เทอร์โมไดนามิค (Thermodynamics)  เป็นแขนงหนึ่งในวิชาวิทยาศาสตร์ ท่านผู้อ่านบางท่านอาจจะได้ศึกษาตั้งแต่มัธยมปลาย บางท่านอาจจะได้เริ่มรู้จักเมื่อศึกษาในระดับมหาวิทยาลัย อาจจะเป็นในคณะวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ หรือแม้กระทั่งแพทยศาสตร์ ก็จะได้เรียนวิชาเทอร์โมไดนามิค หรือถ้าบางท่านอาจจะเคยได้ยินชื่อแต่ไม่รู้ว่าเป็นวิชาที่ทำการศึกษาเกี่ยวกับอะไร วันนี้เราลองมาอ่านเนื้อหาคร่าว ๆ ของวิชานี้กัน เผื่อวันนึงมีคนมาถามเราจะได้ตอบได้อย่างดูชาญฉลาดและถูกต้อง

ภาพประกอบเกี่ยวกับความร้อนและความเย็น
ที่มา https://pixabay.com/ ,Natalie_Corot

          เทอร์โมไดนามิค เป็นวิชาที่ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่าง ความร้อน (Heat), งาน (Work), อุณหภูมิ (Temperature), และพลังงาน (Energy) หรือสามารถพูดแบบกว้าง ๆ ได้ว่า เป็นวิชาที่ทำการศึกษาการถ่ายโอนพลังงานจากที่หนึ่งไปสู่อีกที่หนึ่ง จากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่ง เช่น น้ำที่กลายเป็นไอน้ำ น้ำแข็งที่ละลายกลายเป็นน้ำ รวมทั้งยังศึกษาการเปลี่ยนรูปแบบพลังงานความร้อน (Heat Energy) ไปเป็นพลังงานกล (Mechanical Work) อีกด้วย

          จริง ๆ แล้วความร้อนไม่ได้ถูกนิยามว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน จนเมื่อปี ค.ศ.1798 วิศวกรทหารชาวอังกฤษที่มีชื่อว่า Count Rumford (Sir Benjamin Thompson) ได้สังเกตเห็นว่าในทุก ๆ ครั้งที่ยิงปืนใหญ่จะมีความร้อนเกิดขึ้นมาด้วย นอกจากนั้นเค้ายังเห็นว่าความร้อนที่เกิดขึ้นยิ่งมีมาก แรงในการยิงปืนใหญ่ก็จะมีมากตามไปด้วย เป็นอัตราส่วนแบบแปรผันตรงซึ่งกันและกัน นี่จึงเป็นจุดเริ่มต้นของวิชาเทอร์โมไดนามิค

          แต่วิชานี้ไม่ได้มีจุดเริ่มต้นเพียงแหล่งเดียว ในปี ค.ศ.1824 เป็นอีกจุดเริ่มต้นของวิชานี้โดยเริ่มต้นมาจากคนผู้หนึ่งที่สามารถคิดค้นแนวคิดของวัฏจักรเครื่องจักรกลความร้อนและทฤษฎีการย้อนกลับได้ของพลังงาน ซึ่งคนผู้นั้นคือวิศวกรทหารชาวฝรั่งเศสนามว่า Sadi Carnot ที่สร้างทฤษฎีที่ชื่อว่า Carnot’s Work ซึ่งเป็นทฤษฎีที่เกี่ยวกับการพิจารณางานสูงสุดที่จะได้รับจากเครื่องจักรกลไอน้ำ (เครื่องจักรกลอุณหภูมิสูงที่ขับเคลื่อนด้วยการใช้หลักการของการถ่ายเทความร้อน) หลังจากนั้นหนึ่งศตวรรษก็ได้มีการศึกษาและพัฒนาแนวคิดนี้จากนักคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อว่า Rudolf Clausius จนเกิดเป็นกฎข้อที่ 1 และ 2 ของเทอร์โมไดนามิค

สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับเทอร์โมไดนามิค

          สิ่งที่เป็นหัวใจของเทอร์โมไดนามิคนั้นคือกฎทั้ง 4 ข้อ โดยเริ่มจากกฎข้อที่ 0 ถึง 3 (เริ่มจากกฎข้อที่ 0 เพราะว่าในตอนแรกมีกฎแค่สามข้อ คือ ข้อที่หนึ่งถึงสาม แต่ต่อมาได้มีการบัญญัติกฎข้อที่ศูนย์เพิ่มเติมซึ่งเป็นพื้นฐานของกฎทั้งสามข้อ จึงถูกตั้งเป็นกฎข้อที่ 0)

         กฎข้อที่ 0 กล่าวว่า เมื่อมีระบบ 2 ระบบที่อยู่ในสภาวะ Thermal Equilibrium (สภาพสมดุลทางความร้อน) กับระบบที่สาม จะทำให้ระบบที่สามอยู่ในสภาวะ Thermal Equilibrium ด้วย (กฎข้อนี้เป็นหลักการการทำงานของเทอร์โมมิเตอร์)

          กฎข้อที่ 1 เป็นกฎของการอนุรักษ์พลังงาน ที่กล่าวว่าการเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานภายในของระบบจะมีค่าเท่ากับความแตกต่างของค่าความร้อนจากสิ่งแวดล้อมที่เข้าสู่ระบบกับงานที่ระบบกระทำต่อสิ่งแวดล้อม

          กฎข้อที่ 2 อธิบายเกี่ยวกับตัวแปรที่เป็นตัวกำหนดทิศทางของการเกิดกระบวนการต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นทางกายภาพหรือทางเคมีซึ่งตัวแปรที่สำคัญเกี่ยวกับการกำหนดทิศทางของการเกิดกระบวนการต่าง ๆ คือเอนโทรปี (ความไม่เป็นระเบียบของระบบซึ่งหมายถึงการเกิดการกระจายตัว (dispersal) ของวัตถุ,สสาร, อะตอม,โมเลกุล หรือแม้แต่ การกระจายตัวของพลังงาน)

         กฎข้อที่ 3 กล่าวว่าที่อุณหภูมิ 0 K อะตอมที่อยู่ในผลึกที่สมบูรณ์แบบ(perfect crystal)จะไม่เกิดการเคลื่อนที่ (เนื่องจากไม่มีพลังงานความร้อน) ดังนั้นอะตอมเหล่านี้จะจัดเรียงอยู่อย่างเป็นระเบียบที่สุด นั่นคือ จัดเรียงตัวได้เพียงแบบเดียวเท่านั้นหรือ หรือกล่าวได้ว่า ระบบไม่มีความไม่เป็นระเบียบเหลืออยู่เลย เพราะฉะนั้นค่าเอนโทรปีของระบบผลึกที่สมบูรณ์แบบที่อุณหภูมิศูนย์องศาเคลวินจะมีค่าเป็น ศูนย์ ซึ่งกฎข้อนี้มีความสำคัญคือในกฎข้อที่ 2 ได้กล่าวถึงการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีเมื่อเกิดกระบวนการต่าง ๆ แต่ว่าค่าที่คำนวณได้จากกฎข้อที่ 2 นั้นเป็นเพียงค่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีเท่านั้น ดังนั้นในการที่จะหาค่าเอนโทรปีของระบบที่อุณหภูมิใด ๆ นั้นจำเป็นต้องอาศัยกฎข้อที่ 3 ซึ่งนิยามเอนโทรปีของระบบที่ ศูนย์องศาเคลวิน

แหล่งที่มา

Gordon W.F. Drake. Thermodynamics.  Retrieved November 24, 2018, from https://www.britannica.com/science/thermodynamics