetic and potential energies of the molecules of a system
internal energy of an ideal gas the total random kinetic energy of its molecules, since with no intermolecular forces there is no potential energy
first law of thermodynamics the increase in internal energy of a system equals the thermal energy transferred to the system by heating plus the work done on the system: $\Delta U = q + W$
work done on a gas at constant pressure $W = p\Delta V$ in size; positive when the gas is compressed, negative when it expands (the gas then does work on its surroundings)
thermal energy transfer (heating) energy transferred to or from a system because of a temperature difference; $q$ is positive when it enters
isothermal change a change at constant temperature, so for an ideal gas $\Delta U = 0$ and $q = -W$
adiabatic change a change with no thermal energy transfer, $q = 0$, so $\Delta U = W$
ไทย

คำถามคำนิยามจะให้คะแนนตามข้อความที่กำหนดไว้你必须 exact. เรียนรู้ให้ถูกต้องและตอบเพียงคำตอบเดียวเท่านั้น

พจน์ นิยาม
พลังงานภายใน ผลรวมของการกระจายแบบสุ่มของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุลในระบบ
พลังงานภายในของก๊าซอุดมคติ พลังงานจลน์แบบสุ่มทั้งหมดของโมเลกุล เนื่องจากไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลจึงไม่มีพลังงานศักย์
กฎข้อแรกแห่งอุณหพลศาสตร์ การเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของระบบเท่ากับพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนเข้าสู่ระบบด้วยการให้ความร้อนบวกกับงานที่ทำต่อระบบ: $\Delta U = q + W$
งานที่ทำต่อก๊าซที่ความดันคงที่ $W = p\Delta V$ ในขนาด; เป็นบวกเมื่อถูกอัด, เป็นลบเมื่อขยายตัว (ในกรณีนี้ก๊าซจะทำงานต่อสิ่งแวดล้อม)
การถ่ายโอนพลังงานความร้อน (การให้ความร้อน) พลังงานที่ถ่ายโอนเข้าหรือออกจากระบบเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ; $q$ เป็นบวกเมื่อเข้าสู่ระบบ
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิคงที่ การเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่所以对于理想气体 $\Delta U = 0$ และ $q = -W$
การเปลี่ยนแปลงอדיบาติก การเปลี่ยนแปลงที่ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานความร้อน, $q = 0$, ดังนั้น $\Delta U = W$
16.2

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

English
  • First law: $\Delta U = q + W$ — define every symbol with its direction: $q$ is energy transferred to the system by heating, $W$ is work done on the system.
  • For an ideal gas, internal energy depends only on temperature ($\Delta U \propto \Delta T$) and is kinetic energy only; for a solid or liquid the potential energy changes too.
  • Work done by a gas at constant pressure $= p\Delta V$; read the sign from expansion (by) or compression (on), and remember that at constant volume $W = 0$.
  • A "describe and explain" answer names both kinetic and potential energy and says what happens to each; an "explain using the first law" answer gives $q$, $W$ and then $\Delta U$, each with its sign.
  • Round a complete cycle $\Delta U = 0$, so net heating equals net work done by the gas — the area enclosed on the $p$–$V$ diagram.

Common mistakes

  • Defining internal energy as "the total energy of the molecules" or forgetting "random" or "potential". The mark scheme wants the sum of random kinetic and potential energies.
  • Using $W = p\Delta V$ with the wrong sign. When the gas expands the work done on it is negative.
  • Saying the internal energy of an ideal gas rises when it is compressed isothermally. At constant temperature $\Delta U = 0$: the work done on it leaves again as heat.
  • Treating a phase change as $\Delta U = 0$ because the temperature is constant. The potential energy rises; $\Delta U$ is the latent heat minus any expansion work.
  • Forgetting that a gas heated at constant pressure does work, so it needs more heating than at constant volume for the same $\Delta U$.
  • Applying $\Delta U = \tfrac{3}{2}nR\Delta T$ to a real gas, a liquid or a solid. It is the ideal-gas result only.
ไทย
  • กฎข้อแรก: $\Delta U = q + W$ — นิยามสัญลักษณ์ทุกตัวพร้อมทิศทาง: $q$ คือพลังงานที่ถ่ายโอน เข้าสู่ ระบบด้วยการให้ความร้อน, $W$ คืองานที่ทำ ต่อ ระบบ.
  • สำหรับก๊าซอุดมคติ พลังงานภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ($\Delta U \propto \Delta T$) และเป็นเพียงพลังงานจลน์; สำหรับของแข็งหรือของเหลว พลังงานศักย์ก็เปลี่ยนแปลงด้วย.
  • งานที่ก๊าซทำที่ความดันคงที่ $= p\Delta V$; อ่านเครื่องหมายจากการขยาย (โดย) หรือการอัด (ต่อ) และจำไว้ว่าที่ปริมาตรคงที่ $W = 0$.
  • คำตอบประเภท "อธิบายและอธิบายเหตุผล" ต้องระบุทั้งพลังงานจลน์และพลังงานศักย์และบอกสิ่งที่เกิดขึ้นกับแต่ละอย่าง; คำตอบประเภท "อธิบายโดยใช้กฎข้อแรก" ให้ $q$, $W$ และ سپس $\Delta U$, แต่ละอย่างมีเครื่องหมายของมัน.
  • สำหรับรอบเต็ม $\Delta U = 0$, การให้ความร้อนสุทธิเท่ากับงานสุทธิที่ก๊าซทำ — พื้นที่ภายในบนแผนภาพ $p$–$V$.

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • นิยามพลังงานภายในว่า "พลังงานทั้งหมดของโมเลกุล" หรือลืมคำว่า "แบบสุ่ม" หรือ "ศักย์". แผนการให้คะแนนต้องการผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์แบบสุ่ม.
  • การใช้ $W = p\Delta V$ กับเครื่องหมายผิด. เมื่อก๊าซขยายตัว งานที่ทำ ต่อ มันจะเป็นลบ.
  • การบอกว่าพลังงานภายในของก๊าซอุดมคติเพิ่มขึ้นเมื่อถูกอัดแบบอุณหภูมิคงที่. ที่อุณหภูมิคงที่ $\Delta U = 0$: งานที่ทำต่อมันจะถูกปล่อยออกไปเป็นความร้อนอีกครั้ง.
  • การ treating การเปลี่ยนสถานะเป็น $\Delta U = 0$ เพราะอุณหภูมิคงที่. พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น; $\Delta U$ คือความร้อนแฝงลบด้วยงานขยายตัวใดๆ.
  • ลืมว่าก๊าซที่ให้ความร้อนที่ความดันคงที่จะทำงาน ดังนั้นจึงต้องการความร้อนมากกว่าที่ปริมาตรคงที่เพื่อให้ได้ $\Delta U$ เดียวกัน.
  • การประยุกต์ใช้ $\Delta U = \tfrac{3}{2}nR\Delta T$ กับก๊าซจริง ของเหลวหรือของแข็ง. มันเป็นผลลัพธ์เฉพาะของก๊าซอุดมคติเท่านั้น.

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩ · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน A-Level Physics · ⁨Physics A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP