กฎของอุณหพลศาสตร์

กฎของอุณหพลศาสตร์ () 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 

กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ อาจจะกล่าวอยู่ในรูปแบบดังนี้:

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 

กล่าวถึงกฎทรงพลังงาน ดังนี้

พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการอะเดียแบติก (กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติความไม่แปรผัน (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. กฎข้อนี้สามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า
 
โดย E หมายถึงพลังงานของระบบ, Q หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ W หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

กฎข้อที่สอง 

กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีหรือพลังงานเสียในระบบอิสระ โดยอธิบายได้หลายแบบดังนี้

ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 % (เคลวิน-พลังค์)

ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณภูมิสูงกว่าได้ โดยธรรมชาติ (เคลาซิอุส)

เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใด ๆ (ทั่วไป)

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็นฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของเวลา. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีในการระบุทิศทางของเวลาได้ กฎข้อนี้สามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า

กฎข้อที่สาม 

กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้

เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะลู่เข้าค่าคงที่

ดูเพิ่ม 
 กฎการอนุรักษ์

อ้างอิง 

กฎของอุณหพลศาสตร์