เทอร์โมไดนามกิ ส์ (Thermodynamics)
บทที่ 1 แนวคิดพ้ืนฐานเกย่ี วกับเทอรโมไดนามิคส 1.1 เทอรโ์ มไดนามิคสแ์ ละพลงั งาน การศกึ ษาวชิ าเทอรโ์ มไดนามิกส์ เป็นส่ิงท่ีน่าสนใจและ จาํ เป็นอยา่ งย่ิงสาํ หรบั วิศวกรรมแทบทกุ สาขาวิชา ดงั นี้ วศิ กรรมโยธา : เป็นพืน้ ฐานในการศกึ ษาวิชาไฮดรอลกิ ส์ (hydraulics) วศิ วกรรมอุตสาหการ : เป็นพืน้ ฐานในการออกแบบและ บาํ รุงรกั ษาอปุ กรณท์ ่ีเก่ียวขอ้ งกบั การใชพ้ ลงั งานในโรงงาน อตุ สาหกรรม
•วศิ วกรรมสิ่งแวดล้อม : เป็นพืน้ ฐานในการออกแบบระบบทอ่ บาํ บดั นา้ํ เสีย รวมทงั้ การวิเคราะหก์ ารเผาไหมแ้ ละไอเสียตา่ ง ๆ ในอากาศ •วศิ วกรรมไฟฟ้าและวศิ วกรรมคอมพวิ เตอร์ : ใชใ้ นการ ออกแบบระบบระบายความรอ้ นในอปุ กรณไ์ ฟฟา้ และอปุ กรณ์ คอมพิวเตอรต์ า่ ง ๆ •วศิ วกรรมเคร่ืองกล : เป็นหน่งึ ในสองศาสตรพ์ ืน้ ฐานท่ีสาํ คญั สงู สดุ รว่ มกบั วชิ ากลศาสตรว์ ิศวกรรม เป็นรากฐานของการศกึ ษา วชิ ากลศาสตรข์ องไหล และการถา่ ยเทความรอ้ น
Some application areas of thermodynamics.
เทอรโ มไดนามิกส คอื อะไร เปนวิทยาศาสตรป ระยกุ ต สาขาหนง่ึ ทว่ี า ดว ยเรอื่ งของพลงั งาน เปน หลัก โดยจะมีเนอ้ื หาครอบคลุม ถงึ เรอ่ื งของพลงั งานในรปู ตา ง ๆ การเปลย่ี นรูปของพลังงาน การถา ย โอนพลงั งาน รวมทัง้ สมบัตติ า ง ๆ ของสสารท่ใี ชเ ปน ตวั กลางในการ เปลยี่ นแปลงนนั้ ๆ
พลงั งาน (Energy) พลงั งาน คอื ความสามารถทาํ งาน ไดส้ ามารถเปล่ียนรูปจากรูปหนง่ึ ไปเป็น อกี รูปหน่งึ และสามารถถา่ ยโอนจาก บรเิ วณหนง่ึ ไปสอู่ ีกบรเิ วณหน่งึ ได้ โดย การเปล่ียนรูปหรอื ถ่ายโอนพลงั งาน จะตอ้ งเป็นไปตามกฎการอนรุ กั ษ์ พลงั งาน (Conservation energy principle)
กฎการอนุรักษพ ลังงาน (Conservation Energy Principle) พลงั งานสามารถเปล่ียนรูป หรอื ถ่ายโอนได้ แตไ่ มส่ ามารถ สรา้ งขนึ้ มาใหมห่ รอื สญู หายได้ ดงั นนั้ พลงั งานรวมของระบบ (System) กบั ส่งิ แวดลอ้ ม (Surrounding) จงึ มีคา่ คงท่ี
1.2 มติ ิและหนว ย มติ หิ ลกั และหนว ย
คาํ อุปสรรค (PREFIXES)
หนว ยวัดทส่ี าํ คัญ • มวล (mass : m) หมายถงึ สภาพตานการเคลือ่ นทีข่ องวตั ถุ มหี นวย เปน (kg) • น้าํ หนกั (weight : W) คอื แรงดงึ ดูดทีโ่ ลกดงึ ดูดวตั ถุไว ดว ย ความเรงเนือ่ งจากแรงโนมถวงของโลก (g) ซ่งึ สามารถคํานวณได จากสมการ
