เอกสารประกอบการสอน วิชาเทอร์โมไดนามิกส์ รหัส 30101-2002 หน่วยที่ 4 พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ครูสุเนตร พรหมขุนทอง (วศ.ม. วิศวกรรมเครื่องกล) วท.ชุมพร
แผนการจัดการเรยี นร้ทู ่ี ๔ สอนครง้ั ท่ี ๔ เร่อื ง พลังงานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์
แผนการจดั การเรียนรู้ท่ี ๔ เวลาเรียนรวม ๕๔ ชั่วโมง ช่ือวิชา. ช่างยนต์ สอนคร้ังท่ี ๖-๗ ชื่อหน่วย พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ชื่อเรื่อง พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ จานวน ๖ ช่ัวโมง หัวข้อเรือ่ ง 1. ความหมายของพลงั งาน 2. พลงั งานตา่ งๆในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ 3. เอนทลั ปี 4. พลงั งานไหลอยา่ งสม่าเสมอ 5. พลงั งานไมไ่ หล สาระสำคญั พลงั งาน หมายถึง ความสามารถของวตั ถุ หรือ สารใดๆในการท่ีจะทางานได้ ซ่ึงพลงั งานมีหลาย รูปแบบ สาหรับพลงั งานท่ีเก่ียวขอ้ งและนามาใช้ในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ประกอบด้วยพลงั งาน ต่างๆ ดงั น้ี คือ พลงั งานศกั ย์ พลงั งานจลน์ งาน ความร้อน พลงั งานภายใน พลงั งานการไหล และเอนทลั ปี สมรรถนะหลกั (สมรรถนะประจำหนว่ ย) แสดงความรู้เก่ียวกบั พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ สมรรถนะย่อย (สมรรถนะการเรยี นรู้) สมรรถนะทว่ั ไป (ทฤษฏี) ๑. แสดงความรูเ้ ก่ียวกับพลังงาน พลังงานศักดิ์ พลงั งานจลน์ ๒. แสดงความร้เู กี่ยวกับความร้อน ๓. แสดงความรเู้ กี่ยวกับ งาน ๔. แสดงความรเู้ กีย่ วกับพลงั งานการไหลหรอื พลงั งานแทนท่ี ๕. แสดงความรู้เกีย่ วกับเอนทัลปี้ ๖. แสดงความรู้เกย่ี วกับ เอนโทรปี้ สมรรถนะทพี่ ึงประสงค์ (ทฤษฏี) เมื่อผเู้ รยี นได้ศึกษาเนื้อหาในบทน้ีแล้ว ผู้เรียนสามารถ ๑. อธบิ ายความรู้เกยี่ วกบั พลงั งาน พลังงานศักด์ิ พลงั งานจลน์ ๒. อธบิ ายความรูเ้ ก่ยี วกับความร้อน ๓. อธบิ ายความรู้เกยี่ วกับงาน ๔. อธบิ ายความร้เู ก่ยี วกับพลงั งานการไหลหรอื พลงั งานแทนท่ี ๕. อธบิ ายความรู้เกย่ี วกับเอนทลั ป้ี ๖. อธบิ ายความรู้เกย่ี วกับเอนโทรป้ี
แผนการจัดการเรียนรู้ท่ี ๔ เวลาเรียนรวม ๕๔ ช่ัวโมง ช่ือวิชา. ช่างยนต์ สอนคร้ังที่ ๖-๗ ชื่อหน่วย พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ จานวน ๖ ชั่วโมง ชื่อเรื่อง พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ กจิ กรรมการเรียนการสอน ในการจดั การเรียนการสอนรายวิชาเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ ได้กำหนดกิจกรรมการเรยี นการสอนให้ ผเู้ รยี นเกิดการเรียนรูโ้ ดยใช้วิธีการจัดการเรยี นรฐู้ านสมรรถนะเชงิ รกุ (Active Learning Competency Based) ดา้ นเทคนิคการจดั การเรียนการสอนแบบ MAIP โดยมขี ั้นตอนในการดำเนินกิจกรรมการเรียนการ สอน ดงั น้ี กิจกรรมการเรียนการสอน (สอนครง้ั ที่ ๖ ) เวลา ๓ ชว่ั โมง/สปั ดาห์ ผสู้ อนชแ้ี จงรายละเอียดเกีย่ วกบั จุดประสงคร์ ายวชิ า สมรรถนะรายวิชา และ คำอธบิ ายรายวิชา การวดั และประเมนิ ผลการเรยี นรายวชิ า คณุ ลกั ษณะอันพึงประสงคข์ องรายวิชา และ ขอ้ ตกลงในการจัดการเรียนการสอนในรายวชิ า กจิ กรรมการเรียนการสอน (สอนครง้ั ที่ ๖ ) เวลา ๓ ชว่ั โมง/สปั ดาห์ ๑.ผสู้ อนแจ้งจุดประสงค์การเรยี นประจำสัปดาห์ และนำเข้าสู่บทเรยี น ๒.ผู้สอนถ่ายทอดความรใู้ นหนว่ ยท่ี ๔ เรือ่ ง พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ ๓.ผู้สอนแสดงตัวอย่างเกยี่ วกับหลักการและความหมายทางเทอร์โมไดนามิกส์ ๔.ผสู้ อนใหผ้ ้เู รยี นเขียนสรุปสาระสำคญั ของเร่ืองทีเ่ รียนประจำสปั ดาห์ กจิ กรรมการเรยี นการสอน (สอนคร้งั ท่ี ๗ ) เวลา ๒ ชวั่ โมง/สปั ดาห์ ๑.ผสู้ อนแจ้งจดุ ประสงค์การเรยี นประจำสปั ดาห์ และนำเข้าส้บู ทเรียน ๒.ผู้สอนถ่ายทอดความร้ใู นหนว่ ยท่ี ๔ พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ๓.ผู้สอนแสดงตัวอยา่ งเกีย่ วกับพลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ๔.ผู้สอนมอบหมายงานให้ผู้เรียนนำความรู้ความเข้าใจทเี่ กิดขนึ้ ไปใชใ้ นการทำแบบฝึกหดั ประจำหนว่ ยการ เรียนรู้ท่ี ๑ ๕.ผสู้ อนให้ผู้เรยี นเขียนสรปุ สาระสำคญั ของเร่ืองทเ่ี รยี นประจำสปั ดาห์ ๖.ผ้สู อนวดั ประเมนิ ผลการเรียนรูข้ องผู้เรียน
