อุณหพลศาสตร์

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

อุณหพลศาสตร์ หรือ เทอร์โมไดนามิกส์ (อังกฤษ: Thermodynamics – มาจากภาษากรีก thermos = ความร้อน และ dynamis = กำลัง) เป็นสาขาของฟิสิกส์ ที่ศึกษาความสัมพันธ์เกี่ยวกับ ความร้อน อุณหภูมิ งาน และพลังงาน. ในช่วงแรกการศึกษาอุณหพลศาสตร์เกิดจากการศึกษาเรื่องเครื่องจักรความร้อน ต่อมาในภายหลัง นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่า อุณหพลศาสตร์ครอบคลุมถึงกระบวนการการเปลี่ยนแปลงมหาศาล ทั้งสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิต ทั้งในโลกตลอดจนทั้งจักรวาล. ยกตัวอย่างเช่น การทำนายถึงจุดกำเนิดและดับสูญของจักรวาลด้วยกฎข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์ และการบ่งบอกทิศทางของเวลา (direction of time) ด้วยการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี. อุณหพลศาสตร์เป็นสาขาหลักทางฟิสิกส์นับแต่ช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19 เป็นต้นมา.

สารบัญ 1 ประวัติความเป็นมา 1.1 ของไหลที่เรียกว่าความร้อน ทฤษฎีแคลอริก 1.2 เครื่องจักรความร้อนและผลงานของการ์โนต์ 1.3 ความร้อนคือการเคลื่อนไหว 1.4 กำเนิดกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ 1.5 กำเนิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ 1.6 อะตอม ทฤษฎีจลน์ของก๊าซและกลศาสตร์สถิติ 2 ระบบอุณหพลศาสตร์ 3 กฎของอุณหพลศาสตร์ 3.1 ข้อที่ศูนย์ 3.2 ข้อที่หนึ่ง 3.3 ข้อที่สอง 3.4 ข้อที่สาม 4 อุณหพลศาสตร์ vs. กลศาสตร์สถิติ 5 เรื่องขำขันและคำคม 6 ดูเพิ่ม 7 เอกสารอ้างอิง

[แก้] ประวัติความเป็นมา

[แก้] ของไหลที่เรียกว่าความร้อน ทฤษฎีแคลอริก

ความร้อนเป็นความลี้ลับที่นักฟิสิกส์เฝ้าหาคำอธิบายมานานแสนนาน ทฤษฎีที่ใช้อธิบายความร้อนที่นิยมในสมัยก่อนก็คือ ทฤษฎีแคลอริก ที่กล่าวว่าความร้อนเป็นของไหลชนิดหนึ่ง โดยมีส่วนประกอบเป็นสสารที่เรียกว่าแคลอริก. ทฤษฎีนี้ถูกเสนอโดย โจเซพ แบล็คนักฟิสิกส์ชาวสกอตแลนด์และอันโตนี ลาวอซิเยอนักเคมี ในคริสต์ศตวรรษที่ 18 แบล็คได้นิยามหน่วยความร้อนดังนี้: ความร้อน 1 แครอลี คือ ความร้อนที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 ปอนด์ ขึ้นมา 1 องศาฟาเรนไฮต์ (ในปัจจุบันเราก็ยังใช้หน่วย แครอลีบ้างเกี่ยวกับเรื่องของโภชนาการ อยู่ เพียงแต่เปลี่ยนนิยามเป็น ''ความร้อนที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัม ขึ้นมา 1 องศาเซลเซียส) งานของเขาได้ถูกนำไปศึกษาต่อในเรื่อง ความร้อนจำเพาะ (specific heat) ของสสารอย่างจริงจังในเวลาต่อมา นอกจากนั้นแบล็คยังได้นิยาม ความร้อนแฝง (latent heat) หรือความร้อนที่ต้องใส่ในระบบเพื่อทำให้วัตถุเปลี่ยนสถานะ เช่น จากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นก๊าซ เป็นต้น แบล็คได้สังเกตว่าความร้อนชนิดนี้ไม่ได้ทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้นเลย จึงได้ตั้งชื่อว่า ความร้อนแฝง