• ปริมาตร (volume : V) คือ คาผลคณู กาํ ลังสามของความยาว นิยม วดั เปน หนวยลูกบาศกเมตร (m3), ลูกบาศกเซนตเิ มตร (cm3) หรอื ซซี ี, ลิตร (liter) ซงึ่ มีความสัมพันธก ันดงั น้ี • แรง (Force : F) จากกฏการเคล่อื นท่ขี อ ทส่ี องของนิวตนั กลา ววา “เมอ่ื มีแรงลพั ธในขนาดที่ไมเทา กบั ศนู ยมากระทําตอ วัตถุ วตั ถุจะเกดิ การเคล่อื นทดี่ ว ยความเรงในทศิ ทางเดยี วกับแรงที่กระทาํ ” โดยมี ความสัมพนั ธเ ปนไปตามสมการ
• งาน (work : W) คือ แรงคูณระยะทางตามแนวแรง ในหนว ย SI งานทกุ ประเภทมีหนว ยเปน นิวตนั – เมตร (N.m) หรือ จูล ( joule: j) โดยทง่ี าน 1 จูล หมายถงึ การออกแรง 1 นวิ ตัน ทาํ ใหวตั ถุ เคลื่อนทีไ่ ปในทิศทางเดียวกบั แรงเปนระยะทาง 1 เมตร สามารถ คาํ นวณไดจ ากสมการ
• พลังงาน (energy : E) หนวยของพลังงานในระบบ SI มีการกาํ หนด มาตรฐานของพลงั งานในรูปของงาน • กาํ ลงั งาน (power) คอื งานหรือพลงั งานตอหนว ยเวลา มีหนวยเปน จลู ตอวนิ าที หรือ วตั ต (watt) หรอื สามารถวัดไดในหนว ยของแรงมา (Horsepower : HP) ซ่งึ เปนหนว ยทีไ่ ดรับความนิยมมากอกี หนวยหนึ่ง ดงั นี้
1-3 ระบบ และปริมาตรควบคมุ •ระบบ (system) คือ บรเิ วณหรอื สสารปรมิ าณหนงึ่ ที่ตอ งการ จะทําการศึกษา •ส่ิงแวดลอม (surrounding) คอื สิ่งทอ่ี ยูภ ายนอกระบบท้ังหมด •ขอบเขตของระบบ (boundary) คอื เสนแบงระหวางระบบกบั สงิ่ แวดลอ ม
ขอบเขตของระบบมี 2 ลกั ษณะคือ ขอบเขตทอี่ ยูกับที่และขอบเขตทเี่ คล่ือนท่ไี ด
ระบบ ขอบเขตของระบบและสิง่ แวดลอ ม ระบบทางเทอรโ มไดนามกิ ส แบง ออกไดเปน 3 ประเภท ดังน้ี 1. ระบบปด (closed system) หมายถึง ระบบทไ่ี มมีการถา ยเทมวล ผานขอบเขตของระบบ จะมเี ฉพาะพลังงาน (งานและความรอ น) เทานน้ั ท่ีสามารถถา ยโอนผา นขอบเขตได นิยมเรียกอกี ชอื่ หนึ่งวา “มวลควบคุม (control mass) ”
2. ระบบเปิด (open system) หมายถงึ ระบบท่ีมีการถา่ ยเททงั้ มวลและพลงั งานผา่ นขอบเขตของระบบ เรยี กอกี ช่ือหน่งึ วา่ “ปรมิ าตรควบคมุ (control volume)”
3. ระบบโดยเด่ียว (isolated system) หมายถงึ ระบบท่ีถกู แยก ออกจากส่งิ แวดลอ้ มอยา่ งสนิ้ เชิง โดยไมม่ ีการถา่ ยเทมวลและ พลงั งานผา่ นขอบเขตของระบบ เช่น ภาชนะบรรจกุ ๊าซเฉ่ือยท่ีถกู เช่ือมปิดสนิทและมีฉนวนหมุ้ เป็นตน้ Isolated System Boundary Heat = 0 Work Surr 4 Work = 0 System Mass = 0 Mass Across Isolated Surr 3 Boundary Surr 1 Mass Heat Surr 2
1.4 สมบตั ิของระบบ คณุ สมบัติ คือ ลักษณะใด ๆ ท่สี ามารถวดั หรอื คํานวณได มี 2 แบบ คอื 1. คณุ สมบตั ิท่ีไมข นึ้ อยูกบั มวลของระบบ (intensive properties) เชน ความดัน (P) อุณหภมู ิ (T) ความหนาแนน (ρ) เปน ตน 2. คณุ สมบตั ทิ ข่ี ้ึนอยกู ับมวลของระบบ (extensive properties) เชน น้ําหนกั (W) ปริมาตร (V) เอนทาลป (enthalpy : H) และพลงั งาน ภายใน (internal energy : U) เปน ตน
