วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส: แบบฝึกหัดพร้อมเฉลยทีละขั้นตอน

แบบฝึกหัด วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส ฟรี พร้อมแผนภาพ คำใบ้ และเฉลยละเอียด ตัวเลขใหม่ทุกครั้ง สามระดับ: วัฏจักรออตโต, วัฏจักรดีเซล, วัฏจักรเบรย์ตัน

โจทย์ฝึกฟรีง่าย
vP1234qin​qout​

วัฏจักรออตโตอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด 10.5 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 295 K และอุณหภูมิสูงสุดในวัฏจักรคือ 1800 K ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หางานสุทธิขาออก w ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

r = 10.5T1 = 295 KT3 = 1800 Kk = 1.4cv = 0.718 kJ/(kg·K)
kJ/kg
โจทย์ถัดไป →

สิ่งที่คุณจะได้ฝึก

  1. ง่ายวัฏจักรออตโต
  2. ปานกลางวัฏจักรดีเซล
  3. ยากวัฏจักรเบรย์ตัน

สูตรสำคัญ

ไอเซนโทรปิก อัตราส่วนปริมาตร
T2/T1 = rk−1
ไอเซนโทรปิก อัตราส่วนความดัน
T2/T1 = rp(k−1)/k
ประสิทธิภาพวัฏจักรออตโต
η = 1 − 1/rk−1
ประสิทธิภาพวัฏจักรดีเซล
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
ประสิทธิภาพวัฏจักรเบรย์ตัน
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
ความร้อนที่เพิ่มเข้า
ออตโต: cv(T3 − T2) ดีเซล เบรย์ตัน: cp(T3 − T2)
งานสุทธิของวัฏจักรเบรย์ตัน
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
อากาศเย็น
k = 1.4, cp = 1.005, cv = 0.718 kJ/(kg·K)

เรียนรู้ วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส ตั้งแต่ต้น

ก่อนหน้านี้: เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น, กฎแก๊สอุดมคติ

1วัฏจักรกำลังแก๊สคืออะไร

เครื่องยนต์รถและกังหันแก๊สเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้อากาศเป็นแก๊สทำงาน อากาศถูกอัด ถูกทำให้ร้อนด้วยการเผาเชื้อเพลิง ขยายตัวขณะดันลูกสูบหรือกังหัน แล้วถูกปล่อยออก

เครื่องยนต์จริงซับซ้อน เพื่อคำนวณ วิศวกรใช้แบบจำลองมาตรฐานอากาศ (air-standard): อากาศปริมาณคงที่ไหลวนในวัฏจักรปิดสี่ขั้นง่าย ๆ และการเผาเชื้อเพลิงถูกแทนด้วยการเติมความร้อน

ด้วยสมมติฐานมาตรฐานอากาศเย็น (cold-air-standard) อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีสมบัติคงที่: k = cp/cv = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K)

คุณจะพบสามวัฏจักร:

  • ออตโต (Otto): เครื่องยนต์เบนซิน เติมความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เหมือนประกายไฟที่เผาเชื้อเพลิงเกือบทันที
  • ดีเซล (Diesel): เครื่องยนต์ดีเซล เติมความร้อนที่ความดันคงที่ขณะลูกสูบเคลื่อนที่
  • เบรย์ตัน (Brayton): กังหันแก๊ส อากาศไหลผ่านคอมเพรสเซอร์ ห้องเผาไหม้ และกังหัน

ตัวเลขที่สำคัญที่สุดของเครื่องยนต์ลูกสูบคืออัตราส่วนการอัด (compression ratio) r = v1/v2: ปริมาตรที่ใหญ่ที่สุดหารด้วยที่เล็กที่สุด

ตรวจสอบตนเอง กระบอกสูบจุ 0.5 L เมื่อลูกสูบอยู่ล่างสุดและ 0.05 L เมื่ออยู่บนสุด อัตราส่วนการอัดคือเท่าใด
  1. 0.1
  2. 0.45
  3. 10
  4. 9