แผนการจดั การเรียนรู้ท่ี ๔ เวลาเรียนรวม ๕๔ ช่ัวโมง ชื่อวิชา. ช่างยนต์ สอนคร้ังท่ี ๖-๗ ชื่อหน่วย พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ จานวน ๖ ชั่วโมง ชื่อเรื่อง พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ สื่อการสอน ๑.เอกสารประกอบการสอน ๒.เอกสารประกอบการเรียน ๓.สื่อนาเสนอ PowerPoint ๔ สื่อออนไลน์ งานท่ีมอบหมาย/กิจกรรม ใหน้ กั เรียนทาแบบฝึกเสริมทกั ษะทา้ ยหน่วยการเรียนท่ี ๑ การวดั และประเมินผล วิธีการ เครื่องมือ เกณฑ์ วดั ผล/ประเมินผล - ผา่ นเกณฑร์ ้อยละ ๖๐ - ทาแบบฝึกเสริมทกั ษะ - แบบฝึกเสริมทกั ษะทา้ ย ๑.สมรรถนะท่ีพึงประสงค์ - ผา่ นเกณฑร์ ้อยละ ๘๐ ทา้ ยหน่วย หน่วย ๒.คณุ ลกั ษณะอนั พงึ ประสงค์ (Attitude) - ประเมินคณุ ลกั ษณะอนั พงึ - แบบประเมินคุณลกั ษณะ ประสงค์ อนั พงึ ประสงค์
รหัสวชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หนว่ ยที่ ๔ หนว่ ยที่ ๔ ชื่อวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ หน่วยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ช่ือหน่วย พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชวั่ โมง หน่วยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ พลงั งาน (Energy) พลงั งาน หมายถึง ความสามารถของวตั ถุ หรือ สารใดๆในการท่ีจะทางานได้ ซ่ึงพลงั งานมีหลาย รูปแบบ สาหรับพลงั งานท่ีเก่ียวขอ้ งและนามาใชใ้ นระบบเทอร์โมไดนามิกส์ประกอบดว้ ยพลงั งาน ตา่ งๆดงั น้ี คือ 1. พลงั งานศักย์ (Potential Energy) พลงั งานศกั ย์ คอื พลงั งานที่เก่ียวขอ้ งกบั ความสูงเป็นสิ่งที่สะสม หรือ แฝงอยใู่ นวตั ถุหรือสารซ่ึงอยู่ ในตาแหน่งพร้อมที่จะใหพ้ ลงั งานออกมา หรือคอื พลงั งานท่ีเกิดจากแรงโนม้ ถ่วงของโลกนนั่ เอง เมื่อวตั ถมุ ี การเปลี่ยนตาแหน่งพลงั งานศกั ยก์ ็จะเปลี่ยนแปลงไปดว้ ย เช่น วตั ถวุ างบนที่สูง จะมีพลงั งานศกั ยแ์ ฝงอยใู่ น วตั ถนุ ้นั คา่ หน่ึงตามความสูง ถา้ ตกลงมาบนพ้นื ดินพลงั งานศกั ยก์ จ็ ะหมดไป คือ พลงั งานศกั ยเ์ ป็นศูนย์ เนื่องจากไม่มีความสูงหรือระยะทาง หรือ น้าตก ก่อนท่ีจะตกลงมา ถือวา่ มีพลงั งานศกั ยม์ ากกวา่ น้าท่ีอยรู่ ะดบั ต่ากวา่ ดงั น้นั น้าซ่ึงอยทู่ ่ีสูงจึงพร้อมที่จะไหลลงมาสู่ท่ีต่าอยตู่ ลอดเวลา ความสูง 2 ความสูง1 รูปท่ี 4-1 แสดงลกั ษณะของพลงั งานศกั ย์
รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรูห้ นว่ ยที่ ๔ หน่วยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ ชื่อหน่วย พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ หนว่ ยที่ ๔ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ช่ัวโมง สูตรการหาค่าพลงั งานศักย์ PE = mgz เม่ือ PE คือ พลงั งานศกั ย์ (Potential Energy)(J) m คอื มวล (kg) g คอื แรงโนม้ ถว่ ง (m/s2) z คอื ความสูง (m) 2. พลงั งานจลน์ (Kinetic Energy) พลงั งานจลน์ คือ พลงั งานที่เกี่ยวขอ้ งกบั ความเร็วเสมือนสิ่งท่ีสะสมอยใู่ นวตั ถถุ า้ วตั ถเุ คลื่อนท่ีมี ความเร็วมากแสดงวา่ มีพลงั งานจลนส์ ะสมอยมู่ าก ความเร็วนอ้ ยแสดงวา่ มีพลงั งานจลน์อยนู่ อ้ ย เราจะสังเกต พลงั งานจลน์วา่ มากหรือนอ้ ยจากงานที่วตั ถนุ ้นั ทาได้ เช่น การใชค้ อ้ นท่ีมีความเร็วสูงตอกตะปู จะเห็นไดว้ า่ ตะปูลงไปในเน้ือไมไ้ ดล้ ึกกวา่ ใชค้ อ้ นที่มีความเร็วต่า แสดงวา่ คอ้ นท่ีมีความเร็วสูง มีพลงั งานมากกวา่ คอ้ นที่มี ความเร็วต่า หรือวตั ถุเคลื่อนท่ีดว้ ยความเร็วมากกจ็ ะมีพลงั งานจลนม์ ากเช่นกนั รูปที่ 4-2 แสดงลกั ษณะของพลงั งานจลน์ สูตรการหาค่าพลงั งานจลน์ 1 KE = 2 mv2 เมื่อ KE คือ พลงั งานจลน์ (Kinetic Energy)(J) m คือ มวล (kg) v คือ ความเร็ว (m/s)
รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความร้หู น่วยที่ ๔ หน่วยท่ี ๔ ช่ือวิชา. เทอร์โมไดนามิกส์ หน่วยที่ ๔ พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ ช่ือหนว่ ย พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ จำนวน ๖ ชวั่ โมง 3. ความร้อน (Heat) ความร้อน คอื พลงั งานท่ีเก่ียวขอ้ งกบั อุณหภมู ิซ่ึงสามารถถ่ายเทจากวตั ถุหรือสิ่งแวดลอ้ มท่ีมีอณุ หภมู ิ สูงกวา่ ไปยงั วตั ถหุ รือส่ิงแวดลอ้ มที่มีอณุ ภูมิต่ากวา่ พลงั งานหลายชนิดเปลี่ยนรูปมาจากความร้อน หรือ ความ ร้อนเปล่ียนไปตามพลงั งานอื่นก็ได้ ความร้อนเขา้ ไปหรือออกจากสารต่างๆได้ แต่จะเห็นไดว้ า่ แมส้ ารตา่ งๆจะ ไดร้ ับความร้อนเพ่มิ มากข้นึ ก็ไมไ่ ดท้ าใหน้ ้าหนกั ของสารน้นั เพิ่มข้ึนเลย ถา้ เราตม้ น้า น้าจะร้อนข้ึนเร่ือยๆ เพราะน้าไดร้ ับความร้อนจากเตาไฟ แตถ่ า้ เรานาน้าร้อนน้นั ลงจากเตาไฟ และต้งั ทิ้งไวน้ านๆน้ากจ็ ะเยน็ ลง เพราะน้าคายความร้อนออกสู่อากาศรอบๆ รุปท่ี 4-3 แสดงพลงั งานความร้อนท่ีถ่ายเท สูตรการหาค่าความร้อน Q = mC(T2-T1) หรือ Q = mC T เมื่อ Q คือ ความร้อนท่ีถ่ายเท (J) C คือ ความจุความร้อนจาเพาะ(kJ/kg-K) T คือ ผลตา่ งของอุณหภูมิสุดทา้ ยกบั อุณหภมู ิเริ่มตน้ (K) T1 คือ อณุ หภูมิเริ่มตน้ (K) T2 คือ อณุ หภมู ิสุดทา้ ย(K)
รหสั วิชา ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรหู้ นว่ ยท่ี ๔ หนว่ ยท่ี ๔ ช่ือวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ ชื่อหน่วย พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ หน่วยท่ี ๔ พลังงานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชว่ั โมง 4. งาน (Work) งาน คอื ผลที่เกิดจากแรงมากระทาใหว้ ตั ถุเคล่ือนท่ีตามแนวแรงซ่ึงถือเป็นพลงั งานรูปหน่ึง และทาง เทอร์โมไดนามิกส์ถือวา่ พลงั งานท่ีถ่ายเทระหวา่ งระบบสิ่งแวดลอ้ มโดยมีสาเหตุจากปรากฏการณ์ใดๆที่ไมใ่ ช่ ความแตกต่างอุณหภมู ิจะถือวา่ เป็นพลงั งานในรูปของงาน แรง งาน ระยะทาง รูปที่ 4-4 แสดงลกั ษณะการเกิดงานเนื่องจากการกระทาของแรง สูตรการหาค่างาน 1. เมื่อพิจารณาในทางกลถา้ มีแรงมากระทากบั วตั ถุแลว้ เกิดการเคลื่อนที่ในทิศทางของแรง จะไดส้ ูตรคือ W = FS เม่ือ W คือ งาน (J) F คอื แรง (N) S คอื ระยะทาง (m) 2. เมื่อพจิ ารณาในทางเทอร์โมไดนามิกส์ซ่ึงเป็นความสัมพนั ธ์ระหวา่ งความดนั และการเปล่ียนแปลง ของปริมาตรจะไดส้ ูตรคือ W = P(V2-V1) เมื่อ W คือ งาน (J) P คอื ความดนั (N/m2) V2 คือ ปริมาตรสุดทา้ ย(m3) V1 คือ ปริมาตรเริ่มตน้ (m3)
รหัสวชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หน่วยที่ ๔ หนว่ ยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ หนว่ ยที่ ๔ พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ ชื่อหน่วย พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชัว่ โมง 5. พลงั งานภายใน (Internal Energy) U พลงั งานภายใน คอื พลงั งานท่ีเก่ียวขอ้ งกบั การเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลของสารน้นั เอง ซ่ึงไม่ สามารถมองเห็นไดแ้ ละพลงั งานภายในจะข้ึนอยกู่ บั อุณหภมู ิของสารโดยตรง นอกจากน้ีแรงยึดของโมเลกุล ก็มีผลต่อพลงั งานภายในน้ีดว้ ย เราจะเห็นวา่ ของเหลวและของแข็งมี แรงยดึ เหนียวระหวา่ งโมเลกุลมาก การเคลื่อนที่ของโมเลกลุ จึงนอ้ ยพลงั งานภายในจึงนอ้ ยดว้ ย ส่วนกา๊ ซมีการ ยดึ เหนียวระหวา่ งโมเลกุลนอ้ ย การเคลื่อนท่ีของโมเลกลุ จะมากพลงั งานภายในจึงมาก เม่ือพิจารณาความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานภายในกบั ความร้อนแลว้ จะเห็นวา่ ความร้อนและพลงั งาน ภายในท้งั สองอยา่ งน้ีต่างเป็นพลงั งานคนละชนิด แตก่ ม็ ีความสัมพนั ธ์กนั อยา่ งมาก เช่น เมื่อเราถ่ายเทความ ร้อนใหแ้ ก่สารใด ก็จะทาใหพ้ ลงั งานภายในของสารน้นั เพ่ิมข้ึนดว้ ย แต่ถา้ เราทาใหค้ วามร้อนภายในสาร ถา่ ยเทออกมา จะทาใหพ้ ลงั งานภายในของสารลดลงเช่นเดียวกนั รูปท่ี 4-5 แสดงลกั ษณะการเปลี่ยนแปลงพลงั งานภายในจากการเคลื่อนท่ีของอะตอม สูตรการหาค่าพลงั งานภายใน 1. เมื่อพิจารณาการเคลื่อนท่ีของอะตอมและโมเลกลุ ของสารซ่ึงทาใหเ้ กิดการเปลี่ยนแปลงของ อณุ หภมู ิจะไดส้ ูตรคือ u = mCv(T2-T1) เม่ือ u คือ พลงั งานภายใน(J/kg)
