กฎการทรงตัวของพลังงาน(conservation of energy) ·...

บทท 1 หลกการพนฐานทางอณหพลศาสตร

(Basic concepts of Thermodynamics) 1.1 นยามของเทอรโมไดนามกส (Definition of Thermodynamics)

เทอรโมไดนามคส เปนศาสตรเกยวกบเรองพลงงาน โดยหลกการพนฐานของพลงงานคอกฎการ

ทรงตวของพลงงาน(Conservation of Energy) หมายถงพลงงานจะไมสญหายแตสามารถเปลยนรปได ดงแสดงในรปท 1.1

รปท 1.1 หลกการของกฎการทรงพลงงาน 1.2 การประยกตใชเทอรโมไดนามกส (Application Areas of Thermodynamics)

กฎการทรงตวของพลงงาน(Conservation of Energy)

หมายถงพลงงานจะไมสญหายแตสามารถเปลยนรปได

หลกการและการวเคราะหระบบทางเทอรโมไดนามคส สามารถน ามาใชงานไดหลากหลาย โดยอปกรณหรอระบบหลกๆทประยกตใชหลกการของระบบทางเทอรโมไดนามคส ทพบไดบอยๆในชวตประจ าวนไดแก ระบบปรบอากาศ โรงไฟฟา และอนๆ ดงแสดงในรปท 1.2

รปท 1.2 อปกรณทประยกตใชระบบทางเทอรไดนามคส 1.3 กฎของเทอรโมไดนามกส (Laws of Thermodynamics) กฏหลกๆทางเทอรโมไดนามคสทน ามาใชงานมดงน

1. กฎขอทศนย (The Zeroth Law) หมายถง กฎแหงความสมดลยทางอณหภม (Thermal Equilibrium)

2. กฎขอทหนง (The First Law) หมายถง กฎการอนรกษพลงงาน (Conservation of Energy)

3. กฎขอทสอง (The Second Law) หมายถง กฎทวาดวยคณภาพของพลงงานและ กระบวนการทเกดขนจรงในทาง เทอรโมไดนามคส (Quality of Energy and Actual Process)

1.4 การวเคราะหระบบทางเทอรโมไดนามกส โดยทวไปแลวการวเคราะหระบบทางเทอรโมไดนามคสสามารถแยกเปน 2 ระดบ ดงน

1.4.1 การวเคราะหแบบมหภาค (Macroscopic Analysis) วเคราะหทผลลพธหรอผลกระทบทงหมดทมตอระบบหรอวตถ เมอมการเปลยนแปลงหรอถายเท

พลงงานโดยมไดพจารณาถงการเปลยนแปลงของโมเลกลในระบบ 1.4.2 การวเคราะหแบบจลภาค (Microscopic Analysis) เปนการวเคราะหทค านงถงการเคลอนท, พฤตกรรมของโมเลกลในระบบ

1.5 มตและหนวย (Dimensions and Units)

1.5.1 มต (Dimensions) มตหมายถงคณสมบตทางกายภาพของวตถหรอระบบซงสามารถแบงออกเปน 2 ประเภท คอ

1. Primary Dimensions เชน mass m, length L, time t, and temperature T 2. Secondary Dimensions เชน velocity v, energy E, force F, and volume V

1.5.2 หนวย (Units) หนวย หมายถงขนาดของมต หนวยทใชในดานวศวกรรมมหลายระบบ เชน ระบบ SI,

ระบบองกฤษ และระบบเมตรก โดยระบบ SI เปนหนวยทนยมใชในปจจบน

ปรมาณ มต

สญลกษณ ระบบ SI ระบบองกฤษ ระบบเมตรก

หนวย สญลกษณ หนวย สญลกษณ หนวย สญลกษณ ความยาว L เมตร M ฟต ft เมตร m เวลา T วนาท S วนาท S วนาท S มวล M กโลกรม Kg ปอนด lb กโลกรม Kg แรง F นวตน N ปอนด lb กโลกรม Kg

1.6 ระบบทางเทอรโมไดนามกส (Thermodynamics System)

ระบบ (System) หมายถง กลมหรอสวนของมวลทถกเลอกพจารณา ในการ วเคราะหทางเทอรโมไดนามคส ระบบจะถกแบงแยกจาก สงแวดลอม (Surrounding) โดยขอบเขต (Boundary) โดยระบบทวเคราะหในทางเทอรโมไดนามคสสามารถแบงออกเปน 3 ระบบ

1.6.1 ระบบปด (Closed System) หมายถง ระบบทไมมการถายเทมวล แตยอมใหมการถายเทพลงงานผานขอบเขตของระบบ

รปท 1.3 ระบบปด 1.6.2 ระบบเปด (Open System) หมายถง ระบบทยอมใหมการถายเทมวล และมการถายเท

