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