[แก้] เครื่องจักรความร้อนและผลงานของการ์โนต์

ในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม เมื่อเราเข้าใจธรรมชาติของความร้อนดีขึ้นจึงมีการประดิษฐ์คิดค้น เครื่องจักรความร้อน มาใช้งานกันอย่างแพร่หลาย. ซึ่งนับว่าเครื่องจักรความร้อนเป็นสิ่งที่สำคัญยิ่งในการพัฒนาความรู้ด้านอุณหพลศาสตร์. และต่อมาในปี ค.ศ. 1824 ซาดี การ์โนต์ วิศวกรชาวฝรั่งเศสได้ตีพิมพ์ผลงาน Reflections on the Motive Power of Fire กด ซึ่งแสดงให้เห็นว่า เมื่อกำหนดแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูงและต่ำคู่ใด ๆ แล้ว เครื่องจักรความร้อนการ์โนต์เป็นเครื่องจักรที่ให้งานทางกลศาสตร์มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ (ต่อมาเราทราบว่าเครื่องจักรแบบผันกลับได้ทุกชนิดมีประสิทธิภาพสูงสุดเท่าเครื่องจักรการ์โนต์). งานของเครื่องจักรการ์โนต์ทำให้เราตระหนักถึงขอบเขตที่ดีที่สุดของเครื่องจักรความร้อนเท่าที่เราทำได้ และยังเป็นผลงานซึ่งทำให้ต่อมาลอร์ด เคลวินและรูดอร์ฟ เคลาซิอุสค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์. นักฟิสิกส์หลายท่านถือว่าการ์โนต์เป็นหนึ่งในผู้ค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์. อนึ่ง ในสมัยนั้นการ์โนต์ยังเข้าใจผิดว่าความร้อนคือของไหลอยู่ เขาจึงคิดว่าความร้อนทั้งหมดจะไหลจากแหล่งอุณหภูมิสูงไปยังแหล่งอุณหภูมิต่ำทั้งหมด เฉกเช่นน้ำทั้งหมดไหลจากที่สูงไปยังที่ต่ำ ซึ่งเป็นการเข้าใจผิดเนื่องจากต้องมีความร้อนบางส่วนถูกแปรรูปไปเป็นงานที่ผลิตได้จากเครื่องจักรความร้อน (ตามกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์). ต่อมา เอมีล กลาปีรง (Émile Clapeyron) ได้พยายามเผยแพร่งานของการ์โนต์โดยสร้างสมการคณิตศาสตร์และไดอะแกรมของเครื่องจักรความร้อนการ์โนต์ ทำให้งานของการ์โนต์แพร่หลายไปทั่ว.

[แก้] ความร้อนคือการเคลื่อนไหว

ในช่วงสงครามประกาศอิสรภาพของอเมริกา ปี ค.ศ. 1798 เบนจามิน ทอมป์สัน (ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็น เคานท์ รัมฟอร์ด) สนใจธรรมชาติของความร้อนมาก และรู้สึกไม่พอใจกับทฤษฎีแคลอริกที่ผู้คนยอมรับกันในขณะนั้น. ช่วงที่รัมฟอร์ดได้ถูกแต่งตั้งให้ควบคุมหน่วยปืนใหญ่ของกองทัพ เขาได้สังเกตเห็นถึงความร้อนที่เพิ่มขึ้นในปริมาณมหาศาลมากของปืนใหญ่. เขาตั้งข้อสงสัยว่าถ้ามี สสาร ที่ชื่อว่าความร้อนจริง ปืนใหญ่ย่อมสูญเสียสสารเช่นนั้นไปเป็นจำนวนมาก แต่ผลจากการทดลองอย่างระมัดระวังของเขา กลับพบว่าปืนใหญ่มีน้ำหนักเท่าเดิม (หรือสูญเสียไปน้อยมากจนไม่สามารถตรวจสอบได้). รัมฟอร์ดไม่เชื่อว่าจะมีสสารใด ๆ ที่มีมวลน้อยขนาดนั้น เขาจึงได้ตีพิมพ์ในผลงานของเขาใน London Philosophical Transactions ว่า จากการทดลองและการตรวจสอบ อย่างละเอียดถี่ถ้วยของผม ความร้อนไม่สามารถเป็นอื่นใด นอกจากการเคลื่อนที่ (หมายถึงว่า ความร้อนคือพลังงานจลน์นั่นเอง).

