อุณหภูมิและพลังงานภายใน

น้ำในถ้วยกับน้ำเต็มอ่างมีอุณหภูมิ 40 °C เท่ากัน ทำไมเทอร์โมมิเตอร์อ่านค่าเท่ากันจึงไม่ได้แปลว่ามีพลังงานเท่ากัน? แล้วเมื่อรอให้เทอร์โมมิเตอร์ปรับตัวแล้ว มันวัดอะไรได้แน่?

จุ่มเทอร์โมมิเตอร์เย็นลงในน้ำอุ่น ช่วงแรกค่าที่อ่านได้จะเพิ่มขึ้น น้ำถ่ายโอนพลังงานให้เทอร์โมมิเตอร์จนทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน จากนั้นไม่มีการถ่ายโอนความร้อนสุทธิ เรียกว่าเกิดสมดุลความร้อน อนุภาคแต่ละตัวยังคงแลกเปลี่ยนพลังงานกัน แต่โดยเฉลี่ยไม่มีการถ่ายโอนไปทางใดทางหนึ่ง เราจึงต้องรอให้ค่าที่อ่านได้คงที่ เทอร์โมมิเตอร์เองได้รับพลังงานด้วย และอาจทำให้อุณหภูมิของน้ำปริมาณน้อยมากเปลี่ยนไปอย่างเห็นได้ชัด

มือของเราเปรียบเทียบอุณหภูมิน้ำได้แม่นยำไหม? หลังสัมผัสน้ำเย็นหรือน้ำร้อน น้ำเดียวกันอาจให้ความรู้สึกต่างกัน เราจึงต้องมีค่าตัวเลขที่วัดซ้ำได้เพื่อบอกสภาพทางความร้อน นั่นคืออุณหภูมิ อุณหภูมิช่วยบอกทิศการถ่ายโอนความร้อนที่เกิดเอง: จากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ในสเกลเซลเซียสใช้สัญลักษณ์ t และหน่วย °C ในโจทย์อื่น t อาจหมายถึงเวลา ความหมายของตัวอักษรจึงขึ้นอยู่กับบริบท

ลองนึกถึงไม้บรรทัดสองอันที่แบ่งช่องเท่ากัน แต่เลื่อนจุดศูนย์ออกจากกัน สเกลเซลเซียสกับเคลวินสัมพันธ์กันแบบนี้ การอุ่นขึ้นเท่ากันกินจำนวนช่องเท่ากัน อุณหภูมิสัมบูรณ์ใช้สัญลักษณ์ T มีหน่วยเคลวิน К โดยไม่มีเครื่องหมายองศา จุดศูนย์ของสเกลนี้คือขีดล่างของอุณหภูมิสำหรับสภาวะทางความร้อนทั่วไป ไม่ได้หมายความว่าพลังงานภายในทั้งหมดหายไป หรือเราจะหาพลังงานนั้นได้จากค่าอุณหภูมิเพียงค่าเดียว

เมื่อแปลงค่าที่อ่านได้ ต้องคิดตำแหน่งศูนย์ที่ต่างกัน: T ในหน่วย К = t ในหน่วย °C + 273,15 ที่ 0 °C จึงได้ 273,15 К และเมื่อ t ลดลงหนึ่งองศา T ก็ลดลงหนึ่งเคลวินด้วย แต่เมื่อหาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ค่าที่บวกจะหักล้างกัน: (t₂ + 273,15) − (t₁ + 273,15) = t₂ − t₁ ดังนั้น อุ่นขึ้น 10 °C จึงเท่ากับอุ่นขึ้น 10 К หากอุณหภูมิไม่เปลี่ยน ผลต่างทั้งสองเป็นศูนย์ ไม่ใช่ 273,15

