LOGO

พนฐานและคาจากดความทางอณหพลศาสตรIntroduction and Basic concepts of Thermodynamics

บทท 3

1301 236 Basic of Thermodynamics and Fluid Mechanics โดย.......ธนรฐ ศรวระกล

2

Thermodynamics (อณหพลศาสตร) = Therme + dynamis(ความรอน) ( พลศาสตร)

: ศาสตรของการเปลยนความรอน งาน (Work) , กาลงงาน(Power): วทยาศาสตรทเกยวของกบการเปลยนรปของพลงงาน

3.1 นยามของ “เทอรโมไดนามกส” (Definition of “ Thermodynamics”)

พลงงานไมสามารถถกสรางขนหรอทาลาย แตพลงงานสามารถเปลยนรป จากพลงงานรปแบบหนงไปสอกรปแบบ โดยปรมาณพลงงานทงหมดจะคงเดม

3

สาขาของเทอรโมไดนามกส

1. สแตตสตคอลเทอรโมไดนามกส (Statistical Thermodynamics)ปรากฏการณเทอรโมไดนามกส การเคลอนทและพฤตกรรมของอนภาค หรอเรยกอกอยางวา เทอรโมไดนามกสทางเคม (Chemical Thermodynamics)

2. คลาสสคอลเทอรโมไดนามกส (Classical Thermodynamics)ปรากฏการณเทอรโมไดนามกสระดบมหภาค กลาวถงการเปลยนรปของความรอนและพลงงานตางๆ ของระบบและวตถ

Heat

4

การประยกตใชวชาเทอรโมไดนามกส

5

ของไหลทสามารถดดซบ และเกบพลงงานสะสมไวในตว หรอสามารถจายพลงงานทสะสมไวออกมาได เชนเมอของไหลไดรบความรอน ของไหลจะเกบพลงงานความรอนสวนหนงไวกบตวสงเกตไดจากอณหภมทสงขนของของไหล สวนพลงงานความรอนทเหลออาจถกเปลยนรปใหกลายเปนพลงงานกลสงผานออกไปภายนอก

3.2 สารตวกลาง (Working Substance)

ตวอยางสารตวกลางเชนไอนาในเครองกงหนไอนาสารทาความเยนในระบบปรบอากาศเชอเพลงและอากาศในเครองยนต

6

สารบรสทธ หมายถง สารทมคณสมบตดงน

3.3 สารบรสทธ (Pure Substance)

ตวอยางสารบรสทธ เชนนา (H2O)อากาศแหง (ทอณหภมสง)

สารเดยวทประกอบดวยโมเลกลทไมเปลยนแปลงโครงสรางHomogeneous สารละลายทมความเปนเนอเดยวกนสวนประกอบทางเคมเหมอนกนทวทงมวลสารสามารถคงสภาพอยไดหลายสถานะ

ตวอยางสารไมบรสทธ เชนสวนผสมของนา และนามนอากาศชน

7

3.4 คณสมบตทางเทอรโมไดนามกส (Thermodynamics Properties)

Extensive Properties (คณสมบตองมวล)ทสภาวะหนงๆ คณสมบตชนดนจะแปรผนตามขนาดมวลของระบบ เชน ปรมาตร (V) , พลงงานทงหมด (E)

Intensive Properties (คณสมบตเฉพาะตว)ทสภาวะหนงๆ คณสมบตชนดนจะมคาคงทโดยไมขนกบมวลของระบบ เชน อณหภม (T) , ความดน (P)

8

3.5 อณหภม

อณหภม เปนคณสมบตทางความรอนของสสาร หนวยของอณหภม ระบบ SI Celcius [°C], Kelvin [K]ระบบองกฤษ Farenhite [° F], Rankine [R]

