fizikzauglom

เกรด 8 · เครื่องยนต์ร้อน

งานที่แก๊สทำและการทำงานของเครื่องยนต์

การขยายตัวของแก๊ส เครื่องยนต์สันดาปภายใน และกังหันไอน้ำ

22 นาที4 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ให้ความร้อนแก่แก๊สในภาชนะสองใบ ใบหนึ่งมีฝายึดแน่น อีกใบมีลูกสูบที่ยกขึ้นได้ แก๊สมีความดันในทั้งสองใบ เหตุใดจึงทำงานเชิงกลต่อขอบเขตได้เฉพาะใบที่สอง?

ไอน้ำดันฝาขึ้นไอน้ำเคลื่อนที่Qแรงแก๊สทำให้ฝาเคลื่อนที่
ไอน้ำดันฝาจากด้านใน หากแรงแก๊สเอาชนะแรงภายนอกและฝายกขึ้น แก๊สจะทำงานต่อฝา ลูกศรแดงกระทำที่ฝา ส่วนลูกศรน้ำเงินแสดงการเคลื่อนที่ พลังงานเข้าสู่น้ำจากด้านล่าง

แก๊สออกแรง

อนุภาคแก๊สชนผนังและทำให้เกิดความดัน มีแรงกระทำต่อลูกสูบ แต่มีแรงอย่างเดียวยังไม่พอให้เกิดงาน ลองนึกถึงวัตถุที่อยู่นิ่งบนโต๊ะ หากลูกสูบเคลื่อนออกด้วยแรงจากแก๊ส แก๊สจะทำงานเป็นบวกและถ่ายโอนพลังงานเชิงกล งาน A มีหน่วยจูล งานต่อฝาที่อยู่นิ่งเป็นศูนย์ แม้ความดันจะสูงมากก็ตาม

เคลื่อนที่Q
แก๊สออกแรงดันต่อลูกสูบ เมื่อแก๊สขยายตัว ลูกสูบเคลื่อนที่ แก๊สจึงทำงานและส่งพลังงานให้กลไก

พลังงานสำหรับงานมาจากไหน?

การขยายตัวเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้เกิดงาน เมื่อแก๊สดันลูกสูบต้านแรงภายนอก พลังงานมาจากความร้อนที่รับหรือจากพลังงานภายในของแก๊สเอง หากไม่ได้รับความร้อน แก๊สในกรณีนี้มักเย็นลงเพราะพลังงานภายในลดลง ลองเทียบกับการขยายตัวเข้าบริเวณว่างในภาชนะแข็งเกร็ง ไม่มีวัตถุภายนอกที่เคลื่อนที่เพื่อรับพลังงาน ดังนั้นปริมาตรเพิ่มขึ้นเพียงอย่างเดียวจึงไม่รับประกันว่าเกิดงาน

ให้ความร้อนจากภายนอกไม่รับความร้อนเคลื่อนที่เคลื่อนที่QQ = 0รับความร้อนU ลดลง
แก๊สอาจรับพลังงานจากการให้ความร้อนหรือใช้พลังงานภายในของตนเอง ด้านขวา Q = 0 เมื่อแก๊สทำงาน พลังงานภายในลดลงและแก๊สมักเย็นลง ลูกศรน้ำเงินแสดงลูกสูบเคลื่อนออก

การอัดกลับทิศการถ่ายโอนพลังงาน

คราวนี้กดลูกสูบเพื่ออัดแก๊ส แรงภายนอกเลื่อนขอบเขตต้านแรงดัน จึงเป็นการทำงานต่อแก๊ส พลังงานที่ส่งเข้าอาจเพิ่มพลังงานภายในและอุณหภูมิ เช่น เมื่ออัดอากาศในกระบอกสูบอย่างรวดเร็ว หากแก๊สมีเวลาถ่ายโอนพลังงานออก อุณหภูมิจะเพิ่มน้อยลง การเคลื่อนที่ของขอบเขตบอกทิศการถ่ายโอนพลังงานด้วยงาน ส่วนการเปลี่ยนอุณหภูมิยังขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วย

การขยายตัวการอัดเคลื่อนที่เคลื่อนที่Fвнешแก๊สทำงานทำงานต่อแก๊สถ่ายโอนพลังงานคนละทิศ
ด้านซ้าย แก๊สยกลูกสูบและส่งพลังงานให้ลูกสูบ ด้านขวา แรงภายนอกดันลูกสูบลงต้านความดันแก๊ส จึงเป็นงานที่กระทำต่อแก๊ส ลูกศรน้ำเงินข้างกระบอกแสดงทิศการเคลื่อนที่ ส่วนลูกศรแดงกระทำที่ลูกสูบและแสดงแรงภายนอก

