ดูต้นฉบับสำหรับ อุณหพลศาสตร์

{{ลิงก์ไปภาษาอื่น}}
[[ไฟล์:Triple expansion engine animation.gif|thumb|300px|แผนภาพระบบอุณหพลศาสตร์ทั่วไป แสดงพลังงานขาเข้าจากแหล่งความร้อน (หม้อน้ำ) ทางด้านซ้าย และพลังงานขาออกไปยังฮีทซิงค์ (คอนเดนเซอร์) ทางด้านขวา ในกรณีนี้มีงานเกิดขึ้นจากการทำงานของกระบอกสูบ]]
{{อุณหพลศาสตร์}}

'''อุณหพลศาสตร์''' (/อุน-หะ-พะ-ละ-สาด/ หรือ /อุน-หะ-พน-ละ-สาด/) หรือ '''เทอร์โมไดนามิกส์''' ({{langx|en|thermodynamics}}; มาจาก[[ภาษากรีก]] ''thermos'' = ความร้อน และ ''dynamis'' = กำลัง) เป็นสาขาของ[[ฟิสิกส์]] ที่ศึกษาความสัมพันธ์เกี่ยวกับ [[ความร้อน]] [[อุณหภูมิ]] [[งาน]] และ[[พลังงาน]] ในช่วงแรกการศึกษาอุณหพลศาสตร์เกิดจากการศึกษาเรื่อง[[เครื่องจักรความร้อน]] ต่อมาในภายหลัง [[นักวิทยาศาสตร์]]ได้ตระหนักว่า อุณหพลศาสตร์ครอบคลุมถึงกระบวนการการเปลี่ยนแปลงมหาศาล ทั้ง[[สิ่งมีชีวิต]]และ[[สิ่งไม่มีชีวิต]] ทั้งใน[[โลก]]ตลอดจนทั้ง[[จักรวาล]] เช่น การทำนายถึง[[จุดกำเนิดและดับสูญของจักรวาล]]ด้วย[[กฎข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์]] และการบ่งบอก[[ทิศทางของเวลา]] (direction of time) ด้วยการเพิ่มขึ้นของ[[เอนโทรปี]] อุณหพลศาสตร์เป็นสาขาหลักทางฟิสิกส์นับแต่ช่วง[[คริสต์ศตวรรษที่ 19]] เป็นต้นมา

== ประวัติ ==
=== ของไหลที่เรียกว่าความร้อน ทฤษฎีแคลอริก ===
[[ความร้อน]]เป็นความลี้ลับที่นักฟิสิกส์เฝ้าหาคำอธิบายมานานแสนนาน ทฤษฎีที่ใช้อธิบายความร้อนที่นิยมในสมัยก่อนก็คือ [[ทฤษฎีแคลอริก]] ที่กล่าวว่าความร้อนเป็น[[ของไหล]]ชนิดหนึ่ง โดยมีส่วนประกอบเป็น[[สสาร]]ที่เรียกว่าแคลอริก [[ทฤษฎี]]นี้ถูกเสนอโดย [[โจเซฟ แบล็ก]] นักฟิสิกส์ชาว[[สกอตแลนด์]] และ[[อองตวน ลาวัวซิเยร์]] นักเคมี ใน[[คริสต์ศตวรรษที่ 18]] แบล็กได้นิยามหน่วยความร้อนดังนี้: ''ความร้อน 1 [[แคลอรี]] คือ ความร้อนที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 [[ปอนด์]] ขึ้นมา 1 [[องศาฟาเรนไฮต์]]'' (ในปัจจุบันเราก็ยังใช้หน่วย แคลอรีบ้างเกี่ยวกับเรื่องของ[[โภชนาการ]] อยู่ เพียงแต่เปลี่ยนนิยามเป็น ''ความร้อนที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 [[กรัม]] ขึ้นมา 1 [[องศาเซลเซียส]]'') งานของเขาได้ถูกนำไปศึกษาต่อในเรื่อง [[ความร้อนจำเพาะ]] (specific heat) ของสสารอย่างจริงจังในเวลาต่อมา นอกจากนั้นแบล็กยังได้นิยาม [[ความร้อนแฝง]] (latent heat) หรือความร้อนที่ต้องใส่ในระบบเพื่อทำให้วัตถุเปลี่ยน[[สถานะ]] เช่น จาก[[ของแข็ง]]เป็น[[ของเหลว]] หรือจากของเหลวเป็น[[ก๊าซ]] เป็นต้น แบล็กได้สังเกตว่าความร้อนชนิดนี้ไม่ได้ทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้นเลย จึงได้ตั้งชื่อว่า ความร้อน''แฝง''
[[ไฟล์:Carnot2.jpg|thumb|180px|left|[[นีกอลา เลออนาร์ ซาดี การ์โน|ซาดี การ์โน]] ผู้พิสูจน์ขอบเขตความสามารถในการสร้างงานที่จำกัดของเครื่องจักรความร้อน]]