[R ] 1 .8 [K ][ F ] 1 .8 [ C ] 32

T TT T

=° = ° +

[R ] [ F] 459.67T T= ° +

[K] [ C] 273.15T T= ° +

9

ความรอน (Heat), Q หมายถง พลงงานทถายเทจาก ตวกลางหนงไปสอกตวกลางหนง เมอตวกลางทงสองมอณหภมตางกน

vU mC T=

3.6 ความรอน (Heat)Q = ปรมาณความรอน [kJ]m = มวลสาร [kg]C = คาความรอนจาเพาะ [kJ/kg.K]dT = ผลตางของอณหภม [K]

3.7 พลงงานภายใน (Internal Energy)พลงงานภายใน , U หมายถง พลงงานทแฝงอยในมวลสาร ซงเปนผลรวมของพลงงานจลนและ

พลงงานศกยภายในทอยในโมเลกลของสารซงมการเคลอนท การสนอนทาใหเกดพลงงานได

Q m CdT= ∫

U = พลงงานภายใน [kJ]m = มวลสาร [kg]Cv = คาความรอนจาเพาะเมอปรมาตรคงท [kJ/kg.K]T = อณหภมสมบรณของสาร [K]

10

2 1( )v

v v

v

U mC TU mC T mC T T

dU mC dT∆ ∆=

= = −=

กฏของจล (Joule’s Law)“การเปลยนแปลงพลงงานภายในของสาร เปนผลมาจากการเปลยนแปลงอณหภมของสารนนเทานน”

จาก

หรอ

ตวอยางกาซไนโตรเจนมคาความรอนจาเพาะเมอปรมาตรคงท (Cv) เทากบ 0.7436 kJ/kg.K ถาอณหภมเรมตนของไนโตรเจนเปน 20°C และกาซไนโตรเจนเกดการเปลยนแปลงโดยพบวามคาพลงงานภายในเพมขนจากสภาวะเรมตน 148.715 kJ/kg.K จงหาอณหภมสดทายของกาซไนโตรเจน

11

3.8 สภาวะ (State)

สถานะ หมายถง ลกษณะของสสาร ทมเนอเดยวกนตลอด สสารสามารถคงอยได 3 สถานะสถานะของแขง (Solid Phase)สถานะของเหลว (liquid Phase)สถานะของแขง (Gas Phase)

ในสภาวะหนงๆ สสารอาจคงอยไดหลายสถานะรวมกน เชนในขณะทนาแขงกาลงจะละลายจะมลกษณะเปน 2 สถานะ คออยรวมกนระหวางของแขงและของเหลว

3.9 สถานะ (Phase)

สภาวะ หมายถง จดทสารมคณสมบตของสารตางไปจากจดอนๆ เราสามารถกาหนดสภาวะของสารไดโดยใชคาคณสมบตทเปนอสระ 2 ตวขนไป เชน ความดน (P) กบ อณหภม (T) ซงจะกลาวถงในบทท 5 เรองคณสมบตของสารบรสทธ

12

3.10 ระบบทางเทอรโมไดนามกส (Thermodynamics System)

ระบบ (System)หมายถง กลมหรอสวนของมวลของวตถหรอสารตวกลางทถกเลอกพจารณา ในการวเคราะหทาง Thermodynamics ระบบจะถกแบงแยกจาก สงแวดลอม (Surrounding) โดยขอบเขต (Boundary) ขอบเขตของระบบอาจอยนงหรอเคลอนทกได ในการวเคราะหจะถอวาขอบเขตมความหนาเปนศนย

13

1. ระบบปด (Closed System) หรอ ระบบควบคมมวล (Control Mass System)

ระบบทไมมการถายเทมวล(ไมมการไหล) แตยอมใหมการถายเทพลงงานผานขอบเขตของระบบ

2. ระบบเปด (Open System) หรอระบบควบคมปรมาตร (Control Volume System)

ระบบทยอมใหมการถายเทมวล และมการถายเทพลงงานผานขอบเขตของระบบ

Control Volume (ปรมาตรควบคม)Control Surface (ผวควบคม)

มวลไหลเขา

มวลไหลออก

มวลภายในปรมาตรควบคม

ปรมาตรควบคม(Control Volume)

