B.4 · เทอร์โมไดนามิกส์

International Baccalaureate · IB Diploma · Physics · HL · หัวข้อ 9

9.1

ขอบเขตและเงื่อนไขก่อนเข้าเรียน

ใบงานนี้ครอบคลุมหัวข้อ HL ที่เลือกไว้สำหรับหลักสูตรที่ประเมินครั้งแรกใน 2025; มันไม่ใช่ทั้ง syllabus

เงื่อนไขก่อนหน้า: อ่านปริมาณและหน่วยที่กำหนด, และใช้ arithmetic และเงื่อนไขโมเดลด้านล่าง

The examples are original and fictional: they are not real measurements or real student investigations.

English	ไทย
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/	พลังงานภายใน
adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/	อะเดียบติก

9.2

ระบบเทอร์โมไดนามิกส์และบัญชีพลังงาน

อะไรจะเป็นคำอธิบายสำหรับการสังเกตนี้?

การบีบอัดแก๊สสามารถทำให้มันร้อนขึ้นได้แม้ไม่มีเครื่องทำความร้อน งานเป็นอีกเส้นทางหนึ่งของการถ่ายโอนพลังงานเข้าสู่ระบบ

สร้างโมเดล

พลังงานภายใน เป็นคุณสมบัติของระบบที่เลือก
ความร้อนและงานอธิบายการถ่ายโอนพลังงานข้ามพรมแดนของระบบ
สำหรับแก๊สอะตอมเดี่ยวในอุดมคติ พลังงานภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและปริมาณ
กระบวนการอะไดอาเบติก: กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายโอนความร้อน
พลังงานภายใน: ผลรวมของพลังงานจลน์และศักย์ระดับไมโครสโคปิกของระบบ

กราฟแท่งพลังงาน: 300 J ของความร้อนเข้าสู่ก๊าซ, 120 J ของงานที่ทำโดยก๊าซ, 180 J ของการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน — กฎข้อที่หนึ่ง: Q = ΔU + W, ดังนั้น 300 J = 180 J + 120 J

เลือกหลักฐานที่นำมาทดสอบได้

ระบุกฎเครื่องหมายก่อนใช้กฎข้อแรก
ที่นี่การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเท่ากับความร้อนเข้าสู่ระบบลบด้วยงานที่ทำโดยระบบ
งานขยายตัวสามารถลดพลังงานภายในได้เมื่อไม่มีความร้อนเข้าสู่ระบบ

ในห้องปฏิบัติการ: ระบุให้ได้ว่ากระบวนการนั้นเป็นไอโซเทอร์มอล อะไดอาเบติก หรือที่ความดันคงที่ บนกราฟความดัน-ปริมาตร พื้นที่ใต้เส้นโค้งของกระบวนการบ่งบอกถึงงานที่ทำโดยแก๊ส เส้นทางมีผลต่อแม้ว่าจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดจะเหมือนกันก็ตาม

เริ่มจากปริมาณที่ทราบแล้ว

Known: gas gains 300 J by heating and does 120 J of work.
ด้วย ΔU = Q-W, ΔU = 300-120 = 180 J
สำหรับการอัดตัวแบบอะไดอาเบติก, Q=0 และงานที่ทำโดยแก๊สเป็นค่าลบ ดังนั้น ΔU จึงเป็นค่าบวก

ถึงคุณ: แก๊สได้รับ 500 J ของความร้อนและทำ 200 J ของงาน จงหาการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน

ตรวจสอบข้อสรุปและขอบเขต

อะไดอาเบติกไม่ได้หมายความว่าอุณหภูมิคงที่
ใช้กฎเครื่องหมายที่กำหนด; บางหลักสูตรเขียนงานที่ทำต่อแก๊สด้วยเครื่องหมายตรงกันข้าม

ไม่เป็นความจริง: ทุกกระบวนการอะไดอาเบติกมีอุณหภูมิคงที่ อะไดอาเบติกกำหนดการถ่ายโอนความร้อน (Q = 0) ไม่ใช่อุณหภูมิ การอัดตัวแบบอะไดอาเบติกเพิ่มอุณหภูมิ - ท่อสูบลมจักรยานร้อนขึ้น - และการขยายตัวแบบอะไดอาเบติกลดอุณหภูมิ ไอโซเทอร์มอล ไม่ใช่อะไดอาเบติก จึงเป็นกระบวนการที่มีอุณหภูมิคงที่

จุดสำคัญ:

พลังงานภายในเป็นคุณสมบัติของระบบที่เลือก
ระบุกฎเครื่องหมายก่อนใช้กฎข้อแรก
ระวัง: อะไดอาเบติกไม่ได้หมายความว่าอุณหภูมิคงที่

เขียนจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน 450 J

แก๊สได้รับ 800 J ของความร้อนและทำ 350 J ของงาน
หาการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน การเปลี่ยนผ่านแบบ adiabat คือไม่มีกระแสความร้อน ไม่จำเป็นต้องมีอุณหภูมิคงที่

เขียนจากกระบวนการอุณหภูมิคงที่

ก๊าซขยายตัวช้าๆ ที่อุณหภูมิคงที่ ทำ 200 J ของงาน
ΔU = 0 ดังนั้น Q = W = 200 J: ความร้อนไหลเข้าเท่ากับที่งานถูกปล่อยออกพอดี — เส้น iso-เทอมเป็นสมดุล ไม่ใช่การหายไปของพลังงาน

เขียนจากผลรวมของรอบการทำงาน

ในหนึ่งรอบเต็ม ก๊าซดูด 500 J และคาย 300 J
งานสุทธิ = 500 − 300 = 200 J และ ΔU = 0 ตลอดรอบ — พลังงานภายในเป็นฟังก์ชันสถานะ กลับไปค่าเริ่มต้นเสมอ

สำรวจ

Two sign conventions, one energy change

300 J of heat enters and 120 J of work leaves the gas. Transfer directions determine ΔU; work-by and work-on conventions describe the same physical process.