[แก้] กำเนิดกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

จูเลียส ฟอน เมเยอร์ และ เจมส์ จูล เป็นนักวิทยาศาสตร์สองท่าน ที่นำแนวคิดของรัมฟอร์ดไปศึกษาต่ออย่างจริงจัง โดยในปี ค.ศ. 1840 ฟอน เมเยอร์ ที่เป็นแพทย์และนักวิทยาศาสตร์สมัครเล่น ได้สังเกตถึงความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและงานทางกลศาสตร์ ระหว่างตรวจคนไข้ในเรือ ทำให้ ฟอน เมเยอร์ ได้พยายามตีพิมพ์ผลงานเรื่องกฎการอนุรักษ์พลังงาน. อย่างไรก็ตามเนื่องจากความที่ว่าพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ของ ฟอน เมเยอร์ มีน้อย ทำให้ผลงานของเขามีข้อผิดพลาด และถูกปฏิเสธการตีพิมพ์. ในปีถัดมา ฟอน เมเยอร์ พยายามส่งผลงานเข้าตีพิมพ์อีกครั้ง โดยถึงแม้จะสำเร็จ แต่ผลงานของเขาถูกมองข้าม เนื่องจากเขาไม่มีชื่อเสียงในฐานะนักฟิสิกส์. ฟอน เมเยอร์ ต้องรออีกราว ๆ 20 ปี กว่าจะได้ชื่อเสียงที่เขาสมควรจะได้รับ เมื่อเคลาซิอุสได้พยายามยกย่องเขาแก่สาธารณชนในฐานะผู้คิดค้นกฎข้อที่ 1.

กฎการอนุรักษ์พลังงานได้ถูกค้นพบเช่นกันที่อังกฤษ โดยจูลในปี ค.ศ. 1843. จูลเป็นลูกศิษย์ของจอห์น ดอลตัน จึงมีพื้นฐานทางด้านวิทยาศาสตร์อย่างดีเยี่ยม แตกต่างจากฟอน เมเยอร์. จูลได้ทดลองเพื่อพิสูจน์ถึงความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและงานทางกลศาสตร์อย่างรัดกุมมาก ทำให้ผลงานของเขาได้รับการยอมรับไปทั่วยุโรป. ในปี ค.ศ. 1847 เฮอร์มันน์ ฟอน เฮล์มโฮลทซ์ ได้ตีพิมพ์ผลงานที่นิยามกฎข้อที่ 1 อย่างเป็นทางการใน Über die Erhaltung der Kraft (On the Conservation of Force).

[แก้] กำเนิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ชื่อเทอร์โมไดนามิกส์ ถือกำเนิดขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1849 โดย วิลเลียม ทอมป์สัน หรือ ลอร์ด เคลวิน นั่นเอง. เคลวินประทับใจในงานของจูลเป็นอย่างมาก เคลวินจึงได้คุยและถกกับจูลหลายต่อหลายครั้ง ความสัมพันธ์ของทั้งคู่ดำเนินไปดังนี้ จูลถามปัญหาทอมป์สัน ทอมป์สันวิเคราะห์คำตอบทางทฤษฎี จูลนำบทวิเคราะห์ของทอมป์สันมาทดลอง กลับไปกลับมาเป็นเวลา 4 ปี ในช่วง ปี ค.ศ. 1852 ถึง ค.ศ. 1856 ทำให้ทั้งสองมีผลงานค้นพบร่วมกัน เช่น การแพร่กระจายแบบจูล-ทอมป์สัน (Joule-Thompson expansion). นอกจากนี้จากการศึกษางานของการ์โนต์อย่างจริงจัง ทำให้เคลวินเริ่มมีแนวคิดเกี่ยวกับกฎข้อที่ 2.

ในช่วงเวลาเดียวกันที่ประเทศเยอรมนี (ค.ศ 1850-ค.ศ 1860) รูดอร์ฟ เคลาซิอุส ก็ได้ตีพิมพ์ผลงานที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่ 2 และทฤษฎีจลน์ของก๊าซมากมาย เช่น ระยะทางอิสระเฉลี่ย (mean free path) หรือ ระยะทางเฉลี่ยที่โมเลกุลจะเคลื่อนที่ได้โดยไม่ชนกับโมเลกุลอื่น ๆ. ในปี ค.ศ. 1865 เคลาซิอุสก็ได้นิยาม การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี (ในมุมมองมหภาค) อย่างเป็นทางการ.