รหัสวิชา ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หนว่ ยท่ี ๔ หนว่ ยท่ี ๔ ช่ือวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ หน่วยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ ช่ือหนว่ ย พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ จำนวน ๖ ชั่วโมง Cv คอื ค่าความจุความร้อนจาเพาะเมื่อปริมาตรคงที่ (J/kg-K) T1 คอื อณุ หภมู ิเร่ิมตน้ (K) T2 คอื อณุ หภมู ิสุดทา้ ย(K) 2. เม่ือพิจารณาจากความสัมพนั ธข์ องความร้อนและงานจะไดส้ ูตรคอื u = Q-W เมื่อ u คือ ผลตา่ งของพลงั งานภายใน = u2-u1(J/kg) u2 คือ พลงั งานภายในที่จุดสุดทา้ ย(J/kg) u1 คอื พลงั งานภายในที่จุดเริ่มตน้ (J)/kg Q คือ ความร้อน (J/kg) W คือ งาน (J/kg) 6. พลงั งานการไหลหรือพลงั งานแทนที่ (Flow or Displacement Energy) พลงั งานการไหลหรือพลงั งานแทนท่ี คือ พลงั งานที่เกิดจากการไหลหรือเคล่ือนที่ของสารทางานโดย ทาใหเ้ กิดการแทนที่ของปริมาตรของของไหลท่ีเขา้ ไปหรือออกมาจากระบบดว้ ยขนาดเท่ากบั ตวั มนั เองเพอ่ื จะ ไดเ้ ขา้ ไป หรือ ออกมาจากระบบไดแ้ ลว้ แต่กรณี มวลท่ีถกู แทนที่จะตอ้ งทางานบนมวลที่กาลงั ถกู แทนที่น้นั เพราะวา่ การเคลื่อนการไหลของมวลใดๆจะเกิดข้ึนไดจ้ ะตอ้ งสิ้นเปลืองงานนอกจากน้นั จะตอ้ งมีความดนั คา่ หน่ึงมากระทากบั ปริมาตรเพื่อใหเ้ กิดการไหลไดด้ ว้ ย ทางออก ทางเขา้ รูปท่ี 4-6 แสดงลกั ษณะการเกิดพลงั งานการไหล
รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความร้หู น่วยที่ ๔ หน่วยท่ี ๔ ชื่อวิชา. เทอร์โมไดนามิกส์ หนว่ ยที่ ๔ พลังงานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ ช่ือหน่วย พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ จำนวน ๖ ชั่วโมง สูตรการหาค่าพลงั งานการไหล FE = PV เมื่อ FE คือ พลงั งานการไหล (Flow or Displacement Energy)(J/kg) P คือ ความดนั (N/m2) V คอื ปริมาตรจาเพาะ( m3/kg) 7. เอนทลั ปี (Enthalpy) เอนทลั ปี คือ พลงั งานรูปแบบหน่ึงหรืออาจกล่าวไดว้ า่ เป็นความร้อนท้งั หมดท่ีเกิดข้ึนกบั วตั ถุหรือ สารทางานไมว่ า่ จะมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภมู ิหรือไม่ก็ตาม ท้งั น้ีเกิดจากผลบวกของพลงั งานภายในกบั พลงั งานเน่ืองจากไหล ถา้ พิจารณาคา่ เอนทลั ปี จะเป็นคุณสมบตั ิอยา่ งหน่ึงของของไหล เพราะเป็นคา่ ท่ีอยใู่ น วตั ถุหรือสารทางาน และในขณะเดียวกนั พลงั งานภายในและพลงั งานเน่ืองจากการไหลก็เป็นคณุ สมบตั ิของ การไหลดว้ ย ซ่ึงจะตา่ งจากความร้อนเนื่องจากความร้อนเกิดจากกระบวนการถ่ายเทไม่ใช่ส่ิงท่ีอยใู่ นวตั ถุหรือ สารทางาน เมื่อไม่มีกระบวนการถา่ ยเทกจ็ ะไม่มีการถา่ ยเทความร้อน ดงั น้นั ความร้อนจึงไม่เป็นคณุ สมบตั ิ การคานวณหาค่าเอนทัลปี สูตรท่ีใชใ้ นการคานวณหาค่าเอนทลั ปี ของของการไหลทว่ั ไปคือ h = u + Pv เม่ือ h คือ เอนทลั ปี (J/kg) P คือ ความดนั (N/m2) u คอื พลงั งานภายในจาเพาะ (J/kg) v คอื ปริมาตรจาเพาะ (m3/kg) 8. เอนโทรปี (entropy) เอนโทรปี คือ ปริมาณที่บอกถึงความไม่เป็นระเบียบหรือความสุ่มของระบบ ยง่ิ ระบบมีความไม่เป็น ระเบียบสูง เอนโทรปี ก็จะยงิ่ มีคา่ สูง แต่ถา้ ระบบมีความไม่เป็นระเบียบนอ้ ย เอนโทรปี กจ็ ะยงิ่ มีคา่ ต่า ซ่ึงเราไม่ มีวธิ ีที่จะหาเอนโทรปี สัมบรู ณ์ (absolute entropy) ของสารใดๆ ได้ แต่เราจะใชเ้ อนโทรปี มาตรฐาน (standard
รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรหู้ น่วยที่ ๔ หนว่ ยท่ี ๔ ชื่อวิชา. เทอร์โมไดนามิกส์ ชื่อหนว่ ย พลังงานทางเทอร์โมไดนามิกส์ หนว่ ยท่ี ๔ พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชั่วโมง entropy) เขา้ มาช่วย โดยเอนโทรปี จะมีคา่ ข้นึ อยกู่ บั ท้งั เอนทลั ปี (H) และอณุ หภมู ิ ดงั ความสัมพนั ธใ์ นสมการ s = H/T เมื่อ s คือ คา่ เอนโทรปี ท่ีเปลี่ยนแปลง H คือ ค่าเอนทลั ปี ท่ีเปล่ียนแปลง T คือ อณุ หภูมิ ตวั อย่างที่ 4-1 วตั ถุชิ้นหน่ึงมีมวล 1 kg อยสู่ ูงจากระดบั อา้ งอิง 3 m ถา้ g = 9.78 m/s2 จงคานวณหาค่า พลงั งาน ท่ีสะสมในวตั ถุและบอกดว้ ยวา่ เป็นพลงั งานอะไร วธิ ที า จากโจทยก์ าหนดค่าความสูงของวตั ถุดงั น้นั พลงั งานท่ีสะสม คอื พลงั งานศกั ย์ จากสูตร PE = mgz m = 1 kg z =3m g = 9.78 m/s2 แทนคา่ PE = 1 kg 9.78 m/s2 3 m = 29.34 J /kg ตอบ ตัวอย่างท่ี 4-2 สารทางานมวล 1 kg ไหลเขา้ สู่ระบบดว้ ยความเร็ว 4 m/s ดว้ ยความดนั 50 N/m2 ปริมาตร 0.6 m3/kg ถามวา่ มีพลงั งานอะไรเกิดข้ึนบา้ งและปริมาณเทา่ ไร วิธีทา จากโจทยก์ าหนดค่าความเร็ว จึงเกิดพลงั งานจลน์ และกาหนดค่าความดนั และปริมาตร จึงเกิดพลงั งานการไหล จากสูตร KE = 1 mv2 2 m = 1 kg c = 4 m/s KE = 1 1(42) ตอบ 2 = 8 J/kg
รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรหู้ น่วยท่ี ๔ หนว่ ยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ หน่วยที่ ๔ พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ ชื่อหนว่ ย พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ จำนวน ๖ ช่วั โมง และจากสูตร FE = Pv P = 50 N/m2 v = 0.6 m3/kg FE = 50 N/m20.6 m3/kg = 30 J/kg ตอบ ตวั อย่างท่ี 4-3 จากตวั อยา่ ง 2 ถา้ ค่าความจุความร้อนเมื่อความดนั คงที่ = 220 J/kg-K และอณุ หภูมิเริ่มตน้ 40°C และอุณหภูมิสุดทา้ ย 80°C จงหาคา่ พลงั งานภายใน และคา่ เอนทลั ปี วธิ ที า จากสูตร u = mCv(T2-T1) m = 1 kg Cv = 220 J/kg-K T2 = 80+273 =353 K T1= 40+273 = 313 K แทนค่า u = 1kg 220 J/kg-K (353-313) = 8800 J/kg และ h = u+Pv = 8800 J/kg +30 J/kg = 8830 J/kg ตอบ กฎข้อที่หนึง่ ของเทอร์โมไดนามกิ ส์ กฎขอ้ ท่ีหน่ึงของเทอร์โมไดนามิกส์จะกล่าวถึงการทรงตวั ของพลงั งาน คือ “พลงั งานตา่ งๆไม่ สามารถสร้างข้ึนหรือทาลายได้ แตส่ ามารถเปลี่ยนเป็ นพลงั งานอยา่ งอ่ืนได”้ ซ่ึงจากหลกั การดงั กลา่ วจึงนาไป ประยกุ ตใ์ ชก้ บั วฏั จกั รตา่ งๆทางเทอร์โมไดนามิกส์ไดโ้ ดยสรุปคอื ถา้ พิจารณาในระบบปิ ดเม่ือระบบทางาน ครบวฏั จกั รแลว้ ผลรวมทางพีชคณิตของงานจะเท่ากบั ผลรวมทางพชี คณิตของความร้อนเป็นตน้
รหัสวชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หน่วยที่ ๔ หนว่ ยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอรโ์ มไดนามิกส์ ช่ือหนว่ ย พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ หนว่ ยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชั่วโมง ความสัมพนั ธ์ระหว่างพลงั งานและระบบทางเทอร์โมไดนามิกส์ จากที่กลา่ วมาแลว้ วา่ ระบบทางเทอร์โมไดนามิกส์โดยทวั่ ไปจะเป็นระบบเปิ ดและระบบปิ ดซ่ึงท้งั สอง ระบบจะเกี่ยวขอ้ งกบั พลงั งานในรูปแบบต่างๆดงั น้ี พลงั งานกบั ระบบเปิ ดหรือระบบทไ่ี หลอย่างสมา่ เสมอ ระบบเปิ ดหรือระบบที่ไหลอยา่ งสม่าเสมอ คอื ระบบท่ีสารทางานไหลเขา้ และไหลออกจากระบบ เช่นป๊ัมลม ระบบปรับอากาศ ซ่ึงจะมีทางไหลเขา้ และทางไหลออกของสารทางาน ดงั น้นั จะเกิดพลงั งาน หลายๆพลงั งานเขา้ มาเกี่ยวขอ้ ง เช่น มีคา่ ความสูง ความเร็ว ความดนั ปริมาตร พลงั งานภายใน ความร้อน และ งาน หรือเอนทลั ปี เมื่อค่าต่างๆ ท่ีทางเขา้ และทางออกไม่เท่ากนั ก็จะตอ้ งนาพลงั งานเหลา่ น้นั มาคดิ ดว้ ยเสมอ ไป แต่ถา้ คา่ ตา่ งๆ ที่ทางเขา้ และทางออกมีคา่ เทา่ กนั หรือไม่ไดก้ าหนดมาใหก้ ไ็ มต่ อ้ งนาพลงั งานเหล่าน้นั มาคิด ดว้ ย การถา่ ยเท ความรอ้ น ทางเขา้ ทางออก รูปท่ี 4-7 แสดงการไหลเขา้ ของสารทางานในระบบเปิ ด จากหลกั การอนุรักษพ์ ลงั งานท่ีกล่าววา่ พลงั งานท่ีไหลเขา้ ในระบบ = พลงั งานที่ไหลออกจากระบบ จะไดส้ มการของพลงั งานไหลอยา่ งสม่าเสมอเมื่อคิดต่อสารมวล 1 kg คือ gZ1 + 1 (c1)2 + u1 + P1v1 + Q = gZ2 + 1 (c2)2 + u2 + P2v2 + W 22
รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หน่วยที่ ๔ หน่วยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอร์โมไดนามิกส์ ชื่อหนว่ ย พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ หน่วยที่ ๔ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชัว่ โมง เม่ือ u1 คือ พลงั งานภายในจาเพาะทางเขา้ (J/kg) v1 คือ ปริมาตรจาเพาะทางเขา้ (m3/kg) u2 คอื พลงั งานภายในจาเพาะทางออก (J/kg) v2 คอื ปริมาตรจาเพาะทางออก (m3/kg) ตัวอย่างที่ 4-4 สารทางานมวล 1kg ไหลเขา้ ระบบอยา่ งสม่าเสมอท่ีทางเขา้ มีความสูงจากระดบั อา้ งอิง 5 m ความเร็ว 20 m/s ความดนั 2000 N/m2 ปริมาตรจาเพาะ 0.3 m3/kg พลงั งานภายในจาเพาะ 8000 J/kg ระหวา่ งไหลเขา้ ระบบไดใ้ ส่ความร้อนใหก้ บั สารทางาน 15000 J หลงั จากน้นั ออกจากระบบ ที่ทางออก มีความสูงจากระดบั อา้ งอิง 2 m ความเร็ว 10 m/s ความดนั 900 N/m2 ปริมาตรจาเพาะ 0.1 m3/kg พลงั งานภายในจาเพาะ 3000 J/kg จงคานวณหางานท่ีเกิดข้ึนจากการไหลของสารทางานผา่ นระบบน้ี วธิ ีทา พจิ ารณาจากโจทยไ์ ดบ้ อกคา่ ท่ีเก่ียวขอ้ งกบั พลงั งานต่างๆมาทุกตวั ดงั น้นั จะตอ้ งนาพลงั งานท่ีเกี่ยวขอ้ ง ทกุ ตวั มาคานวณท้งั หมด จากสูตร และตอ้ งการหางานดงั น้นั ยา้ ยขา้ งสมการจะไดส้ ูตรคือ W = gZ1 + 1 (c1)2 + u1 + P1v1 + Q - gZ2 - 1 (c2)2 - u2 - P2v2 22 เม่ือ g = 9.78 m/s2 Z1 = 5 m c1 = 20 m/s P1 = 2000 N/m2 v1 = 0.3 m3 u1 = 8000 J/kg Q = 15000 J Z2 = 2 m C2 = 10 m/s P2 = 900 N/m2 v2 = 0.3 m3 u2 = 3000 J/kg แทนคา่ ได้ W = (9.785)+( 1 202) + 8000 + (20000.3) +15000 – (9.782) - 2 ( 1 102) – 3000 – (9000.1) 2 W = 20689.34 J/kg W = 20.8934 KJ/kg ตอบ
รหัสวชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หนว่ ยที่ ๔ หนว่ ยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอร์โมไดนามิกส์ ช่ือหน่วย พลงั งานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ หน่วยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ จำนวน ๖ ช่วั โมง พลงั งานกบั ระบบปิ ดหรือระบบทไ่ี ม่มีการไหล ระบบปิ ดหรือระบบที่ไม่มีการไหล คือ ระบบที่สารทางานอยู่ในระบบที่ไม่มีทางเขา้ และไม่มี ทางออก เช่น การทางานของกระบอกสูบในจงั หวะอดั หรือจงั หวะระเบิด ดังน้ันจะมีพลงั งานเพีงบางตวั เท่าน้ันท่ีมาเกี่ยวขอ้ ง เช่น พลงั งานภายใน งาน และความร้อน นอกน้นั จะไม่เกิดพลงั งานเน่ืองจากไม่มีค่า ความสูง ความเร็ว ความดนั หรือเอนทลั ปี ท่ีทางเขา้ และทางออกดงั น้นั จึงไม่ตอ้ งนาพลงั งานเหล่าน้นั มาคิด ดว้ ย ความร้อนถ่ายเทเขา้ ลกู สูบเลื่อนข้นึ หรือออก หรือลงได้ รูปรทูป่ี ท4-ี่18.1แสรดะงบลบกัปิษดหณระือกราะรบทบามงวาลนคขวอบงครุมะบบปิ ด สูตรสมการของพลงั งานในระบบปิ ดหรือระบบที่ไมB่มaีกsiาcรCไoหnลceคpือt of thermodynamics Q = Δu + W เมื่อ Q คอื ความร้อน (J/kg) Δu คือ ผลต่างพลงั งานภายในจาเพาะ = u2 –u1(J/kg) W คอื งาน (J/kg) ตัวอย่างที่ 4-5 สารทางานมวล 1 kg บรรจุในภาชนะปิ ด เมื่อพลงั งานภายในเร่ีมตน้ = 2500 J/kg หลงั จาก ระบายความร้อนออก = 1200 J/kg ทาใหพ้ ลงั งานภายในสุดทา้ ย = 1100 J/kg จงหาค่างานที่เกิดข้นึ วธิ ๊ทา จากสูตร Q = Δu + W ตอ้ งการหาค่างาน ดงั น้นั W = Q - Δu เม่ือ Q = -1200 J/kg (เน่ืองจากความร้อนระบายออกเครื่องหมายจึงเป็น -)
รหัสวชิ า ๓๐๑๐๑-๒oo๒ ใบความรู้หนว่ ยท่ี ๔ หน่วยที่ ๔ ช่ือวิชา. เทอร์โมไดนามิกส์ หน่วยท่ี ๔ พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ ช่ือหน่วย พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามิกส์ จำนวน ๖ ช่ัวโมง Δu = u2 –u1 ตอบ = 1100 -2500 J/kg = -1400 J/kg แทนค่า W = -1200 – (-1400) J/kg = 200 J/kg ไดง้ านจากระบบ(เน่ืองจากเครื่องหมายบวก) = 200 J/kg
แบบฝึกเสรมิ ทักษะหนว่ ยท่ี ๔ รหสั วชิ า ๓๐๑๐๑-๒๐๐๒ ช่ือวชิ า เทอรโ์ มไดนามิกส์ หนว่ ยที่ ๔ ช่ือหนว่ ย พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ หน่วยที่ ๔ พลงั งานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ชัว่ โมง หนว่ ยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ คาสั่ง ใหน้ กั ศึกษาแบ่งกลมุ่ เป็น 7 กลุ่ม เพ่ือสรุปเน้ือหาเรื่องพลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ กลุม่ ละ 1 เร่ือง โดยใหส้ รุปความเช่ือมโยงแบบแผนภมู ิกา้ งปลาแสดงลกั ษณะการเกิดของพลงั งาน สูตร และการคานวณใน แต่ละเร่ืองและนาเสนอ เร่ืองทีไ่ ด้รับมอบหมาย...................................................................................................................... สรุป ลกั ษณะการเกิดของพลงั งาน พลงั งาน วธิ ีการคานวณ ................. สูตร ... ชื่อ.........................................................................รหสั ประจาตวั .............................หอ้ ง.................... ชื่อ.........................................................................รหสั ประจาตวั .............................ห้อง.................... ช่ือ.........................................................................รหสั ประจาตวั .............................ห้อง.................... ชื่อ.........................................................................รหสั ประจาตวั .............................หอ้ ง.................... ช่ือ.........................................................................รหสั ประจาตวั .............................หอ้ ง.................... ชื่อ.........................................................................รหสั ประจาตวั .............................ห้อง....................