=== เครื่องจักรความร้อนและผลงานของการ์โน ===
ใน[[ยุคปฏิวัติอุตสาหกรรม]] เมื่อเราเข้าใจธรรมชาติของความร้อนดีขึ้นจึงมีการประดิษฐ์คิดค้น [[เครื่องจักรความร้อน]] มาใช้งานกันอย่างแพร่หลาย ซึ่งนับว่าเครื่องจักรความร้อนเป็นสิ่งที่สำคัญยิ่งในการพัฒนาความรู้ด้านอุณหพลศาสตร์ และต่อมาในปี [[ค.ศ. 1824]] [[นีกอลา เลออนาร์ ซาดี การ์โน|ซาดี การ์โน]] [[วิศวกร]]ชาว[[ชาวฝรั่งเศส|ฝรั่งเศส]]ได้ตีพิมพ์ผลงาน ''Reflections on the Motive Power of Fire'' <ref>{{Cite web |url=http://www.thermohistory.com/carnot.pdf |title=''Reflections on the Motive Power of Fire'' |access-date=2005-09-28 |archive-date=2005-10-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20051002034631/http://www.thermohistory.com/carnot.pdf |url-status=dead }}</ref> ซึ่งแสดงให้เห็นว่า เมื่อกำหนดแหล่งกำเนิดอุณหภูมิสูงและต่ำคู่ใด ๆ แล้ว [[เครื่องจักรความร้อนการ์โน]]เป็นเครื่องจักรที่ให้งานทางกลศาสตร์มากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ (ต่อมาเราทราบว่า[[กระบวนการผันกลับได้|เครื่องจักรแบบผันกลับได้]]ทุกชนิดมีประสิทธิภาพสูงสุดเท่า[[เครื่องจักรการ์โน]]) งานของเครื่องจักรการ์โนทำให้เราตระหนักถึงขอบเขตที่ดีที่สุดของเครื่องจักรความร้อนเท่าที่เราทำได้ และยังเป็นผลงานซึ่งทำให้ต่อมา[[ลอร์ด เคลวิน]]และ[[รูด็อล์ฟ เคลาซีอุส]]ค้นพบ[[กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์]] [[นักฟิสิกส์]]หลายท่านถือว่าการ์โนเป็นหนึ่งในผู้ค้นพบ[[กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์]] อนึ่ง ในสมัยนั้นการ์โนยังเข้าใจผิดว่าความร้อนคือของไหลอยู่ เขาจึงคิดว่าความร้อนทั้งหมดจะไหลจากแหล่งอุณหภูมิสูงไปยังแหล่งอุณหภูมิต่ำทั้งหมด เฉกเช่นน้ำทั้งหมดไหลจากที่สูงไปยังที่ต่ำ ซึ่งเป็นการเข้าใจผิดเนื่องจากต้องมีความร้อนบางส่วนถูกแปรรูปไปเป็นงานที่ผลิตได้จากเครื่องจักรความร้อน (ตามกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์) ต่อมา [[เบอนัว ปอล เอมีล กลาแปรง]] ได้พยายามเผยแพร่งานของการ์โนโดยสร้างสมการคณิตศาสตร์และไดอะแกรมของ[[เครื่องจักรความร้อนการ์โน]] ทำให้งานของการ์โนแพร่หลายไปทั่ว

=== ความร้อนคือการเคลื่อนไหว ===
ในช่วง[[สงครามประกาศอิสรภาพของอเมริกา]] ปี [[ค.ศ. 1798]] [[เบนจามิน ทอมป์สัน]] (ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็น [[เคานท์รัมฟอร์ด]]) สนใจธรรมชาติของความร้อนมาก และรู้สึกไม่พอใจกับทฤษฎีแคลอริกที่ผู้คนยอมรับกันในขณะนั้น ช่วงที่รัมฟอร์ดได้ถูกแต่งตั้งให้ควบคุมหน่วย[[ปืนใหญ่]]ของกองทัพ เขาได้สังเกตเห็นถึงความร้อนที่เพิ่มขึ้นในปริมาณมหาศาลมากของปืนใหญ่ เขาตั้งข้อสงสัยว่าถ้ามี '''สสาร''' ที่ชื่อว่าความร้อนจริง ปืนใหญ่ย่อมสูญเสียสสารเช่นนั้นไปเป็นจำนวนมาก แต่ผลจากการทดลองอย่างระมัดระวังของเขา กลับพบว่าปืนใหญ่มีน้ำหนักเท่าเดิม (หรือสูญเสียไปน้อยมากจนไม่สามารถตรวจสอบได้) รัมฟอร์ดไม่เชื่อว่าจะมีสสารใด ๆ ที่มีมวลน้อยขนาดนั้น เขาจึงได้ตีพิมพ์ในผลงานของเขาใน ''London Philosophical Transactions'' ว่า ''จากการทดลองและการตรวจสอบ อย่างละเอียดถี่ถ้วนของผม ความร้อนไม่สามารถเป็นอื่นใด นอกจาก'''การเคลื่อนที่''''' (หมายถึงว่า ความร้อนคือ[[พลังงานจลน์]]นั่นเอง) 
[[ไฟล์:Julius Robert von Mayer.jpg|thumb|180px|[[ยูลีอุส ฟ็อน ไมเออร์]] แพทย์และนักวิทยาศาสตร์สมัครเล่นผู้สังเกตเห็นกฎข้อที่หนึ่ง]]

=== กำเนิดกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ===
[[ยูลีอุส ฟ็อน ไมเออร์]] และ[[เจมส์ จูล]] เป็นนักวิทยาศาสตร์สองท่านที่นำแนวคิดของรัมฟอร์ดไปศึกษาต่ออย่างจริงจัง โดยในปี [[ค.ศ. 1840]] ฟ็อน ไมเออร์ ผู้เป็น[[แพทย์]]และนักวิทยาศาสตร์สมัครเล่น ได้สังเกตถึงความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและงานทางกลศาสตร์ ระหว่างตรวจคนไข้ในเรือ ทำให้ ฟ็อน ไมเออร์ ได้พยายามตีพิมพ์ผลงานเรื่องกฎการอนุรักษ์พลังงาน. อย่างไรก็ตามเนื่องจากความที่ว่าพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ของฟ็อน ไมเออร์ มีน้อย ทำให้ผลงานของเขามีข้อผิดพลาด และถูกปฏิเสธการตีพิมพ์ ในปีถัดมา ฟ็อน ไมเออร์ พยายามส่งผลงานเข้าตีพิมพ์อีกครั้ง โดยถึงแม้จะสำเร็จ แต่ผลงานของเขาถูกมองข้าม เนื่องจากเขาไม่มีชื่อเสียงในฐานะนักฟิสิกส์ ฟ็อน ไมเออร์ ต้องรออีกราว ๆ 20 ปี กว่าจะได้ชื่อเสียงที่เขาสมควรจะได้รับ เมื่อเคลาซีอุสได้พยายามยกย่องเขาแก่สาธารณชนในฐานะผู้คิดค้นกฎข้อที่ 1

กฎการอนุรักษ์พลังงานได้ถูกค้นพบเช่นกันที่[[อังกฤษ]] โดยจูลในปี [[ค.ศ. 1843]] จูลเป็นลูกศิษย์ของ[[จอห์น ดอลตัน]] จึงมีพื้นฐานทางด้านวิทยาศาสตร์อย่างดีเยี่ยม แตกต่างจากฟ็อน ไมเออร์ จูลได้ทดลองเพื่อพิสูจน์ถึงความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและงานทางกลศาสตร์อย่างรัดกุมมาก ทำให้ผลงานของเขาได้รับการยอมรับไปทั่ว[[ทวีปยุโรป|ยุโรป]] ในปี [[ค.ศ. 1847]] [[เฮอร์มันน์ ฟอน เฮล์มโฮลทซ์]] ได้ตีพิมพ์ผลงานที่นิยามกฎข้อที่ 1 อย่างเป็นทางการใน ''Über die Erhaltung der Kraft (On the Conservation of Force) ''

=== กำเนิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ===
ชื่อเทอร์โมไดนามิกส์ ถือกำเนิดขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1849 โดย[[วิลเลียม ทอมป์สัน]] หรือลอร์ด เคลวิน นั่นเอง เคลวินประทับใจในงานของจูลเป็นอย่างมาก เคลวินจึงได้คุยและถกกับจูลหลายต่อหลายครั้ง ความสัมพันธ์ของทั้งคู่ดำเนินไปดังนี้ ''จูลถามปัญหาทอมป์สัน ทอมป์สันวิเคราะห์คำตอบทางทฤษฎี จูลนำบทวิเคราะห์ของทอมป์สันมาทดลอง'' กลับไปกลับมาเป็นเวลา 4 ปี ในช่วง ปี [[ค.ศ. 1852]] ถึง [[ค.ศ. 1856]] ทำให้ทั้งสองมีผลงานค้นพบร่วมกัน เช่น [[การแพร่กระจายแบบจูล-ทอมป์สัน]] (Joule-Thompson expansion) นอกจากนี้จากการศึกษางานของการ์โนอย่างจริงจัง ทำให้เคลวินเริ่มมีแนวคิดเกี่ยวกับกฎข้อที่ 2

ในช่วงเวลาเดียวกันที่[[ประเทศเยอรมนี]] ([[ค.ศ. 1850]]-[[ค.ศ. 1860]]) [[รูด็อล์ฟ เคลาซีอุส]] ก็ได้ตีพิมพ์ผลงานที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่ 2 และ[[ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ]]มากมาย เช่น [[ระยะทางอิสระเฉลี่ย]] (mean free path) หรือ ระยะทางเฉลี่ยที่[[โมเลกุล]]จะเคลื่อนที่ได้โดยไม่ชนกับโมเลกุลอื่น ๆ ในปี [[ค.ศ. 1865]] เคลาซีอุสก็ได้นิยาม ''การเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี'' (ในมุมมองมหภาค) อย่างเป็นทางการ

