กฎของเทอร์โมไดนามิกส์
ในการทำงานเกี่ยวกับอุณหภูมิกฎของเทอร์โมไดนามิกส์นั้นมีความจำเป็นต้องกล่าวถึงเสมอ ในวิชาไครโอเจนิกส์กฎทางเทอร์โมไดนามิกส์มีความสำคัญอย่างมาก
กฎ 2 ข้อแรก จะมีการผสมผสานเชื่อมโยงถึงกัน พลังงานจะไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ตามกฎอนุรักษ์พลังงาน ในกฎข้อแรกจะกล่าวถึงพลังงานที่ป้อนเข้าไปก็จะเท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่เป็นเช่นนั้น ในการทำงานจริงเราจะพบว่า
1. พลังงานที่ให้ไปกับงานที่ออกมาจะไม่เท่ากัน สาเหตุเนื่องจากมีการสูญเสียประสิทธิภาพทางความร้อนเกิดขึ้น
2. ไม่มีเครื่องกลใด ๆในโลกนี้ที่สามารถทำงานให้ได้มีประสิทธิภาพ 100% เต็ม
ทั้ง 2 ข้อนี้ครอบคลุมการทำงานของเครื่องจักร หรือระบบทุกชนิด ในข้อแรกนั้นตามความเป็นจริงแล้วพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลาย ตามกฎอนุรักษ์พลังงาน ในทางจินตนาการนั้นพลังงานที่ป้อนเข้าไปจะได้เท่ากับพลังงานที่ออกมา แต่ในทางปฏิบัติไม่ได้เป็นเช่นนั้น เพราะมีการสูญเสียเกิดขึ้น ส่วนในข้อที่ 2 ไม่มีทางเป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานได้เต็มที่ อันเนื่องมาจากการสูญเสียในรูปแบบต่าง ๆ เช่น สูญเสียทางความร้อน สูญเสียจากแรงเสียดทานทางกล จุดข้อต่อที่มีมากทำให้ประสิทธิภาพทางกลต่ำ (อันเกิดจากการเคลื่อนไหวของเครื่องจักรกล)
ในความจริงงานที่เกิดขึ้นจะต้องอาศัยแรงที่ป้อนเข้าไปจนได้ระยะทาง เพื่อให้เกิดงาน ถ้าไม่มีแรงกระทำก็ไม่มีงาน ไม่ว่าจะเป็นแรงที่เกิดจากการกระทำของธรรมชาติ หรือแรงที่เกิดจากกระทำของมนุษย์ เราจะพบว่าความร้อนไม่สามารถเคลื่อนที่จากส่วนที่เย็นไปสู่ส่วนที่ร้อนได้โดยไม่มีการให้พลังงานเข้าไป ส่วนข้างล่างนี้เป็นตัวอย่างในกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ที่เกี่ยวกับงาน
· ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่ร้อนเข้าไปสู่บริเวณที่เย็นเสมอ
· ก๊าซจะไหลจากบริเวณที่มีความดันสูงไปสู่ที่มีความดันต่ำเสมอ
· ก๊าซ 2 ชนิดที่ไหลกระจายในบริเวณเดียวกันจะผสมกันเสมอ
· น้ำเกลือ สามารถแยกน้ำออกจากเกลือได้โดยให้พลังงานความร้อน
· การเกิดขึ้นของสนิมเหล็ก
· การแตกละเอียดของก้อนหิน
จากตัวอย่างที่กล่าวมานี้เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ ที่แสดงความหมายของกฎข้อที่ 2 ทางเทอร์โมไดนามิกส์ (ที่อ้างอิงถึง เอ็นโทรปี (Entropy): การวัดระดับของความผิดปกติในสสาร หรือระบบ: เอ็นโทรปีจะเพิ่มขึ้นเสมอ และขณะเดียวกันพลังงานก็จะลดลงในระบบปิด ขณะที่อยู่ในพื้นที่กว้าง)
จะใช้ประโยชน์จากไครโอเจนิกส์ได้อย่างไร?
เครื่องยนต์จะทำงานสวนทางกับปั๊ม กล่าวคือเครื่องยนต์นั้นให้พลังงาน ส่วนปั๊มนั้นรับพลังงาน ดังแสดงในรูปด้านล่างนี้
รูปที่ แสดงการเปรียบเทียบระหว่างเครื่องยนต์กับปั๊ม
เครื่องยนต์จะผลิตพลังงานความร้อนเพื่อให้ได้งานเกิดขึ้น งานที่ได้อาจจะนำไปใช้กับกลไกอื่น ๆ เพื่อให้ได้ประโยชน์จากงานนั้น ความร้อนที่สูญเสียจะถูกปล่อยออกมาสู่สภาพแวดล้อมรอบ ๆ
ปั๊มจะดูดความร้อนจากสภาพแวดล้อมโดยรอบที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่ออุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น การดูดความร้อนก็จะน้อยลง สิ่งที่ทำให้ปั๊มสามารถทำงานได้ก็คือการป้อนพลังงานเข้าไป
ในกฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์จะเกิดความแตกต่างระหว่างความร้อนและงาน ขนาดของพลังงานจะเท่ากับพลังงานความร้อนแต่เครื่องหมายจะตรงกันข้าม
ส่วนกฎข้อที่สอง เป็นการเปลี่ยนแปลงจากความร้อนไปสู่งานพร้อมกับกล่าวถึงประสิทธิภาพการทำงาน
คาร์โนด (Carnot) เป็นนักฟิสิกส์ ชาวฝรั่งเศสได้คิดค้น และพัฒนาสมการแสดงประสิทธิภาพของเครื่องกลในทางอุดมคติ คือทางทฤษฏีเครื่องยนต์จะไม่เกิดการสูญเสียทางความ ร้อนดังสมการด้านล่าง
W/Q = TE/TL 1
กำหนดให้ W/Q = อัตราส่วนกำลังจำเพาะของงาน (W) ต่อค่าความร้อนที่ได้จากปั๊ม (Q) ซึ่งสัมพันธ์กัน
TE = อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม
TL = อุณหภูมิต่ำที่ต้องการ
ในการทำงานจริงประสิทธิภาพที่ได้ จะน้อยกว่า งานที่คิดได้จากวัฏจักรคาร์โนด และในสมการนี้สามารถคำนวณพลังงานเพื่อให้ความเย็นมีอุณหภูมิเข้าสู่ศูนย์องศาสัมบูรณ์ได้ ซึ่งจะเป็นไปตามกฎข้อที่ 3 ของเทอร์โมไดนามิกส์ ที่สามารถนำมาใช้ในระบบไครโอเจนิกส์
3. ณ ศูนย์องศาสัมบูรณ์ในทางความเป็นจริงไม่สามารถทำอุณหภูมิให้เข้าไปถึงจุดนี้ได้
บทความนี้เกิดจากการเขียนและส่งขึ้นมาสู่ระบบแบบอัตโนมัติ สมาคมฯไม่รับผิดชอบต่อบทความหรือข้อความใดๆ ทั้งสิ้น เพราะไม่สามารถระบุได้ว่าเป็นความจริงหรือไม่ ผู้อ่านจึงควรใช้วิจารณญาณในการกลั่นกรอง และหากท่านพบเห็นข้อความใดที่ขัดต่อกฎหมายและศีลธรรม หรือทำให้เกิดความเสียหาย หรือละเมิดสิทธิใดๆ กรุณาแจ้งมาที่ ht.ro.apt@ecivres-bew เพื่อทีมงานจะได้ดำเนินการลบออกจากระบบในทันที
