Second Law of Thermodynamics (กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ )

คำนิยามของกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ 

นิยามของ Kelvin-Planck

กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ในนิยามของ Kelvin-Planck ได้กล่าวเอาไว้ว่า

“ไม่มีกลจักรความร้อน (Heat engine) ใด ๆ สามารถทำงานเป็นวัฏจักรและสามารถสร้างงานออกมาได้เมื่อได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อนเพียงเเหล่งเดียว”

ฉะนั้นงานที่เกิดขึ้น (Work output) นั้นจะต้องสูญเสียความร้อนส่วนหนึ่งให้แก่ที่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าเสมอ ดังนั้นเราจำเป็นที่จะต้องทราบปริมาณความร้อนที่แหล่ง(ให้)ความร้อนอุณหภูมิสูง (Thermal energy source) กับแหล่ง(รับ)ความร้อนอุณหภูมิต่ำ (Thermal energy sink)

รูป ระบบที่ไม่สอดคล้องกับนิยามของ Kelvin-Planck (T2 > T1)

Source: web.mit.edu ,(2015)

นิยามของ Clausius

นิยามของกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์อีกนิยามหนึ่งที่นิยามโดย Clausius กล่าวว่า

“ไม่มีอุปกรณ์ใด ๆ ที่สามารถดำเนินการเป็นวัฏจักรและสามารถถ่ายเทความร้อนได้จากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปสู่แหล่งที่มีอุณหภูมิสูงกว่าโดยปราศจากการให้งานแก่ระบบ (Work in = 0)”

นั้นหมายความว่าถ้าระบบใด ๆ ก็ตามต้องการดึงความร้อนจากอุณหภูมิต่ำไปสู่อุณหภูมิสูงต้องมีการให้งานแก่ระบบนั้นเสมอ ซึ่งนิยามนี้เป็นที่มาของระบบทำความเย็นในปัจจุบัน

รูป ระบบที่ไม่สอดคล้องกับนิยามของ Clausius (T2 > T1)

Source: web.mit.edu ,(2015)

จากนิยามของกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ สามารถสรุปได้ว่าว่า กระบวนการจะเกิดขึ้นในทิศทางที่แน่นอน และพลังงานนั้นเป็นค่าที่มีทั้งปริมาณ (Quantity) และคุณภาพ (Quality) กระบวนการทางความร้อนใด ๆ จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ถ้ากระบวนการนั้นไม่เป็นไปตามทั้ง กฎข้อที่หนึ่ง และสองของเทอร์โมไดนามิกส์

การที่จะทำให้ความร้อนและงานสามารถเปลี่ยนแปลงไปมาได้อย่างต่อเนื่อง จึงต้องทำให้ของไหลมีการเปลี่ยนสภาวะอย่างต่อเนื่องเช่นกัน การเปลี่ยนแปลงในหนึ่งวัฏจักรนั้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือระบบจะต้องกลับมาสู่สภาวะเดิมตอนเริ่มต้น การเปลี่ยนแปลงครบหนึ่งรอบแบบนี้ จะเรียกว่า วัฏจักร  ส่วนของไหลที่ได้รับการเปลี่ยนสภาวะแบบนี้จะเรียกว่า “ของไหลทำงาน (Working fluid)”

วัฏจักรใด ๆ มีการเปลี่ยนแปลงสภาวะทั้งหมดเป็นแบบที่สามารถเปลี่ยนแปลงย้อนกลับได้ วัฏจักรแบบนี้จะถูกเรียกว่า “วัฏจักรที่ย้อนกลับได้ (Reversible cycle)”    แต่ถ้ามีสภาวะใดสภาวะหนึ่งไม่สามารถย้อนกลับได้ วัฏจักรนั้นจะถูกเรียกว่า “วัฏจักรย้อนกลับไม่ได้ (Irreversible cycle)”

กลจักรความร้อน (Heat Engine)

งานสามารถเปลี่ยนไปเป็นพลังงานรูปอื่นได้ง่ายหรืองานสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นความร้อนได้โดยตรง แต่ถ้าต้องการเปลี่ยนความร้อนไปเป็นงานนั้นจำเป็นต้องอาศัยอุปกรณ์พิเศษบางอย่าง อุปกรณ์ที่ว่านี้คือ กลจักรความร้อน หรือ เครื่องยนต์ความร้อน (Heat engine)

รูป กลจักรความร้อน (Heat engine)

Source: user.physics.unc.edu, (2015)

กลจักรความร้อนชนิดต่าง ๆ อาจจะแตกต่างกันบ้าง แต่โดยส่วนใหญ่แล้วจะมีคุณสมบัติที่เหมือนกันดังนี้คือ

1. อุปกรณ์เหล่านี้จะรับความร้อนจากแหล่งพลังงานที่มีอุณหภูมิสูง (Thermal Energy Source) เช่น แสงอาทิตย์ เตาเผา เครื่องปฏิกรณ์ปรมาณู เป็นต้น

2. อุปกรณ์เหล่านี้จะเปลี่ยนความร้อนบางส่วนที่ได้รับไปเป็นงาน (Work out) (ปกติเป็นการหมุนเพลา)

3. อุปกรณ์เหล่านี้จะทิ้งความร้อนที่เหลือไปยังแหล่งพลังงานที่มีอุณหภูมิต่ำ(Thermal Energy Sink) เช่น บรรยากาศ แม่น้ำ เป็นต้น
4. กระบวนการต่าง ๆ จะทำงานเป็นวัฏจักร (Cycle)