พลงงานผานขอบเขตของระบบ

รปท 1.4 ระบบเปด

1.6.3 ระบบโดดเดยว (Isolated System) หมายถง ระบบทไมมการถายเทมวลและไมมการถายเทพลงงานผานขอบเขตของระบบ 1.7 คณสมบตและสภาวะทางเทอรโมไดนามกส(Thermodynamics Properties and State)

1.7.1 คณสมบตทางเทอรโมไดนามคส คณสมบตทางเทอรโมไดนามคสของระบบสามารถแบงออกเปน 2 ประเภท คอ

1. คณสมบตองมวล (Extensive Properties) หมายถงคณสมบตทขนหรอแปรผนตามขนาดของมวลของระบบ ตวอยางเชน มวล (m) ปรมาตร (V) และ พลงงานทงหมด (E) เปนตน

2. คณสมบตเฉพาะตว (Intensive Properties) หมายถงคณสมบตทมความอสระและไมขนหรอแปรผนตามขนาดของมวลของระบบ ตวอยางเชน อณหภม (T) ความดน (P) และความหนาแนน เปนตน

ทงนคณสมบตองมวลสามารถแปลงใหเปนคณสมบตเฉพาะตวไดโดยการหารคณสมบตนนๆ

ดวยมวล เชน ปรมาตรจ าเพาะ v = V/m หรอ พลงงานรวมจ าเพาะ e = E/m 1.7.2 สภาวะ หมายถงคณสมบตทกคณสมบตทจดๆหนงของระบบ โดยสภาวะของระบบ

สามารถบงบอกไดโดยคณสมบตเฉพาะตวทไมขนตอกน 2 คณสมบต ทสภาวะสมดล(Equilibrium) ระบบจะทคณสมบตคงทและไมมแรงขบดนใดๆ ทงดานความรอน ทางกล และทางเคม

รปท 1.5 คณสมบตของระบบ

1.8 อณหภมและกฏขอทศนยของเทอรโมไดนามคส (Temperature and Zeroth Law of Thermodynamics)

รปท 1.6 แสดงความสมดลทางอณหภมของวตถ 3 ชน

1.9 กระบวนการ และวฏจกร (Process and Cycle)

1.9.1 กระบวนการ (Process) กระบวนการหมายถง การทสารในระบบเกดการเปลยน แปลงจากสภาวะหนงไปสอกสภาวะ

หนง กระบวนการมหลายชนดขนอยกบลกษณะการเปลยนแปลงของคณสมบตตลอดเสนทางเดนของกระบวนการ เชน

Adiabatic Process: กระบวนการทสารในระบบไมมการถายเทความรอน

A B C = =

=

กฎขอทศนย = วตถสองชนมอณหภมเทากน จะมความสมดล

ทางความรอน คอไมถายเทความรอนใหแกกน

Isothermal Process: กระบวนการทสารในระบบมอณหภมคงทตลอดกระบวนการ

Isobaric Process: กระบวนการทสารในระบบมความดนคงทตลอดกระบวนการ

Isometric Process: กระบวนการทสารในระบบมปรมาตรคงทตลอดกระบวนการ

Isentropic Process: กระบวนการทสารในระบบมเอนโทรปคงทตลอดกระบวนการ เมอกลาวถงกระบวนการจะมค าจ ากดความทควรทราบดงตอไปน เสนทางเดนของกระบวนการ(Process Path) หมายถงสภาวะตางๆทเกดขนตลอดการ เปลยนแปลงใน Process (ดงรปท 1.7) Quasi-equilibrium process กระบวนการทการเปลยนแปลงของสภาวะตางๆทเกดขนตลอดการเปลยนแปลงใน process มคาเขาใกลสมดล ทงนกระการเกดกระบวนการตองชาเพยงพอ Steady คอ กระบวนการทไมเปลยนแปลงตามเวลา (รปท 1.8) Uniform คอ กระบวนการทไมเปลยนแปลงตามสถานท (Location)

รปท 1.7 เสนทางเดนของกระบวนการ(Process Path)

รปท 1.8 กระบวนการทไมเปลยนแปลงตามเวลา (Stead)

1.9.2 วฏจกร (Cycle) วฏจกร หมายถง การทสารในระบบเกดการเปลยนแปลงไมวาจะกกระบวนการ และกสภาวะก

ตาม สดทายจะยอนกลบมาสสภาวะเรมตนอกครง 1.10 รปแบบของพลงงาน (Forms of Energy)

พลงงานสามารถคงอยไดหลายรปแบบเชน พลงงานความรอน, พลงงานกล, พลงงานศกย, พลงงานจลน, พลงงานไฟฟา

โดยการวเคราะหพลงงานทงหมดของระบบแบงออกเปน 2 ระดบคอ 1. พลงงานแบบมหภาค (Macroscopic Energy) หมายรวมถง พลงงานจลน พลงงานศกย พลงงานเนองจากการไหล เปนตน

