กฎของอุณหพลศาสตร์

กฎของอุณหพลศาสตร์ (อังกฤษ: Laws of thermodynamics) คือการนิยามปริมาณทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิ, พลังงานและเอนโทรปี โดยการกำหนดขอบเขตให้มีลักษณะอยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ กฎของอุณหพลศาสตร์อธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้ และสร้างพื้นฐานการขจัดความเป็นไปได้ของปรากฏการณ์บางอย่าง เช่น เครื่องจักรนิรันดร์ นอกจากจะใช้ในอุณหพลศาสตร์แล้ว กฎของอุณหพลศาสตร์ยังเป็นพื้นฐานที่สำคัญของฟิสิกส์โดยทั่วไป และมีการประยุกต์ใช้ในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอื่น ๆ

อุณหพลศาสตร์มีกฎพื้นฐานสามข้อที่ได้รับการยอมรับแต่ดั้งเดิม ตั้งชื่ออย่างง่ายโดยใช้ลำดับตัวเลข ได้แก่ กฎข้อที่หนึ่ง, กฎข้อที่สองและกฎข้อที่สาม หลังกฎสามข้อแรกได้เป็นที่ยอมรับแล้ว ได้มีกฏอีกข้อหนึ่งที่ได้รับการยอมรับ อาจกล่าวได้ว่าเป็นพื้นฐานกว่ากฎสามข้อแรก โดยตั้งชื่อว่า กฎข้อที่ศูนย์

กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ นิยามสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์และสร้างพื้นฐานสำหรับการนิยามของอุณหภูมิ: หากทั้งสองระบบต่างอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับระบบที่สามแล้ว แสดงว่าทั้งสามระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งกันและกัน

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์: เมื่อพลังงานถ่ายเทในลักษณะงานหรือความร้อนหรือกับวัตถุ เข้าไปหรือออกจากระบบ ทำให้พลังงานภายในของระบบเปลี่ยนไปตามกฎทรงพลังงาน เท่ากับว่า เครื่องจักรนิรันดร์ประเภทหนึ่ง (เครื่องจักรที่สามารถผลิตงานได้โดยไม่มีการป้อนพลังงาน) นั้นเป็นไปไม่ได้

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: ในกระบวนการอุณหพลศาสตร์ธรรมชาติ, ผลรวมของเอนโทรปีเพิ่มขึ้น จากการทำปฏิกิริยาต่อกันที่ขอบเขต เท่ากับว่า เครื่องจักรนิรันดร์ประเภทสอง (เครื่องจักรสามารถแปลงพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานกลได้ทันทีโดยธรรมชาติ) นั้นเป็นไปไม่ได้

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์: เอนโทรปีของระบบเข้าใกล้ค่าคงที่ ขณะที่อุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ โดยยกเว้นของแข็งที่ไม่ใช่ผลึก (แก้ว) เอนโทรปีของระบบที่ศูนย์สัมบูรณ์มักจะใกล้เคียงกับศูนย์

มีการเสนอกฎเพิ่มเติม แต่ก็ไม่มีกฎใดที่ได้รับการยอมรับเท่ากับของกฎทั้งสี่ข้อ และไม่ได้กล่าวถึงในตำราเรียนทั่วไป

กฎข้อที่ศูนย์

ดูบทความหลักที่: กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ อาจจะกล่าวอยู่ในรูปแบบดังนี้:

หากทั้งสองระบบต่างอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับระบบที่สามแล้ว แสดงว่าทั้งสามระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งกันและกัน

กฎข้อนี้มีวัตถุประสงค์เพื่ออนุญาตให้การดำรงอยู่ของตัวแปรเชิงประจักษ์ ก็คือ อุณหภูมิ ซึ่งเป็นสิ่งที่อยู่ในระบบ ดังนั้น ระบบที่มีสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งกันและกัน จะมีอุณหภูมิเท่ากัน กฎข้อนี้เข้ากันได้กับการใช้งานกับการใช้โครงสร้างทางกายภาพโดยเฉพาะ เช่น มวลของก๊าซ เพื่อให้ตรงกับอุณหภูมิของโครงสร้างอื่น ๆ แต่ไม่ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงอุณหภูมิเป็นปริมาณที่สามารถวัดได้ในระดับของจำนวนจริง

แม้ว่ารูปแบบของกฎข้อนี้เป็นหนึ่งในรูปแบบที่กล่าวไว้มากที่สุด มันเป็นเพียงหนึ่งในความหลากหลายของคำกล่าวที่ระบุไว้ว่า "กฎข้อที่ศูนย์" โดยนักเขียนผู้เชี่ยวชาญ บางคำกล่าวไปไกลขึ้นเพื่อให้ความจริงทางกายภาพที่สำคัญว่า อุณหภูมิเป็นมิติเดียวและเป็นสิ่งหนึ่งที่สามารถจัดเรียงโครงสร้างตามแนวคิดด้วยลำดับจำนวนจริงจากเย็นกว่าถึงร้อนกว่าได้ บางทีอาจจะไม่มี "คำกล่าวที่เป็นไปได้ดีที่สุด" ของ "กฎข้อที่ศูนย์" เนื่องจากสูตรของหลักการของอุณหพลศาสตร์ที่อยู่ในตำรามีหลากหลาย แต่ละตำราจะเรียกกฎข้อนี้ตามความเหมาะสมของตัวเอง