ในบางครั้งกลจักรความร้อนอาจหมายรวมถึงอุปกรณ์ที่ใช้งานบางอย่างที่ไม่ได้ทำงานเป็นวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิกส์ เช่น เครื่องยนต์ที่มีการสันดาปภายใน (Internal combustion engine) อุปกรณ์เหล่านี้จะทำงานเป็นวัฏจักรในเชิงกลศาสตร์แต่ไม่ได้ทำงานเป็นวัฏจักรในเชิงเทอร์โมไดนามิกส์ เพราะว่าของไหลที่ทำงานในระบบนั้น จะถูกเผาไหม้ไป อาทิพวก เชื้อเพลิง ทำให้ไม่ได้ไหลวนอยู่ในวัฏจักรตลอด แต่ถูกปล่อยออกมาเป็นไอเสีย เพื่อทำให้ระบบเย็นตัวลง และถูกแทนที่ด้วยอากาศกับเชื้อเพลิงใหม่แทน

ตัวอย่างของอุปกรณ์ที่ผลิตงานโดยที่ตัวมันเองทำงานเป็นวัฏจักรเชิงเทอร์โมไดนามิกส์ เช่น โรงจักรกำลังไอน้ำ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีการสันดาปภายนอก กล่าวคือ การเผาไหม้จะเกิดขึ้นภายนอก และพลังงานความร้อนถูกถ่ายเทให้กับไอน้ำ

รูป โรงจักรกำลังไอน้ำ (Steam power plant)

จากรูปสัญลักษณ์ต่าง ๆ ที่แสดงมีความหมายดังนี้คือ

Q_in คือ ปริมาณความร้อนที่ป้อนให้กับไอน้ำภายในหม้อไอน้ำ (Boiler) จากแหล่งพลังงานที่มีอุณหภูมิสูง (Thermal Energy Source)

Q_out คือ ปริมาณความร้อนที่ปล่อยทิ้งจากไอน้ำภายในเครื่องควบแน่น (Condenser) ไปยังแหล่งพลังงานที่อุณหภูมิต่ำ (Thermal Energy Sink)

W_in คือ ปริมาณงานที่ต้องใช้ในการปั๊มน้ำไปยังหม้อไอน้ำ

W_out คือ ปริมาณงานที่ได้จากการขยายตัวของไอน้ำภายในกังหัน (Turbine)

งานสุทธิที่ได้ (W_{net, out}) จากโรงจักรกำลังนี้คือ ความแตกต่างระหว่างงานทั้งหมดที่ได้ออกมา กับงานทั้งหมดที่ป้อนเข้าไป

W_{net, out} = W_out - W_in

นอกจากนี้งานสุทธิยังหาได้จากการถ่ายเทความร้อน กล่าวคือ เมื่อพิจารณาวัฏจักรความร้อน จะพบว่าเป็นระบบปิดเพราะไม่มีการถ่ายโอนมวลเข้าหรือออกจากวัฏจักร และเนื่องจากมีการทำงานเป็นแบบวัฏจักร ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจึงมีค่าเป็นศูนย์ งานสุทธิที่ได้จากระบบจึงมีค่าเท่ากับการถ่ายโอนความร้อนสุทธิของระบบ

W_{net, out} = Q_in - Q_out

ในวัฏจักรคาร์โนต์นี้จะมีความร้อนเข้า-ออกจากระบบ มีกระบวนการเปลี่ยนแปลงแบบอุณหภูมิคงที่อยู่อีก 2 กระบวนการ โดยจะกำหนดให้อุณหภูมิของแหล่งให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงเป็น T_H และ ให้อุณหภูมิของแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิต่ำเป็น T_L ส่วน Q_H และQ_L เป็นปริมาณความร้อนที่เข้าและออกจากกฎของเทอร์โมไดนามิกส์ เราสามารถสร้างสมการได้ดังต่อไปนี้

ดังนั้นจากสมการนี้สามารถคำนวณหาค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อน (ηth) ของวัฏจักรคาร์โนต์ ในรูปแบบที่ง่ายๆ ได้ดังนี้

เอนโทรปี (Entropy)

ค่าเอนโทรปีเป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งทางเทอร์โมไดนามิกส์ เป็นตัวบ่งชี้ความไม่มีระเบียบของโมเลกุล ซึ่งเห็นได้จากของแข็งจะมีค่าเอนโทรปีน้อยที่สุด และก๊าซจะมีค่าค่าเอนโทรปีมากที่สุด ซึ่งการเปลี่ยนแปลงค่าของเอนโทรปี ของกระบวนการย้อนกลับได้ (Reversible process) สามารถหาได้จากความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้

เนื่องจากเอนโทรปีเป็นคุณสมบัติที่เหมือนกับคุณสมบัติอื่น ๆ คือเป็นค่าที่ขึ้นกับสภาวะใดสภาวะหนึ่ง ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี (dS) ระหว่าง 2 สภาวะ จึงมีค่าเท่ากันไม่ว่าเส้นทางของกระบวนการจะเป็นแบบย้อนกลับได้ หรือย้อนกลับไม่ได้ก็ตาม

อ้างอิง

Yunus A. Cengel, M. A. (2005). In Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Science/Engineering/Math.

สำนักพัฒนาทรัพยากรบุคคลด้านพลังงาน. (2004). ความร้อนเบื้องต้น. Retrieved from DEDE: http://www2.dede.go.th/bhrd/old/file_handbook.html