กฎของอุณหพลศาสตร์

กฎของอุณหพลศาสตร์ มีทั้งหมด 4 ข้อ โดยกฎข้อที่หนึ่งและข้อที่สองนั้น ถือว่าเป็นสองกฎที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์เลยทีเดียว

อย่างไรก็ตาม กฎบางข้อ เช่น ข้อที่สอง จะเป็นจริงก็ต่อเมื่อเมื่อมองธรรมชาติแบบมหภาคเท่านั้น แต่เมื่อมองในระดับจุลภาคหรือระดับอะตอม มีความน่าจะเป็นที่กฎข้อที่สองจะถูกฝ่าฝืน เพียงแต่ความน่าจะเป็นนั้นมีค่าน้อยมาก จนไม่สามารถสังเกตเห็นได้ในระดับมหภาคเท่านั้น

กฎข้อที่ศูนย์

ดูบทความหลักที่ กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ดังนี้

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

นั่นคือภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์มีคุณสมบัติถ่ายทอด (transitive) นั่นเอง

กฎข้อที่หนึ่ง

ดูบทความหลักที่ กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงกฎทรงพลังงาน ดังนี้

พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการอะเดียแบติก (กระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน) จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อระบบในกระบวนการนั้น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบมีคุณสมบัติความไม่แปรผัน (invariance) ต่อทิศทางของกระบวนการในกระบวนการอะเดียแบติก. กฎข้อนี้สามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า

$dE=dQ+dW \,$

โดย E หมายถึงพลังงานของระบบ, Q หมายถึงพลังงานความร้อนที่เข้าสู่ระบบ, และ W หมายถึงงานที่กระทำต่อระบบ.

กฎข้อที่สอง

ดูบทความหลักที่ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีหรือพลังงานเสียในระบบอิสระ โดยอธิบายได้หลายแบบดังนี้

ไม่มีเครื่องจักรความร้อนใด ๆ ที่จะให้ประสิทธิภาพ 100 % (เคลวิน-พลังค์)

ความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ไม่สามารถถ่ายเทไปยังแหล่งที่มีอุณภูมิสูงกว่าได้ โดยธรรมชาติ (เคลาซิอุส)

เอนโทรปีของระบบอิสระไม่มีทางที่จะลดลงในกระบวนการใด ๆ (ทั่วไป)

นั่นคือการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของระบบมีคุณสมบัติเป็นฟังก์ชันเพิ่มทางเดียว (monotonically increasing) โดยเราพิจารณาเอนโทรปีเป็นฟังก์ชันของเวลา. จากคุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถพิจารณาเอนโทรปีในการระบุทิศทางของเวลาได้ กฎข้อนี้สามารถแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ได้ว่า

$dS = \frac{\delta Q}{T} \!$

กฎข้อที่สาม

ดูบทความหลักที่ กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์

กล่าวถึงอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ โดยอธิบายได้ดังนี้

เมื่ออุณหภูมิสัมบูรณ์ลู่เข้าศูนย์ เอนโทรปีของระบบจะลู่เข้าค่าคงที่