ในช่วงเดียวกันนั้น ปี[[ค.ศ. 1854]] ฟอน เฮล์มโฮลทซ์ ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากงานของจูล เคลวิน และ เคลาซีอุสได้เริ่มตั้งข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับ[[จุดดับของจักรวาล]]ว่าจะมีแต่[[พลังงานเสีย]]ในรูปของความร้อนเท่านั้น ไม่มีพลังงานอย่างอื่นอีก เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ''heat death'' เนื่องจากข้อสรุปนี้ขัดแย้งกับคำสอนของ[[ศาสนาคริสต์]]และตรงกับความเห็นของเคลวินเป็นอย่างยิ่ง ด้วยความที่เคลวินเป็นผู้เคร่งครัดในคำสอนของ[[ศาสนา]] ทำให้เคลวินรู้สึกกลัดกลุ้มใจในข้อสรุปนี้เป็นอย่างยิ่ง

หลังจากนั้น เคลวินได้นิยามกฎข้อที่ 2 อย่างเป็นทางการในปี [[ค.ศ. 1874]] (ดูนิยามกฎข้อที่ 2 ของเคลวินในหัวข้อถัดไป)

=== อะตอม ทฤษฎีจลน์ของก๊าซและกลศาสตร์สถิติ ===

ในขณะที่สมมุติฐานเรื่องอะตอมยังไม่เป็นที่ยอมรับกันในสมัยนั้น ด้วยความประทับใจในงานของเคลาซีอุส [[เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์]]ได้พยายามนำสมมุติฐานดังกล่าวมาใช้ และได้สร้างสาขาใหม่ของอุณหพลศาสตร์ขึ้น เรียกว่า[[ทฤษฎีจลน์ของก๊าซ]] โดยแมกซ์เวลล์ได้อาศัยความรู้เรื่อง[[กลศาสตร์ดั้งเดิม]]มาคิดกับทุก ๆ อะตอมในระบบ และอาศัยความรู้เรื่อง[[ทฤษฎีความน่าจะเป็น]] ทำให้สามารถสร้าง[[ฟังก์ชันความน่าจะเป็น]]สำหรับ[[ความเร็ว]]ของแต่ละอะตอมได้สำเร็จ ฟังก์ชันนี้ปัจจุบันเรียกว่า [[การกระจายตัวแบบแมกซ์เวลล์]] ผลการทดลองหลาย ๆ อย่างสนับสนุนทฤษฎีของแมกซ์เวลล์

ที่[[ออสเตรีย]] [[ลูทวิช บ็อลทซ์มัน]] ประทับใจงานของแมกซ์เวลล์เป็นอย่างมาก และได้นำแนวคิดเรื่องอะตอมและทฤษฎีความน่าจะเป็นไปพัฒนาต่อจนสามารถสร้างนิยามใหม่ของเอนโทรปีในระดับจุลภาคได้ ดังนี้

:::<math>S=k*log[W] \,</math>

โดย S แทน[[เอนโทรปี]] และ [W] เป็นจำนวนสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดของอะตอมในระบบ และ k คือ [[ค่าคงที่บ็อลทซ์มัน]] ความหมายของสมการของบ็อลทซ์มันก็คือ '''เอนโทรปีคือค่าที่วัดการกระจายตัวของพลังงานในระบบ''' ยิ่งพลังงานกระจายตัวกันมาก ทำให้พลังงานไม่มีระเบียบ ไม่เป็นกลุ่มก้อน เราอาจเรียกพลังงานชนิดนี้ว่า[[พลังงานเสีย]] '''โดยพลังงานเสียนี้ไม่สามารถสร้างงานได้ด้วยตนเอง และจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามกฎข้อที่ 2''' เช่นเดียวกับแมกซ์เวลล์ บ็อลทซ์มันสร้างฟังก์ชัน [[การกระจายตัวแบบบ็อลทซ์มัน]] เพื่ออธิบายถึงความน่าจะเป็นของแต่ละสถานะในระบบ อย่างไรก็ตามการค้นพบของบ็อลทซ์มันไม่ได้รับการยอมรับเท่าที่ควร ด้วยความเสียใจ ทำให้บ็อลทซ์มันตัดสินใจจบชีวิตของเขาด้วยมือตัวเองในที่สุด ผลงานของบ็อลทซ์มันในเวลาต่อมาสร้างสาขาใหม่ให้กับฟิสิกส์ นั่นคือ [[กลศาสตร์สถิติ]] และ [[ฟิสิกส์สถิติ]]

