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

220 g ของN₂มีปริมาตร V เท่าใดที่ 450 kPa และ 25 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

m = 220 gM = 28.01 g/molP = 450 kPaT = 25 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

2.กฎแก๊สอุดมคติยาก

O₂ปริมาณคงที่เปลี่ยนจาก 200 kPa, 10 L, 40 °C ไปเป็น 350 kPa และ 110 °C หาปริมาตรใหม่ V₂

P₁ = 200 kPaV₁ = 10 LT₁ = 40 °CP₂ = 350 kPaT₂ = 110 °C

V₂ = L

3.สมดุลพลังงานปานกลาง

น้ำมันเบาร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก t_out

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.สมดุลพลังงานยาก

เอทานอลร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 10% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁ_c ที่ต้องใช้

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 70 °Ct: 20 → 45 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นปานกลาง

เครื่องยนต์ความร้อนรับความร้อนจากแหล่งที่ 650 °C และปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมที่ 15 °C ประสิทธิภาพเชิงความร้อนจริงของมันคือ 34% จงหาประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สอง η_II ซึ่งเป็นอัตราส่วนของประสิทธิภาพจริงต่อประสิทธิภาพคาร์โนต์

T_H = 650 °CT_L = 15 °Cη = 34%

η_II = %

6.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก

ตู้เย็นรักษาอุณหภูมิช่องเย็นไว้ที่ 2 °C ในครัวที่ 30 °C โดยดึงความร้อนออกจากช่องเย็น 1.5 kW หาสัมประสิทธิ์สมรรถนะสูงสุดที่เป็นไปได้ COP_max

T_H = 30 °CT_L = 2 °CQ̇_L = 1.5 kW

COP_max =

7.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สปานกลาง

วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 14 และอัตราส่วนตัดตอน r_c = v₃/v₂ = 2.5 ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) และ c_v = 0.718 kJ/(kg·K) หาประสิทธิภาพเชิงความร้อน η เป็นเปอร์เซ็นต์

r = 14r_c = 2.5k = 1.4

η = %

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: V = 43.27 L

กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M

โมล

n = 220/28.01 = 7.854 mol

T = 25 + 273.15 = 298.1 K

ปริมาตร

V = nRT/P = 7.854·8.314·298.1/450 = 43.27 L

คำตอบ

V = 43.27 L

2.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: V₂ = 6.992 L

กฎแก๊สรวม: สำหรับแก๊สอุดมคติปริมาณคงที่ P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T₁ = 313.1 K, T₂ = 383.1 K

กฎแก๊สรวม

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(200/350)·(383.1/313.1) = 6.992 L

คำตอบ

V₂ = 6.992 L

3.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: t_out = 75.22 °C

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

ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก

Q = 3·2.1·(170 − 80) = 567 kW

ความร้อนที่น้ำรับไว้

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 567/(3·4.18) = 75.22 °C

คำตอบ

t_out = 75.22 °C

4.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: ṁ_c = 0.5254 kg/s

สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย

ความร้อนที่ปล่อยออก

Q_h = 0.5·2.44·(120 − 70) = 61 kW

ความร้อนที่ถึงน้ำ

Q_c = (1 − 0.1)·61 = 54.9 kW

อัตราการไหลของน้ำ

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 54.9/(4.18·25) = 0.5254 kg/s

คำตอบ

ṁ_c = 0.5254 kg/s

5.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: η_II = 49.43 %

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 = 650 + 273.15 = 923.1 K

T_L = 15 + 273.15 = 288.1 K

ประสิทธิภาพคาร์โนต์

η_Carnot = 1 − 288.1/923.1 = 68.79 %

ประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สอง

η_II = η/η_Carnot = 34/68.79 = 49.43 %

คำตอบ

η_II = 49.43 %

6.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: COP_max = 9.827

ขีดจำกัดจากกฎข้อที่สอง: ไม่มีวัฏจักรใดที่ทำงานระหว่างแหล่งความร้อนอุณหภูมิสัมบูรณ์ T_H และ T_L ที่ดีกว่าวัฏจักรผันกลับได้ (วัฏจักรคาร์โนต์): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) และ COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) พลังงานอนุรักษ์เสมอ: Q_H = W + Q_L

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T_H = 30 + 273.15 = 303.1 K

T_L = 2 + 273.15 = 275.1 K

COP ที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 275.1/(303.1 − 275.1) = 9.827

คำตอบ

COP_max = 9.827

7.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: η = 56.81 %

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))

พจน์ตัดตอน

(2.5^1.4 − 1)/(1.4·(2.5 − 1)) = 1.241

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน

η = 1 − 0.348·1.241 = 56.81%

คำตอบ

η = 56.81%

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