อุณหภูมิ (Temperature)
ปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่เข้าใจโคตรยาก
เทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics)เป็นวิชาที่ศึกษาธรรมชาติของความร้อนในแง่มุมต่างๆ หลายคนฟังแล้วอาจรู้สึกว่าวิชานี้ไม่น่าจะยากเย็นอะไร เพราะ ความร้อนเป็นสิ่งที่เรารับรู้ผ่านทางประสาทสัมผัสและกระบวนการต่างๆในชีวิตประจำวันอยู่แล้ว ตั้งแต่ การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ จนถึงแก้วกาแฟที่ถูกต้มจนร้อน
แต่นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ กลับปวดหัวอย่างมากเมื่อเรียนวิชานี้ ซึ่งก็ไม่น่าแปลกใจ เพราะหากพิจารณาให้ดีจะพบว่าการทำความเข้าใจวิชานี้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจธรรมชาติของแก๊ส รวมทั้งมีความรู้ทางกลศาสตร์พื้นฐานมาพอสมควร อีกทั้งตัวแปรต่างๆยังนึกภาพและจับต้องได้ยาก เพราะเอาแค่คำถามพื้นฐานที่ว่า 'อุณหภูมิคืออะไร' ก็อาจจะทำให้หลายคนมึนแล้ว
อุณหภูมิ (Temperature) เป็นคำที่เราใช้กันในชีวิตประจำวัน
- เราวัดอุณหภูมิร่างกายเพื่อระบุอาการไข้
- เราวัดอุณหภูมิในเตาอบขนมเพื่อให้ขนมออกมาน่ากิน
-เราสั่งการเครื่องปรับอากาศให้ปรับอุณหภูมิห้องตามที่เราต้องการ
หนังสือฟิสิกส์จำนวนมากจึงมักจะเริ่มต้นจากการนิยามว่า ' อุณหภูมิ คือ ปริมาณที่เทอร์โมมิเตอร์วัดค่าได้ '
แม้ว่าการนิยามแบบนี้จะฟังดูกวนๆและไม่ได้อธิบายธรรมชาติของอุณหภูมิอย่าง แต่จริงๆแล้วมันก็เป็นนิยามที่ใช้การได้ดี เพราะกิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิในชีวิตของเราล้วนใช้การอ่านค่าจากเทอร์โมมิเตอร์
นิยามแบบนี้จึงถูกเรียกว่า นิยามเชิงปฏิบัติการ
อย่างไรก็ตาม การพยายามประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์ให้มีความแม่นยำและเที่ยงตรงนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย
ลองนึกถึงมวลหรือความยาวนะครับ การทำให้เกิดมาตรฐานทำได้ด้วยการกำหนดความยาวมาตรฐานหรือน้ำหนักมาตรฐานขึ้นมาสักค่าหนึ่ง จากนั้นปริมาณอื่น ๆ ก็จะถูกวัดโดยการเปรียบเทียบตามมา เช่น กำหนดไม้แท่งหนึ่งเป็นมาตรฐานว่ายาว 1 เมตร จากนั้นเราก็นำสิ่งที่เราต้องการรู้ความยาวมาวัดเทียบกับไม้มาตรฐานนั้นว่ายาวเป็นกี่เท่า
แต่การสร้างมาตรฐานของอุณหภูมินั้นไม่ง่าย การตักน้ำมาใส่ขันแล้วกำหนดเป็นอุณหภูมิมาตรฐานนั้นมีปัญหาเพราะหากเราไม่รู้ชัดว่าอะไรเป็นปัจจัยให้อุณหภูมิน้ำในขันเปลี่ยนแปลงไปบ้างก็ใช้เป็นมาตรฐานไม่ได้ และที่สำคัญคือ เราไม่รู้แน่ชัดว่า "ร้อนกว่าน้ำในขันนี้ 3 เท่า" เป็นอย่างไรกันแน่
กาลิเลโอ กาลิเลอี สุดยอดนักฟิสิกส์อิตาเลียนเป็นคนแรกที่ประดิษฐ์เครื่องวัดอุณหภูมิขึ้น โดยมันทำได้เพียงแค่บอกว่าอุณหภูมิของอากาศรอบๆเครื่องมือนี้เพิ่มสูงขึ้นหรือลดต่ำลง แต่ไม่ได้บอกอุณหภูมิในขณะนั้นออกมาเป็นตัวเลข
นักวิทยาศาสตร์ในยุคต่อมาจึงมีการพยายามประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์ขึ้นมา แต่ต่างคนก็ต่างความคิด ทำให้สเกลระบุอุณหภูมินั้นมีหลากหลายมากมาย ทั้งองศาแรงกิน (Rankine scale) องศาโรเมอร์ (Rømer scale) องศานิวตัน (Newton scale) องศาเดลิเซิล (Delisle scale) แต่คนทั่วไปที่คุ้นเคยและมีการใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุดคือ องศาเซลเซียส และองศาฟาเรนไฮต์ โดยทั้งสองแบบล้วนอ้างอิงกับการแข็งตัวของน้ำ และการเดือดของน้ำ
องศาเซลเซียสกำหนด 0 องศาไว้ที่จุดเยือกแข็งของน้ำ และกำหนด 100 องศาไว้ที่จุดเดือดของน้ำ จากนั้นแบ่งอุณหภูมิระหว่างนั้นเป็นร้อยส่วนเท่าๆกัน ส่วนองศาฟาเรนไฮต์ กำหนด 32 องศาไว้ที่จุดเยอกแข็งน้ำ และกำหนด 212 องศาไว้ที่จุดเดือดของน้ำ จากนั้นแบ่งอุณหภูมิระหว่างนั้นเป็น 180 ส่วนเท่าๆกัน
แม้ว่าสเกลอุณหภูมิเหล่านี้จะใช้งานได้เป็นอย่างดี แต่นักฟิสิกส์รู้ดีว่าสเกลทั้งสองนี้ไม่ได้สะท้อนธรรมชาติที่แท้จริงของอุณหภูมิออกมา แต่หลังจากเทอร์โมไดนามิกส์พัฒนามาถึงจุดหนึ่งจึงมีการสร้างหน่วย เคลวิน (K) ขึ้น ซึ่งตอบโจทย์ที่กล่าวมาได้ทั้งหมด (ซึ่งจะเล่าให้ฟังครั้งถัดๆไปว่าทำไมหน่วยเคลวินจึงสำคัญ)
เครื่องวัดอุณหภูมิแบบกาลิเลโอ
ธรรมชาติประการหนึ่งของอุณหภูมิ อาจกล่าวได้ว่าเป็นนิยามที่อยู่เบื้องหลังนิยามเชิงปฏิบัติการ คือ แนวโน้มที่วัตถุจะถ่ายเทพลังงานสู่ภายนอกได้เอง กล่าวคือ ถ้านำวัตถุสองอย่างมาสัมผัสกัน วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงจะมีแนวโน้มถ่ายเทพลังงานมาสู่วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ และถ้าสัมผัสกันด้วยระยะเวลาที่นานพอ ท้ายที่สุดแล้ววัตถุทั้งสองจะมีอุณหภูมิเท่ากัน
ข้อเท็จจริงนี้ทำให้เราใช้งานเทอร์โมมิเตอร์ได้
เมื่อเรานำเทอร์โมมิเตอร์จุ่มลงไปในน้ำร้อน พลังงานจากน้ำร้อนจะถ่ายเทสู่เทอร์โมมิเตอร์ ทำให้สารภายในเทอร์โมมิเตอร์ขยายตัว จนกระทั่งทั้งสองมีอุณหภูมิเท่ากัน เราก็อ่านค่าที่ได้จากเทอร์โมมิเตอร์นั่นเอง
แต่ถ้าถามนักฟิสิกส์ว่านิยามนิยามเชิงทฤษฎีที่แท้จริงของอุณหภูมิคืออะไร คำตอบคือนิยามตามสมการนี้
สมการนิยามอุณหภูมิ
เราไม่จำเป็นต้องเข้าใจธรรมชาติของสมการนี้ (ในตอนนี้) แต่สิ่งที่ปรากฏในสมการนี้คือ s หมายถึงเอนโทรปีของระบบ และตัว U คือ พลังงานภายในของระบบ ซึ่งค่าเอนโทรปีเป็นหนึ่งในปริมาณที่ทุกวันนี้นักฟิสิกส์พยายามสร้างแบบจำลองค่าเอนโทรปีใหม่ๆเพื่อใช้ในระบบที่เทอร์โมไดนามิกส์ในอดีตอธิบายไม่ได้
นอกจากนี้ ในแง่ของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถหาข้อยุติได้ว่าผู้สังเกตที่เคลื่อนที่จะสังเกตเห็นอุณหภูมิของวัตถุที่หยุดนิ่งเป็นอย่างไรกันแน่?
แนวคิดแรกนำเสนอโดยมักซ์ พลังค์ และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ โดยผลลัพธ์ที่ได้คือผู้สังเกตที่เคลื่อนที่จะเห็นวัตถุนิ่งมีอุณหภูมิต่ำลง ซึ่งนักฟิสิกส์เชื่อถือกันมานานเกือบ 50 ปี จนกระทั่ง นักฟิสิกส์ ชื่อ H. Ott นำเสนอวิธีคิดอีกแนวทางที่ให้ผลว่าผู้สังเกตที่เคลื่อนที่จะเห็นวัตถุหยุดนิ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ตรงข้ามกับที่ไอน์สไตน์ได้ให้ไว้ แต่เรื่องยังไม่จบเท่านี้ เพราะไม่กี่ปีต่อมานักฟิสิกส์ชื่อ P. T. Landsberg ใช้อีกแนวทางในการวิเคราะห์แล้วผลลัพธ์ที่ได้คือ อุณหภูมิจะคงที่สำหรับผู้สังเกตทุกๆคน!
กล่าวได้ว่าเรื่องของอุณหภูมิเชิงสัมพัทธภาพพิเศษนั้นยังไม่มีข้อสรุป ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเรายังไม่สามารถทดลองหาความจริงที่มีเพียงหนึ่งเดียวได้
ในความเป็นจริง นิยามอุณหภูมิสำหรับเทอร์โมไดนามิกส์ที่เรียนกันในมหาวิทยาลัยนั้นดีพอจะอธิบายธรรมชาติของความร้อนได้กว้างมากๆแล้ว แต่ที่เล่ามานี้เป็นเหมือนความท้าทายที่รอนักฟิสิกส์ในอนาคตไปพิชิต
- 20
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
