อุณหพลศาสตร์
อุณหพลศาสตร์ศึกษาความร้อน งาน อุณหภูมิ เอนโทรปี และการถ่ายเทพลังงานในระบบกายภาพ ตั้งแต่เครื่องยนต์ ดวงดาว ไปจนถึงเซลล์ของสิ่งมีชีวิต
อุณหพลศาสตร์ศึกษาอะไร
อุณหพลศาสตร์คือวิทยาศาสตร์ของพลังงานในระบบระดับมหภาค สาขานี้ถามว่าความร้อน งาน อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร และสสารสัมพันธ์กันอย่างไรเมื่อระบบเปลี่ยนแปลง แทนที่จะติดตามโมเลกุลทุกตัวทีละตัว อุณหพลศาสตร์ใช้ปริมาณรวมที่อธิบายพฤติกรรมของแก๊ส ของเหลว ของแข็ง เครื่องยนต์ ปฏิกิริยา และสิ่งแวดล้อม
ระบบและสิ่งแวดล้อม
ระบบทางอุณหพลศาสตร์คือส่วนของจักรวาลที่กำลังศึกษา ส่วนสิ่งแวดล้อมคือทุกอย่างที่อยู่นอกระบบ ระบบเปิดแลกเปลี่ยนทั้งสสารและพลังงาน ระบบปิดแลกเปลี่ยนพลังงานแต่ไม่แลกเปลี่ยนสสาร และระบบโดดเดี่ยวไม่แลกเปลี่ยนทั้งสองอย่าง ขอบเขตที่ชัดเจนทำให้การบัญชีพลังงานเป็นไปได้
ความร้อน งาน และพลังงานภายใน
ความร้อนคือการถ่ายเทพลังงานที่เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ งานคือการถ่ายเทพลังงานผ่านแรงและการเคลื่อนที่ที่มีระเบียบ เช่น แก๊สดันลูกสูบ พลังงานภายในคือพลังงานระดับจุลทรรศน์ที่เก็บอยู่ในอนุภาคของระบบ อุณหพลศาสตร์ติดตามว่าปริมาณเหล่านี้เปลี่ยนอย่างไรโดยไม่ต้องเห็นอนุภาคทุกตัว
กฎของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่ศูนย์รองรับแนวคิดเรื่องอุณหภูมิและสมดุลความร้อน กฎข้อที่หนึ่งกล่าวถึงการอนุรักษ์พลังงานในระบบอุณหพลศาสตร์ กฎข้อที่สองอธิบายการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีและขีดจำกัดของการเปลี่ยนความร้อนเป็นงานทั้งหมด ส่วนกฎข้อที่สามเกี่ยวกับพฤติกรรมของเอนโทรปีเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์
เอนโทรปีและความไม่ย้อนกลับ
เอนโทรปีมักถูกแนะนำว่าเป็นความไร้ระเบียบ แต่เข้าใจได้ดีกว่าว่าเป็นมาตรวัดที่เกี่ยวข้องกับการกระจายพลังงานและจำนวนวิธีระดับจุลทรรศน์ที่ทำให้เกิดสภาวะมหภาคหนึ่ง เอนโทรปีอธิบายว่าทำไมความร้อนจึงไหลจากร้อนไปเย็น ทำไมกระบวนการจำนวนมากจึงย้อนกลับไม่ได้ และทำไมเครื่องยนต์จึงไม่มีประสิทธิภาพสมบูรณ์
เครื่องยนต์และตู้เย็น
เครื่องยนต์ความร้อนเปลี่ยนส่วนหนึ่งของการไหลของความร้อนเป็นงานที่มีประโยชน์ ส่วนตู้เย็นและปั๊มความร้อนใช้งานเพื่อย้ายความร้อนจากที่เย็นกว่าไปยังที่อุ่นกว่า อุณหพลศาสตร์กำหนดขีดจำกัดอุดมคติของเครื่องจักรเหล่านี้ อุปกรณ์จริงทำได้ต่ำกว่านั้นเพราะแรงเสียดทาน การรั่วของความร้อน ความปั่นป่วน และผลที่ย้อนกลับไม่ได้อื่น ๆ
สมดุลและตัวแปรสถานะ
ตัวแปรสถานะ เช่น อุณหภูมิ ความดัน ปริมาตร และพลังงานภายใน อธิบายสภาพของระบบ เมื่ออยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ สมบัติระดับมหภาคจะหยุดเปลี่ยนตามเวลา กระบวนการจริงจำนวนมากไม่ได้อยู่ในสมดุลสมบูรณ์ แต่สภาวะสมดุลเป็นจุดอ้างอิงที่มีประโยชน์สำหรับการคำนวณและการคาดการณ์
ทำไมมันถึงสำคัญ
อุณหพลศาสตร์สำคัญเพราะขีดจำกัดด้านพลังงานกำหนดทั้งเทคโนโลยีและธรรมชาติ มันอธิบายว่าทำไมโรงไฟฟ้าจึงสูญเสียความร้อน ทำไมฉนวนจึงประหยัดพลังงาน ทำไมระบบภูมิอากาศตอบสนองต่อสมดุลรังสี และทำไมกระบวนการเคมีและชีวภาพจึงมีทิศทางที่ชอบเกิด อุณหพลศาสตร์เป็นเหมือนกฎพื้นฐานเงียบ ๆ ใต้การเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้จำนวนมาก