แม้ว่าแนวคิดเรื่องอุณหภูมิและสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เหล่านี้เป็นพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์และมีการระบุไว้อย่างชัดเจนในศตวรรษที่สิบเก้า ความต้องการที่จะระบุตัวเลขของกฎข้างต้นอย่างชัดเจนนั้นไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางจนกระทั่งฟาวเลอร์และกุกเกนไฮม์ทำเช่นนั้น ในคริสต์ทศวรรษ 1930 เป็นเวลานานหลังจาก กฎข้อที่หนึ่ง, สองและสาม ได้รับการเข้าใจและยอมรับอย่างกว้างขวางแล้ว ด้วยเหตุนี้จึงระบุตัวเลขเป็นกฎข้อที่ศูนย์ ความสำคัญกฎข้อที่ศูนย์ในฐานะที่เป็นรากฐานของกฎก่อนหน้านี้คือมันอนุญาตให้การนิยามของอุณหภูมิในลักษณะที่ไม่เป็นวงกลมโดยไม่ต้องอ้างอิงกับเอนโทรปีซึ่งเป็นตัวแปรผกผัน การนิยามของอุณหภูมิดังกล่าวได้รับการกล่าวถึงว่าเป็น 'ประจักษ์'

กฎข้อที่หนึ่ง

ดูบทความหลักที่: กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงกฎทรงพลังงาน ดังนี้

พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการอะเดียแบติก (กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติความไม่แปรผัน (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. กฎข้อนี้สามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า

${\displaystyle dE=dQ+dW\,}$ 

โดย E หมายถึงพลังงานของระบบ, Q หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ W หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

กฎข้อที่สอง

ดูบทความหลักที่: กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีหรือพลังงานเสียในระบบอิสระ โดยอธิบายได้หลายแบบดังนี้

ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 % (เคลวิน-พลังค์)

ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณภูมิสูงกว่าได้ โดยธรรมชาติ (เคลาซิอุส)

เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใด ๆ (ทั่วไป)

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็นฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของเวลา. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีในการระบุทิศทางของเวลาได้ กฎข้อนี้สามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า

${\displaystyle dS={\frac {\delta Q}{T}}\!}$ 

กฎข้อที่สาม

ดูบทความหลักที่: กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้

เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะลู่เข้าค่าคงที่

ดูเพิ่ม

• กฎการอนุรักษ์

อ้างอิง

1. Guggenheim, E.A. (1985). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, seventh edition, North Holland, Amsterdam, ISBN 0-444-86951-4.
2. Kittel, C. Kroemer, H. (1980). Thermal Physics, second edition, W.H. Freeman, San Francisco, ISBN 0-7167-1088-9.
3. Adkins, C.J. (1968). Equilibrium Thermodynamics, McGraw-Hill, London, ISBN 0-07-084057-1.
4. Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics. Foundations, Applications, Frontiers, Springer, Berlin, ISBN 978-3-540-74252-4.
5. Chris Vuille; Serway, Raymond A.; Faughn, Jerry S. (2009). College physics. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. p. 355. ISBN 978-0-495-38693-3.
6. De Groot, S.R., Mazur, P. (1962). Non-equilibrium Thermodynamics, North Holland, Amsterdam.
7. Glansdorff, P., Prigogine, I. (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, Wiley-Interscience, London, ISBN 0-471-30280-5.
8. Guggenheim (1985), p. 8.
9. Sommerfeld, A. (1951/1955). Thermodynamics and Statistical Mechanics, vol. 5 of Lectures on Theoretical Physics, edited by F. Bopp, J. Meixner, translated by J. Kestin, Academic Press, New York, p. 1.
10. Serrin, J. (1978). The concepts of thermodynamics, in Contemporary Developments in Continuum Mechanics and Partial Differential Equations. Proceedings of the International Symposium on Continuum Mechanics and Partial Differential Equations, Rio de Janeiro, August 1977, edited by G.M. de La Penha, L.A.J. Medeiros, North-Holland, Amsterdam, ISBN 0-444-85166-6, pp. 411–51.
11. Serrin, J. (1986). Chapter 1, 'An Outline of Thermodynamical Structure', pp. 3–32, in New Perspectives in Thermodynamics, edited by J. Serrin, Springer, Berlin, ISBN 3-540-15931-2.
12. Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (first edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, ISBN 0-521-25445-0, pp. 18–20.
13. Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 26.
14. Buchdahl, H.A. (1966), The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, London, pp. 30, 34ff, 46f, 83.
15. *Münster, A. (1970), Classical Thermodynamics, translated by E.S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, ISBN 0-471-62430-6, p. 22.
16. Pippard, A.B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge, p. 10.
17. Wilson, H.A. (1966). Thermodynamics and Statistical Mechanics, Cambridge University Press, London, pp. 4, 8, 68, 86, 97, 311.