พลังงาน อุณหภูมิ ความร้อน

ปริมาณทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่ชวนสับสน

ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งในการเรียนวิชาฟิสิกส์ คือ ศัพท์ทางฟิสิกส์หลายคำเป็นคำที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันทำให้หลายๆครั้งก่อให้เกิดความสับสนได้ ยกตัวอย่างเช่น คำว่า ความร้อน (Heat) ซึ่งมักจะสับสนอยู่บ่อยๆ กับ อุณหภูมิ (Temperature)และพลังงาน (Energy)

บทความนี้จะอธิบายความหมายของคำศัพท์ทั้งสามในเชิงเทอร์โมไดนามิกส์ เพื่อให้เกิดความเข้าใจกระจ่างชัดเจนที่สุดเท่าที่จะทำได้

อุณหภูมิ (Temperature) คือ ปริมาณที่บ่งบอกแนวโน้มในการถ่ายเทพลังงานออกมาเอง กล่าวคือ วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงจะมีแนวโน้มถ่ายเทพลังงานมาสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำได้เองโดยอัตโนมัติ

ส่วนพลังงาน (Energy)นั้นเป็นปริมาณพื้นฐานมากที่สุดอย่างหนึ่งทางฟิสิกส์ ซึ่งแฝงอยู่ในความเปลี่ยนแปลงของระบบต่างๆมากมาย และมีหลากหลายรูปแบบแต่ไม่ว่าเราจะกำลังวิเคราะห์กระบวนการใดก็ตาม พลังงานเป็นปริมาณไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือทำลายให้หายไปได้ หลักการดังกล่าวเรียกว่า หลักอนุรักษ์พลังงาน (conservation of energy)

ดังนั้นถ้าเราสังเกตเห็นว่าระบบหนึ่งมีพลังงานสูงขึ้น เราย่อมสรุปได้อย่างแน่นอนว่ามีพลังงานถ่ายเทเข้ามาจากภายนอกเท่ากับที่มันเพิ่มขึ้น ในทางตรงข้าม ถ้าระบบหนึ่งมีพลังงานลดลง เราย่อมสรุปได้ว่าพลังงานมีการถ่ายเทออกจากระบบนั้นเท่ากับที่มันลดลง ซึ่งการถ่ายเทพลังงาน สามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบหลักๆ นั่นคือ

1. ความร้อน (Heat) 2.งาน (Work)

ความร้อน (Heat) คือ การถ่ายเทพลังงานที่เกิดขึ้นเอง จากระบบที่มีอุณหภูมิสูง ไปสู่ระบบที่มีอุณหภูมิต่ำ มี 3 วิธี ได้แก่

1.การนำความร้อน (conduction) เป็นการส่งผ่านความร้อนผ่านสสารที่สัมผัสกันโดยตรง โมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วจะกระแทกโมเลกุลเคลื่อนที่ช้าเป็นการส่งผ่านพลังงาน เช่น กะทะส่วนที่สัมผัสไฟจะส่งผ่านความร้อนไปยังกะทะส่วนรอบๆ

2.การพาความร้อน (convection) เป็นการส่งผ่านความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของของเหลวหรือแก๊ส เช่น เมื่อเราต้มน้ำในหม้อ น้ำส่วนที่อยู่ด้านล่างหม้อจะมีอุณหภูมิสูงแล้วขยายตัวลอยขึ้นมาด้านบนพร้อมๆกับพาพลังงานมาด้วย

3.การแผ่รังสี (radiation) เป็นการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา เช่น แสงอาทิตย์ที่ส่องมายังโลกพาพลังงานมาด้วย

กระบวนการส่งผ่านความร้อนอาจจะเกิดขึ้นทีละอย่างหรือเกิดขึ้นพร้อมๆกันมากกว่าหนึ่งอย่างได้

งาน (Work) ในเชิงเทอร์โมไดนามิกส์นั้นมีหลากหลายรูปแบบ กล่าวแบบกว้างๆได้ว่ามันเป็นการส่งผ่านพลังงานรูปแบบอื่นๆที่ไม่เกี่ยวกับผลต่างอุณหภูมิ เช่น การบีบอัดลูกสูบ , การใช้ช้อนคนกาแฟในแก้ว , การไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านตัวต้านทาน ฯลฯ

คำถามทดสอบความเข้าใจ การถูมือในขณะที่อากาศหนาวเมื่อให้มืออุ่นขึ้น ในทางเทอร์โมไดนามิกส์ เป็นการส่งผ่านพลังงานแบบความร้อนหรืองาน?

คำตอบคือ มืออุ่นขึ้นจากงาน เนื่องจากไม่ได้มีผลต่างของอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้อง

 

สรุปได้ว่าทั้งความร้อนและงานคือ กระบวนการถ่ายเทพลังงาน ดังนั้น การตั้งคำถามว่า "ระบบนี้มีความร้อนเท่าไหร่" หรือ "ระบบนี้มีงานเท่าไหร่" จึงเป็นคำถามที่ไม่มีความหมายซึ่งเกิดความการไม่เข้าใจเรื่องนี้ สิ่งที่เราถามได้คือ มีความร้อนเท่าไหร่ที่กำลังไหลเข้าสู่ระบบ หรือ มีการทำงานให้กับระบบนี้เท่าไหร่

แน่นอนว่า ในเทอร์โมไดนามิกส์ไม่มีการไหลของความเย็น แม้ว่าขณะที่เราใช้มือไปจับน้ำแข็ง เราจะรู้สึกได้ว่าน้ำแข็งค่อยๆแผ่ความเย็นมายังมือของเราทีละน้อยจนมือชา แต่ในความเป็นจริง มือของเรากำลังถ่ายเทความร้อนเข้าสู่น้ำแข็งส่งผลให้อุณหภูมิของมือเราต่ำลงต่างหาก

ทั้งหมดนี้คือภาพรวมของตัวแปรที่เรามักจะสับสนเวลาเรียนเทอร์โมไดนามิกส์ อย่างไรก็ตาม กว่าที่นักฟิสิกส์จะเข้าใจธรรมชาติของความร้อนได้อย่างชัดเจนแบบนี้ ในทางประวัติศาสตร์มีทฤษฎีเกี่ยวกับความร้อนที่ผิดพลาดหลายทฤษฎีและมีการทดลองมากมายเพื่อหาตอบคำถามว่าความร้อนคืออะไรกันแน่