อุณหพลศาสตร์เป็นสาขาวิชาฟิสิกส์ที่สำคัญ เราสามารถพูดได้อย่างปลอดภัยว่าความสำเร็จได้นำไปสู่การเกิดขึ้นของยุคเทคโนโลยีและได้กำหนดแนวทางประวัติศาสตร์ของมนุษย์เป็นส่วนใหญ่ในช่วง 300 ปีที่ผ่านมา บทความนี้กล่าวถึงกฎข้อที่หนึ่ง ที่สอง และสามของอุณหพลศาสตร์และการประยุกต์ในทางปฏิบัติ
เทอร์โมไดนามิกส์คืออะไร
ก่อนกำหนดกฎของเทอร์โมไดนามิก เรามาดูกันว่าฟิสิกส์ส่วนนี้ทำอะไรได้บ้าง
คำว่า "เทอร์โมไดนามิกส์" มาจากภาษากรีก แปลว่า "การเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อน" นั่นคือสาขาฟิสิกส์นี้มีส่วนร่วมในการศึกษากระบวนการใด ๆ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่พลังงานความร้อนถูกแปลงเป็นการเคลื่อนที่เชิงกลและในทางกลับกัน
กฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 วิทยาศาสตร์ของ "การเคลื่อนไหวและความร้อน" พิจารณาพฤติกรรมของระบบทั้งหมดโดยรวม โดยศึกษาการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ระดับมหภาค เช่น อุณหภูมิ ความดัน และปริมาตร โดยไม่สนใจโครงสร้างด้วยกล้องจุลทรรศน์ นอกจากนี้ ประการแรกยังมีบทบาทสำคัญในการกำหนดกฎหมายอุณหพลศาสตร์ในวิชาฟิสิกส์ เป็นเรื่องน่าแปลกที่สังเกตว่าสิ่งเหล่านี้ได้มาจากการสังเกตการทดลองเท่านั้น
แนวคิดของระบบเทอร์โมไดนามิก
หมายถึงกลุ่มของอะตอม โมเลกุล หรือองค์ประกอบอื่นๆ ที่พิจารณาโดยรวม กฎทั้งสามนี้กำหนดขึ้นสำหรับระบบเทอร์โมไดนามิกที่เรียกว่า ตัวอย่าง ได้แก่ ชั้นบรรยากาศของโลก สิ่งมีชีวิตใดๆ ส่วนผสมของก๊าซในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ฯลฯ
ระบบทั้งหมดในอุณหพลศาสตร์เป็นหนึ่งในสามประเภท:
- เปิด. พวกเขาแลกเปลี่ยนความร้อนและสสารกับสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่น หากอาหารปรุงสุกในหม้อบนกองไฟ นี่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของระบบเปิด เนื่องจากหม้อได้รับพลังงานจากสภาพแวดล้อมภายนอก (ไฟ) ในขณะที่ตัวมันเองแผ่พลังงานออกมาในรูปของความร้อน และน้ำก็ระเหยจากมัน (เมแทบอลิซึม)
- ปิดแล้ว. ในระบบดังกล่าวจะไม่มีการแลกเปลี่ยนสสารกับสิ่งแวดล้อมแม้ว่าจะมีการแลกเปลี่ยนพลังงานเกิดขึ้นก็ตาม ย้อนกลับไปยังกรณีก่อนหน้า: หากคุณปิดฝากาต้มน้ำคุณจะได้ระบบปิด
- โดดเดี่ยว. นี่เป็นระบบเทอร์โมไดนามิกชนิดหนึ่งที่ไม่แลกเปลี่ยนสสารหรือพลังงานกับพื้นที่โดยรอบ ตัวอย่างจะเป็นกระติกน้ำร้อนใส่ชาร้อน
อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิก
แนวคิดนี้หมายถึงพลังงานจลน์ของอนุภาคที่สร้างวัตถุโดยรอบซึ่งสะท้อนความเร็วการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาค ยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใดอุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเราจึงทำให้เย็นลงโดยการลดพลังงานจลน์ของระบบ
แนวคิดนี้หมายถึงพลังงานจลน์ของอนุภาคที่สร้างวัตถุโดยรอบ ซึ่งสะท้อนถึงความเร็วของการเคลื่อนที่ที่โกลาหลของอนุภาค ยิ่งมีขนาดใหญ่เท่าใดอุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเราจึงทำให้เย็นลงโดยการลดพลังงานจลน์ของระบบ
อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์แสดงเป็น SI (International System of Units) เป็นเคลวิน (เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ วิลเลียม เคลวิน ผู้เสนอมาตราส่วนนี้เป็นครั้งแรก) การทำความเข้าใจกฎข้อที่หนึ่ง ที่สอง และสามของอุณหพลศาสตร์เป็นไปไม่ได้หากไม่มีคำจำกัดความของอุณหภูมิ
การแบ่งหนึ่งดีกรีตามระดับเคลวินก็สอดคล้องกับหนึ่งองศาเซลเซียสเช่นกัน การแปลงระหว่างหน่วยเหล่านี้ดำเนินการตามสูตร: TK =TC + 273, 15 โดยที่ TK และ TC - อุณหภูมิในหน่วยเคลวินและองศาเซลเซียสตามลำดับ
ลักษณะเฉพาะของมาตราส่วนเคลวินคือไม่มีค่าลบ ศูนย์ในนั้น (TC=-273, 15 oC) สอดคล้องกับสถานะเมื่อการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคของระบบหายไปโดยสมบูรณ์ ดูเหมือนว่า "ถูกแช่แข็ง"
การอนุรักษ์พลังงานและกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์
ในปี พ.ศ. 2367 Nicolas Léonard Sadi Carnot วิศวกรและนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้เสนอแนะอย่างกล้าหาญซึ่งไม่เพียงแต่นำไปสู่การพัฒนาฟิสิกส์เท่านั้น แต่ยังกลายเป็นก้าวสำคัญในการปรับปรุงเทคโนโลยีอีกด้วย ของเขาสามารถกำหนดได้ดังนี้: "พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ มันสามารถถ่ายโอนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งเท่านั้น"
อันที่จริงวลีของ Sadi Carnot ตั้งสมมติฐานกฎการอนุรักษ์พลังงานซึ่งเป็นพื้นฐานของกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์: "เมื่อใดก็ตามที่ระบบได้รับพลังงานจากภายนอก มันจะแปลงเป็นรูปแบบอื่น ซึ่งเป็นความร้อนและกลไก"
สูตรคณิตศาสตร์สำหรับกฎข้อที่ 1 เขียนดังนี้:
Q=ΔU + A, ที่นี่ Q คือปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทโดยสิ่งแวดล้อมไปยังระบบ ΔU คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ A คืองานเชิงกลที่สมบูรณ์แบบ
กระบวนการอะเดียแบติก
ตัวอย่างที่ดีคือการเคลื่อนที่ของมวลอากาศตามแนวลาดเขา มวลดังกล่าวมีขนาดใหญ่มาก (กิโลเมตรขึ้นไป) และอากาศเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติที่ระบุไว้ช่วยให้เราพิจารณากระบวนการใดๆ ที่มีมวลอากาศที่เกิดขึ้นภายในระยะเวลาสั้นๆ เป็นแบบอะเดียแบติก เมื่ออากาศลอยขึ้นไปบนทางลาดของภูเขา แรงดันจะลดลง ขยายตัว กล่าวคือ ทำงานเกี่ยวกับกลไก และเป็นผลให้อากาศเย็นลง ในทางตรงกันข้าม การเคลื่อนตัวลงของมวลอากาศมาพร้อมกับแรงกดดันที่เพิ่มขึ้น มันบีบอัด และด้วยเหตุนี้จึงร้อนมาก
การประยุกต์ใช้กฎของอุณหพลศาสตร์ซึ่งถูกกล่าวถึงในหัวข้อย่อยก่อนหน้านี้ แสดงให้เห็นได้ง่ายที่สุดโดยใช้ตัวอย่างของกระบวนการอะเดียแบติก
ตามนิยามแล้วไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงานกับสิ่งแวดล้อม นั่นคือ ในสมการข้างต้น Q=0 สิ่งนี้นำไปสู่นิพจน์ต่อไปนี้: ΔU=-A เครื่องหมายลบที่นี่หมายความว่าระบบทำงานเชิงกลโดยลดพลังงานภายในของตัวเองลง ควรจำไว้ว่าพลังงานภายในขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของระบบโดยตรง
ทิศทางของกระบวนการระบายความร้อน
ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์ แน่นอนว่าทุกคนสังเกตเห็นว่าหากคุณนำวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกัน วัตถุที่เย็นก็จะร้อนขึ้นเสมอ และวัตถุที่ร้อนก็จะเย็นลง โปรดทราบว่ากระบวนการย้อนกลับสามารถเกิดขึ้นได้ภายในกรอบของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ แต่จะไม่นำมาใช้จริงในทางปฏิบัติ
สาเหตุของกระบวนการนี้กลับไม่ได้ (และกระบวนการที่รู้จักทั้งหมดในจักรวาล) คือการเปลี่ยนแปลงของระบบไปสู่สถานะที่น่าจะเป็นไปได้มากขึ้น ในตัวอย่างที่พิจารณาโดยการสัมผัสวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกัน สถานะที่น่าจะเป็นมากที่สุดจะเป็นสถานะที่อนุภาคทั้งหมดของระบบจะมีพลังงานจลน์เท่ากัน
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถกำหนดได้ดังนี้: "ความร้อนไม่สามารถถ่ายเทได้เองตามธรรมชาติจากวัตถุเย็นไปยังวัตถุที่ร้อน" หากเราแนะนำแนวคิดของเอนโทรปีเป็นตัวชี้วัดความผิดปกติ ก็สามารถแสดงได้ดังนี้: "กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ใดๆ ดำเนินไปพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี"
เครื่องทำความร้อน
คำนี้เข้าใจว่าเป็นระบบที่สามารถทำงานได้เนื่องจากการจ่ายพลังงานจากภายนอก อันดับแรกเครื่องยนต์ความร้อนเป็นเครื่องยนต์ไอน้ำและถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปลายศตวรรษที่ 17
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์มีบทบาทสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพ Sadi Carnot ยังระบุด้วยว่าประสิทธิภาพสูงสุดของอุปกรณ์นี้คือ: ประสิทธิภาพ=(T2 - T1)/T2 ที่นี่ T2 และ T1 คืออุณหภูมิเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น งานเครื่องกลสามารถทำได้เมื่อมีการไหลของความร้อนจากตัวที่ร้อนไปยังตัวที่เย็น และกระแสนี้ไม่สามารถแปลงเป็นพลังงานที่มีประโยชน์ได้ 100%
รูปด้านล่างแสดงหลักการทำงานของเครื่องทำความร้อน (Qabs - ถ่ายเทความร้อนไปยังเครื่อง Qced - การสูญเสียความร้อน W - งานที่มีประโยชน์ P และ V - แรงดันและปริมาตรของก๊าซในลูกสูบ)
ศูนย์สัมบูรณ์และสมมุติฐานของ Nernst
สุดท้าย มาดูกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์กัน เรียกอีกอย่างว่าสัจพจน์ของ Nernst (ชื่อของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้กำหนดมันเป็นครั้งแรกเมื่อต้นศตวรรษที่ 20) กฎหมายกล่าวว่า: "ไม่สามารถเข้าถึงศูนย์สัมบูรณ์ด้วยกระบวนการจำนวนจำกัด" นั่นคือเป็นไปไม่ได้เลยที่จะ "หยุด" โมเลกุลและอะตอมของสารอย่างสมบูรณ์ เหตุผลนี้คือการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมที่มีอยู่อย่างต่อเนื่อง
ข้อสรุปที่เป็นประโยชน์อย่างหนึ่งจากกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์คือเอนโทรปีลดลงเมื่อหนึ่งเคลื่อนที่ไปสู่ศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าระบบมีแนวโน้มที่จะจัดระเบียบตัวเอง ข้อเท็จจริงนี้สามารถใช้ตัวอย่างเช่น เพื่อถ่ายโอนพาราแมกเนติกไปยังสถานะเฟอร์โรแมกเนติกเมื่อถูกทำให้เย็นลง
น่าสนใจที่จะสังเกตว่าอุณหภูมิต่ำสุดที่ไปถึงตอนนี้คือ 5·10−10 K (2003 ห้องปฏิบัติการ MIT สหรัฐอเมริกา)