ผวควบคม (Control Surface)

รปท 1.2 แสดงระบบเปด ปรมาตรควบคม และผวควบคม

14

3. ระบบโดดเดยว (Isolated System)ระบบทไมมการถายเทมวล และไมมการถายเทพลงงานผานขอบเขตของระบบเปนระบบทางจนตภาพ ไมมอยจรง แตสมมตขนเพอใหงายตอการพจารณาในกรณทถอวามพลงงานถายเทผานขอบเขตของระบบนอยมากจนถอไดวาไมมเลย

รปท 1.2 แสดงระบบเปด ปรมาตรควบคม และผวควบคม

15

3.11 กฎของเทอรโมไดนามกส (Laws of Thermodynamics)

กฎขอทศนย (The Zeroth Law): กฎแหงความสมดลยทางอณหภม (Thermal Equilibrium)

กฎขอทหนง (The First Law) : กฎการอนรกษพลงงาน (Conservation of Energy)

กฎขอทสอง (The Second Law) : Quality of Energy, Actual Process

16

3.11.1 กฏขอทศนยของ Thermodynamics

กฎขอทศนย = วตถสองชนมอณหภมเทากน จะมความสมดลทางความรอน คอไมถายเทความรอนใหแกกน

TA TB TC= =

=

รปท 1.3 แสดงความสมดลทางอณหภมของวตถ 3 ชน หากวตถ A มอณหภมเทากบวตถ B และ วตถ B มอณหภมเทากบวตถ C แลว วตถ A จะมอณหภมเทากบวตถ C ดวย

17

กฎการอนรกษพลงงาน (Conservation of Energy)

3.11.2 กฏขอทหนงของ Thermodynamics

พลงงานไมสามารถถกสรางขนหรอทาลาย แตพลงงานสามารถเปลยนรป จากพลงงานรปแบบหนงไปสอกรปแบบ โดยปรมาณพลงงานทงหมดจะคงเดม

18

3.12 รปแบบของพลงงาน (Forms of Energy)

พลงงานสามารถคงอยไดหลายรปแบบเชน พ.ความรอน, พ.กล, พ.ศกย, พ.จลน, พ.ไฟฟาผลรวมของพลงงานในระบบ = พ.ทงหมด (Total energy, E)พ.ทงหมดตอหนวยมวล (e) = พ.ทงหมด/ มวลทงหมด

Ee , ( k J / k g )m

=

การวเคราะหพลงงานทงหมดของระบบแบงออกเปน 2 ระดบคอ• พ.แบบมหภาค (Macroscopic Energy)มความสมพนธกบการเคลอนทของระบบ เชน พ.จลน• พ.แบบจลภาค (Microscopic Energy)ผลรวมของ พ.แบบจลภาค = พ.ภายใน (Internal Energy, U)

2

2

E U K E P E1 U ( )2

( / )2

m v m g Z k J

ve u g Z k J k g

= + +

= + +

= + +

……(1.6.1)

……(1.6.2)

……(1.6.3)

……(1.6.4)

19

Process (กระบวนการ) :การทสารในระบบเกดการเปลยนแปลงจากสภาวะหนงไปสอกสภาวะหนง เชน

1.9 กระบวนการและวฏจกร (Process and Cycle)

Adiabatic Process: กระบวนการทสารในระบบไมมการถายเทความรอน

Isothermal Process: กระบวนการทสารในระบบมอณหภมคงทตลอดกระบวนการIsobaric Process: กระบวนการทสารในระบบมความดนคงทตลอดกระบวนการIsometric Process: กระบวนการทสารในระบบมปรมาตรคงทตลอดกระบวนการ

Cycle (วฏจกร) :การทสารในระบบเกดการเปลยนแปลงไมวาจะกสภาวะกตาม สดทายจะยอนกลบมาสสภาวะเรมตนอกครง

Isentropic Process: กระบวนการทสารในระบบมเอนโทรปคงทตลอดกระบวนการ