ไดอะแกรมของเครื่องจักรไอน้ำวัตต์
ในสาขาวิศวกรรมศาสตร์และอุณหพลศาสตร์, **เครื่องจักรความร้อน** (Heat Engine) เป็นเครื่องจักรที่ใช้เปลี่ยนพลังงานความร้อนไปสู่งานทางกลศาสตร์ โดยอาศัยความแตกต่างทางอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูง (heat source) และแหล่งกำเนิดอุณหภูมิต่ำ (heat sink). ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูงไปต่ำ และความร้อนบางส่วนจะถูกเปลี่ยนไปเป็นงานในกระบวนการนี้. ในอดีต เครื่องจักรความร้อนเป็นที่นิยมใช้ในงานต่าง ๆ เป็นอย่างมาก ทั้งนี้เพราะพลังงานความร้อน เป็นพลังงานที่สร้างได้ง่ายมาก และเราสามารถควบคุมมันได้ง่ายเนื่องจากความร้อนจะมุ่งหน้าจากแหล่งอุณหภูมิสูงไปยังแหล่งอุณหภูมิต่ำเสมอ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์).

ประวัติและความสำคัญของเครื่องจักรความร้อน
-----------------------------------------

ในยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม มนุษย์เราได้ผลิดเครื่องจักรและเครื่องยนต์เพื่อใช้งานแทนสัตว์ เช่น ม้า (สังเกตได้จากการที่มีหน่วยพลังงานเป็น *แรงม้า* เพื่อใช้เปรียบเทียบกับม้านั่นเอง). เครื่องจักรไอน้ำที่มีชื่อเสียงในสมัยนั้นได้แก่ เครื่องจักรนิวโคเมน และ เครื่องจักรวัตต์ ซึ่งประสบความสำเร็จในอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก. อย่างไรก็ตามในสมัยนั้น ความรู้ความเข้าใจในทฤษฎีของเครื่องจักรความร้อนมีน้อยมากและไม่สามารถอธิบายประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนได้ดี เช่น เราไม่ทราบว่าอัตราส่วนพลังงานความร้อนที่เรามอบให้เครื่องจักรนั้นถูกแปรเปลี่ยนไปเป็นงานทางกลศาสตร์กี่เปอร์เซ็นต์. 

ในปี ค.ศ. 1824 ซาดี การ์โนต์ วิศวกรชาวฝรั่งเศสได้ตีพิมพ์ผลงาน *Reflections on the Motive Power of Fire*  เก็บถาวร 2005-10-02 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน ซึ่งแสดงให้เห็นว่า เมื่อกำหนดแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูงและต่ำคู่ใด ๆ แล้ว เครื่องจักรความร้อนการ์โนต์เป็นเครื่องจักรที่ให้งานทางกลศาสตร์มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ (ต่อมาเราทราบว่าเครื่องจักรแบบผันกลับได้ทุกชนิดมีประสิทธิภาพสูงสุดเท่าเครื่องจักรการ์โนต์). งานของเครื่องจักรการ์โนต์ทำให้เราตระหนักถึงขอบเขตที่ดีที่สุดของเครื่องจักรความร้อนเท่าที่เราทำได้ และยังเป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาทฤษฎีทางอุณหพลศาสตร์อย่างจริงจังอีกด้วย ซึ่งทำให้ต่อมาลอร์ด เคลวินและรูดอร์ฟ เคลาซิอุสค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์. นักฟิสิกส์หลายท่านถือว่าการ์โนต์เป็นหนึ่งในผู้ค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ตัวอย่างของเครื่องจักรความร้อนที่พบได้ในปัจจุบันมีมากมาย เช่น เครื่องจักรไอน้ำ (ดังเช่น รถไฟยุคโบราณ), เครื่องยนต์ดีเซล หรือ เครื่องยนต์แก๊สโซลีน เป็นต้น.
ในเครื่องยนต์ของรถยนต์ สิ่งที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูงจะอยู่ในตัวเครื่องยนต์ เช่น การเผาไหม้จากน้ำมัน และสิ่งที่เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดอุณหภูมิต่ำก็คือสิ่งแวดล้อมภายนอกนั่นเอง. เครื่องจักรความร้อนอื่น ๆ ที่มีชื่อเสียงทั้งในทางทฤษฎีและปฏิบัติได้แก่ เครื่องจักรออตโต วัฎจักรอีริกสัน เครื่องจักรสเติรริง และตู้เย็น (ซึ่งสร้างได้จากการนำกระบวนการของเครื่องจักรความร้อนมาย้อนกลับ) เป็นต้น

