The Timeliner Ep.3 - Thermodynamics in a nutshell เทอร์โมไดนามิกส์สรุปสั้นๆ

สำหรับใน episode นี้ เรามาปรับอารมณ์กันสักนิดนึงนะครับ เปลี่ยนมาเป็นโทนวิทยาศาสตร์กันสักหน่อยนะครับ ถ้าพูดถึงหลักการของเทอร์โมไดนามิกส์ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของหลักการทำงานของเครื่องจักร เอาแบบแปลตรงๆกันก่อนนะครับ Thermo หรือ Thermos ก็คือความร้อน ส่วน Dynamicsก็คือ การเคลื่อนที่ สองคำนี้รวมกันก็คือ การเคลื่อนที่ของความร้อน ความร้อนก็คือพลังงานรูปแบบหนึ่ง พลังงานชนิดแรกๆที่มนุษย์รู้จัก Thermodynamics จึงเป็นการทำความเข้าใจปรากฎการณ์ที่เกิดขึ้นจากพลังงานในรูปแบบต่างๆ โดยเฉพาะพลังงานความร้อน ต่อมาเรามาดูกันนะครับว่า ความเข้าใจของเราที่มีต่อพลังงานมันมายังไงนะครับ ช่วงปี 1700 เริ่มจากนักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อ Antoine Lavoisier เขาได้สังเกตว่า ปฎิกิริยาเคมีบางครั้งเนี่ยมันทำให้เกิดความร้อนขึ้น และสร้างทฤษฎีที่ชื่อว่า Caloric Theory ทฤษฎี Caloric สรุปเป็นภาษาง่ายๆคือ ความร้อนมันคือสสารชนิดนึงที่ไหลได้ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไหลจากสิ่งที่ร้อนกว่าไปสิ่งที่เย็นกว่าเสมอ เรียกว่า Caloricแต่เวลาผ่านไปปี 1798 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Benjamin Thompson หรือต่อมาคือ Count Rumford เขาได้ทำการทดลองเจาะท่อเหล็กหนา การเจาะทำให้เกิดแรงเสียดทานและทำให้เกิดความร้อนในน้ำ เขาก็สังเกตได้ว่าในระหว่างที่เจาะไปเรื่อยๆความร้อนเกิดขึ้นอยู่ตลอด แต่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆเกิดขึ้นกับท่อเหล็กเลย เขาเลยสรุปได้ว่า หรือว่าความร้อนมันอยู่ในการเคลื่อนที่ของสว่านเจาะ ความร้อนก็คือพลังงานจลหรือการเคลื่อนที่หรือกลับกันก็ได้นะครับ ไม่ใช่ของไหลหรือการไหลของ Caloric จริงๆ มันไม่ใช้สสารตามทฤษฎี Caloric แต่ทฤษฎีนี้ก็ยังไม่ได้รับการยอมรับในสมัยนั้น Caloric Theory ก็ยังคงอยู่ต่อไป จนเริ่มมีการทดลองต่างๆมาหักล้างทฤษฎีนี้ที่มายืนยันข้อสรุปของ Count Rumford ในภายหลัง หลังจากที่ Thomas Newcomen ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องจักรไอน้ำ ในปี 1712 ที่เป็น Low-pressure หรือความดันต่ำ แบบกระบอกสูบเดียว ซึ่งจะได้ใช้ในเหมืองหลายแห่งในยุโรปและ UK ในปี 1755 และต่อมาในปี 1760 James Watts วิศวกรชาวสก็อต ก็ได้นำโมเดลของ Newcomen มาพัฒนาต่อโดยเปลี่ยนเป็นระบบ 2 กระบอกสูบ และใช้กลไกของ Crank หรือข้อเหวี่ยงเพื่อเปลี่ยนการเคลื่อนที่ในแนวตรงซ้าย-ขวา ให้กลายเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนทำให้สามารถนำพลังงานไปใช้ขับเคลื่อนเครื่องจักรซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบบหมุนหรือเอาไปขับเคลื่อนล้อในยานพาหนะต่อได้ ยุคต่อมานักวิทยาศาสตร์ก็พยายามทำความเข้าใจสิ่งที่เรียกว่าการเคลื่อนที่ของความร้อน หรือ Heat Transfer วิศวกรชาวฝั่งเศสอีกคนที่ชื่อว่า Sadi Carnot ถือว่าเป็นคนแรกๆที่เริ่มสร้างความเข้าใจของการเคลื่อนที่ของความร้อนว่า ถึงเราเปรียบเทียบความร้อนของพลังงานไอน้ำเหมือนน้ำปกติ พลังงานจากน้ำจะเกิดจาก Head ของน้ำ หรือความแตกต่างของความสูงของน้ำ น้ำจะเคลื่อนที่จะที่สูงไปต่ำเสมอ พลังงานความร้อนก็เหมือนกัน Head ของความร้อนคืออะไร ถ้าเรายากให้เครื่องจักรความร้อยทำงานทำให้มัน flow เราต้องหาที่ๆที่เย็นกว่าให้มัน flow ด้วย ก็คือความแตกต่างของอุณหภูมินั่นเอง เพราะฉะนั้นแรงขับเคลื่อนของพลังงานความร้อนคือ ความแตกต่างของอุณหภูมิ ไม่ใช่การไหลของสารหรือCaloric ก็ถือว่าหักล้าง Caloric ไปอย่างสิ้นเชิง กล่าวโดยสรุปคำว่า Thermodynamics คือ การศึกษาความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน โดยเฉพาะความร้อน เป็นรากฐานของการพัฒนาเครื่องจักรในยุคการปฎิวัติอุตสาหกรรมและต่อเนื่องเรื่อยมา และเป็นกุญแจตัวสำคัญที่สุด เป็นพระเอกที่อยู่เบื้องหลังการปฎิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 1 เรื่อยมาจนถึงยุคปัจจุบัน