ในช่วงเดียวกันนั้น ปีค.ศ. 1854 ฟอน เฮล์มโฮลทซ์ ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากงานของจูล เคลวิน และ เคลาซิอุสได้เริ่มตั้งข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับจุดดับของจักรวาลว่าจะมีแต่พลังงานเสียในรูปของความร้อนเท่านั้น ไม่มีพลังงานอย่างอื่นอีก เรียกปรากฎการณ์นี้ว่า heat death. เนื่องจากข้อสรุปนี้ขัดแย้งกับคำสอนของศาสนาคริสต์และตรงกับความเห็นของเคลวินเป็นอย่างยิ่ง ด้วยความที่เคลวินเป็นผู้เคร่งครัดในคำสอนของศาสนา ทำให้เคลวินรู้สึกกลัดกลุ้มใจในข้อสรุปนี้เป็นอย่างยิ่ง.

หลังจากนั้น เคลวินได้นิยามกฎข้อที่ 2 อย่างเป็นทางการในปี ค.ศ. 1874. (ดูนิยามกฎข้อที่ 2 ของเคลวินในหัวข้อถัดไป).

[แก้] อะตอม ทฤษฎีจลน์ของก๊าซและกลศาสตร์สถิติ

ในขณะที่สมมุติฐานเรื่องอะตอมยังไม่เป็นที่ยอมรับกันในสมัยนั้น ด้วยความประทับใจในงานของเคลาซิอุส เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ได้พยายามนำสมมุติฐานดังกล่าวมาใช้ และได้สร้างสาขาใหม่ของอุณหพลศาสตร์ขึ้น เรียกว่าทฤษฎีจลน์ของก๊าซ โดยแมกซ์เวลล์ได้อาศัยความรู้เรื่องกลศาสตร์ดั้งเดิมมาคิดกับทุก ๆ อะตอมในระบบ และอาศัยความรู้เรื่องทฤษฎีความน่าจะเป็น ทำให้สามารถสร้างฟังก์ชันความน่าจะเป็นสำหรับความเร็วของแต่ละอะตอมได้สำเร็จ. ฟังก์ชันนี้ปัจจุบันเรียกว่า การกระจายตัวแบบแมกซ์เวลล์. ผลการทดลองหลาย ๆ อย่างสนับสนุนทฤษฎีของแมกซ์เวลล์.

ที่ออสเตรีย ลุดวิก โบลทซ์มันน์ประทับใจงานของแมกซ์เวลล์เป็นอย่างมาก และได้นำแนวคิดเรื่องอะตอมและทฤษฎีความน่าจะเป็นไปพัฒนาต่อจนสามารถสร้างนิยามใหม่ของเอนโทรปีในระดับจุลภาคได้ ดังนี้

โดย S แทนเอนโทรปี และ [W] เป็นจำนวนสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดของอะตอมในระบบ และ k คือ ค่าคงที่ของโบลทซ์มันน์. ความหมายของสมการของโบลทซ์มันน์ก็คือ เอนโทรปีคือค่าที่วัดการกระจายตัวของพลังงานในระบบ. ยิ่งพลังงานกระจายตัวกันมาก ทำให้พลังงานไม่มีระเบียบ ไม่เป็นกลุ่มก้อน เราอาจเรียกพลังงานชนิดนี้ว่าพลังงานเสีย โดยพลังงานเสียนี้ไม่สามารถสร้างงานได้ด้วยตนเอง และจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามกฎข้อที่ 2. เช่นเดียวกับแมกซ์เวลล์ โบลทซ์มันน์สร้างฟังก์ชัน การกระจายตัวแบบโบลทซ์มันน์ เพื่ออธิบายถึงความน่าจะเป็นของแต่ละสถานะในระบบ. อย่างไรก็ตามการค้นพบของโบลทซ์มันน์ไม่ได้รับการยอมรับเท่าที่ควร ด้วยความเสียใจ ทำให้โบลทซ์มันน์ตัดสินใจจบชีวิตของเขาด้วยมือตัวเองในที่สุด. ผลงานของโบลทซ์มันน์ในเวลาต่อมาสร้างสาขาใหม่ให้กับฟิสิกส์ นั่นคือ กลศาสตร์สถิติ และ ฟิสิกส์สถิติ.

