ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์

ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ (อังกฤษ: thermodynamic potential) เป็นปริมาณสเกลาร์อย่างหนึ่งที่ใช้แสดงถึงสถานะทางอุณหพลศาสตร์ของระบบทางกายภาพ เฉกเช่นพลังงานศักย์ในวิชากลศาสตร์ ซึ่งมีนิยามว่าศักยภาพหรือความสามารถในการทำงาน ศักย์ต่าง ๆ มีความหมายที่แตกต่างกันไปเช่นกัน ปิแยร์ ดูเฮม เป็นผู้นำเสนอแนวคิดว่าด้วยศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ใน ค.ศ. 1886 ในส่วนของโจไซอา วิลลาร์ด กิบส์ (Josiah Willard Gibbs) เขาใช้คำว่า fundamental functions ในงานเขา

ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ค่าหนึ่งที่สามารถตีความทางกายภาพคือพลังงานภายใน U (internal energy) โดยเป็นพลังงานของการจัดเรียงของระบบของแรงอนุรักษ์ (conservative force) (เหตุที่เรียกว่าศักย์) และมีความหมายต่อเมื่ออิงกับสิ่งอ้างอิง (หรือข้อมูล) ชุดหนึ่งที่นิยามไว้เท่านั้น นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของศักย์ทางอุณหพลศาสตร์อื่นทั้งหมดสามารถหาได้จากการแปลงเลอฌ็องดร์จากนิพจน์ของค่า U กล่าวได้ว่า ศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ทั้งหมดสมมูลกัน ศักย์แต่ละศักย์เป็นการแสดงออกในอีกรูปแบบหนึ่งของศักย์อื่น ๆ

ในอุณหพลศาสตร์ แรงภายนอก อาทิแรงโน้มถ่วง ถือว่าส่งผลต่อพลังงานรวมมากกว่าจะส่งผลต่อศักย์ทางอุณหพลศาสตร์ ของไหลใช้งาน (working fluid) ในเครื่องจักรไอน้ำบนยอดเขาเอเวอเรสต์เป็นต้นมีพลังงานรวมมากกว่าอันเดียวกันที่อยู่ในร่องลึกก้นสมุทรมาเรียนา แต่มีศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เท่ากัน เพราะพลังงานโน้มถ่วง (gravitational energy) อยู่กับพลังงานรวม ไม่ได้อยู่กับศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เหมือนเช่นพลังงานภายใน

คำอธิบาย

ห้าศักย์ทางอุณหพลศาสตร์เช่น:

ชื่อ	สัญลักษณ์	สูตร	ตัวแปรธรรมชาติ
พลังงานภายใน	$U$	$\int \left(T\,dS-p\,dV+\sum _{i}\mu _{i}dN_{i}\right)$	$S,V,\{N_{i}\}$
พลังงานอิสระเฮ็ล์มฮ็อลทซ์	$F$	$U-TS$	$T,V,\{N_{i}\}$
เอนทาลปี	$H$	$U+pV$	$S,p,\{N_{i}\}$
พลังงานอิสระกิบส์	$G$	$U+pV-TS$	$T,p,\{N_{i}\}$
ศักย์ลันเดา หรือ ศักย์แกรนด์	$\Omega$, $\Phi _{\text{G}}$	$U-TS-$$\sum _{i}\,$$\mu _{i}N_{i}$	$T,V,\{\mu _{i}\}$

โดย T = อุณหภูมิ S = เอนโทรปี p = ความดัน V = ปริมาตร N_i เป็นจำนวนอนุภาคชนิด i ภายในระบบ และ μ_i เป็นศักย์เคมีของอนุภาคชนิด i เซตของ N_i ทุกตัวรวมว่าเป็นตัวแปรธรรมชาติ แต่หากไม่มีปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้จำนวนเปลี่ยนไปก็ไม่จำเป็นต้องพิจารณา ในมาตรฐาน ISO/IEC พลังงานอิสระเฮ็ล์มฮ็อลทซ์เรียกว่าพลังงานเฮ็ล์มฮ็อลทซ์ หรือฟังก์ชันเฮ็ล์มฮ็อลทซ์ และแทนด้วยตัวแปร F แต่ตัวแปร A เป็นที่แนะนำโดยIUPAC ISO และIEC

ศักย์ทั้งห้านี้เป็นพลังงานศักย์ทั้งสิ้น แต่นอกจากนี้ยังมีศักย์เอนโทรปี (free entropy) ตารางจตุรัสอุณหพลศาสตร์ (thermodynamic square) เป็นเครื่องมือช่วยจำและหาค่าศักย์ต่าง ๆ ที่สามารถนำมาใช้ได้

เฉกเช่นพลังงานศักย์ในวิชากลศาสตร์ ซึ่งมีนิยามว่าศักยภาพหรือความสามารถในการทำงาน ศักย์ต่าง ๆ มีความหมายที่แตกต่างกันไปเช่นกัน เป็นต้นดังต่อไปนี้:

• พลังงานภายใน (U) คือความสามารถทำงานบวกกับความสามารถปลดปล่อยความร้อน
• พลังงานเฮ็ล์มฮ็อลทซ์ (F) คือความสามารถทำงานทั้งเชิงกลและที่ไม่ใช่เชิงกล
• เอนทาลปี (H) คือความสามารถทำงานที่ไม่ใช่เชิงกลบวกกับความสามารถปลดปล่อยความร้อน
• พลังงานกิบส์ (G) คือความสามารถทำงานที่ไม่ใช่เชิงกล

บรรณานุกรม

• "ISO 80000-5:2019(en) Quantities and units — Part 5: Thermodynamics". องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน. 2019 – โดยทาง www.iso.org/obp.
• Alberty, R. A. (2001). "Use of Legendre transforms in chemical thermodynamics" (PDF). Pure Appl. Chem. 73 (8): 1349–1380. doi:10.1351/pac200173081349.