เครื่องยนต์ทำงานเป็นวัฏจักร

การขยายตัวหนึ่งครั้งทำให้ลูกสูบเคลื่อนเพียงหนึ่งจังหวะ เพื่อทำงานต่อเนื่อง เครื่องยนต์ต้องทำให้กลไกกลับสู่ตำแหน่งที่เริ่มซ้ำได้ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบ เชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในกระบอกสูบและแก๊สส่งพลังงานให้กลไก แต่แก๊สที่ใช้แล้วขยายตัวต่อไปไม่สิ้นสุดไม่ได้ ต้องนำผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ออกและเตรียมส่วนผสมใหม่ จึงเกิดลำดับกระบวนการซ้ำ เรียกว่าวัฏจักร

จังหวะวนซ้ำเป็นวัฏจักรดูดอัดจังหวะกำลังคายหลังคาย วัฏจักรเริ่มอีกครั้ง
เพื่อทำงานต่อเนื่อง หลังจังหวะกำลังเครื่องยนต์ต้องนำแก๊สที่ใช้แล้วออก ดูดส่วนผสมใหม่ และอัดส่วนผสม จังหวะต่าง ๆ วนซ้ำเป็นวัฏจักร

จังหวะดูดและจังหวะอัด

พิจารณาเครื่องยนต์เบนซินสี่จังหวะแบบง่าย ในจังหวะดูด ลูกสูบเคลื่อนเพิ่มปริมาตรให้ส่วนผสมผ่านวาล์วที่เปิดเข้ามา จากนั้นวาล์วปิดและลูกสูบอัดส่วนผสม ในจังหวะนี้แก๊สรับงาน ไม่ได้ให้งาน การเคลื่อนที่เกิดจากกลไกหมุนที่เชื่อมกับลูกสูบ พลังงานสะสมและงานจากกระบอกสูบอื่นช่วยให้ผ่านจังหวะที่กระบอกสูบนี้ไม่ได้เร่งเพลา

จังหวะดูดการอัดเคลื่อนที่เคลื่อนที่ส่วนผสมเข้าวาล์วทั้งคู่ปิดกลไกต้องทำงานเพื่ออัด
ในทั้งสองภาพ ส่วนผสมทำงานอยู่ระหว่างฝาสูบที่มีวาล์วกับลูกสูบ ด้านซ้ายวาล์วไอดีเปิด กระแสไหลรอบหัววาล์วและลูกสูบเคลื่อนลง ด้านขวาวาล์วทั้งคู่ปิดและลูกสูบเคลื่อนขึ้นเพื่ออัดส่วนผสม ก้านด้านล่างแทนการเชื่อมกับกลไกอย่างง่าย

จังหวะกำลังและจังหวะคาย

หลังจุดระเบิด อุณหภูมิและความดันแก๊สเพิ่มอย่างรวดเร็ว แก๊สขยายตัวดันลูกสูบ นี่คือจังหวะกำลังซึ่งส่งพลังงานให้เพลา จากนั้นวาล์วไอเสียเปิดและลูกสูบดันแก๊สที่ใช้แล้วออก หลังจังหวะคายจึงมีที่สำหรับการดูดครั้งต่อไป ต้องประเมินงานที่ใช้ประโยชน์ได้ตลอดวัฏจักร เพราะงานบางส่วนจากจังหวะกำลังใช้ในการอัด แลกเปลี่ยนแก๊ส และเอาชนะแรงเสียดทาน

จังหวะกำลังจังหวะคายเคลื่อนที่เคลื่อนที่แก๊สดันลูกสูบแก๊สออกจากนั้นเริ่มดูดอีกครั้ง
คงโครงสร้างกระบอกสูบจากการ์ดก่อนหน้าไว้ แก๊สอยู่เหนือลูกสูบ วาล์วอยู่ในฝาสูบ และเชื่อมกลไกด้านล่าง ในจังหวะกำลัง วาล์วทั้งคู่ปิดและแรงแก๊สร้อนดันลูกสูบลง ในจังหวะคาย ลูกสูบเคลื่อนขึ้นดันแก๊สออกผ่านวาล์วไอเสียที่เปิด ลูกศรน้ำเงินใกล้ผนังแสดงการเคลื่อนที่ของลูกสูบ

กังหันที่ไม่มีลูกสูบ

แก๊สจำเป็นต้องดันลูกสูบหรือไม่? ลองส่งกระแสไอน้ำไปยังใบพัด เมื่อใบพัดเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของกระแส จะมีแรงกระทำต่อใบพัดและทำให้เพลาหมุน นี่คือการทำงานของกังหันไอน้ำ ไอน้ำผลิตภายนอกแล้วส่งเข้ากังหัน พลังงานของไอน้ำเปลี่ยนเป็นพลังงานเชิงกลของการหมุน เพลาสามารถขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ กังหันกับเครื่องกำเนิดทำคนละขั้นตอน คือทำให้หมุนก่อนแล้วจึงผลิตพลังงานไฟฟ้า