ในปี ค.ศ. 1876 ถึง ค.ศ. 1878 ที่สหรัฐอเมริกา โจซิอาห์ วิลลาร์ด กิ๊บส์ก็ได้ศึกษาเรื่องกลศาสตร์สถิติอย่างจริงจัง และได้ตีพิมพ์ผลงานออกมามากมาย และรวมไว้ในชื่อ On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (ว่าด้วยเรื่องดุลยภาพของสสารต่างชนิด). ในผลงานชิ้นนั้นกิ๊บส์ได้นิยาม พลังงานเสรีของกิ๊บส์ ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่มีประโยชน์มหาศาลและเป็นที่มาของสาขาใหม่ในเคมีและฟิสิกส์นั่นคือ เคมีฟิสิกส์ (Physical chemistry) และเคมีความร้อน (Thermochemistry). เคยมีเรื่องเล่าว่า ที่อเมริกาไม่มีผู้ใดตระหนักถึงความสามารถของกิ๊บส์ และเมื่ออเมริกาต้องการทำงานวิจัยเรื่องนี้อย่างจริงจัง ทางอเมริกาต้องส่งตัวแทนไปเชิญแมกซ์เวลล์ถึงที่สหราชอาณาจักร. โดยแมกซ์เวลล์ได้กล่าวว่า ประเทศคุณนั้นมีเพชรอย่าง วิลลาร์ด กิ๊บส์อยู่แล้ว ไยต้องลำบากมาหาคนอื่นถึงดินแดนห่างไกลอย่างที่นี่อีกเล่า!.

[แก้] ระบบอุณหพลศาสตร์

ระบบอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics system) คือส่วนหนึ่งของจักรวาลที่เรากำลังพิจารณาอยู่ โดยเราจะต้องกำหนดขอบเขตของระบบ (ไม่ว่าจะเป็นขอบเขตจริงหรือขอบเขตในจินตนาการ) ให้ชัดเจน. ส่วนอื่น ๆ ของจักรวาลที่ไม่อยู่ในระบบเรียกว่า สิ่งแวดล้อม. ระบบอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญมี 3 ประเภท คือ

• ระบบอิสระ (isolated systems) คือ ระบบที่ปิดกั้นตัวเองจากสิ่งแวดล้อมโดยสมบูรณ์ มวลหรือพลังงานภายนอกไม่สามารถเข้ามาในระบบได้
• ระบบปิด (closed systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้พลังงานถ่ายเทผ่านเข้าหรือออกระบบได้ แต่ไม่อนุญาตให้มวลเข้ามาในระบบ (มวลโดยรวมของระบบคงที่ตลอดเวลา). ในการวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ เรานิยามพลังงานที่เข้าออกจากระบบให้มีสองประเภทคือ พลังงานความร้อน (พลังงานที่เกิดจากความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของระบบกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม) และ พลังงานอื่น (เช่น พลังงานที่เกิดจากงานทางกลศาสตร์)
• ระบบเปิด (open systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้ทั้งมวลและพลังงานเข้าออกจากระบบได้ หนังสือบางเล่มกำหนดว่าระบบเปิดจะต้องนิยามให้ปริมาตรคงที่ (fixed volume)

อนึ่ง กฎต่าง ๆ ในอุณหพลศาสตร์จะมีความหมายก็ต่อเมื่อผู้ใช้นิยามระบบอุณหพลศาสตร์อย่างชัดเจนแล้วเท่านั้น. เมื่อระบบอยู่ในสภาวะสมดุลในทุก ๆ ด้าน (สมดุลทางกลศาสตร์, สมดุลทางอุณหภูมิ, สมดุลทางเคมี, ฯลฯ) เราจะกล่าวว่า ระบบอยู่ในสถานะที่แน่นอน. การวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์จะวิเคราะห์ได้ก็ต่อเมื่อทุก ๆ ขั้นตอนในกระบวนการสามารถประมาณได้ว่าอยู่ในสภาวะสมดุลเท่านั้น โดยเรียกสภาวะที่พอจะอนุโลมว่าสมดุลย์ได้ว่าสภาวะกึ่งสมดุล (quasi-equilibrium). คุณสมบัติต่าง ๆ ของระบบสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของระบบซึ่งระบุถึงความสัมพันธ์ของตัวแปรในระบบ. ตัวแปรในระบบอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญ คือ ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ พลังงานภายใน เอนโทรปี เอนธาลปี พลังงานเสรีของกิ๊บส์ และพลังงานเสรีของเฮมโฮลทซ์ เป็นต้น.

