View
250
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Thermodynamics Energy, Energy Transfer, and General Energy Analysis
พลังงาน (Energy)
มาจากรากศัพทภาษากรีกวา Energia
พลังงานคือสิ่งที่สามารถทํางานได
พลังงาน (Energy)
การถายโอนของระบบปดจะอยูสองรูปแบบ คือ
ความรอน (Heat) : ความแตกตางของ T
งาน (Work) : แรงกระทํา ทําใหมีการเคล่ือนที่
การถายโอนของระบบเปด: เพ่ิมสวนของ Mass flow
สัมพันธกับกฎขอที่หนึ่งโทโมไดนามิกส
รูปแบบของพลังงาน(Form of energy)
มีอยูหลายรูปแบบเชน พลังงานความรอน พลังงานศักย พลังงานจลน พลังงานไฟฟา พลังงานกล พลังงานแมเหล็ก พลังงานเคมี และพลังงานนิวเคลียร
รูปแบบของพลังงาน(Form of energy)
การวิเคระหพลังงานทางเทอรโมไดนามิกสระดับมหภาค(Macroscopic) คือวิเคราะหจากการสังเกต การวัดคาดวยเครื่องมือ โดยมีจุดอางอิงภายนอก เชน KE, PEระดับจุลภาค (Microscopic) คือวิเคราะหในระดับโมเลกุล พลังงานที่เกิดข้ึนในระดับน้ี ถือเปนพลังงานภายใน (Internal energy, U)
2
พลังงานรวม (Total Energy)ผลรวมของพลังงานทั้งหมดแลวเรียกวาเปน พลังงานรวมของระบบ (total energy of a system, E)พลังงานรวมตอปริมาณสารหนึ่งหนวยมวลเรียกวาเปนพลังงานรวมของระบบตอหนึ่งหนวยมวล, e, โดยนิยามวา e = E / m
พลังงานจนล ( Kinetic Energy, KE )
2
21 mVKE =
พลังงานระดบัมหภาคอนัเนื่องมาจากผลของการ
เคลื่อนที่เมื่อเทียบกับแกนอางอิง
หรือในรูปของตอหนวยมวล
ke V=12
2
เมื่อ V คือ ความเร็วของระบบ
พลังงานศักย (potential energy, PE )
พลังงานซึง่ระบบเกี่ยวของกับผลของระดับความสูง
ในสนามแรงโนมถวง
PE = mgzหรือในรูปของตอหนวยมวล
pe = gzg คือ ความเรงเนื่องจากแรงโนมถวง z คือ ความสูงของจุดศนูยกลางมวลจากจดุอางอิง
พลังงานอ่ืนๆ
การศึกษาเบื้องตนจะไมพิจารณาผลกระทบ
ของแรงอ่ืนๆที่อาจมีตอระบบเชน
แรงโนมถวง
แรงจากสนามแมเหล็ก แรงจากกระแสไฟฟา แรงตึงผิวของของไหล
พลังงานภายใน
พลังงานในระดับจลุภาคซ่ึงข้ึนอยูกับโครงสรางของโมเลกุลของระบบและระดบัของการเคลื่อนไหวของโมเลกุลทางดานวิศวกรรมจะรวม พลังงาน ระดับโมเลกุลทุกรูปแบบ เขาดวยกันท้ังหมดแลวเรียกวาพลังงานภายใน (Internal Energy,U)
Internal Energy
เปนผลรวมของระดับ Microscopic ท้ังหมด
3
พลังงานรวมของระบบ
หากไมนําผลของแรงอื่นๆมาพิจารณา จะไดวาพลังงานรวมของระบบจะประกอบดวย
พลังงานจลน พลังงานศักย ซึ่งเปนพลังงานในระดับมหภาคพลังงานภายใน ซึ่งเปนผลรวมของพลังงานในระดับจุลภาคทั้งหมด
พลังงานรวมของระบบ
ดังน้ันจะไดวาพลังงานรวมของระบบมีคาเทากับ
E U KE PE= + +
e u ke pe= + +
หรือในรูปตอหนวยมวล
ระบบหยุดนิ่ง (Stationary Systems)
ระบบปดสวนใหญจะการเคลื่อนที่ของมวล
