8 กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
รูปกฏต่าง ๆ ของเทอร์โมไดนามิกส์
แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window
ในการทำงานเกี่ยวกับอุณหภูมิ กฎของเทอร์โมไดนามิกส์ หรืออุณหพลศาสตร์ (Law of Thermodynamics) นั้น มีความจำเป็นต้องกล่าวถึงเสมอ
เมื่อเอามาใช้ในวิชาไครโอเจนิกส์กฎทางเทอร์โมไดนามิกส่จะมีความสำคัญเป็นอย่างมาก
กฏทางเทอร์โมไดนามิกส์ มีอยู่ 3 ข้อ แต่จะมีผนวกกฏข้อที่ 0 (ข้อนี้ จะเป็นส่วนหนึ่งของกฎข้อที่ 1) ขึ้นมาอีกข้อ
กฎข้อที่ 0 กล่าวไว้ว่า หากมีระบบ (หรือวัตถุ) อยู่ 3 ระบบ เช่น ระบบ A, B, C แล้วระบบทั้งสามนี้สัมผัสกันอยู่ และสามารถถ่ายเทความร้อนไปมาระหว่างกันได้
รูปแนวคิดของกฏข้อที่ 0
ถ้าหากว่า ระบบ A และ B อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน (ความร้อนเท่ากัน) และระบบ B กับ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเช่นกัน นั่นก็หมายความว่า ระบบ A กับ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเหมือนกันนั่นเอง
กฎข้อที่ 1 เป็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับ กฎการอนุรักษ์พลังงาน (Conservation of energy) กล่าวไว้ว่า ในกระบวนการที่เปลี่ยนแปลงสิ่งต่าง ๆ พลังงานจะไม่ถูกสร้างขึ้นมาใหม่ และไม่มีการสูญหายไป แต่สามารถเปลี่ยนไปเป็นรูปแบบอื่นได้
รูปแนวคิดของกฏข้อที่ 1
ในกฎข้อนี้ จะบอกถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นภายในระบบต่าง ๆ มีทั้งการเปลี่ยนแปลงทางเคมี และทางกายภาพ
กฎข้อที่ 2 เป็นการอธิบายเกี่ยวกับตัวแปร ซึ่งเป็นตัวกำหนดทิศทางของการเกิดกระบวนการต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นทางเคมี หรือทางกายภาพ
รูปแนวคิดของกฏข้อที่ 2
ตัวแปรที่สำคัญที่เกี่ยวกับการกำหนดทิศทางของการเกิดกระบวนการต่าง ๆ ได้แก่ เอนโทรปี (Entropy: การวัดระดับของความผิดปกติในสสาร หรือระบบ: เอ็นโทรปีจะเพิ่มขึ้นเสมอ และขณะเดียวกันพลังงานก็จะลดลงในระบบปิด ขณะที่อยู่ในพื้นที่กว้าง)
กฎข้อที่ 3 กล่าวไว้ว่า ค่าเอนโทรปีของระบบผลึกที่สมบูรณ์แบบที่อุณหภูมิศูนย์องศาเคลวิน จะมีค่าเท่ากับ ศูนย์
รูปแนวคิดของกฏข้อที่ 3
การที่จะหาค่าของเอนโทรปีของระบบที่อุณหภูมิใด ๆ ก็ตาม ต้องอาศัยกฎข้อนี้ ซึ่งจะนิยามค่าเอนโทรปีของระบบไว้ที่ศูนย์องศาเคลวิน
ในกฎข้อแรกจะกล่าวถึงพลังงานที่ป้อนเข้าไป ก็จะเท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่เป็นเช่นนั้น ในการทำงานจริงเราจะพบว่า
1. พลังงานที่ให้ไปกับงานที่ออกมาจะไม่เท่ากัน สาเหตุเนื่องจากมีการสูญเสียประสิทธิภาพทางความร้อน, จากการสูญเสียจากแรงเสียดทานที่เกิดขึ้นขณะทำงาน อีกทั้งจุดข้อต่อที่มีมาก ทำให้ประสิทธิภาพทางกลต่ำ (อันเกิดจากการเคลื่อนไหวของเครื่องจักรกล)
2. ไม่มีเครื่องกลใด ๆในโลกนี้ ที่สามารถทำงานให้ได้ประสิทธิภาพ 100% เต็ม
ทั้ง 2 ข้อ จะครอบคลุมการทำงานของเครื่องจักรกล หรือระบบทุกชนิด
ในความจริงงานที่เกิดขึ้น จะต้องอาศัยแรงที่ป้อนเข้าไปจนได้ระยะทาง เพื่อให้เกิดงาน ถ้าไม่มีแรงกระทำก็ไม่มีงาน ไม่ว่าจะเป็นแรงที่เกิดจากการกระทำของธรรมชาติ หรือแรงที่เกิดจากกระทำของมนุษย์