2. พลงงานแบบจลภาค (Microscopic Energy) หมายถงผลรวมของพลงงานแบบ จลภาคทงหมดทเกดภายในระบบ เชน พลงงานทเกดจากการเคลอนทของโมเลกลภายในระบบเปนตน

โดยผลรวมของพลงงานในระบบ (Total energy, E) มคาดงน โดยท E หมายถง พลงงานรวม

U หมายถง พลงงานภายในทงหมด หมายถง พลงงานจลน

mgZ หมายถง พลงงานศกย

2

2

E U KE PE

1 U ( )

2

( / )2

mv mgZ kJ

ve u gZ kJ kg

2

2

1mv

นอกจากนเพอใหสะดวกตการวเคราะห หากสมการของพลงงานรวมดวยมวลจะได พลงงานรวมตอหนวยมวล (e) ซงมคาดงน

1.11 ปรมาตรจ าเพาะ(Specific Volume)

ปรมาตรจ าเพาะ(Specific Volume, v) หมายถง ปรมาตรของสารตอหนงหนวยมวล ดงน 1.12 ความดน (Pressure)

ความดน (Pressure, P) เปนคณสมบตหนงของระบบทางเทอรโมไดนามคส ซงมคาเทากบแรงในแนวตงฉากทกระท าตอหนงหนวยพนท

รปท 1.9 วตถภายใตแรงกระท าทตงฉากกบพนทหนาตด

หนวยของความดนทนยมใชในทางวศวกรรมมหลายชนด เชน 1 Pa = 1 N/m2

F

A

3

1

( / )

Vv

m

kg m

2

2

E U KE PE

1 U ( )

2

( / )2

mv mgZ kJ

ve u gZ kJ kg

)/( kgkJm

Ee

)/( 2mNA

FP

1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa

1 atm = 1.013 bar = 1.013x105 Pa การเรยกและ แยกประเภทของความดนในทางวศวกรรมนยมแบงเปน 3 ประเภทคอโดยท ความดนเกจ (Gauge pressure), ความดนบรรยากาศ (Atmospheric pressure) และ ความดนสมบรณ (Absolute pressure)

(a) (b)

รปท 1.10 แสดงความสมพนธของความดน

จากรปท 1.10 สามารถสรปความสมพนธของความดนทง 3 ประเภทไดดงน

รปท 1.10(a) Pabs = Patm + Pg และ

รปท 1.10(b) Pabs = Patm - Pg

โดยท Pg = ความดนเกจ (Gauge pressure) Patm = ความดนบรรยากาศ (Atmospheric pressure) Pabs = ความดนสมบรณ (Absolute pressure)

Pabs

Pg

Patm

ความดน (P)

Pabs

Pg(ลบ)

Patm

ความดน (P)

ตวอยางท 1 ภาชนะท าอาหารอดความดน (pressure cooker) เปนอปกรณทชวยประหยดเวลาในการท าอาหารไดเนองจากสามารถควบคมความดนและอณหภมภายในภาชนะใหสงกวาภาชนะท าอาหารทวไป โดยมการปองกนการรวทรอยตอระหวางตวภาชนะกบฝาเปนอยางด ท าใหไดน าระเหยออกจากภาชนะไดเฉพาะในบรเวณตรงกลางของสวนทเปนฝาเทานน สวนทอยตรงกลายฝาเรยกวา petcock ซงสวนนจะเปดระบายความดนตอเมอแรงดนภายในภาชนะสงกวาน าหนกของ petcock เทานน จงพจารณาหามวลของ petcock ของภาชนะท าอาหารอดความดนทท างานทความดน 100 kPa (เกจ) โดยมพนทหนาตดของสวนทเปดได 4 ตร.มม.และความดนบรรยากาศในบรเวณดงกลาวมคาเทากบ 101 kPa

รปท 1.11

วธท า จากโจทย Pg = mg/A = 100,000 Pa

m = PgA / g m = 100,000 N/m2 * 4 *10-6 m2 / 9.8 m/s2

= 0.0408 kg. = 40.8 g.

ตวอยางท 2 มการวดความดนโดยใชมาโนมเตอร โดยของเหลวทใชในมาโนมเตอรชนด A และ B มน าหนกจ าเพาะ (γ) เทากบ 10 kN/m3 และ 20 kN/m3 ตามล าดบ จงค านวณหาความดนสมบรณ P1 ในหนวย kPa เมอความดนบรรยากาศเปน 99.3 kPa

รปท 1.12

วธท า P1 = Patm +pghA + pghB

จากรป จะได:

hA = 0.05 hB = 0.15

แทนคาในสมการจะได:

P1 = 99.3 + 10*0.05 + 20*0.15 = 102.8 kPa