ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์
อุณหพลศาสตร์ |
---|
ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ (อังกฤษ: thermodynamic potential) เป็นปริมาณสเกลาร์อย่างหนึ่งที่ใช้แสดงถึงสถานะทางอุณหพลศาสตร์ของระบบทางกายภาพ เฉกเช่นพลังงานศักย์ในวิชากลศาสตร์ ซึ่งมีนิยามว่าศักยภาพหรือความสามารถในการทำงาน ศักย์ต่าง ๆ มีความหมายที่แตกต่างกันไปเช่นกัน ปิแยร์ ดูเฮม เป็นผู้นำเสนอแนวคิดว่าด้วยศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ใน ค.ศ. 1886 ในส่วนของโจไซอา วิลลาร์ด กิบส์ (Josiah Willard Gibbs) เขาใช้คำว่า fundamental functions ในงานเขา
ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ค่าหนึ่งที่สามารถตีความทางกายภาพคือพลังงานภายใน U (internal energy) โดยเป็นพลังงานของการจัดเรียงของระบบของแรงอนุรักษ์ (conservative force) (เหตุที่เรียกว่าศักย์) และมีความหมายต่อเมื่ออิงกับสิ่งอ้างอิง (หรือข้อมูล) ชุดหนึ่งที่นิยามไว้เท่านั้น นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของศักย์ทางอุณหพลศาสตร์อื่นทั้งหมดสามารถหาได้จากการแปลงเลอฌ็องดร์จากนิพจน์ของค่า U กล่าวได้ว่า ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ทั้งหมดสมมูลกัน ศักย์แต่ละศักย์เป็นการแสดงออกในอีกรูปแบบหนึ่งของศักย์อื่น ๆ
ในอุณหพลศาสตร์ แรงภายนอก อาทิแรงโน้มถ่วง ถือว่าส่งผลต่อพลังงานรวมมากกว่าจะส่งผลต่อศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ ของไหลใช้งาน (working fluid) ในเครื่องจักรไอน้ำบนยอดเขาเอเวอเรสต์เป็นต้นมีพลังงานรวมมากกว่าอันเดียวกันที่อยู่ในร่องลึกก้นสมุทรมาเรียนา แต่มีศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เท่ากัน เพราะพลังงานโน้มถ่วง (gravitational energy) อยู่กับพลังงานรวม ไม่ได้อยู่กับศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เหมือนเช่นพลังงานภายใน
คำอธิบาย
ห้าศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เช่น:[1]
ชื่อ | สัญลักษณ์ | สูตร | ตัวแปรธรรมชาติ |
---|---|---|---|
พลังงานภายใน | |||
พลังงานอิสระเฮ็ล์มฮ็อลทซ์ | |||
เอนทาลปี | |||
พลังงานอิสระกิบส์ | |||
ศักย์ลันเดา หรือศักย์แกรนด์ | , |
โดย T = อุณหภูมิ S = เอนโทรปี p = ความดัน V = ปริมาตร Ni เป็นจำนวนอนุภาคชนิด i ภายในระบบ และ μi เป็นศักย์เคมีของอนุภาคชนิด i เซตของ Ni ทุกตัวรวมว่าเป็นตัวแปรธรรมชาติ แต่หากไม่มีปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้จำนวนเปลี่ยนไปก็ไม่จำเป็นต้องพิจารณา ในมาตรฐาน ISO/IEC พลังงานอิสระเฮ็ล์มฮ็อลทซ์เรียกว่าพลังงานเฮ็ล์มฮ็อลทซ์[2] หรือฟังก์ชันเฮ็ล์มฮ็อลทซ์ และแทนด้วยตัวแปร F แต่ตัวแปร A เป็นที่แนะนำโดยIUPAC[3] ISO และIEC[2]
ศักย์ทั้งห้านี้เป็นพลังงานศักย์ทั้งสิ้น แต่นอกจากนี้ยังมีศักย์เอนโทรปี (free entropy) ตารางจตุรัสอุณหพลศาสตร์ (thermodynamic square) เป็นเครื่องมือช่วยจำและหาค่าศักย์ต่าง ๆ ที่สามารถนำมาใช้ได้
เฉกเช่นพลังงานศักย์ในวิชากลศาสตร์ ซึ่งมีนิยามว่าศักยภาพหรือความสามารถในการทำงาน ศักย์ต่าง ๆ มีความหมายที่แตกต่างกันไปเช่นกัน เป็นต้นดังต่อไปนี้[4]:
- พลังงานภายใน (U) คือความสามารถทำงานบวกกับความสามารถปลดปล่อยความร้อน
- พลังงานเฮ็ล์มฮ็อลทซ์[2] (F) คือความสามารถทำงานทั้งเชิงกลและที่ไม่ใช่เชิงกล
- เอนทาลปี (H) คือความสามารถทำงานที่ไม่ใช่เชิงกลบวกกับความสามารถปลดปล่อยความร้อน
- พลังงานกิบส์[5] (G) คือความสามารถทำงานที่ไม่ใช่เชิงกล
อ้างอิง
- ↑ Alberty 2001, p. 1353
- ↑ 2.0 2.1 2.2 ISO 80000-5:2019, 5-20.4
- ↑ Alberty 2001, p. 1376
- ↑ Peverati, Roberto. "8.2: Thermodynamic Potentials". The Live Textbook of Physical Chemistry – โดยทาง Chemistry LibreTexts.
- ↑ ISO 80000-5:2019, 5-20.5
บรรณานุกรม
- "ISO 80000-5:2019(en) Quantities and units — Part 5: Thermodynamics". องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน. 2019 – โดยทาง www.iso.org/obp.
- Alberty, R. A. (2001). "Use of Legendre transforms in chemical thermodynamics" (PDF). Pure Appl. Chem. 73 (8): 1349–1380. doi:10.1351/pac200173081349.