นอยมาก
สามารถประมาณไดวาพลงังานศักยและ
พลังงานจลนจะมีการเปลีย่นแปลงนอยมาก
ระบบที่ไมมกีารเปลี่ยนแปลงพลังงานใน
ระดับมหภาคหรือมีนอยมากจะเรียก ระบบหยุดนิง่
พลังงานรวมของระบบหยุดน่ิงพลังงานรวมของระบบหยุดนิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปจะสามารถประมาณวาเปน
ดังนั้นสําหรับในชั้นนี้หากวาไมมีการบงไวเปนกรณีพิเศษอื่นใหถือวาระบบปดที่กลาวถึงเปนระบบหยุดนิ่งทั้งหมด
UE Δ≅Δ
Mass and Volume Flow Rate
Mass Flow Rate หมายถึงปริมาณมวลสารของของไหลที่ไหลผานพ้ืนที่หนาตัดที่กําหนดให ภายในหนึ่งหนวยเวลา
Volume Flow Rate หมายถึงปริมาตรของของไหลที่ไหลผานพ้ืนที่หนาตัดที่กําหนดให ภายในหนึ่งหนวยเวลา
Mass and Volume Flow Rate
Avg
Avg
AV
AVm
=∨
=∨= ρρ
4
Mechanical energy
เปนพลังงานที่ไดจากการแปลงคาจากงานทางกลโดยอุปกรณทางกล เชน เทอรไบน ปม
เทอรไบน ถายเทพลังงานทางกลจากของไหลในรูปของ Pressure drop
ปม มอเตอรถายเทพลังงานใหกับของไหลในรูปของ Pressure rise
การถายเทพลังงานในรูปของความรอน
พลังงานในระบบปดสามารถถายเทใหกับสิ่งแวดลอมไดในรูปของ ความรอน (Heat) และงาน (Work)
การถายเทพลังงานในรูปของความรอน
ความรอนเปนพลังงานรูปหนึ่งที่ถายเทระหวางระบบกับระบบอื่นหรือระหวางระบบกับสิ่งแวดลอมการถายเทความรอนระหวางวัตถุสองชิ้นใดๆจะเกิดข้ึนไดก็ตอเม่ือวัตถุทั้งสองนั้นมีอุณหภูมิแตกตางกัน
การถายเทพลังงานในรูปของความรอน
การถายความรอนจากระบบไปยังส่ิงแวดลอม ตองผานขอบเขตของระบบเทานั้นเมื่อพลังงานนั้นไดเดินทางขามขอบเขตไปแลวจะถือวาพลังงานนั้นไดเปลี่ยนรูปไปเปนพลังงานรูปอ่ืนไมใชความรอนอีกตอไป
การถายเทพลังงานในรูปของความรอน
ระบบที่ไมมีการถายเทความรอนเลย จะเรียกวา Adiabatic system
การที่จะทําใหเกิดกระบวนการเชนน้ีคือ• การหุมฉนวนระบบอยางดี• ระบบและสิ่งแวดลอมมีอุณหภูมิ
เทากัน
มิติ-หนวยของความรอน
ความรอนมมีติิของพลงังาน มีหนวยเปน kJ
นิยมใชสัญลักษณ Q12
หรือ Q แทนปรมิาณความรอนที่ถายเทขณะเกิดกระบวนการจากสภาวะที่ 1 ไปสูสภาวะที่ 2
ปริมาณความรอนที่ถายเทตอหนวยมวลจะใช
สัญลักษณ q โดย q = Q/m
5
อัตราการถายเทความรอน
อัตราการถายเทความรอน คือปริมาณความรอนที่ถายเทตอหนึ่งหนวยเวลา
มีหนวยเปน kJ/s หรือ kW
tqq
tQQ
Δ=
Δ=
ความรอน
กลไกลการถายเทความรอนมีดวยกัน 3 แบบConduction เปนการถายเทพลังงานระหวาง อนุนาคกับอนุภาคConvection เปนการถายเทพลังงานระหวาง ผิวหนาของแข็งกับของไหลที่เคล่ือนที่Radiation เปนการถายเทพลังงานเน่ืองจากการแผรังสีของคลื่นแมเหล็กไฟฟา หรือโปรตรอน
ความรอนทางเทอรโมไดนามิกส
ความรอนทางเทอรโมไดนามิกสจะหมายถึงพลังงานที่ถายเทระหวางระบบกับสิ่งแวดลอมโดยมสีาเหตุมาจากความแตกตางของอุณหภูมิ