คำตอบ: 10. r = ปริมาตรที่ใหญ่ที่สุด / ปริมาตรที่เล็กที่สุด = 0.5/0.05 = 10 การหารกลับกันได้ 0.1 และผลต่างของปริมาตร (0.45 L) ไม่ใช่อัตราส่วน

2ขั้นไอเซนโทรปิกและวัฏจักรออตโต

ในวัฏจักรอุดมคติ การอัดและการขยายเกิดโดยไม่มีแรงเสียดทานและไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน ขั้นเช่นนี้เรียกว่าไอเซนโทรปิก (isentropic) สำหรับแก๊สอุดมคติ อุณหภูมิจึงเป็นไปตามอัตราส่วนปริมาตร:

T2 / T1 = rk−1 = r0.4

การอัดอากาศเหลือหนึ่งในแปดของปริมาตรทำให้มันร้อนจาก 300 K เป็นประมาณ 689 K นี่คือเหตุผลที่เครื่องยนต์ดีเซลไม่ต้องการประกายไฟ

วัฏจักรออตโตมีสี่ขั้น แสดงบนแผนภาพความดัน–ปริมาตร:

vp1234qin​qout​v2​v1​
  1. 1 → 2: การอัดแบบไอเซนโทรปิก T เพิ่มด้วยตัวประกอบ r0.4
  2. 2 → 3: เติมความร้อนที่ปริมาตรคงที่: qin = cv·(T3 − T2)
  3. 3 → 4: การขยายแบบไอเซนโทรปิก T ลดด้วยตัวประกอบเดียวกัน r0.4
  4. 4 → 1: ปฏิเสธความร้อนที่ปริมาตรคงที่: qout = cv·(T4 − T1)

งานสุทธิต่อกิโลกรัมคือ w = qin − qout และประสิทธิภาพขึ้นกับอัตราส่วนการอัดเท่านั้น:

ηOtto = 1 − 1 / rk−1
ตรวจสอบตนเอง ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรออตโตอุดมคติที่มีอัตราส่วนการอัด 10 คือเท่าใด (k = 1.4)
  1. 39.8%
  2. 60.2%
  3. 90%
  4. 96.0%

คำตอบ: 60.2%. 100.4 = 2.512 ดังนั้น η = 1 − 1/2.512 = 60.2% การตัดเลขชี้กำลังออกได้ 1 − 1/10 = 90% ส่วน 39.8% คือ 1/r0.4 ส่วนที่สูญเสีย

3วัฏจักรดีเซลและเบรย์ตัน

วัฏจักรดีเซล เติมความร้อนที่ความดันคงที่ ปริมาตรเพิ่มขึ้นระหว่างการให้ความร้อนด้วยอัตราส่วนตัดขาด (cutoff ratio) rc = v3/v2 ที่ความดันคงที่อุณหภูมิเพิ่มด้วยตัวประกอบเดียวกัน:

T3 = rc · T2 qin = cp · (T3 − T2)
ηDiesel = 1 − (1 / rk−1) · (rck − 1) / (k · (rc − 1))

วัฏจักรเบรย์ตันของกังหันแก๊สอธิบายด้วยอัตราส่วนความดัน rp = p2/p1 แทนอัตราส่วนปริมาตร กฎไอเซนโทรปิกจึงมีเลขชี้กำลังต่างกัน:

T2 / T1 = rp(k−1)/k = rp0.2857
ηBrayton = 1 − 1 / rp(k−1)/k

คอมเพรสเซอร์ใช้งานและกังหันส่งงาน งานสุทธิต่อกิโลกรัมคือส่วนที่เหลือ:

wnet = cp · [(T3 − T4) − (T2 − T1)]
ตรวจสอบตนเอง ประสิทธิภาพของวัฏจักรเบรย์ตันอุดมคติที่มีอัตราส่วนความดัน 8 คือเท่าใด (k = 1.4)
  1. 44.8%
  2. 55.2%
  3. 56.5%
  4. 87.5%

คำตอบ: 44.8%. 80.2857 = 1.811 ดังนั้น η = 1 − 1/1.811 = 44.8% การใช้เลขชี้กำลังปริมาตร 0.4 (สูตรออตโต) ได้ 56.5% ซึ่งผิดสำหรับอัตราส่วนความดัน

