กฏข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ มีพื้นฐานมาจากกฎอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งมีใจความว่า “พลังงานสามารถเปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้ แต่ไม่สามารถสร้างหรือทำให้พลังงานหายไปได้”

 แล้วเราจะทราบได้อย่างไรว่า กฎอนุรักษ์พลังงานนี้เป็นจริงหรือไม่ ?

        เราสามารถตรวจสอบความถูกต้องของกฎนี้ได้โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ (ใช้สัญลักษณ์เป็น DE หรือ DU) เทียบกับความแตกต่างระหว่างสภาวะเริ่มต้นกับสภาวะสุดท้ายของระบบ

DE    =    Ef   -   Ei

        ในทางเคมี เรามักจะสนใจการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระบบมากกว่าในสิ่งแวดล้อม ซึ่งการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ (DE) มีค่าเท่ากับผลรวมของความร้อน (q) กับงาน (w) ดังนี้

(q มีค่าเป็นบวกสำหรับกระบวนการดูดความร้อน และมีค่าเป็นลบสำหรับกระบวนการคายความร้อน)

        กฏข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส  กล่าวว่า "พลังงานรวมของทั้งระบบและสิ่งแวดล้อมต้องมีค่าคงที่ แต่พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้"

 นักเรียนคิดว่า การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบปิด ระบบเปิด และระบบโดดเดี่ยว จะมีค่าเท่ากันหรือแตกต่างกัน อย่างไร ?

         ความร้อน (q) และงาน (w) เป็นตัวแปรสำคัญในการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ (DE)
         การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบปิดจะมีค่าเท่ากับพลังงาน (งานและความร้อน) ที่ผ่านเข้า-ออกรอยต่อของระบบกับสิ่งแวดล้อม
         พลังงานภายในของระบบโดดเดี่ยว (isolated system) จะมีค่าคงที่

 

 นักเรียนคิดว่า การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของกระบวนการที่เกิดภายใต้สภาวะปริมาตรคงที่ และกระบวนการที่เกิดภายใต้สภาวะความดันคงที่ น่าจะเท่ากันหรือแตกต่างกัน อย่างไร ?
        จากสมการ DE       =    q   +   w

        กระบวนการที่เกิดภายใต้สภาวะปริมาตรคงที่ (isochoric process) หรือ DV = 0 จะไม่มีงานเกิดขึ้นในการเปลี่ยนแปลงนี้ (ความดันบรรยากาศ)

        จะได้ว่า  DE    =    q   +   (- PDV)    =     qv                         (PDV    =    0)
(qv หมายถึง q ที่เกิดภายใต้สภาวะปริมาตรคงที่)

        นั่นคือ การเปลี่ยนแปลงพลังงาน (DE) จะเท่ากับปริมาณความร้อนที่ถ่ายเท (q)

 

        กระบวนการที่เกิดภายใต้สภาวะความดันคงที่ (isobaric process)หรือ DP = 0

ปฏิกิริยาส่วนใหญ่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะความดันคงที่

         ถ้าปฏิกิริยานั้นทำให้จำนวนโมลของแก๊สเพิ่มมากขึ้นกว่าเริ่มต้น แก๊สก็จะขยายตัวดันสิ่งแวดล้อมออกไปในทิศทางต้านกับความดันบรรยากาศ (ระบบขยายตัว) เราถือว่าระบบทำงานให้กับสิ่งแวดล้อม

         ถ้าปฏิกิริยานั้นใช้จำนวนโมลของแก๊สมากกว่าแก๊สที่เกิดจากปฏิกิริยา ความดันบรรยากาศภายนอกก็จะดันระบบเข้ามา (ระบบหดตัว) เราถือว่าสิ่งแวดล้อมทำงานให้กับระบบ

         แต่ถ้าปฏิกิริยาใดที่ไม่เกี่ยวข้องกับการใช้แก๊สและไม่มีแก๊สเกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงปริมาตร ก็จะเกิดขึ้นน้อยมากจนอาจถือได้ว่า DV = 0

ตัวอย่างปฏิกิริยาที่เกิดภายใต้สภาวะความดันคงที่

        การใส่โลหะโซเดียม ชิ้นเล็กๆ ลงในบีกเกอร์ที่มีน้ำอยู่ จะเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว ซึ่งสมการที่เกิดขึ้นคือ

        การเปลี่ยนแปลงพลังงานในปฏิกิริยานี้ คือ DE ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นคือ แก๊สไฮโดรเจน ซึ่งจะดันอากาศภายในกระบอกสูบออกไปและดันลูกสูบให้ลอยขึ้น ต้านกับความดันบรรยากาศภายนอก (Pext) ซึ่งปริมาตรที่เปลี่ยนแปลง คือ DV ส่วนความร้อนของปฏิกิริยาที่ความดันคงที่จะมีเท่ากับการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (qp = DH)

 ถ้าเราใช้โลหะโซเดียมปริมาณมากกว่าเดิม ผลการทดลองจะเป็นอย่างไร จะเป็นไปตามหลักการของกระบวนการที่สภาวะความดันคงที่หรือไม่ ?

หมายเหตุ: ถ้าใช้โลหะโซเดียมขนาดใหญ่ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างรุนแรงและอาจดันลูกสูบกระเด็นหลุดออกได้ ดังนั้น ในการทำการทดลองควรใช้โลหะโซเดียมขนาดเล็กๆ หรือทำปฏิกิริยากันที่ความเข้มข้นต่ำๆ

หมายเหตุ :  การเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (DH) คือ ปริมาณความร้อนที่ผ่านเข้าหรือออกจากระบบในกระบวนการที่ความดันคงที่