[แก้] กฎของอุณหพลศาสตร์

มีกฎทั้งหมด 4 ข้อในอุณหพลศาสตร์ โดยกฎข้อที่หนึ่งและข้อที่สองนั้น นักวิทยาศาสตร์ทั่วไป ถือว่าเป็นสองทฤษฎีในบรรดาหลักการที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์เลยทีเดียว. อย่างไรก็ตาม กฎบางข้อ เช่น ข้อที่สอง จะเป็นจริงเมื่อเรามองธรรมชาติแบบมหภาคเท่านั้น. เมื่อเรามองในระดับจุลภาคหรือระดับอะตอม มีความน่าจะเป็นที่กฎข้อที่สองจะถูกฝ่าฝืน เพียงแต่ความน่าจะเป็นนั้นมีค่าน้อยมาก จนเราไม่สามารถสังเกตเห็นได้ในระดับมหภาคเท่านั้น

[แก้] ข้อที่ศูนย์

กล่าวถึงภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ โดยอธิบายได้ดังนี้

ถ้าระบบ A และ B อยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และระบบ B และ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์แล้ว ระบบ A และ C จะอยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ด้วยเช่นกัน

นั่นคือภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์มีคุณสมบัติถ่ายทอด (transitive) ได้นั่นเอง

[แก้] ข้อที่หนึ่ง

กล่าวถึงกฎการอนุรักษ์พลังงาน โดยอธิบายได้ดังนี้

พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการอะเดียแบติก (กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติความไม่แปรผัน (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. เราสามารถแสดงได้ว่ากฎข้อนี้เขียนแทนได้ด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ โดย E หมายถึงพลังงานของระบบ, Q หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ W หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

[แก้] ข้อที่สอง

กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีหรือพลังงานเสียในระบบอิสระ โดยอธิบายได้หลายแบบดังนี้

ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 % (เคลวิน-พลังค์)

ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณภูมิสูงกว่าได้ โดยธรรมชาติ (เคลาซิอุส)

เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใด ๆ (ทั่วไป)

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็นฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของเวลา. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีในการระบุทิศทางของเวลาได้

[แก้] ข้อที่สาม

กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้

เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะลู่เข้าค่าคงที่

[แก้] อุณหพลศาสตร์ vs. กลศาสตร์สถิติ

อุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมมีข้อจำกัด ไม่สามารถอธิบายปรากฎการณ์หลายประเภทได้ จำเป็นต้องใช้กลศาสตร์สถิติ หรือ อุณหพลศาสตร์สถิติ มาช่วยอฺธิบาย. ตัวอย่างเช่น กฎของอุณหพลศาสตร์อาจใช้อธิบายได้ว่าปฏิกิริยาหนึ่ง ๆ จะเกิดขึ้นได้เอง แต่ไม่ได้อธิบายเกี่ยวกับเวลาที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาเอาไว้ ทำให้บางครั้งผลการทดลองได้ผลไม่ตรงตามกฎของอุณหพลศาสตร์. ยกตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยารวมตัวระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นน้ำ

H₂(g) + 1 / 2O₂(g) − − − − > H₂O(l)

จากการพิจารณาพลังงานเสรีของน้ำพบว่ามีค่าน้อยกว่าของไฮโดรเจนและออกซิเจน ดังนั้นปฏิกิริยานี้ควรจะเกิดขึ้นได้ แต่จากการทดลองที่อุณหภูมิปกติพบว่าไม่เกิดปฏิกิริยา. ในความเป็นจริงปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดช้ามาก จนสังเกตไม่ได้ ถ้าเราใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาลงไปก็จะได้น้ำตามสมการ.

ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งก็คือ อุณหพลศาสตร์ไม่สามารถบอกได้ว่า งาน ที่เกิดขึ้นจริงในระบบจะมีค่าเท่าใด บอกได้แต่เพียงว่างานที่เกิดขึ้นได้มากที่สุดจะมีค่าเท่าใด. ทั้งนี้เนื่องจากงานที่เกิดขึ้นได้มากสุดเกิดจากกระบวนการผันกลับได้ ในขณะที่กระบวนการที่เกิดขึ้นจริงเป็นกระบวนการผันกลับไม่ได้.

อย่างไรก็ตามอุณหพลศาสตร์ดั้งเดิมมีข้อดีตรงที่ ทฤษฎีนี้เป็นอิสระต่อทฤษฎีอะตอม ไม่ว่าทฤษฎีอะตอมจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ตาม เรายังสามารถใช้อุณหพลศาสตร์ในการอธิบายปรากฎการณ์ธรรมชาติในระดับมหภาคได้เสมอ.