คุณสมบัติของความรอน
ความรอนเปนปรากฏการณท่ีเกิดข้ึนท่ีขอบเขต (boundary phenomena)
ความรอนจึงไมสามารถกําหนดสภาวะของระบบได หรือกลาวอีกอยางหน่ึงก็คือความรอนไมเปนคุณสมบัติของระบบ
การกําหนดเครื่องหมาย
ความรอนนั้นเปนคาท่ีบอกถึงปริมาณเพียง
อยางเดียวเทานั้น
ทิศทางของการถายเทความรอนนั้นมี
ความสําคัญเพราะเปนเครื่องบงชี้แหลงนั้นมี
พลังงานเพิ่มขึ้นหรือลดลง
เคร่ืองหมายของความรอน
ความรอนที่ถายเทสูระบบเปนบวก
ความรอนที่ถายเทออกจากระบบเปนลบ
Q > 0 Q < 0SYSTEM
6
งาน (Work)
งานเปนพลังงานรูปหนึ่ง
พลังงานที่ถายเทระหวางระบบกับสิ่งแวดลอมโดยมีสาเหตุที่ไมใชความแตกตางของอุณหภูมิจะถือวาเปนพลังงานในรูปของงาน
เทอรโมไดนามิกสถือวาหากพลังงานที่ขามขอบเขตไมใชความรอนพลังงานนั้นเปนงาน
หนวยของงาน
งานมีหนวยเปน kJ
W12หรือ W จะหมายถึงงานระหวางการเกิด
กระบวนการจากสภาวะที่ 1ไป สภาวะที่ 2
งานตอหนวยมวลจะเปน w =W/m
กําลังงาน
สวนอัตราการทํางานหรืองานที่เกิดข้ึนเทียบตอหนึ่งหนวยเวลา เรียกวากําลังงาน (power)มีหนวยเปน kJ/s หรือ kW
W dWdt
=
การกําหนดเครื่องหมายของงาน
งานจะกําหนดแตขนาดงานที่ไดรับจากระบบจะเปนบวก งานที่ระบบไดรับจะเปนลบ
W < 0 W > 0SYSTEM
ขอยกเวน
แทนท่ีจะใชเคร่ืองหมายบวก-ลบบงทิศทางของงานหรือความรอน อาจใช subscript “in” หรือ “out” ก็ไดเชนความรอนท่ีถายเทออกจากระบบ 5 kJ จะเขียนเปน Q = -5 kJ หรือ Qout = 5 kJ ก็ได สําหรับงานก็เชนเดียวกัน
การเปรียบเทียบ ความรอน กับ งาน
ตางก็เปนปรากฏการณท่ีเกิดข้ึนขณะท่ีกําลังมีการขามขอบเขตเทานั้น
ตางก็เปนปรากฏการณชั่วขณะไมไดอยูในระบบอยางถาวร เมื่อขามขอบเขตไปแลวก็จะเปลี่ยนเปนพลังงานรูปอ่ืน
7
การเปรียบเทียบ ความรอน กับ งาน
ตางก็เปน path function คือขนาดจะขึ้นอยูกับเสนทาง (path) ในขณะเกิดกระบวนการ ต้ังแตสภาพเริ่มตนจนถึงสภาพสุดทายตางก็ข้ึนอยูกับกระบวนการไมใชสภาวะท้ังสองไมใชคุณสมบัติของระบบ
Path Function
path function คือปริมาณนั้นจะขึ้นอยูกับลักษณะของการเปลี่ยนแปลงของระบบ
เปน inexact differential
ใชสัญลักษณ δ แสดงอนุพันธ เชนอนุพันธของความรอนและงานใช δQ และ δW
ตัวอยาง path function
การตมน้ําใหเดือดในกาตมน้ําเมื่อปดฝากาใหสนิทและเปดฝากาท้ิงไว
ใชปริมาณความรอนไมเทากันสองกระบวนการนี้แมวาจุดเริ่มตนและจุดสิ้นสุดจะเหมือนกันแตปริมาณความรอนท่ีใชจะแตกตางกัน
Point Function
คุณสมบัติของระบบจะเปน point function
อนุพันธของคุณสมบัติจะแสดงดวย exact differential
ใชสัญลักษณ d เชน dT, dV
Path and Point Function ตัวอยาง
1.เผาเทียนในหองที่หุมฉนวนอยางดี มี Heat transfer เกิดข้ึน ?, Internal energy เปล่ียน?
2. นึ่งมันฝรั่งในเตาอบที่ติดฉนวนอยางดี
3. และ 4. เตาอบที่กําหนดขอบเขตของระบบตางกัน
8
งานในรูปแบบตางๆ
งานหรือพลังงานที่เราพบเห็นอยูในชีวิตประจําวันน้ันมีอยูมากมายหลายรูปแบบ
สําหรับในสวนนี้จะกลาวถึงงานในรูปแบบตางๆเฉพาะที่เกี่ยวของกับการศึกษาเทอรโมไดนามิกสเทาน้ัน
พลังงานไฟฟา
การเคลื่อนที่ของประจุจํานวน N coulombs เคลื่อนที่ผานสนามที่มีความตางศักดิ์ V
จะทําใหเกิดงานเนื่องจากกระแสไฟฟา
We = VN
กําลังจากกระแสไฟฟา
การเคลื่อนท่ีของประจุตอหนวยเวลาทําใหเกิดกระแส I
I = N/t
กําลังท่ีใชในการเคลื่อนท่ีจะเปน
Pe = IV
Electrical Work
พลังงานกล
แรง F กระทําใหวัตถุเคล่ือนที่ไปเปนระยะทาง S งาน W จากการกระทําของแรงเปน
W = FS
พลังงานกล
แรง F กระทําใหวัตถุเคลื่อนที่ไปเปนระยะทาง S
If there are no movement, no work is done.
9
พลังงานกล
งานจะเกิดข้ึนไดระหวางระบบกับสิ่งแวดลอมตองมี 2อยางคือ
แรง F กระทําที่ขอบเขตของระบบ ขอบเขตระบบจึงเกิดการเคลื่อนที่
Shaft Work
( )
TnW
nTrnrTFsW
sh
sh
π
ππ
2
22
=
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛==
พลังงานท่ีสงถาย ดวยการหมุนของเพลา จะเรียกกันวา Shaft work
Shaft Work
( ) ( )
( )hporkWmN
kJs
mN
TnWsh
1128.831000
160min1200
min140002
2
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
•⎟⎠⎞
⎜⎝⎛•⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
=
π
π
งานจากสปริง
สปริงเชิงเสนมีคาคงที่สปริงเทากับ k อยูในสภาพสมดุลหากมีแรงมากระทํา dF ทําใหสปริงเกิดการยืดหรือหดตัวเปนระยะ dx จะไดความสัมพนัธวา
dF = k dx
พลังงานจากสปริง
ถาเปนสปริงเชิงเสน k เปนคาคงที่
F = kx
พลังงานท่ีเกิดการสะสมในสปริงจะเปน
U = kx2 / 2
พลังงานจากสปริง
จาก F = kx
แรงเพิ่มขึ้น 2 เทา จะไดวา
X2 = 2X1
10
Elastic solid bar
AdxFdxW nelastic ∫ ∫==2
1
2
1
σ
Stretching of a liquid film
lengthunit per force tension surface is ;2
22
1
2
1
2
1
n
sssurface
bdxdA
bdxdAFdxW
σ
σσ
=
=== ∫∫ ∫
งานจากการเปลี่ยนระดับ งานจากการเปลี่ยนการความเร็วของวัตถุ
กฎขอที่หนึ่งของเทอรโมไดนามิกส
กฎขอท่ีหนึ่งของเทอรโมไดนามิกสก็คือ กฎการอนุรักษพลังงาน
พลังงานเปนสิ่งซึ่งไมสามารถทําใหเพิ่มข้ึน
หรือทําลายใหหมดไปไดจะทําไดก็เพียงแค
เปลี่ยนรูปของมันเทานั้น
การเปลี่ยนรูปพลังงาน
11
ความรอนและพลังงานรวม
เมื่อระบบไดรับความรอนพลังงานรวมของ
ระบบตองเพิ่มข้ึน
หากไมมีการนําพลังงานนี้ไปเปลี่ยนเปนงาน
ปริมาณความรอนที่ใหตองเทากับ
Q = ΔE เมื่อ W = 0
การเปลี่ยนแปลงพลังงาน
เม่ือไมมีงาน การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบตองเทากับการถายเทความรอน
การเปลี่ยนแปลงพลังงาน
เม่ือไมมีงาน การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบตองเทากับการถายเทความรอน
การเปลี่ยนแปลงพลังงาน
เม่ือไมมีการถายเทความรอน การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบตองเทากับงาน
ΔE = W when Q = 0
การสมดุลพลังงาน
การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบจะเทากับความ
แตกตางของพลังงานที่เขาและออกจากระบบ
systemoutin EEE Δ=−
การเปลี่ยนแปลงพลังงานรวมของระบบ
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานรวมของระบบ คือผลตางของพลังงานรวมในสภาวะสุดทาย
ท่ีพิจารณา กับ พลังงานรวมในสภาวะเริ่มตนการพิจารณา
ΔEsystem=Efinal-Einitial = E2 – E1
12
พลังงานรวม
พลังงานรวมของระบบ ประกอบดวย พลังงานภายใน พลังงานจลน พลังงานศักย ดังนั้น ΔE = ΔU + ΔKE + ΔPE
( )
( )( )12
21
22
12
21
zzmgPE
VVmKE
uumU
−=Δ
−=Δ
−=Δ
Note: u1 และ u2 เปนสมบัติหาไดจากตารางคุณสมบัติ
พลังงานรวมของระบบหยุดนิ่ง
พลังงานรวมของระบบหยุดน่ิง มีการเปล่ียนแปลงพลังงานจลน และ พลังงานศักยนอยมาก ดังน้ัน
UE Δ≅Δ
กลไกของการถายโอนพลังงาน
การถายเทความรอน (Heat Transport)
การถายโอนงาน (Work Transfer)
การขนสงพลังงาน (Mass Transport)
Mechanism of Energy Transfer
( ) ( ) ( ) systemoutmassinmassoutinoutinoutin EEEWWQQEE Δ=−+−+−=− ,,
ตัวอยาง : Cooling of hot fluid in tank
( ) ( ) 12 UUUWWQQE outinoutinsystem −=Δ=−+−=Δ
ตัวอยาง : Acceleration of air by fan
Wsh = 20W of electric powerMass flow rate = 0.5 kg/s
Vout = 6.3 m/s
13
ตัวอยาง : Heating effect of fan
To = 25 ๐CWsh = 200W of electric consumesU = 6W/m2๐C, over all heat transfer coeff., A = 30 m2
หา Tin ; กําหนดให Q=UA(Ti-To)
Energy Conversion Efficiency
ประสิทธิภาพ บอกถึงความสามารถในการเปลี่ยน input ที่จาํเปนใหเปน output ที่ตองการ
Input RequiredOutput DesiredePerformanc =
Efficiency of a water heater
ประสิทธิภาพ Water heater คืออัตราสวนของพลังงานทีส่งออกกับ
พลังงานที่ปอนใหกับ water heater
Heating value of fuel
Heating value คือจํานวนความรอนท่ีปลดปลอยออกมาจากเช้ือเพลิง จากการที่เผาไหมเช้ือเพลิงอยางสมบูรณ ณ อุณหภมูิหอง และสารผลิตภัณฑถูกทําใหเย็นท่ีอุณหภมูิหองเชนกนั
Heating value of fuel
Lower Heating value : น้ําในสารผลิตภัณฑมีสถานะเปนไอ Higher heating value : น้ําในสารผลิตภัณฑถูกควบแนนกลายเปนของเหลว
ผลตางของคาทั้งสองจะเทากับคาความรอนแฝงของการกลายเปนไอ (Heat vaporization) ของน้ํา
Efficiency
14
Efficiency Efficiency
Total Efficiency
Example and Problems
Recommended