ถ้วยอยู่นิ่งบนโต๊ะ แต่อนุภาคของมันยังเคลื่อนที่และมีอันตรกิริยากันตลอดเวลา พลังงานของการเคลื่อนที่แบบสุ่มและอันตรกิริยารวมกันเรียกว่าพลังงานภายใน U มีหน่วยเป็นจูล การยกถ้วยหรือย้ายไปอีกด้านของห้องเปลี่ยนพลังงานของวัตถุทั้งชิ้น ซึ่งแยกจาก U อุณหภูมิเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อน แต่เพียงค่าเดียวไม่ได้บอกจำนวนอนุภาคหรือพลังงานอันตรกิริยาทั้งหมด

ลองรวมปริมาณน้ำที่เท่ากันสองส่วนซึ่งมีอุณหภูมิเท่ากัน จำนวนอนุภาคและพลังงานภายในรวมกันได้ แต่อุณหภูมิไม่ได้เพิ่มเป็นสองเท่า เพราะน้ำทั้งสองส่วนมีอุณหภูมิเท่ากันอยู่แล้ว จึงเห็นได้ว่าน้ำในอ่างกับในถ้วยมีพลังงานภายในต่างกัน การเปรียบเทียบนี้ใช้กับสารเดียวกันในสถานะเดียวกัน และเลือกจุดศูนย์ของพลังงานร่วมกัน สำหรับวัตถุต่างชนิดทั่วไป ใช้กฎว่า “ร้อนกว่าจึงมี U มากกว่า” ไม่ได้

ชาร้อนทำให้ช้อนอุ่นขึ้นโดยช้อนไม่ได้เคลื่อนที่อย่างเห็นได้ชัด พลังงานภายในเปลี่ยนไปด้วยการถ่ายโอนความร้อน ทีนี้ลองถูฝ่ามือเข้าด้วยกัน มืออุ่นขึ้นได้แม้ไม่มีวัตถุที่ร้อนกว่าอยู่ใกล้ เพราะเราทำงานต้านแรงเสียดทาน นี่คืออีกวิธีที่เปลี่ยน U เมื่อมือเย็นลงภายหลัง พลังงานถ่ายโอนไปยังสิ่งแวดล้อม ไม่ได้หายไป ในแต่ละการทดลองจึงควรมองหาทางที่พลังงานถ่ายโอน แทนที่จะนึกว่าอุณหภูมิเป็นสารชนิดหนึ่ง

อากาศอุ่นขึ้นจาก 20 เป็น 30 °C จงหาอุณหภูมิเริ่มต้นในหน่วย К และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

เริ่มจากหาค่าอุณหภูมิเริ่มต้นบนอีกสเกล: T₁ = 20 + 273,15 = 293,15 К ค่าที่บวกชดเชยตำแหน่งศูนย์ที่ต่างกัน

เมื่อหาการเปลี่ยนแปลง ให้เทียบค่าสุดท้ายกับค่าเริ่มต้น: 30 − 20 = 10 °C ช่องสเกลมีขนาดเท่ากัน จึงได้ ΔT = 10 К

ตรวจสอบโดยแปลงทั้งสองค่า: 303,15 − 293,15 = 10 К หากบวก 273,15 ให้ผลต่าง จะได้ว่ามีการเปลี่ยนแปลงแม้ไม่มีการอุ่นขึ้น

อุณหภูมิเริ่มต้นคือ 293,15 К และเปลี่ยนไป 10 К อากาศอุ่นขึ้นสิบช่องที่มีขนาดเท่ากันในทั้งสองสเกล

อุณหภูมิเท่ากันทำให้ไม่มีการถ่ายโอนความร้อนสุทธิ แต่อนุภาคยังเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อน

อุณหภูมิบอกสภาพทางความร้อน ส่วนพลังงานภายในรวมพลังงานการเคลื่อนที่และอันตรกิริยาของอนุภาคทั้งหมด

บวก 273,15 ให้ค่าอุณหภูมิเซลเซียส แต่ไม่บวกให้ผลต่างอุณหภูมิ

พลังงานถ่ายโอนสู่วัตถุได้ด้วยความร้อนหรือการทำงาน

ความร้อนถ่ายโอนได้สามวิธี เราจะเปรียบเทียบกันในบทเรียนถัดไป