กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อธิบายว่ากระบวนการใดเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติ และกระบวนการใดต้องอาศัยงานจากภายนอก สำหรับระบบโดดเดี่ยว เอนโทรปีรวมจะลดลงไม่ได้ ดังนั้นความร้อนจึงไหลได้เองจากร้อนไปหาเย็น ไม่ใช่จากเย็นไปหาร้อน

ข้อความที่ใช้กันบ่อยแบบหนึ่งคือ

$$\Delta S_{total} \ge 0$$

สำหรับระบบโดดเดี่ยว กรณีเท่ากันคือขีดจำกัดแบบผันกลับได้ ส่วนกรณีเพิ่มขึ้นอย่างเคร่งครัดคือกรณีจริงที่พบได้ทั่วไป เพราะกระบวนการจริงมีความไม่ผันกลับ

กฎข้อที่สองบอกอะไรเรา

กฎข้อที่หนึ่งบอกว่าพลังงานคงอยู่ กฎข้อที่สองบอกว่ากระบวนการหนึ่งจะเกิดขึ้นได้เองหรือไม่ และมีข้อจำกัดอย่างไร

นี่จึงเป็นเหตุผลที่กฎนี้สำคัญ มันอธิบายว่าทำไมกาแฟร้อนหนึ่งแก้วจึงเย็นลงเมื่อวางไว้ในห้อง ทำไมตู้เย็นต้องใช้พลังงานงานเข้า และทำไมแม้แต่เครื่องยนต์ความร้อนอุดมคติก็ไม่สามารถเปลี่ยนความร้อนที่ดูดรับทั้งหมดให้เป็นงานได้

เอนโทรปีคือปริมาณที่ใช้ติดตามทิศทางนี้ คุณไม่จำเป็นต้องพึ่งแนวคิดคลุมเครือเรื่อง "ความยุ่งเหยิง" เพื่อใช้งานมันให้ถูกต้อง สำหรับโจทย์ระดับเริ่มต้นส่วนใหญ่ กฎสำคัญนั้นง่ายมาก: ตรวจดูว่าเอนโทรปีรวมของระบบโดดเดี่ยวยังคงเดิมหรือเพิ่มขึ้น

เมื่อใดที่ใช้ $\Delta S = Q_{rev}/T$ ได้

สำหรับการถ่ายเทความร้อนแบบผันกลับได้ที่อุณหภูมิคงที่ $T$ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีคือ

$$\Delta S = \frac{Q_{rev}}{T}$$

เงื่อนไขนี้สำคัญมาก นี่ไม่ใช่สูตรลัดสำหรับทุกโจทย์การถ่ายเทความร้อน ถ้าการถ่ายเทเป็นแบบไม่ผันกลับได้ หรืออุณหภูมิเปลี่ยนระหว่างกระบวนการ คุณต้องคำนวณเอนโทรปีอย่างระมัดระวังมากขึ้น

ตัวอย่างทำโจทย์: ทำไมความร้อนจึงไหลจากร้อนไปหาเย็น

สมมติว่าความร้อน $100\ \mathrm{J}$ ออกจากแหล่งกักเก็บความร้อนร้อนที่ $500\ \mathrm{K}$ และเข้าสู่แหล่งกักเก็บความร้อนเย็นที่ $300\ \mathrm{K}$ โดยให้แต่ละแหล่งกักเก็บคงอุณหภูมิคงที่ตามที่กำหนด

สำหรับแหล่งกักเก็บร้อน

$$\Delta S_{hot} = \frac{-100}{500} = -0.20\ \mathrm{J/K}$$

สำหรับแหล่งกักเก็บเย็น

$$\Delta S_{cold} = \frac{100}{300} \approx 0.33\ \mathrm{J/K}$$

ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีรวมคือ

$$\Delta S_{total} = \Delta S_{hot} + \Delta S_{cold} \approx -0.20 + 0.33 = 0.13\ \mathrm{J/K}$$

ผลรวมเป็นบวก ดังนั้นกระบวนการนี้จึงเป็นไปได้ตามกฎข้อที่สอง ตัวอย่างนี้แสดงแนวคิดหลักได้ชัดเจนว่า เมื่อความร้อนเคลื่อนจากร้อนไปหาเย็น แหล่งกักเก็บที่เย็นกว่าจะได้รับเอนโทรปีเพิ่มมากกว่าที่แหล่งกักเก็บร้อนสูญเสียไป

ถ้าคุณลองจินตนาการว่ากลับทิศกระบวนการนี้โดยไม่ใส่งานเพิ่ม เครื่องหมายจะสลับกันและ $\Delta S_{total}$ จะเป็นลบ ซึ่งขัดกับกฎข้อที่สอง นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมความร้อนไม่ไหลได้เองจากเย็นไปหาร้อน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับกฎข้อที่สอง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยอย่างหนึ่งคือคิดว่ากฎข้อที่สองเป็นเพียงกฎเรื่องทิศทางการไหลของความร้อนเท่านั้น จริง ๆ แล้วมันยังกำหนดขีดจำกัดของประสิทธิภาพด้วย เครื่องยนต์ความร้อนสามารถเปลี่ยนความร้อนบางส่วนเป็นงานได้ แต่ไม่สามารถเปลี่ยนได้ทั้งหมดในหนึ่งวัฏจักร

อีกข้อผิดพลาดหนึ่งคือใช้ $\Delta S = Q/T$ โดยไม่ตรวจสอบเงื่อนไข รูปแบบที่ปลอดภัยในที่นี้คือใช้กับการถ่ายเทความร้อนแบบผันกลับได้ที่อุณหภูมิคงที่

ข้อผิดพลาดข้อที่สามคือหยุดพิจารณาแค่ส่วนหนึ่งของระบบ วัตถุชิ้นเดียวอาจมีเอนโทรปีลดลงได้ สิ่งที่สำคัญคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีรวมของระบบโดดเดี่ยวทั้งหมด

กฎข้อที่สองถูกใช้ที่ไหน

กฎข้อที่สองปรากฏในเครื่องยนต์ความร้อน ตู้เย็น ฟิสิกส์บรรยากาศ เคมี วัสดุศาสตร์ และชีววิทยา ในโจทย์เรียน มันมักปรากฏในสามรูปแบบหลัก: ความร้อนจะเคลื่อนไปทางไหน กระบวนการนั้นเป็นไปได้หรือไม่ หรือประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้คือเท่าไร

ถ้าโจทย์เกี่ยวข้องกับวัฏจักร ความต่างอุณหภูมิ หรือเอนโทรปี โดยมากนี่คือกฎที่คุณต้องใช้

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

ลองสร้างโจทย์แบบแหล่งกักเก็บความร้อนด้วยตัวเองโดยใช้อุณหภูมิที่ต่างออกไป กำหนดปริมาณความร้อนให้คงที่ แล้วเปลี่ยนอุณหภูมิของแหล่งร้อนและแหล่งเย็น จากนั้นดูว่าการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีรวมตอบสนองอย่างไร นี่เป็นวิธีที่รวดเร็วในการสร้างความเข้าใจก่อนจะไปต่อเรื่องเครื่องยนต์ความร้อนหรือตู้เย็น