แบบฝกึ เสริมทักษะหน่วยท่ี ๔ รหัสวิชา ๓๐๑๐๑-๒๐๐๒ ช่ือวชิ า เทอร์โมไดนามิกส์ หน่วยท่ี ๔ ชื่อหนว่ ย พลงั งานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ หน่วยท่ี ๔ พลังงานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ จำนวน ๖ ช่วั โมง หน่วยท่ี ๔ พลังงานทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ คาส่ัง จงแสดงวิธีทาเพอื่ ใหไ้ ดค้ าตอบที่ถูกตอ้ งดา้ นล่างโจทยท์ ่ีกาหนดให้ 1.วตั ถุชิ้นหน่ึงอยสู่ ูงจากพ้ืนดิน 12 m มีค่าพลงั งานสะสมอยู่ 300 J อยากทราบวา่ วตั ถุชิ้นน้นั มีมวล เทา่ ไร 2. วตั ถุชิ้นหน่ึงมีมวล 1.5 kg อยสู่ ูงจากพ้ืน 5 m ตกลงมาดว้ ยความเร็ว 4m/s อยากทราบวา่ เกิด พลงั งานอะไรบา้ งและมีปริมาณเท่าไร 3. จงหาค่าของเอนทลั ปี เม่ือในกระบอกสูบมีปริมาตร 2.5 m3 โดยท่ีเกิดความดนั 0.5 KN/m2 ถา้ ในระบบน้ีมี พลงั งานภายในอยู่ 0.05 KJ/kg 4. น้ามวล 5 กิโลกรัม บรรจุในถงั ซ่ึงบดุ ว้ ยฉนวน เม่ือใหค้ วามร้อนแก่น้าจานวนน้ีทาให้น้ามีอณุ หภมู ิเพิ่มข้ึน จาก 50 ๐C เป็น 100 ๐C จงหาการเปล่ียนแปลงของพลงั งานภายในของน้าจานวนน้ี เม่ือ Cv ของน้า 4180 J/kg/K 5. สารทางานมวล 1kg ไหลเขา้ ระบบอยา่ งสม่าเสมอท่ีทางเขา้ มีความสูงจากระดบั อา้ งอิง 2 m ความเร็ว 80 m/s ความดนั 3000 N/m2 ปริมาตรจาเพาะ 0.2 m3/kgพลงั งานภายในจาเพาะ 10000 J/kg ระหวา่ งไหล เขา้ ระบบไดใ้ ส่ความร้อนใหก้ บั สารทางาน 25000 J หลงั จากน้นั ออกจากระบบท่ีทางออกมีความสูงจาก ระดบั อา้ งอิง 1 m ความเร็ว 8 m/s ความดนั 900 N/m2 ปริมาตรจาเพาะ 0.1 m3/kg พลงั งานภายในจาเพาะ 3000 J/kg จงคานวณหางานท่ีเกิดข้นึ ท้งั หมดจากการไหลของสารทางานผา่ นระบบน้ี 6. สารทางานมวล 1kg ไหลเขา้ ระบบอยา่ งสม่าเสมอท่ีทางเขา้ ดว้ ยความเร็ว 15 m/s เอนทลั ปี จาเพาะ15400 J/kg หลงั จากน้นั ออกจากระบบที่ทางออกดว้ ยความเร็ว 6 m/s ความดนั 1900 N/m2 ปริมาตรจาเพาะ 0.1 m3/kg พลงั งานภายในจาเพาะ 2000 J/kg ปรากฏวา่ ไดง้ านจากการไหล ของสารทางาน 18000 J/kg จง คานวณหาคา่ ความร้อนที่ถา่ ยเทของระบบน้ี
ภาคผนวก ส่ือการสอน (ถ้าม)ี ส่ือคอมพวิ เตอร์ประกอบเสียงบรรยาย หน่วยท่ี ๔ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามกิ ส์ พลงั งานทางเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics Energy) พลงั งาน (Energy) หมายถงึ ความสามารถของวตั ถุ หรือ สาร ใดๆในการท่ีจะทางานได้ ซ่ึงพลงั งานมหี ลายรูปแบบ สาหรับพลงั งานทเ่ี กย่ี วข้องและนามาใช้ในระบบเทอร์ โมไดนามิกส์ประกอบด้วยพลงั งานต่างๆหลายรูปแบบ 1 2 พลงั งานศักย์ สูตรการหาค่าพลงั งานศักย์ (Potential Energy) PE = mgz เม่ือ PE คือ พลงั งานศักย์ (Potential Energy)(J) คือ พลงั งานที่เกี่ยวขอ้ งกบั ความสูง เป็นสิ่งท่ีสะสมหรือแฝงอยใู่ นวตั ถุหรือสารซ่ึงอยู่ ในตาแหน่งพร้อมที่จะให้พลงั งานออกมา และเป็นพลงั งานที่เกิดจากแรงโนม้ ถ่วง m คือ มวล (kg) ของโลก เมื่อวตั ถุมีการเปล่ียนตาแหน่งพลงั งานศกั ยก์ ็จะเปล่ียนแปลงไปดว้ ย เช่น g คือ แรงโน้มถ่วง (m/s2) วตั ถุวางบนท่ีสูง จะมีพลงั งานศกั ยแ์ ฝงอยใู่ นวตั ถุน้นั ค่าหน่ึงตามความสูง ถา้ ตกลงมา z คือ ความสูง (m) บนพ้นื ดินพลงั งานศกั ยก์ ็จะหมดไป 4 ความสูงมาก สูตรการหาค่าพลงั งานจลน์ ความสูงนอ้ ย KE = 1/2 mV2 3 เมื่อ KE คือ พลงั งานจลน์ (Kinetic Energy)(J) m คือ มวล (kg) พลงั งานจลน์ V คือ ความเร็ว (m/s) (Kinetic Energy) พลงั งานจลน์ คือ พลงั งานทีเ่ ก่ยี วข้องกบั ความเร็ว เสมือนสิ่งทีส่ ะสมอยู่ในวตั ถุถ้าวตั ถุเคล่ือนทมี่ ีความเร็ว มากแสดงว่ามพี ลงั งานจลน์สะสมอยู่มาก ความเร็วน้อย แสดงว่ามีพลงั งานจลน์อยู่น้อย 5 6 ความร้อน สูตรการหาค่าความร้อน (Heat) Q = mC(T2-T1) หรือ Q = mC ᅀT เมื่อ Q คือ ความร้อนที่ถ่ายเท (J) ความร้อน คือ พลงั งานที่เก่ยี วข้องกบั อณุ หภูมซิ ึ่งสามารถ C คือ ความจุความร้อนจาเพาะ(J/kg/K) ถ่ายเทจากวตั ถุหรือสิ่งแวดล้อมทม่ี อี ณุ หภูมิสูงกว่าไปยงั T2 คือ อณุ หภูมสิ ุดท้าย(K) วตั ถุหรือสิ่งแวดล้อมท่ีมีอณุ ภูมิตา่ กว่า T1 คือ อณุ หภูมิเริ่มต้น(K) ความร้อนถ่ายเทเขา้ ᅀT คือ ผลต่างของอณุ หภูมิ 7 8