[แก้] เรื่องขำขันและคำคม

โจ๊ก 1. เวอร์ชันของกฎข้อที่สองมีมากพอ ๆ กับจำนวนคนที่เข้าใจมัน

โจ๊ก 2. บางครั้งเราสามารถแปลความหมายของกฎทั้ง 4 ข้อได้ดังนี้

• 0: คุณต้องเล่นเกมส์นี้
• 1: คุณเอาชนะมันไม่ได้ (พลังงานโดยรวมคงที่เสมอ)
• 2: คุณจะแพ้เสมอ ยกเว้นแต่วันนั้นเป็น วันดี ของคุณ (พลังงานเสียเพิ่มขึ้นเสมอ ยกเว้นกระบวนการผันกลับได้)
• 3: ไอ้ วันดี ที่ว่า จะไม่มีวันเกิดขึ้น (กระบวนการผันกลับได้ไม่มีจริง)

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์: อุณหพลศาสตร์เป็นทฤษฎีทางฟิสิกส์เพียงอย่างเดียวที่เป็นจริงทั้งจักรวาล. ผมเชื่อว่าทฤษฎีนี้ไม่มีวันถูกล้มล้าง

อาเธอร์ เอ็ดดิงตัน: จะหาข้อผิดพลาดในสมการของแมกซ์เวลล์ หรือหาข้อผิดพลาดของผลการทดลอง ก็ทำไปเถิด. แต่อย่าได้บังอาจจับผิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ชาร์ล สโนว์: ผมได้ลองถามคนที่คิดว่าตัวเองมีความรู้มามากมายหลายคนแล้วว่า คุณรู้จักกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์บ้างไหม? ส่วนมากจะได้คำตอบเชิงลบ. คนพวกนี้ก็เปรียบเสมือนคนที่ไม่เคยอ่านงานของเชคสเปียร์

Seth Lloyd: ไม่มีอะไรในชีวิตที่จะแน่นอนไปกว่า ความตาย ภาษี และ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ -- เขียนในวารสาร Nature เดือนสิงหาคม ค.ศ. 2004.

[แก้] ดูเพิ่ม

• เครื่องจักรความร้อน

[แก้] เอกสารอ้างอิง

1. en:Timeline of thermodynamics, statistical mechanics, and random processes
2. Malcolm Longair. Theoretical Concepts in Physics : An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics, 2nd edition. Cambridge University Press, 2003. (รายละเอียดของกฎทั้ง 4 ข้อ และ เรื่องของการ์โนต์ และจูล)
3. Ronald Lane Reese. University Physics. Brooks Cole, 1999. (รายละเอียดของกฎทั้ง 4 ข้อ)
4. George Gamow. Biography of Physics. Harper & brothers, 1961. (see also Dover edition, 1988) (เรื่องของ แบล็ค รัมฟอร์ด และการ์โนต์)
5. Alan Lightman. Great Ideas in Physics. McGraw-Hill, 1992. (เรื่องของฟอน เมเยอร์ และ การ์โนต์ )
6. Thomas Crump. A Brief History of Science: As Seen Through the Development of Scientific Instruments. Carroll & Graf Publishers, 2002. (เรื่องของเคลวิน)
7. Charles Ruhla. The Physics of Chance: from Blaise Pascal to Niels Bohr. Oxford University Press, 1992. (เรื่องของแมกซ์เวลล์ โบลทซ์มันน์)
8. Cathy Cobb, Harold Goldwhite. Creations of Fire: Chemistry's Lively History from Alchemy to the Atomic Age. Plenum Pr, 1995. (เรื่องราวของกิ๊บส์)
9. รศ. เทพจำนงค์ แสงสุนทร. เอกสารประกอบการสอน: กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์. 2005. (อุณหพลศาสตร์ vs. กลศาสตร์สถิติ)

สาขาหลักของฟิสิกส์

กลศาสตร์ดั้งเดิม | ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า | อุณหพลศาสตร์ | ฟิสิกส์อะตอม โมเลกุล และแสง | ทฤษฎีสัมพัทธภาพ | ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ | กลศาสตร์ควอนตัม | กลศาสตร์สถิติ | ฟิสิกส์พลังงานสูง | ทฤษฎีสนามควอนตัม | ฟิสิกส์ของสารควบแน่น