หากใครที่เรียนสายเคมี หรือชื่นชอบเกี่ยวกับเรื่องของเคมี คงเคยผ่านตากับคำว่า “เทอร์โมไดนามิกส์” กันอยู่พอสมควร แต่สำหรับเด็ก ๆ ที่เริ่มต้น หรืออยากเข้าใจเกี่ยวกับเนื้อหาดังกล่าวมากขึ้น บทความนี้จะพามาทำความเข้าใจเบื้องต้นเพื่อใช้เป็นแนวทางสร้างการเรียนรู้และสามารถต่อยอดสู่การเรียนโดยเฉพาะสายวิศวกรรมในอนาคตได้แบบเข้าใจง่าย
นิยามของเทอร์โมไดนามิกส์ คืออะไร
เทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics) คือ วิชาแขนงหนึ่งในกลุ่มรายวิชาวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน (Heat), งาน (Work), อุณหภูมิ (Temperature), และพลังงาน (Energy) ซึ่งถ้าสรุปให้เข้าใจง่ายขึ้นสามารถบอกได้ว่าเป็นรายวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกพื้นที่หนึ่ง หรือจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง เช่น น้ำแข็งละลายเป็นน้ำ น้ำระเหยเป็นไอ หรือการเปลี่ยนพลังงานความร้อนสู่พลังงานกล
กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
กฎข้อที่ 0
เมื่อมี 2 ระบบในสภาวะ Thermal Equilibrium (สภาพสมดุลทางความร้อน) ร่วมกับระบบ 3 ส่งผลให้ระบบ 3 อยู่ในสภาวะ Thermal Equilibrium (สภาพสมดุลทางความร้อน) ด้วยเช่นกัน ซึ่งกฎดังกล่าวเป็นรูปแบบการทำงานของเทอร์โมมิเตอร์
กฎข้อที่ 1
กฎการอนุรักษ์พลังงาน การเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงานภายในตัวระบบ มีค่าเท่ากับความต่างของค่าความร้อนของสิ่งแวดล้อมที่เข้าสู่ระบบการกระทำต่อสิ่งแวดล้อม
กฎข้อที่ 2
ตัวแปรของตัวกำหนดทิศทางการเกิดกระบวนการต่าง ๆ ทั้งทางกายภาพและทางเคมี ตัวแปรสำคัญคือเอนโทรปี หรือความไม่เป็นระเบียบของระบบ เช่น การเกิดการกระจายตัว (dispersal) ของวัตถุ สสาร อะตอม โมเลกุล หรือพลังงาน เป็นตัวกำหนดทิศทางการเกิดกระบวนการทั้งหมด
กฎข้อที่ 3
เมื่ออุณหภูมิ 0 องศาเคลวิน อะตอมในผลึกชนิดสมบูรณ์แบบจะไม่เคลื่อนตัว เพราะไม่มีพลังงานความร้อน อะตอมจึงถูกจัดเรียงอย่างมีระเบียบ หรือจัดเรียงแค่แบบเดียวเท่านั้น ค่าเอนโทรปีของระบบนี้ในอุณหภูมิ 0 องศาเคลวิน จึงมีค่าเป็น 0
ความสำคัญของกฎข้อที่ 3 คือ จากกฎข้อที่ 2 ได้พูดถึงการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปีในกระบวนการต่าง ๆ แต่ค่าที่คำนวณจากกฎข้อที่ 2 เป็นแค่การเปลี่ยนเอนโทรปี หากต้องการหาค่าเอนโทรปีของระบบในอุณหภูมิใดก็ตามต้องอาศัยกฎข้อที่ 3 ซึ่งนิยามเอนโทรปีระบบอยู่ที่ 0 องศาเคลวิน
สำหรับการเรียนเทอร์โมไดนามิกส์ หลายคนอาจเคยเรียนตั้งแต่ระดับ ม.ปลาย แต่บางคนอาจเริ่มเรียนเมื่อก้าวเข้าสู่มหาวิทยาลัยโดยเฉพาะกลุ่มคณะวิศวกรรมศาสตร์ วิทยาศาสตร์ หรือแพทยศาสตร์ ดังนั้นหากใครวางเป้าหมายการเรียนในคณะดังกล่าว การศึกษาข้อมูลเบื้องต้นไว้ก่อนย่อมช่วยเพิ่มทักษะให้กับตนเองได้ดี หรือถ้าสนใจคอร์สเรียนเคมีกับครูปีโป้ก็มีเนื้อหาน่าสนใจอีกมากมายให้ศึกษากัน