ในปี [[ค.ศ. 1876]] ถึง [[ค.ศ. 1878]] ที่[[สหรัฐอเมริกา]] [[โจซิอาห์ วิลลาร์ด กิ๊บส์]]ก็ได้ศึกษาเรื่องกลศาสตร์สถิติอย่างจริงจัง และได้ตีพิมพ์ผลงานออกมามากมาย และรวมไว้ในชื่อ ''On the Equilibrium of Heterogeneous Substances'' (ว่าด้วยเรื่องดุลยภาพของสสารต่างชนิด) ในผลงานชิ้นนั้นกิ๊บส์ได้นิยาม [[พลังงานเสรีของกิ๊บส์]] ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่มีประโยชน์มหาศาลและเป็นที่มาของสาขาใหม่ใน[[เคมี]]และฟิสิกส์นั่นคือ [[เคมีฟิสิกส์]] (Physical chemistry) และ[[เคมีความร้อน]] (Thermochemistry) เคยมีเรื่องเล่าว่า ที่อเมริกาไม่มีผู้ใดตระหนักถึงความสามารถของกิ๊บส์ และเมื่ออเมริกาต้องการทำงานวิจัยเรื่องนี้อย่างจริงจัง ทางอเมริกาต้องส่งตัวแทนไปเชิญแมกซ์เวลล์ถึงที่[[สหราชอาณาจักร]] โดยแมกซ์เวลล์ได้กล่าวว่า ''ประเทศคุณนั้นมีเพชรอย่าง วิลลาร์ด กิ๊บส์อยู่แล้ว ไยต้องลำบากมาหาคนอื่นถึงดินแดนห่างไกลอย่างที่นี่อีกเล่า!''

== ระบบอุณหพลศาสตร์ ==
[[ไฟล์:System boundary.svg|thumb|200px|ระบบ ขอบเขต และสิ่งแวดล้อม ของอุณหพลศาสตร์]]

'''ระบบอุณหพลศาสตร์''' (Thermodynamics system) คือส่วนหนึ่งของ[[จักรวาล]]ที่เรากำลังพิจารณาอยู่ โดยเราจะต้องกำหนดขอบเขตของระบบ (ไม่ว่าจะเป็นขอบเขตจริงหรือขอบเขตในจินตนาการ) ให้ชัดเจน ส่วนอื่น ๆ ของจักรวาลที่ไม่อยู่ในระบบเรียกว่า ''สิ่งแวดล้อม'' ระบบอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญมี 3 ประเภท คือ
* '''ระบบอิสระ''' (isolated systems) คือ ระบบที่ปิดกั้นตัวเองจากสิ่งแวดล้อมโดยสมบูรณ์ [[มวล]]หรือพลังงานภายนอกไม่สามารถเข้ามาในระบบได้
* '''ระบบปิด''' (closed systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้พลังงานถ่ายเทผ่านเข้าหรือออกระบบได้ แต่ไม่อนุญาตให้มวลเข้ามาในระบบ (มวลโดยรวมของระบบคงที่ตลอดเวลา) ในการวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ เรานิยามพลังงานที่เข้าออกจากระบบให้มีสองประเภทคือ ''พลังงานความร้อน'' (พลังงานที่เกิดจากความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของระบบกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม) และ ''พลังงานอื่น'' (เช่น พลังงานที่เกิดจากงานทาง[[กลศาสตร์]])
* '''ระบบเปิด''' (open systems) คือ ระบบที่อนุญาตให้ทั้งมวลและพลังงานเข้าออกจากระบบได้ หนังสือบางเล่มกำหนดว่าระบบเปิดจะต้องนิยามให้[[ปริมาตร]]คงที่ (fixed volume)

อนึ่ง กฎต่าง ๆ ในอุณหพลศาสตร์จะมีความหมายก็ต่อเมื่อผู้ใช้นิยามระบบอุณหพลศาสตร์อย่างชัดเจนแล้วเท่านั้น เมื่อระบบอยู่ใน[[สภาวะสมดุล]]ในทุก ๆ ด้าน ([[สมดุลทางกลศาสตร์]], [[สมดุลทางอุณหภูมิ]], [[สมดุลทางเคมี]], ฯลฯ) เราจะกล่าวว่า ''ระบบอยู่ในสถานะที่แน่นอน'' การวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์จะวิเคราะห์ได้ก็ต่อเมื่อทุก ๆ ขั้นตอนในกระบวนการสามารถประมาณได้ว่าอยู่ในสภาวะสมดุลเท่านั้น โดยเรียกสภาวะที่พอจะอนุโลมว่าสมดุลได้ว่า[[สภาวะกึ่งสมดุล]] (quasi-equilibrium) คุณสมบัติต่าง ๆ ของระบบสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของระบบซึ่งระบุถึงความสัมพันธ์ของ[[ตัวแปร]]ในระบบ ตัวแปรในระบบอุณหพลศาสตร์ที่สำคัญ คือ ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ [[พลังงานภายใน]] [[เอนโทรปี]] [[เอนธาลปี]] [[พลังงานเสรีของกิ๊บส์]] และ[[พลังงานเสรีของเฮมโฮลทซ์]] เป็นต้น

