อุณหพลศาสตร์ 1: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 8 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

กฎแก๊สอุดมคติ

กฎแก๊สอุดมคติ: pV = nRT
ค่าคงที่แก๊ส: R = 8.314 J/(mol·K)
กฎแก๊สรวม: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
โมล: n = m/M
อุณหภูมิ: T[K] = T[°C] + 273.15

สมดุลพลังงาน

ความร้อนสัมผัส: Q = ṁ·c_p·ΔT
ความร้อนแฝง: Q = ṁ·h_fg
การผสม: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
น้ำ: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

ประสิทธิภาพ: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
ประสิทธิภาพคาร์โนต์: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP ของตู้เย็น: COP_R = Q_C/W
COP ของปั๊มความร้อน: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
สมดุลพลังงาน: Q_H = W + Q_C

วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

ไอเซนโทรปิก อัตราส่วนปริมาตร: T₂/T₁ = r^k−1
ไอเซนโทรปิก อัตราส่วนความดัน: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
ประสิทธิภาพวัฏจักรออตโต: η = 1 − 1/r^k−1
ประสิทธิภาพวัฏจักรดีเซล: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
ประสิทธิภาพวัฏจักรเบรย์ตัน: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
ความร้อนที่เพิ่มเข้า: ออตโต: c_v(T₃ − T₂) ดีเซล เบรย์ตัน: c_p(T₃ − T₂)
งานสุทธิของวัฏจักรเบรย์ตัน: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
อากาศเย็น: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

2โจทย์ฝึก

1.กฎแก๊สอุดมคติปานกลาง

ถังขนาด 30 L บรรจุArปริมาณ 390 g ที่ 70 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ แล้วหาความดัน P

m = 390 gM = 39.95 g/molV = 30 LT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

2.กฎแก๊สอุดมคติยาก

หาความหนาแน่น ρ ของArที่ 650 kPa และ 90 °C โดยถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

M = 39.95 g/molP = 650 kPaT = 90 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.สมดุลพลังงานปานกลาง

ไกลคอลผสมร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก t_out

ṁ_h = 2.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.สมดุลพลังงานยาก

เอทานอลร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 15% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁ_c ที่ต้องใช้

ṁ_h = 2.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 70 °Ct: 10 → 80 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นปานกลาง

เครื่องยนต์ความร้อนรับความร้อนจากแหล่งที่ 750 °C และปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมที่ 20 °C ประสิทธิภาพเชิงความร้อนจริงของมันคือ 54% จงหาประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สอง η_II ซึ่งเป็นอัตราส่วนของประสิทธิภาพจริงต่อประสิทธิภาพคาร์โนต์

T_H = 750 °CT_L = 20 °Cη = 54%

η_II = %

6.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก

ปั๊มความร้อนส่งความร้อน 5.5 kW ให้ระบบทำความร้อนที่ 55 °C โดยดึงความร้อนจากแหล่งที่ 7 °C COP จริงของมันคือ 60% ของ COP คาร์โนต์ระหว่างอุณหภูมิเหล่านี้ จงหากำลังไฟฟ้า Ẇ ที่มันใช้

T_H = 55 °CT_L = 7 °Cη_II = 60%Q̇_H = 5.5 kW

Ẇ = kW

7.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สปานกลาง

วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 14 และอัตราส่วนตัดตอน r_c = v₃/v₂ = 1.8 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 300 K ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) และ c_v = 0.718 kJ/(kg·K) หาความร้อนที่เพิ่ม q_in ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

r = 14r_c = 1.8T₁ = 300 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สยาก

วัฏจักรเบรย์ตันอุดมคติทำงานด้วยอัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ 15 ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) และ c_v = 0.718 kJ/(kg·K) หาประสิทธิภาพเชิงความร้อน η เป็นเปอร์เซ็นต์

r_p = 15k = 1.4

η = %

3สารละลาย

1.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: P = 928.4 kPa

กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M

โมล

n = m/M = 390/39.95 = 9.762 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

ความดัน

P = nRT/V = 9.762·8.314·343.1/0.03 = 928.4 kPa

คำตอบ

P = 928.4 kPa

2.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: ρ = 8.601 kg/m³

ความหนาแน่นของแก๊สอุดมคติ: ρ = PM/(RT)

จัดรูปกฎแก๊สใหม่

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 90 + 273.15 = 363.1 K

ความหนาแน่น

ρ = 650·39.95/(8.314·363.1) = 8.601 kg/m³

คำตอบ

ρ = 8.601 kg/m³

3.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: t_out = 47.3 °C

สมดุลพลังงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: เมื่อไม่มีการสูญเสีย ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in)

ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก

Q = 2.5·3.6·(130 − 100) = 270 kW

ความร้อนที่น้ำรับไว้

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 270/(2·4.18) = 47.3 °C

คำตอบ

t_out = 47.3 °C

4.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: ṁ_c = 1.063 kg/s

สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย

ความร้อนที่ปล่อยออก

Q_h = 2.5·2.44·(130 − 70) = 366 kW

ความร้อนที่ถึงน้ำ

Q_c = (1 − 0.15)·366 = 311.1 kW

อัตราการไหลของน้ำ

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 311.1/(4.18·70) = 1.063 kg/s

คำตอบ

ṁ_c = 1.063 kg/s

5.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: η_II = 75.69 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T_H = 750 + 273.15 = 1023 K

T_L = 20 + 273.15 = 293.1 K

ประสิทธิภาพคาร์โนต์

η_Carnot = 1 − 293.1/1023 = 71.35 %

ประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สอง

η_II = η/η_Carnot = 54/71.35 = 75.69 %

คำตอบ

η_II = 75.69 %

6.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: Ẇ = 1.341 kW

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T_H = 55 + 273.15 = 328.1 K

T_L = 7 + 273.15 = 280.1 K

COP คาร์โนต์และ COP จริง

COP_max = 328.1/(328.1 − 280.1) = 6.836

COP = 0.6·6.836 = 4.102

กำลังที่ป้อนเข้า

Ẇ = Q̇_H/COP = 5.5/4.102 = 1.341 kW

คำตอบ

Ẇ = 1.341 kW

7.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: q_in = 693.2 kJ/kg

วัฏจักรดีเซล (เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก 4→1 คายความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัด r = v₁/v₂ และอัตราส่วนตัดตอน r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) และ η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1))

อุณหภูมิ

T₂ = 300·14^0.4 = 862.1 K

T₃ = 1.8·862.1 = 1552 K

ความร้อนที่เพิ่มที่ความดันคงที่

q_in = 1.005·(1552 − 862.1) = 693.2 kJ/kg

คำตอบ

q_in = 693.2 kJ/kg

8.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: η = 53.87 %

วัฏจักรเบรย์ตัน (กังหันแก๊ส): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิกในกังหัน 4→1 คายความร้อนที่ความดันคงที่ เมื่ออัตราส่วนความดัน r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k และ η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k งานสุทธิ w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)] เมื่อมีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก คอมเพรสเซอร์ต้องใช้ w_s/η_c และกังหันให้ η_t·w_s

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน

η = 1 − 1/15^0.2857 = 1 − 1/2.168 = 53.87%

คำตอบ

η = 53.87%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1