วธิ กี ารระบุวา คุณสมบตั ใิ ดเปน คุณสมบตั อิ นิ เทนซฟี หรือ เอก็ ซเ ทนซีฟ นนั้ สามารถทําไดโ ดยการแบง ระบบเพื่อใหม วล เปลย่ี นแปลงหากคุณสมบตั ใิ ดมคี าเทา เดิมถือวาคณุ สมบตั ินัน้ เปนแบบ อินเทนซีฟ แตถา คุณสมบตั ิในแตละสวนมคี า เปลย่ี นแปลงไปถอื วา เปนแบบ เอ็กซเ ทนซีฟ
ถานาํ คณุ สมบัตทิ ข่ี ้ึนอยกู ับมวลของระบบมาหารดว ยมวลของ ระบบน้นั ๆ จะทาํ ใหไ ดคุณสมบตั จิ าํ เพาะ (specific properties) ซึ่ง จัดเปน คุณสมบตั ทิ ไี่ มข ึ้นอยูกับมวลของระบบ เชน • V / m = ปริมาตรจําเพาะ (specific volume : v) หนวย (m3/ kg) • U / m = พลังงานภายในจําเพาะ (specific internal energy : u) หนว ย (kJ/kg) • H / m = เอนทาลปจ าํ เพาะ (specific enthalpy : h) หนวย (kJ/kg)
1.5 ความหนาแนน และความถวงจําเพาะ • ความหนาแนน (Density : ρ) คอื อัตราสวนของมวลตอ ปริมาตรสาร น้ัน มหี นวยเปน (kg/m3) ซึง่ สามารถคาํ นวณไดจากสมการ • ปรมิ าตรจําเพาะ (specific volume : v) คือ ปรมิ าตรตอหนวย นาํ้ หนกั มหี นวยเปน (m3/kg) ซึง่ ปริมาตรจําเพาะกค็ อื สวนกลบั ของความหนาแนน นนั่ เอง
• ความถว งจําเพาะ (Specific Gravity : SG) คอื อัตราสวนของความ หนาแนนของสารนนั้ ๆเทยี บกบั ความหนาแนนของนาํ้ ท่อี ณุ หภมู ิ 4 oC ตวั อยา งคา SG ของสารตาง ๆ • น้าํ = 1 • เลือด = 1.05 • น้ํามันเบนซิน = 0.7 • นํา้ แข็ง = 0.92
1.6 สภาวะ และสมดลุ สภาวะ (STATE) • สภาวะ (state) หมายถงึ สภาพของระบบท่ถี ูกกาํ หนดโดย ชุด คณุ สมบตั ิ (set of properties) เชน อุณหภมู ิ ความดัน เปน ตน • ในสภาวะหน่งึ ๆ คณุ สมบตั ิของระบบจะตองมีคาคงท่ี หากมีการ เปลีย่ นแปลงคุณสมบตั เิ พยี งอยางใดอยา งหนึ่ง จะถอื วา ระบบมีการ เปลยี่ นแปลงไปสูสภาวะใหมทนั ที
สภาวะสมดุล (EQUILIBRIUM STATE) สภาวะสมดุล (equilibrium state) หมายถึง สภาวะท่ี ปราศจากการเปลีย่ นแปลงใด ๆ ในระบบ ซง่ึ ถาอยูในสภาพสมดลุ อยางสมบูรณแ ลวระบบตองอยูภายใตเ งื่อนไขของการสมดลุ ทง้ั 4 ลักษณะ คือ 1. สมดลุ ทางความรอ น (thermal equilibrium) หมายถงึ สภาวะทอ่ี ุณหภมู ภิ าย ในระบบเทา กนั ทัว่ ท้งั ระบบ
2. สมดุลทางกล (mechanical equilibrium) หมายถึง สภาวะทภ่ี ายในระบบมคี วามดันที่เทา กนั ทั่วท้งั ระบบ และไมเกดิ การเปล่ยี นแปลงความดนั