4วิธีทำทีละขั้น

  1. ระบุวัฏจักร (ออตโต ดีเซล หรือเบรย์ตัน) และเลขหมายสี่สถานะ 1 ถึง 4 เริ่มก่อนการอัด
  2. แปลงอุณหภูมิทั้งหมดเป็นเคลวิน
  3. การอัด 1 → 2: T2 = T1·r0.4 สำหรับอัตราส่วนปริมาตร หรือ T1·rp0.2857 สำหรับอัตราส่วนความดัน
  4. การเติมความร้อน 2 → 3: ใช้ cv สำหรับออตโต (ปริมาตรคงที่) cp สำหรับดีเซลและเบรย์ตัน (ความดันคงที่)
  5. การขยาย 3 → 4: หาร T3 ด้วยตัวประกอบชนิดเดียวกัน (สำหรับดีเซลใช้ v4/v3 = r/rc)
  6. หา qout แล้ว w = qin − qout และ η = w/qin เปรียบเทียบ η กับสูตรของวัฏจักรนั้นเป็นการตรวจสอบ

5ตัวอย่างที่แก้ให้ดู

ทำตามทุกขั้นตอน ลองทำนายขั้นถัดไปก่อนเปิดดู

ตัวอย่างที่แก้ให้ดู

วัฏจักรออตโตอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด 8 ที่เริ่มการอัด อากาศอยู่ที่ 300 K และอุณหภูมิสูงสุดในวัฏจักรคือ 1800 K ใช้สมมติฐานมาตรฐานอากาศเย็น (k = 1.4, cv = 0.718 kJ/(kg·K)) จงหาประสิทธิภาพและงานสุทธิต่อกิโลกรัมของอากาศ

1

วาดวัฏจักร

vp1234qin​qout​v2​v1​

สถานะ 1 คือ 300 K อุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่สถานะ 3 ดังนั้น T3 = 1800 K เราต้องการ T2 และ T4

2

การอัด 1 → 2

r0.4 = 80.4 = 2.297
T2 = 300 · 2.297 = 689.2 K
3

เติมความร้อน 2 → 3

ความร้อนเข้าที่ปริมาตรคงที่ จึงใช้ cv:

qin = 0.718 · (1800 − 689.2) = 797.5 kJ/kg
4

การขยายและความร้อนที่ปฏิเสธ

T4 = 1800 / 2.297 = 783.5 K
qout = 0.718 · (783.5 − 300) = 347.1 kJ/kg
5

งานสุทธิและประสิทธิภาพ

w = 797.5 − 347.1 = 450.4 kJ/kg
η = 450.4 / 797.5 = 0.565 = 56.5%
6

ตรวจสอบคำตอบ

สูตรออตโตให้ η = 1 − 1/2.297 = 56.5% เท่ากัน อุณหภูมิจึงถูกต้อง

คำตอบ

η ≈ 56.5% และ w ≈ 450 kJ/kg

6ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • ใช้ °C ในความสัมพันธ์ไอเซนโทรปิก T2/T1 = r0.4 ใช้ได้เฉพาะในเคลวิน
  • ใช้เลขชี้กำลัง k − 1 = 0.4 กับอัตราส่วนความดัน อัตราส่วนความดันต้องใช้ (k − 1)/k = 0.2857
  • ใช้ cp สำหรับวัฏจักรออตโตหรือ cv สำหรับดีเซลและเบรย์ตัน ปริมาตรคงที่คู่กับ cv ความดันคงที่คู่กับ cp
  • ลืมงานคอมเพรสเซอร์ในวัฏจักรเบรย์ตัน: งานสุทธิคืองานกังหันลบงานคอมเพรสเซอร์
  • ใช้เลขชี้กำลัง k แทน k − 1
ตรวจสอบตนเอง อากาศที่ 27 °C ถูกอัดแบบไอเซนโทรปิกด้วยอัตราส่วนการอัด 8 (k = 1.4) อุณหภูมิหลังการอัดคือเท่าใด
  1. 2401 K
  2. 5514 K
  3. 62.0 K
  4. 689.6 K

คำตอบ: 689.6 K. T1 = 300.15 K ดังนั้น T2 = 300.15 · 80.4 = 689.6 K การใช้ 27 ได้ 62.0 การตัดเลขชี้กำลังออกได้ 2401 K และการใช้เลขชี้กำลัง 1.4 ได้ 5514 K

7ข้อสอบมีหน้าตาอย่างไร

  • ง่าย: วัฏจักรออตโต หาประสิทธิภาพจาก r อุณหภูมิ T2 หลังการอัด หรืองานสุทธิต่อกิโลกรัมเมื่อให้อุณหภูมิสูงสุด
  • ปานกลาง: วัฏจักรดีเซลที่มีอัตราส่วนการอัดและอัตราส่วนตัดขาด หา T3 เมื่อสิ้นสุดการเติมความร้อน ความร้อนที่เติม qin หรือประสิทธิภาพ
  • ยาก: วัฏจักรเบรย์ตันของกังหันแก๊ส หาประสิทธิภาพจากอัตราส่วนความดัน หรืองานสุทธิต่อกิโลกรัมจากอุณหภูมิขาเข้าของคอมเพรสเซอร์และกังหัน

ทุกคำถามระบุค่ามาตรฐานอากาศเย็นซ้ำ คุณต้องการเพียง k = 1.4 และ cv หรือ cp อย่างใดอย่างหนึ่ง

เรียนรู้ทีละขั้นในแอปเรียนรู้ทีละขั้นในแอป

ตัวอย่างวิธีทำ

ตัวอย่างที่ 1ง่าย
vP1234qin​qout​

วัฏจักรออตโตอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด 6 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 305 K และอุณหภูมิสูงสุดในวัฏจักรคือ 2000 K ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หางานสุทธิขาออก w ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

r = 6T1 = 305 KT3 = 2000 Kk = 1.4cv = 0.718 kJ/(kg·K)

จงหา w (kJ/kg)

แสดงคำใบ้
  1. หา T₂ หลังการอัดแบบไอเซนโทรปิก
  2. qin = cv·(T₃ − T₂), η = 1 − 1/rk−1.
  3. T₂ = 624.5 K.
แสดงคำตอบและเฉลยทีละขั้นตอน

วัฏจักรออตโต (เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ปริมาตรคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก 4→1 คายความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัด r = v₁/v₂: T₂ = T₁·rk−1 และ η = 1 − 1/rk−1 ความร้อนที่เพิ่ม: qin = cv·(T₃ − T₂) งานสุทธิ w = η·qin

เมื่อสิ้นสุดการอัด

T2 = 305·60.4 = 624.5 K

ความร้อนที่เพิ่มที่ปริมาตรคงที่

qin = 0.718·(2000 − 624.5) = 987.6 kJ/kg

งานสุทธิ

η = 1 − 1/60.4 = 0.5116
w = η·qin = 0.5116·987.6 = 505.3 kJ/kg

คำตอบ

w = 505.3 kJ/kg
ตัวอย่างที่ 2ปานกลาง
vP1234qin​qout​

วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 16 และอัตราส่วนตัดตอน rc = v₃/v₂ = 2.2 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 310 K ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หาความร้อนที่เพิ่ม qin ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

r = 16rc = 2.2T1 = 310 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)

จงหา qin (kJ/kg)

แสดงคำใบ้
  1. หา T₂ (อัดแบบไอเซนโทรปิก) และ T₃ = rc·T₂
  2. qin = cp·(T₃ − T₂).
  3. T₂ = 939.7 K, T₃ = 2067 K.
แสดงคำตอบและเฉลยทีละขั้นตอน

วัฏจักรดีเซล (เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก 4→1 คายความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัด r = v₁/v₂ และอัตราส่วนตัดตอน rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) และ η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1))

อุณหภูมิ

T2 = 310·160.4 = 939.7 K
T3 = 2.2·939.7 = 2067 K

ความร้อนที่เพิ่มที่ความดันคงที่

qin = 1.005·(2067 − 939.7) = 1133 kJ/kg

คำตอบ

qin = 1133 kJ/kg
ตัวอย่างที่ 3ยาก
vP1234qin​qout​

วัฏจักรเบรย์ตันอุดมคติทำงานด้วยอัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ 20 ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หาประสิทธิภาพเชิงความร้อน η เป็นเปอร์เซ็นต์

rp = 20k = 1.4

จงหา η (%)