== กฎของอุณหพลศาสตร์ ==
{{บทความหลัก|กฎของอุณหพลศาสตร์}}[[ไฟล์:Clausius.jpg|thumb|180px|[[รูด็อล์ฟ เคลาซีอุส]] หนึ่งในนักฟิสิกส์ผู้มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งในการค้นพบกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์]]

มีกฎทั้งหมด 4 ข้อในอุณหพลศาสตร์ โดยกฎข้อที่หนึ่งและข้อที่สองนั้น นักวิทยาศาสตร์ทั่วไป ถือว่าเป็นสองทฤษฎีในบรรดา[[หลักการที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์]]เลยทีเดียว. อย่างไรก็ตาม กฎบางข้อ เช่น ข้อที่สอง จะเป็นจริงเมื่อเรามองธรรมชาติแบบมหภาคเท่านั้น เมื่อเรามองในระดับจุลภาคหรือระดับอะตอม มี[[ความน่าจะเป็น]]ที่กฎข้อที่สองจะถูกฝ่าฝืน เพียงแต่ความน่าจะเป็นนั้นมีค่าน้อยมาก จนเราไม่สามารถสังเกตเห็นได้ในระดับมหภาคเท่านั้น

=== ข้อที่ศูนย์ ===
{{main|กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์}}
กล่าวถึง[[ภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์]] โดยอธิบายได้ดังนี้

'''ถ้าระบบ A และ B อยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และระบบ B และ C อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์แล้ว ระบบ A และ C จะอยู่ในภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ด้วยเช่นกัน''' 

นั่นคือภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์มี[[คุณสมบัติถ่ายทอด]] (transitive) ได้นั่นเอง

=== ข้อที่หนึ่ง ===
{{main|กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์}}
กล่าวถึง[[กฎทรงพลังงาน]] โดยอธิบายได้ดังนี้

'''พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงใน[[กระบวนการอะเดียแบติก]] (กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น'''

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติ[[ความไม่แปรผัน]] (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. เราสามารถแสดงได้ว่ากฎข้อนี้เขียนแทนได้ด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ <math>dE=dQ-dW \,</math> โดย ''E'' หมายถึงพลังงานของระบบ, ''Q'' หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ ''W'' หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

=== ข้อที่สอง ===
{{main|กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์}}
กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของ[[เอนโทรปี]]หรือ[[พลังงานเสีย]]ในระบบอิสระ โดยอธิบายได้หลายแบบดังนี้

'''ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 %''' (เคลวิน-พลังค์)

'''ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าได้ โดยธรรมชาติ''' (เคลาซีอุส)

'''เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใดๆ''' (ทั่วไป)

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็น[[ฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว]] (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของ[[เวลา]]. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีในการระบุ[[ทิศทางของเวลา]]ได้

=== ข้อที่สาม ===
{{main|กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์}}
กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้

'''เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะลู่เข้าค่าคงที่'''

== สรุปพลังงานในอุณหพลศาสตร์ ==
เมื่อพิจารณาจากสมการสมดุลพลังงานในระบบอุณหพลศาสตร์ จะได้ระดับของพลังงานจำนวนหนึ่งที่เรียกชื่อว่า[[ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์]] ซึ่งสามารถวัดได้จากระบบ พลังงานที่สำคัญ 5 ตัวได้แก่

{| border="0" cellpadding="4"  style="margin: 0 0 1em 1em"
|-
|1. [[พลังงานภายใน]]
|<math>U\,</math>
|- 
|2. [[พลังงานเสรีของเฮล์มโฮลทซ์]] <!--- Please do not change to F --->
| <math>A = U-TS\,</math>
|- 
|3. [[เอนทาลปี]]
| <math>H = U+PV\,</math>
|- 
|4. [[พลังงานเสรีของกิ๊บส์]]
| <math>G = U+PV-TS\,</math>
|- 
|5. [[Grand potential]] <!--- The Grand potential article says to use \Phi_{G}, not \Omega --->
|<math>\Phi_{G}=U-TS-\mu N\,</math>
|}

สำหรับพลังงานอื่นๆ ในระบบอุณหพลศาสตร์สามารถหาได้จากการคำนวณโดยใช้[[สมการของเลอช็องดร์]] เพื่อใช้ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบนับจากสภาวะเริ่มต้นถึงสภาวะสิ้นสุด พลังงานที่ใช้ไปขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของระบบ เช่นค่าของอุณหภูมิหรือความดัน [[พลังงานภายใน]]หมายถึงพลังงานภายในระบบ [[เอนทาลปี]]คือพลังงานภายในระบบบวกกับพลังงานจากงานของแรงดัน-ปริมาตร ส่วนพลังงานของเฮล์มโอลทซ์และพลังงานของกิ๊บส์คือพลังงานที่มีเพียงพอในระบบสำหรับสร้างงาน เมื่ออุณหภูมิกับปริมาตร หรือความดันกับอุณหภูมิมีค่าเท่าเดิมตามลำดับ