3. สมดลุ เฟส (phase equilibrium) หมายถึง สถาวะที่ไมม ีการเปลยี่ นแปลงระหวา งเฟส ซง่ึ ทาํ ให สมบตั ใิ นแตละเฟสมีคาคงที่ 4. สมดลุ ทางเคมี (chemical equilibrium) หมายถึง สภาวะทีไ่ มเกดิ การเปลีย่ นแปลงองคป ระกอบทางเคมี ภายในระบบ
1.7 กระบวนการและวัฏจกั ร • กระบวนการ (processes) คือ การเปลย่ี นแปลงสภาวะของระบบ จากสภาวะสมดุลหนึ่งไปยงั อกี สภาวะสมดลุ หน่งึ เชน ของเหลว ไดร ับความรอ นจนระเหยเปนไอ เปนตน • ถามกี ารเปลยี่ นแปลงสมบัตขิ องระบบเพยี ง 1 อยา งขึ้นไป จะถือ วา เปนการเปลีย่ นแปลงสภาวะหรือมกี ระบวนการเกดิ ข้ึน • สาํ หรบั การแสดงสภาวะอยางตอเน่อื งในระหวางกระบวนการ เรยี กวา เสน ทางของกระบวนการ (process path)
กระบวนการและวัฏจักร • ในกระบวนการหากมีการดาํ เนนิ การอยา งรวดเรว็ ทําใหส ภาวะในแต ละสวนภายในระบบมีคา ท่ไี มเหมือนกัน เราเรยี กกระบวนการทีเ่ กิดข้นึ ในลกั ษณะน้วี า กระบวนการแบบไมส มดลุ ควอไซ (non-quasi- equilibrium process) เชน การอัดกาซในชุดกระบอกสูบอยาง รวดเร็ว จะทาํ ใหค วามหนาแนนของโมเลกลุ กา ซบริเวณใกลลกู สบู มีคา มากกวาบรเิ วณอน่ื สง ผลใหความดนั ท่บี รเิ วณดงั กลา วสงู กวา บรเิ วณ อื่น เปนตน
• การเกิดกระบวนการไมส มดลุ ค วอไซน้ี ทาํ ใหไ มส ามารถระบุ เสน ทางของกระบวนการ ได จะทาํ ไดเ พยี งการกําหนดสภาวะ เรม่ิ ตน (initial state) กบั สภาวะ สุดทาย (final state) เทา น้นั
• สาํ หรับระบบทมี่ ีการดําเนินกระบวนการอยางชา ๆ เชน การกด กาซในชุดกระบอกสูบอยางชา ๆ โดยเพม่ิ แรงกดทีละนอ ย จะทําให ภายในระบบมกี ารเปลี่ยนแปลงทลี ะนอย สงผลใหค ุณสมบัตภิ ายใน ระบบยงั คงเหมือนกันทวั่ ทั้งระบบ ดังนน้ั จงึ สามารถวัดคณุ สมบัติท่ี สภาวะตาง ๆ ในขณะดาํ เนินกระบวนการได กระบวนการลกั ษณะน้ี เรียกวา กระบวนการสมดุลควอไซ (quasi-equilibrium process) หรอื กระบวนการเสมอื นสมดุล
กระบวนการสมดุลควอไซ เปน เพยี งกระบวนการในทางอดุ มคติ (ideal process) ที่ถูกกาํ หนด ข้นึ ในทางทฤฎเี ทา น้นั
กระบวนการและวฎั จักร วัฏจักร (cycles) หมายถึง การเกดิ กระบวนการจากสภาวะเร่ิมตน โดย ระบบดําเนนิ การผา นสภาวะตา ง ๆ แลว สามารถกลบั สสู ภาวะเร่มิ ตนได อีก โดยเมื่อระบบกลบั สูส ภาวะเร่มิ ตน คณุ สมบัตขิ องระบบจะตอง เหมือนกับคณุ สมบตั เิ รม่ิ ตนเดมิ ทกุ ประการ ดงั รปู
1.8 กฎขอทีศ่ ูนยข องเทอรโ มไดนามกิ ส (The Zeroth Law of Thermodynamics) เม่อื วัตถุสองชิน้ อยูในสมดลุ ความรอ นกบั วตั ถุชนิ้ ที่สาม แสดงวา วัตถทุ ั้งสองชิ้นอยูใ นสมดลุ ความรอ นตอ กนั ดวย แมวัตถทุ ั้งสองจะ ไมไ ดส มั ผสั กันและกนั ถา C = A และ C = B แลว ดงั นั้น A = B