เครื่องจักรความร้อนและกฎของอุณหพลศาสตร์
---------------------------------------

การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนของการ์โนต์เป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญอย่างยิ่งจุดหนึ่งของอุณหพลศาสตร์. โดยทั่วไปเครื่องจักรความร้อนจะเป็นเครื่องจักรชนิดเครื่องจักวนรอบ (cyclic device) นั่นคือเมื่อทำงานไปพักหนึ่ง สถานะของเครื่องจักรจะวนกลับเข้ามาที่สถานะเริ่มต้นใหม่ และจะวนไปมาเรื่อย ๆ. ทั้งนี้เนื่องจากจะมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในกระบวนการการทำงานของเครื่องจักรเสมอ ถ้าเราสร้างเครื่องจักรให้เป็นชนิด*ไม่วนรอบ* เมื่อทำงานไปเรื่อย ๆ ไม่หยุดอุณหภูมิก็จะมากขึ้นเรื่อย ๆ จนระเบิด (หรืออุณหภูมิลดลงเรื่อย ๆ จนถึงจุดเยือกแข็ง). ถ้าเรานิยามประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนเป็น *อัตราส่วนของงานที่ได้รับต่อพลังงานที่ให้เครื่องจักร*, โดยพลังงานที่ให้คือพลังงานความร้อนขาเข้า {\displaystyle Q\_{in}\,\!} และพลังงานที่ได้รับ {\displaystyle W\,\!} ดังรูปด้านข้าง เราสามารถเขียนในรูปสมการได้ว่า

{\displaystyle Efficiency=W/Q\_{in}\,\!}

เนื่องจากจะมีความร้อนส่วนหนึ่ง {\displaystyle Q\_{out}\,\!} ออกไปยังแหล่งกำเนิดอุณหภูมิระดับต่ำเสมอ และเนื่องจากเครื่องจักรความร้อนเป็นชนิดเครื่องจักรวนรอบ, ในแต่ละรอบการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของเครื่องจักรจึงเท่ากับศูนย์. จากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เราสามารถเขียนสมการงาน-พลังงานในแต่ละรอบของการทำงานของเครื่องจักรได้ดังนี้

{\displaystyle 0=Q\_{in}-Q\_{out}-W\,\!}
หรือ
{\displaystyle W=Q\_{in}-Q\_{out}\,\!}

ฉะนั้นประสิทธิภาพของเครื่องจักรความร้อนคือ

{\displaystyle Efficiency=1-Q\_{out}/Q\_{in}\,\!}

อนึ่ง การ์โนต์ได้พิสูจน์ไว้ในผลงานของเขาว่า **เมื่อกำหนดแหล่งกำเนิดอุณหภูมิเดียวกัน เครื่องจักรการ์โนต์จะเป็นเครื่องจักรที่ให้พลังงานสูงสุด** และมีค่าเท่ากับ

{\displaystyle Efficiency\_{Carnot}=1-T\_{C}/T\_{H}\,\!}

(ดู ทฤษฎีบทของการ์โนต์) นั่นคือประสิทธิภาพของเครื่องจักรการ์โนต์จะขึ้นกับอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูง {\displaystyle T\_{H}\,\!} และอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดอุณหภูมิต่ำ {\displaystyle T\_{C}\,\!} เท่านั้น. โดยอุณหภูมิต้องวัดในหน่วยองศาสัมบูรณ์หรือหน่วยเคลวิน ในเวลาต่อมาเราทราบว่าทุก ๆ เครื่องจักรที่ผันกลับได้จะให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงสุดเทียบเท่าเครื่องจักรการ์โนต์.

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถกล่าวในบริบทของเครื่องจักรความร้อนได้ว่า **ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใดที่มีประสิทธิภาพ 100%** (*กฎข้อที่สองในรูปแบบของเคลวิน-พลังค์*). อย่างไรก็ตามในทางทฤษฎี เราสามารถทำให้เครื่องจักรการ์โนต์มีประสิทธิภาพใกล้เคียง 100% เท่าใดก็ได้ โดยการกำหนดให้ {\displaystyle T\_{H}\,\!} และ {\displaystyle T\_{C}\,\!} แตกต่างกันมาก ๆ. แต่จากกฎข้อที่สองทำให้ {\displaystyle T\_{C}\,\!} เป็นศูนย์ไม่ได้. และนี่คือที่มาของ กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ นั่นคือ **อุณหภูมิ 0 องศาสัมบูรณ์ไม่สามารถเกิดขึ้นได้**

ดูเพิ่ม
-------

* ตู้เย็น
* เครื่องปรับอากาศ

อ้างอิง
-------

1. Malcolm Longair. *Theoretical Concepts in Physics : An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics*, 2nd edition. Cambridge University Press, 2003.
2. Ronald Lane Reese. *University Physics*. Brooks Cole, 1999.

แหล่งข้อมูลอื่น
---------------

* Heat Engine
* Webarchive backup: Refrigeration Cycle Citat: "...The refrigeration cycle is basically the Rankine cycle run in reverse..."
* Red Rock Energy Solar Heliostats: Heat Engine Projects Citat: "...Choosing a Heat Engine..."
* Overview of heat engine types เก็บถาวร 2007-06-21 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน