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 20 L บรรจุCH₄ปริมาณ 420 g ที่ 85 °C ถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ แล้วหาความดัน P

m = 420 gM = 16.04 g/molV = 20 LT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

2.กฎแก๊สอุดมคติยาก

หาความหนาแน่น ρ ของCH₄ที่ 300 kPa และ 0 °C โดยถือว่าเป็นแก๊สอุดมคติ

M = 16.04 g/molP = 300 kPaT = 0 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.สมดุลพลังงานปานกลาง

เอทานอลร้อนทำให้น้ำเย็นลงในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลสวนทางโดยไม่มีการสูญเสียความร้อน หาอุณหภูมิน้ำขาออก t_out

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 110 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.สมดุลพลังงานยาก

น้ำมันเบาร้อนให้ความร้อนแก่น้ำในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่สูญเสียความร้อนที่สายร้อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม 5% หาอัตราการไหลของน้ำ ṁ_c ที่ต้องใช้

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 90 °Ct: 20 → 75 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)การสูญเสีย = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นปานกลาง

ตู้เย็นผันกลับได้รักษาห้องเย็นที่ 0 °C โดยดึงความร้อน 2.5 kW ออก และปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมที่ 35 °C จงหาอัตรา Q̇_H ที่มันปล่อยความร้อน

T_L = 0 °CT_H = 35 °CQ̇_L = 2.5 kW

Q̇_H = kW

6.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก

เครื่องยนต์ความร้อนรับความร้อน 3600 kJ จากแหล่งความร้อนที่ 500 °C ให้งาน 1764 kJ และปล่อยส่วนที่เหลือสู่แหล่งความร้อนที่ 25 °C ต่อวัฏจักร จงหาเอนโทรปีทั้งหมดที่เกิดขึ้น S_gen ต่อวัฏจักร

T_H = 500 °CT_L = 25 °CQ_H = 3600 kJW = 1764 kJ

S_gen = kJ/K

7.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สปานกลาง

วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 18 และอัตราส่วนตัดตอน r_c = v₃/v₂ = 1.8 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 295 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 = 18r_c = 1.8T₁ = 295 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สยาก

โรงไฟฟ้ากังหันแก๊สทำงานด้วยวัฏจักรเบรย์ตันที่อัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ 12 อากาศเข้าคอมเพรสเซอร์ที่ 295 K และเข้ากังหันที่ 1100 K คอมเพรสเซอร์มีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 82% และกังหัน 90% ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) และ c_v = 0.718 kJ/(kg·K) หางานสุทธิขาออก w_net ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

r_p = 12T₁ = 295 KT₃ = 1100 Kη_c = 82%η_t = 90%k = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3สารละลาย

1.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: P = 3898 kPa

กฎแก๊สอุดมคติ: PV = nRT โดย n = m/M

โมล

n = m/M = 420/16.04 = 26.18 mol

T = 85 + 273.15 = 358.1 K

ความดัน

P = nRT/V = 26.18·8.314·358.1/0.02 = 3898 kPa

คำตอบ

P = 3898 kPa

2.กฎแก๊สอุดมคติ

คำตอบ: ρ = 2.119 kg/m³

ความหนาแน่นของแก๊สอุดมคติ: ρ = PM/(RT)

จัดรูปกฎแก๊สใหม่

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 0 + 273.15 = 273.1 K

ความหนาแน่น

ρ = 300·16.04/(8.314·273.1) = 2.119 kg/m³

คำตอบ

ρ = 2.119 kg/m³

3.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: t_out = 73.37 °C

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

ความร้อนที่สายร้อนปล่อยออก

Q = 2·2.44·(160 − 110) = 244 kW

ความร้อนที่น้ำรับไว้

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 244/(1·4.18) = 73.37 °C

คำตอบ

t_out = 73.37 °C

4.สมดุลพลังงาน

คำตอบ: ṁ_c = 0.781 kg/s

สมดุลพลังงานเมื่อมีการสูญเสีย: ความร้อนที่ปล่อย = ความร้อนที่ดูดซับ + ความร้อนที่สูญเสีย

ความร้อนที่ปล่อยออก

Q_h = 1.5·2.1·(150 − 90) = 189 kW

ความร้อนที่ถึงน้ำ

Q_c = (1 − 0.05)·189 = 179.6 kW

อัตราการไหลของน้ำ

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 179.6/(4.18·55) = 0.781 kg/s

คำตอบ

ṁ_c = 0.781 kg/s

5.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: Q̇_H = 2.82 kW

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 = 35 + 273.15 = 308.1 K

T_L = 0 + 273.15 = 273.1 K

อัตราส่วนความร้อนของวัฏจักรผันกลับได้

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 2.5·308.1/273.1 = 2.82 kW

คำตอบ

Q̇_H = 2.82 kW

กำลังที่ป้อนเข้า: Ẇ = 0.3203 kW

6.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: S_gen = 1.502 kJ/K

การกำเนิดเอนโทรปี: ตลอดวัฏจักรสมบูรณ์ สารทำงานไม่มีการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีสุทธิ แหล่งความร้อนร้อนสูญเสีย Q_H/T_H และแหล่งความร้อนเย็นได้รับ Q_L/T_L ผลรวมของทั้งสองคือเอนโทรปีที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นศูนย์สำหรับวัฏจักรผันกลับได้และเป็นบวกสำหรับวัฏจักรจริงทุกวัฏจักร

ความร้อนที่ปล่อยทิ้ง

Q_L = Q_H − W = 3600 − 1764 = 1836 kJ

อุณหภูมิสัมบูรณ์

T_H = 500 + 273.15 = 773.1 K

T_L = 25 + 273.15 = 298.1 K

การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของแหล่งความร้อน

ΔS_H = −3600/773.1 = −4.656 kJ/K

ΔS_L = 1836/298.1 = 6.158 kJ/K

S_gen = 6.158 − 4.656 = 1.502 kJ/K

คำตอบ

S_gen = 1.502 kJ/K

S_gen > 0 ดังนั้นเครื่องยนต์นี้เป็นไปได้แต่ผันกลับไม่ได้

7.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: q_in = 753.7 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 = 295·18^0.4 = 937.4 K

T₃ = 1.8·937.4 = 1687 K

ความร้อนที่เพิ่มที่ความดันคงที่

q_in = 1.005·(1687 − 937.4) = 753.7 kJ/kg

คำตอบ

q_in = 753.7 kJ/kg

8.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: w_net = 132 kJ/kg

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

อุณหภูมิไอเซนโทรปิก

T_2s = 295·12^0.2857 = 600 K

T_4s = 1100/12^0.2857 = 540.8 K

งานของคอมเพรสเซอร์และกังหัน

w_c = 1.005·(600 − 295)/0.82 = 373.8 kJ/kg

w_t = 0.9·1.005·(1100 − 540.8) = 505.8 kJ/kg

งานสุทธิ

w_net = 505.8 − 373.8 = 132 kJ/kg

คำตอบ

w_net = 132 kJ/kg

อัตราส่วนงานย้อนกลับ: w_c/w_t = 73.91%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1