สเกลอุณหภูมิ T (K) = T (oC) + 273.15 Lord Kelvin T (R) = T (oF) + 459.67 William Rankine T (oF) = 1.8 T (oC) + 32 G.Fahrenheit A. Celsius
สเกลอุณหภมู ิ
1.9 ความดัน (Pressure : P) •ความดนั หมายถงึ แรงท่ีกระทาํ ตอ่ หน่วยพืน้ ท่ี •สาํ หรบั ของไหลท่ีอยนู่ ่ิง ความดนั จะเทา่ กนั ทกุ ทิศทาง โดยคา่ ความดนั จะขนึ้ อยกู่ บั ความลกึ หรอื ความสงู ของ ๆ ไหลซง่ึ เป็นผลจาก นา้ํ หนกั ของ ๆ ไหล กลา่ วคอื ของไหลท่ีอยดู่ า้ นลา่ งจะมีความดนั มากกวา่ ของไหลท่ีอยดู่ า้ นบน ดงั รูป
•ในกรณีทส่ี ารทาํ งานเปน กา ซ สามารถสรปุ ไดวาความดนั ของดัน ของกาซจะเทากนั ในทกุ ๆ จุด โดยไมมีผลของความสูงหรอื ความลกึ มาเกย่ี วขอ ง
ความดนั นิยมใชห้ นว่ ย Pa แตส่ าํ หรบั งานทางวิศวกรรมโดยท่วั ๆ ไป หน่วยท่ีนิยมใชย้ งั คงมีอกี หลายหนว่ ย ดงั นี้ • หนว่ ย SI : Pa ( 1 Pa = 1 N/m2 ) • หน่วยบาร์ : bar (1 bar = 105 Pa = 0.1 MPa = 100 kPa) • หนว่ ยองั กฤษ : psi หรอื ปอนดต์ อ่ ตารางนิว้ ( 1 psi = 1 lb/in2 ) • หนว่ ยบรรยากาศมาตรฐาน : atm ( Standard Atmospheric Pressure) ( 1 atm = 1.01325 bar = 101,325 Pa = 14.696 psi = 760 mmHg )
ความดันสัมบูรณ (Absolute Pressure : P) ความดันสัมบูรณ (Pabs) หมายถงึ ความดันทวี่ ดั เทียบกบั ความดัน ศนู ย โดยสามารถคาํ นวณจากความดนั ประเภทตา ง ๆ ดงั นี้ • ความดนั บรรยากาศ (Atmospheric pressure : Patm) • ความดันเกจและความดันสญู ญากาศ (Gauge pressure and Vacuum presure : Pg , Pv) คอื ความดนั ท่ีอานไดจากเครือ่ งมือวดั น่ันเอง ซง่ึ อาจจะอา นไดส งู หรอื ตํ่ากวา ความดนั บรรยากาศก็ได
• ความดนั เกจและความดนั สญู ญากาศ 1. กรณีอา่ นได้ สงู กวา่ ความดนั บรรยากศเรยี กวา่ ความดนั เกจ 2. กรณีอา่ นได้ ต่าํ กวา่ ความดนั บรรยากาศเรยี กวา่ ความดนั สญู ญากาศ
การคํานวณหา ความดนั สมั บูรณ ของระบบ สามารถแบง ออกเปนสองกรณีดังนี้ 1. กรณคี วามดนั ของระบบ สงู กวา ความดันบรรยากาศ Pabs = Patm + Pgage 2. กรณคี วามดนั ของระบบ ต่ํากวา ความดันบรรยากาศ Pabs = Patm - Pvac
• Pabs = Patm + Pgage • Pabs = Patm - Pvac
1.11 เครือ่ งมอื วดั ความดนั (Pressure Apparatus) เครอ่ื งมือวดั ความดนั ท่ีนิยมใชโ้ ดยท่วั ไปแบง่ ออกเป็น 2 ชนิด คอื 1. มาโนมเิ ตอร์ (Manometer) เป็นเครอ่ื งมือวดั ความดนั ของ ของเหลวและแก๊ซ มีลกั ษณะเป็นหลอดรูปตวั ยู ภายในบรรจุ ของเหลว เชน่ ปรอท นา้ํ ดงั รูป
Search