== อุณหพลศาสตร์สาขาต่างๆ ==
=== อุณหพลศาสตร์ดั้งเดิม ===
อุณหพลศาสตร์ดั้งเดิม ({{langx|en|Classical Thermodynamics}}) คือทฤษฏีแรกๆ ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษ 1800 ที่ให้ความสนใจกับสถานะทางอุณหพลศาสตร์ และคุณสมบัติของพลังงานรูปแบบต่างๆ เช่น พลังงาน งาน และความร้อน ทว่าตามกฎของอุณหพลศาสตร์แล้ว ทฤษฏีทั้งหมดยังไม่สามารถอธิบายในระดับอะตอมได้ อุณหพลศาสตร์ดั้งเดิมพัฒนาขึ้นจากทฤษฏีของ [[โรเบิร์ต บอยล์]] [[นักเคมี]] ที่ว่า [[ความดัน]] P ของก๊าซปริมาณหนึ่งจะแปรผกผันกับ[[ปริมาตร]] V ของก๊าซนั้นๆ เมื่อ[[อุณหภูมิ]]คงที่ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือสมการ PV = k (ค่าคงที่) นั่นเอง จากจุดนี้ทำให้วิทยาศาสตร์ด้านอุณหภูมิเริ่มพัฒนาขึ้นโดยสามารถสร้าง[[เครื่องจักรไอน้ำ]]ขึ้นได้เป็นครั้งแรกในอังกฤษโดย[[โทมัส ซาเวอรี]] ในปี ค.ศ. 1697 และ[[โทมัส นิวโคเมน]] ในปี ค.ศ. 1712 กฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์ตั้งขึ้นในเวลาต่อมาตามลำดับราวคริสต์ทศวรรษ 1850 โดยอาศัยข้อมูลจากการศึกษาของ[[วิลเลียม แรนคิน]], [[รูด็อล์ฟ เคลาซีอุส]] และ [[วิลเลียม ทอมป์สัน]] (ลอร์ดเคลวิน)

=== อุณหพลศาสตร์สถิติ ===
อุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมมีข้อจำกัด ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์หลายประเภทได้ จำเป็นต้องใช้กลศาสตร์สถิติ หรือ [[อุณหพลศาสตร์สถิติ]] ({{langx|en|Statistical Thermodynamics}}) มาช่วยอฺธิบาย ตัวอย่างเช่น กฎของอุณหพลศาสตร์อาจใช้อธิบายได้ว่าปฏิกิริยาหนึ่ง ๆ จะเกิดขึ้นได้เอง แต่ไม่ได้อธิบายเกี่ยวกับเวลาที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาเอาไว้ ทำให้บางครั้งผลการทดลองได้ผลไม่ตรงตามกฎของอุณหพลศาสตร์ ยกตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยารวมตัวระหว่าง[[ไฮโดรเจน]]และ[[ออกซิเจน]]เป็น[[น้ำ]]

<math> H_2 (g) + 1/2O_2 (g)   ---->   H_2O (l) </math>

จากการพิจารณาพลังงานเสรีของน้ำพบว่ามีค่าน้อยกว่าของไฮโดรเจนและออกซิเจน ดังนั้นปฏิกิริยานี้ควรจะเกิดขึ้นได้ แต่จากการทดลองที่อุณหภูมิปกติพบว่าไม่เกิดปฏิกิริยา ในความเป็นจริงปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดช้ามาก จนสังเกตไม่ได้ ถ้าเราใส่[[ตัวเร่งปฏิกิริยา]]ลงไปก็จะได้น้ำตามสมการ

ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งก็คือ อุณหพลศาสตร์ไม่สามารถบอกได้ว่า งาน ที่เกิดขึ้นจริงในระบบจะมีค่าเท่าใด บอกได้แต่เพียงว่างานที่เกิดขึ้นได้มากที่สุดจะมีค่าเท่าใด ทั้งนี้เนื่องจากงานที่เกิดขึ้นได้มากสุดเกิดจาก[[กระบวนการผันกลับได้]] ในขณะที่กระบวนการที่เกิดขึ้นจริงเป็น[[กระบวนการผันกลับไม่ได้]]

อย่างไรก็ตามอุณหพลศาสตร์ดั้งเดิมมีข้อดีตรงที่ ทฤษฎีนี้เป็นอิสระต่อ[[ทฤษฎีอะตอม]] ไม่ว่าทฤษฎีอะตอมจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ตาม เรายังสามารถใช้อุณหพลศาสตร์ในการอธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติในระดับมหภาคได้เสมอ