แสดงคำใบ้
  1. ประสิทธิภาพของเบรย์ตันอุดมคติขึ้นกับอัตราส่วนความดันและ k เท่านั้น
  2. η = 1 − 1/rp(k−1)/k.
  3. (k − 1)/k = 0.2857, rp0.2857 = 2.354.
แสดงคำตอบและเฉลยทีละขั้นตอน

วัฏจักรเบรย์ตัน (กังหันแก๊ส): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิกในกังหัน 4→1 คายความร้อนที่ความดันคงที่ เมื่ออัตราส่วนความดัน rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k และ η = 1 − 1/rp(k−1)/k งานสุทธิ w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)] เมื่อมีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก คอมเพรสเซอร์ต้องใช้ ws/ηc และกังหันให้ ηt·ws

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน

η = 1 − 1/200.2857 = 1 − 1/2.354 = 57.51%

คำตอบ

η = 57.51%

คำถามและคำตอบ

วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส คืออะไร

เครื่องยนต์รถและกังหันแก๊สเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้อากาศเป็นแก๊สทำงาน อากาศถูกอัด ถูกทำให้ร้อนด้วยการเผาเชื้อเพลิง ขยายตัวขณะดันลูกสูบหรือกังหัน แล้วถูกปล่อยออก

เครื่องยนต์จริงซับซ้อน เพื่อคำนวณ วิศวกรใช้แบบจำลองมาตรฐานอากาศ (air-standard): อากาศปริมาณคงที่ไหลวนในวัฏจักรปิดสี่ขั้นง่าย ๆ และการเผาเชื้อเพลิงถูกแทนด้วยการเติมความร้อน

จะแก้โจทย์ วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส ทีละขั้นได้อย่างไร

วัฏจักรออตโต (เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ปริมาตรคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก 4→1 คายความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัด r = v₁/v₂: T₂ = T₁·rk−1 และ η = 1 − 1/rk−1 ความร้อนที่เพิ่ม: qin = cv·(T₃ − T₂) งานสุทธิ w = η·qin

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยใน วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส มีอะไรบ้าง
  • นั่นคือความร้อนที่เพิ่ม มีเพียงสัดส่วน η ของมันที่กลายเป็นงานสุทธิ
  • ในวัฏจักรออตโตความร้อนเพิ่มที่ปริมาตรคงที่: ใช้ cv ไม่ใช่ cp
  • ความร้อนถูกเพิ่มจากสถานะ 2 ไป 3 หา T2 หลังการอัดก่อน
แบบฝึกหัด วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส ครอบคลุมเรื่องอะไรบ้าง
  • ง่าย: วัฏจักรออตโต
  • ปานกลาง: วัฏจักรดีเซล
  • ยาก: วัฏจักรเบรย์ตัน

โจทย์ทุกข้อใช้ค่าใหม่ คุณจึงเรียนรู้วิธีทำ ไม่ใช่จำคำตอบ ติดขัดใช่ไหม เปิดคำใบ้เล็ก ๆ ก่อน และเปิดคำอธิบายฉบับเต็มเมื่อจำเป็นเท่านั้น

การฝึกทำงานอย่างไร

  • โจทย์ทุกข้อใช้ค่าใหม่ คุณจึงเรียนรู้วิธีทำ ไม่ใช่จำคำตอบ
  • ติดขัดใช่ไหม เปิดคำใบ้เล็ก ๆ ก่อน และเปิดคำอธิบายฉบับเต็มเมื่อจำเป็นเท่านั้น
  • ความก้าวหน้า ข้อที่ผิด และโจทย์ที่บันทึกไว้จะถูกเก็บไว้ เพื่อให้คุณทบทวนก่อนสอบได้

หัวข้อก่อนและหลังหัวข้อนี้

ควรเรียนก่อน

เครื่องคำนวณ

รายวิชาที่มีหัวข้อนี้

หัวข้ออื่นในเครื่องกล

ใบงานสำหรับพิมพ์