งาน สูตรหางาน (Work) งาน คือผลทเ่ี กดิ จากแรงมากระทาให้วตั ถุเคล่ือนท่ี 1. พจิ ารณาจากการกระทาของแรงจะได้สูตรคือ ตามแนวแรงซ่ึงถือเป็ นพลงั งานรูปหนึ่ง W = FS แรง เมื่อ W คือ งาน (J) งาน F คือ แรง (N) ระยะทาง S คือ ระยะทาง (m) 2. พจิ ารณาจากความดนั และการเปลยี่ นแปลงของปริมาตรจะได้สูตรคือ 9 W = Pค(ือVค2วา–มVดัน1()N/m2) พลงั งานภายใน เมื่อ P (Internal Energy) พลงั งานภายใน คือ พลงั งานที่เกี่ยวขอ้ งกบั การ V2 คือ ปริมาตรสุดท้าย(m3) เคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกลุ ของสารน้นั เองซ่ึงไม่ V1 คือ ปริมาตรเริ่มต้น(m3) สามารถมองไดแ้ ละพลงั งานภายในจะข้นึ อยกู่ บั อุณหภูมิ ของสารโดยตรง 10 11 สูตรการหาค่าพลงั งานภายใน พลงั งานการไหลหรือพลงั งานแทนท่ี u = mCv(T2-T1) (Flow or Displacement Energy) เม่ือ u คือ พลังงานภายใน(J/kg) พลงั งานการไหลหรือพลงั งานแทนท่ี คือ พลงั งานท่ี Cv คือ ค่าความจุความร้อนจาเพาะเมื่อปริมาตรคงที่ (J/kg/K) T1 คือ อุณหภูมเิ ร่ิมต้น(K) เกดิ จากการไหลหรือเคลื่อนทีข่ องสารทางานโดยทาให้เกดิ T2 คือ อุณหภูมิสุดท้าย(K) และ ᅀu = Q-W การแทนทขี่ องปริมาตรของของไหลทเี่ ข้าไปหรือออก เมื่อᅀ u คือ ผลต่างของพลังงานภายใน = u2-u1(J/kg) u2 คือ พลังงานภายในทจ่ี ุดสุดท้าย(J/kg) มาจากระบบ ทางออก u1 คือ พลงั งานภายในทจี่ ุดเริ่มต้น(J)/kg 12 สูตรการหาค่าพลงั งานการไหล FE = Pv เมื่อ FE คือ พลงั งานการไหล (Flow Energy)(J/kg) P คือ ความดนั (N/m2) v คือ ปริมาตรจาเพาะ(m3/kg ) ทางเขา้ 13 14 เอนทลั ปี (Enthalpy) สูตรการหาค่าเอนทัลปี เอนทัลปี คือ พลงั งานรูปแบบหนึ่งหรืออาจกล่าวได้ h = u + Pv ว่าเป็ นความร้อนท้งั หมดท่เี กดิ ขึน้ กบั วตั ถุหรือสารทางานไม่ เมื่อ h คือ เอนทลั ปี (J/kg) ว่าจะมีการเปล่ียนแปลงของอณุ หภูมิหรือไม่กต็ าม ท้งั นีเ้ กดิ จากผลบวกของพลงั งานภายในกบั พลงั งานเนื่องจากไหล P คือ ความดนั (N/m2) ถ้าพจิ ารณาค่าเอนทัลปี จะเป็ นคณุ สมบตั ิอย่างหน่ึงของของ u คือ พลงั งานภายในจาเพาะ (J/kg) ไหล เพราะเป็ นค่าทอี่ ยู่ในวตั ถุหรือสารทางาน v คือ ปริมาตรจาเพาะ (m3/kg) 15 16
ความสัมพันธ์ระหว่างพลงั งานและระบบทางเทอร์โมไดนามิกส์ กฎการทรงตัวของพลงั งาน พลังงานกบั ระบบเปิ ดหรือระบบทไ่ี หลอย่างสม่าเสมอ จากหลกั การอนุรักษ์พลงั งานทก่ี ล่าวว่า พลงั งานท่ไี หลเข้าในระบบ = พลงั งานทีไ่ หลออกจากระบบ ระบบเปิ ดหรือระบบทไ่ี หลอย่างสมา่ เสมอ คือ ระบบทสี่ ารทางานไหลเข้า และไหลออกจากระบบ เช่นปั๊มลม ระบบปรับอากาศ หรือแท๊งค์นา้ จะได้สมการของพลงั งานไหลอย่างสมา่ เสมอเมื่อคดิ ต่อสารมวล 1 kg คือ gz1+1/2c12+u1+P1v1+Q = gz2+1/2c22+u2+P2v2+W ทาง ทาง เข้า ออก 18 17 พลงั งานกบั ระบบปิ ดหรือระบบที่ไม่มีการไหล ระบบปิ ดหรือระบบทไ่ี ม่มกี ารไหล คือ ระบบท่ีสารทางานอยู่ใน ระบบทไี่ ม่มที างเข้าและไม่มที างออก ดังน้นั จะมพี ลงั งานเพยี ง บางตวั เท่าน้นั ท่มี าเกย่ี วข้อง เช่น พลงั งานภายใน งาน และความ ร้อน นอกน้นั จะไม่เกดิ พลงั งานเนื่องจากไม่มคี ่าความสูง ความเร็ว ความดนั หรือเอนทลั ปี ที่ทางเข้าและทางออกดังน้นั จึง ไม่ต้องนาพลงั งานเหล่าน้นั มาคดิ ด้วย จะได้สมการQ =u +W 19
Search
Read the Text Version
- 1 - 23
Pages: