อุณหพลศาสตร์ (Thermodynamics) เป็นหนึ่งในเสาหลักของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์สมัยใหม่ แต่กว่าจะกลายมาเป็นศาสตร์ที่ทรงพลังอย่างทุกวันนี้ มนุษย์ต้องใช้เวลาหลายศตวรรษในการตั้งคำถามว่า ความร้อนคืออะไร พลังงานเปลี่ยนรูปได้อย่างไร และเหตุใดกระบวนการทางธรรมชาติจึงมีทิศทางของมันเอง
ในตอนนี้ ดร.บัญชา ธนบุญสมบัติ จะพาย้อนรอยกำเนิดแนวคิดที่นำไปสู่การพัฒนาวิชาอุณหพลศาสตร์ ตั้งแต่แนวคิดเกี่ยวกับความร้อนในโลกโบราณของอียิปต์และกรีก ไปจนถึงแนวคิดที่ภายหลังถูกละทิ้งหรือปรับเปลี่ยน เช่น ทฤษฎีโฟลจิสทัน (phlogiston theory) และ ทฤษฎีแคลอริก (caloric theory) ซึ่งเคยอธิบายความร้อนในฐานะสสารชนิดหนึ่ง ก่อนที่ความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานและความร้อนจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง
การก่อกำเนิดของอุณหพลศาสตร์ยังสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับ การปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 1 เมื่อเครื่องจักร โดยเฉพาะเครื่องจักรไอน้ำ กลายเป็นกำลังสำคัญที่ขับเคลื่อนเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมของโลก คำถามที่เกิดขึ้นจึงไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของปรัชญาธรรมชาติ แต่กลายเป็นปัญหาทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่มีความสำคัญอย่างยิ่งว่า เราจะเปลี่ยนความร้อนให้เป็นพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด
เส้นทางนี้เกี่ยวข้องกับนักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์จำนวนมาก ตั้งแต่ Evangelista Torricelli, Otto von Guericke, Robert Boyle, Daniel Bernoulli, Joseph Black, James Watt และ Sadi Carnot ไปจนถึง James Prescott Joule, Julius Robert von Mayer, Hermann von Helmholtz, Rudolf Clausius, William Thomson (Lord Kelvin) และ William Rankine แต่ละคนมีส่วนเติมเต็มจิ๊กซอว์คนละชิ้น จนในที่สุดเกิดเป็นกรอบทฤษฎีที่เราเรียกว่า “อุณหพลศาสตร์”
อุณหพลศาสตร์ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงเครื่องจักรไอน้ำ หากยังเป็นเครื่องมืออันทรงพลังในการอธิบาย ทิศทางของปฏิกิริยาเคมี การเปลี่ยนเฟสของสสาร สมดุลทางเคมี เครื่องยนต์ เครื่องทำความเย็น และกระบวนการทางวิศวกรรมอีกมากมาย รวมถึงการประยุกต์ใช้กับระบบสุดขั้วในฟิสิกส์สมัยใหม่ ตั้งแต่ หลุมดำไปจนถึงการขยายตัวของเอกภพ
ในตอนนี้ ดร.บัญชา ชวนทำความเข้าใจแนวคิดพื้นฐานที่เป็นหัวใจของอุณหพลศาสตร์ ตั้งแต่การแบ่งระบบออกเป็น ระบบโดดเดี่ยว (isolated system) ระบบปิด (closed system) และระบบเปิด (open system) ไปจนถึง กฎข้อที่หนึ่ง กฎข้อที่สอง และกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ รวมทั้งแนวคิดเรื่อง พลังงานอิสระ (free energy) โดยเฉพาะ พลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์ (Helmholtz free energy) และ พลังงานอิสระของกิบส์ (Gibbs free energy)
และเมื่อพูดถึงอุณหพลศาสตร์ เราจะหลีกเลี่ยงคำถามใหญ่ไม่ได้ว่า ทำไมเวลาจึงดูเหมือนมีทิศทางเพียงด้านเดียว ? คำตอบส่วนหนึ่งนำเราไปสู่แนวคิดสำคัญอย่าง เอนโทรปี (entropy) และสิ่งที่เรียกว่า “ลูกศรของกาลเวลา” (arrow of time) ซึ่งเชื่อมโยงอุณหพลศาสตร์เข้ากับคำถามเชิงปรัชญาและความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของจักรวาล
จากแนวคิดเรื่อง “ความร้อน” ของคนโบราณ สู่เครื่องจักรไอน้ำ การค้นพบกฎของพลังงานและเอนโทรปี และต่อเนื่องไปถึงหลุมดำกับเอกภพ—นี่คือเรื่องราวของศาสตร์ที่เริ่มต้นจากคำถามง่าย ๆ ว่า ความร้อนคืออะไร ? แต่ท้ายที่สุดกลับพาเราไปไกลถึงคำถามว่า ธรรมชาติทำงานอย่างไร และทำไมจักรวาลจึงมีทิศทางของเวลา