[[ไฟล์:William Thomson 1st Baron Kelvin.jpg|thumb|200px|[[วิลเลียม ทอมป์สัน]] หรือ [[ลอร์ด เคลวิน]] ผู้นิยามคำว่าเทอร์โมไดนามิกส์ และนิยามกฎข้อที่สองอย่างเป็นทางการ]]

=== อุณหพลศาสตร์เคมี ===
อุณหพลศาสตร์เคมี ({{langx|en|Chemical Thermodynamics}}) เป็นการศึกษาความเกี่ยวพันของความร้อนที่เกิดจาก[[ปฏิกิริยาเคมี|ปฏิกิริยาทางเคมี]]หรือจากการเปลี่ยนแปลงสถานะทางฟิสิกส์ภายในขอบเขตของกฎอุณหพลศาสตร์ ในช่วงปี 1873-76 นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ [[โจซิอาห์ วิลลาร์ด กิ๊บส์]] ได้เผยแพร่งานวิจัยสามฉบับ ฉบับที่โด่งดังที่สุดคือ ''On the Equilibrium of Heterogeneous Substances'' ซึ่งเขาได้แสดงให้เห็นว่ากระบวนการทางอุณหพลศาสตร์สามารถนำมาวิเคราะห์ให้เห็นเป็นภาพได้ จากการศึกษา[[พลังงาน]] [[เอนโทรปี]] [[ปริมาตร]] [[อุณหภูมิ]] และ[[ความดัน]]ของระบบอุณหพลศาสตร์นั้น ทำให้สามารถอธิบายลำดับการเกิดของกระบวนการได้<ref>วิลลาร์ด กิ๊บส์ (1993). ''The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, Volume One: Thermodynamics''. สำนักพิมพ์ออกซ์โบว. ISBN 0-918024-77-3. OCLC 27974820.</ref> ตลอดช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักเคมีหลายคนเช่น กิลเบิร์ต เอ็น. ลิวอิส, เมิร์ล รันดัล และ อี. เอ. กุกเกินเฮม เริ่มนำสมการคณิตศาสตร์ของกิ๊บส์ไปใช้ในการวิเคราะห์กระบวนการทางเคมีในงานของพวกเขา<ref>กิลเบิร์ต เอ็น. ลิวอิส; เมิร์ล รันดัล (1923). ''Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances''. McGraw-Hill Book Co. Inc.</ref>

== ดูเพิ่ม ==
* [[เครื่องจักรความร้อน]]
* [[เครื่องจักรนิรันดร์]]

== อ้างอิง ==
{{รายการอ้างอิง}}
* Malcolm Longair. ''Theoretical Concepts in Physics : An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics'', 2nd edition. Cambridge University Press, 2003. ''' (รายละเอียดของกฎทั้ง 4 ข้อ และ เรื่องของการ์โน และจูล) '''
* Ronald Lane Reese. ''University Physics''. Brooks Cole, 1999. ''' (รายละเอียดของกฎทั้ง 4 ข้อ) '''
* George Gamow. ''Biography of Physics''. Harper & brothers, 1961. (see also Dover edition, 1988) ''' (เรื่องของ แบล็ก รัมฟอร์ด และการ์โน) '''
* Alan Lightman. ''Great Ideas in Physics''. McGraw-Hill, 1992. ''' (เรื่องของฟ็อน ไมเออร์ และ การ์โน ) '''
* Thomas Crump. ''A Brief History of Science: As Seen Through the Development of Scientific Instruments''. Carroll & Graf Publishers, 2002. ''' (เรื่องของเคลวิน) '''
* Charles Ruhla. ''The Physics of Chance: from Blaise Pascal to Niels Bohr''. Oxford University Press, 1992. ''' (เรื่องของแมกซ์เวลล์ บ็อลทซ์มัน) '''
* Cathy Cobb, Harold Goldwhite. ''Creations of Fire: Chemistry's Lively History from Alchemy to the Atomic Age''. Plenum Pr, 1995. ''' (เรื่องราวของกิ๊บส์) '''
* รศ. [[เทพจำนงค์ แสงสุนทร]]. ''เอกสารประกอบการสอน: กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์''. 2005. ''' (อุณหพลศาสตร์ vs. กลศาสตร์สถิติ) '''

== แหล่งข้อมูลอื่น ==
* [http://tigger.uic.edu/~mansoori/Thermodynamics.Educational.Sites_html เว็บไซต์สำหรับศึกษาเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150614003926/http://tigger.uic.edu/~mansoori/Thermodynamics.Educational.Sites_html |date=2015-06-14 }}
* [http://scienceworld.wolfram.com/physics/topics/Thermodynamics.html "อุณหพลศาสตร์"] ที่ ScienceWorld.com
* [http://thermohistory.com/ ประวัติศาสตร์ของอุณหพลศาสตร์]

{{ฟิสิกส์}}

[[หมวดหมู่:ฟิสิกส์]]
[[หมวดหมู่:อุณหพลศาสตร์| ]]
[[หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์]]