เราทราบมาว่าความร้อน ไม่สามารถเคลื่อนที่จากบริเวณที่เย็นไปสู่บริเวณที่ร้อนได้ หากไม่มีการป้อนพลังงานเข้าไป
ด้านล่างนี้ เป็นตัวอย่างในกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ที่เกี่ยวกับงาน
o ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่ร้อนเข้าไปสู่บริเวณที่เย็นเสมอ
o ก๊าซจะไหลจากบริเวณที่มีความดันสูงไปสู่ที่มีความดันต่ำเสมอ
รูปก๊าซออกซิเจนที่อัดอยู่ในถัง เมื่อเปิดวาล์วจะไหลออกสู่ภายนอกเสมอ
o ก๊าซ 2 ชนิดที่ไหลกระจายในบริเวณเดียวกันจะผสมกันเสมอ
o น้ำเกลือ สามารถแยกน้ำออกจากเกลือได้ โดยการให้พลังงานความร้อน
รูปน้ำเกลือเมื่อให้ความร้อนจะสามารถแยกเกลืออกมาได้
o การเกิดขึ้นของสนิมเหล็ก
o การแตกละเอียดของก้อนหิน
จากตัวอย่างที่กล่าวมานี้เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ ซึ่งเป็นไปตามความหมายของกฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์
เราสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างไร ในทางไครโอเจนิกส์?
เราเทียบประโยชน์การใช้งานจาก เครื่องยนต์ (Engines) กับ ปั๊ม (Pumps) ในหลักการทำงาน เครื่องยนต์จะทำงานสวนทางกับปั๊ม
รูปเครื่องยนต์ กับปั๊ม
กล่าวคือเครื่องยนต์นั้นเป็นตัวให้พลังงาน ส่วนปั๊มนั้น เป็นตัวรับพลังงาน ดังแสดงในรูปด้านล่างนี้
รูปแสดงการเปรียบเทียบกันระหว่างเครื่องยนต์ กับปั๊ม
เครื่องยนต์ จะผลิตพลังงานความร้อนเพื่อให้ได้งานเกิดขึ้น งานที่ได้ อาจจะนำไปใช้กับกลไกอื่น ๆ เพื่อให้ได้ประโยชน์จากงานนั้น ความร้อนที่สูญเสียจะถูกปล่อยออกมาสู่สภาพแวดล้อมรอบ ๆ
ปั๊ม จะดูดความร้อนจากสภาพแวดล้อมโดยรอบที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่ออุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น การดูดความร้อนก็จะน้อยลง สิ่งที่ทำให้ปั๊มสามารถทำงานได้ก็คือ ต้องป้อนพลังงานเข้าไป
ในกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์จะเกิดความแตกต่างระหว่างความร้อน และงาน ขนาดของพลังงานจะเท่ากับพลังงานความร้อนแต่เครื่องหมายจะตรงกันข้าม
ส่วนกฎข้อที่สอง เป็นการเปลี่ยนแปลงจากความร้อนไปสู่งานพร้อมกับกล่าวถึงประสิทธิภาพการทำงาน
คาร์โนด (Carnot) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวฝรั่งเศสได้คิดค้น และพัฒนาสมการ ที่แสดงประสิทธิภาพของเครื่องกลในทางอุดมคติ คือในทางทฤษฏี เครื่องยนต์จะไม่เกิดการสูญเสียทางความร้อน เป็นดังสมการด้านล่าง
W/Q = TE/TL – 1
กำหนดให้ W/Q = อัตราส่วนกำลังจำเพาะของงาน (W) ต่อค่าความร้อนที่ได้จากปั๊ม (Q) ซึ่งสัมพันธ์กัน
TE = อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม
TL = อุณหภูมิต่ำที่ต้องการ
ในทำงานจริงทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพที่ได้ จะน้อยกว่า งานที่คิดได้จากวัฏจักรคาร์โนด และในสมการนี้สามารถคำนวณพลังงานเพื่อให้ความเย็นมีอุณหภูมิเข้าสู่ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ซึ่งจะเป็นไปตามกฎข้อที่ 3 ของเทอร์โมไดนามิกส์ ที่สามารถนำมาใช้ในระบบไครโอเจนิกส์
ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก
“จงใช้ชีวิต ราวกับว่า คุณจะตายในวันพรุ่งนี้
และจงเรียนรู้ ราวกับว่า คุณจะมีชีวิตอยู่ตลอดกาล”
มหาตมะ คานธี