ไอน้ำส่งพลังงานให้ใบพัดหัวฉีดไอหน้าตัดเพลามองตามแนวแกนหมุน
ภาพอย่างง่ายมองตามแนวเพลา ลำไอน้ำจากหัวฉีดพุ่งไปยังใบพัดที่ห่างจากแกน ทำให้เกิดโมเมนต์หมุนล้อตามเข็มนาฬิกา วงกลมกลางคือหน้าตัดเพลาซึ่งทอดไปยังเครื่องกำเนิดด้านหลังระนาบภาพ รูปร่างและจำนวนใบพัดเป็นภาพแผน

งานต้องมีอะไรบ้าง?

กระบอกหนึ่งกักแก๊สที่ร้อนด้วยฝาแข็งที่อยู่นิ่ง ส่วนอีกกระบอกแก๊สยกลูกสูบ แก๊สทำงานเชิงกลต่อฝาหรือลูกสูบในกระบอกใด?

ฝายึดแน่นลูกสูบเคลื่อนที่ได้แก๊สแก๊สเคลื่อนที่ไม่เคลื่อนที่ยกขึ้นแก๊สทำงานที่ใด?
ด้านซ้าย แก๊สร้อนถูกกักด้วยฝาที่ยึดแน่น ด้านขวาแก๊สยกลูกสูบ ทั้งสองชุดใช้มาตราส่วนเดียวกัน ลูกศรการเคลื่อนที่แสดงทิศที่โจทย์กำหนด โดยยังไม่ระบุงาน

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1

ตรวจสอบแรงก่อน ความดันแก๊สกระทำทั้งต่อฝาที่ยึดอยู่และลูกสูบที่เคลื่อนที่ได้

ฝายึดแน่นลูกสูบเคลื่อนที่ได้แก๊สแก๊สเคลื่อนที่FгазаFгазаมีแรงมีแรงตรวจสอบการกระจัด
เพิ่มแรงจากความดันแก๊สที่กระทำต่อฝาและลูกสูบในชุดเดิม มีแรงทั้งสองกรณี แต่โจทย์ไม่ได้กำหนดว่าแรงเท่ากัน มีแรงอย่างเดียวยังไม่พอให้เกิดงาน

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2

จากนั้นตรวจสอบการกระจัดของจุดที่แรงกระทำ ฝาอยู่นิ่ง งานที่แก๊สทำต่อฝาจึงเป็นศูนย์ ส่วนลูกสูบยกขึ้นและรับพลังงานเชิงกลจากแก๊ส

ฝายึดแน่นลูกสูบเคลื่อนที่ได้แก๊สแก๊สเคลื่อนที่FгазаFгазаs = 0; A = 0s > 0; A > 0เทียบแรงกับการกระจัด
คงชุดทดลองและแรงทั้งสองไว้ ด้านซ้าย การกระจัดของฝาเป็นศูนย์ งานที่แก๊สทำต่อฝาจึงเป็นศูนย์ ด้านขวาแก๊สยกลูกสูบ แรงและการกระจัดต่างชี้ขึ้น งานจึงเป็นบวก

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 3

ความแตกต่างอยู่ที่ขอบเขตเคลื่อนที่ได้หรือไม่ ไม่ใช่เพียงมีการให้ความร้อน ในภาชนะที่ขอบเขตอยู่นิ่ง พลังงานที่ได้รับอาจเพิ่มพลังงานภายในของแก๊ส

ฝายึดแน่นลูกสูบเคลื่อนที่ได้แก๊สแก๊สเคลื่อนที่FгазаFгазаA = 0A > 0ให้ความร้อนอย่างเดียวไม่ได้แปลว่าเกิดงาน
แก๊สในทั้งสองกระบอกถูกทำให้ร้อน แต่งานเชิงกลต่อฝาที่อยู่นิ่งเป็นศูนย์ ส่วนงานต่อลูกสูบที่ยกขึ้นเป็นบวก วัตถุ แรง และการเคลื่อนที่ชุดเดิมแสดงว่า การให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบอกได้ว่ามีงานต่อขอบเขตแก๊สหรือไม่

ตรวจสอบผลลัพธ์

มีการทำงานต่อลูกสูบในกระบอกที่สอง ส่วนกระบอกแรกมีความดัน แต่ฝาไม่เคลื่อนที่

ใจความสำคัญ · 1

ความดันทำงานเชิงกลเมื่อทำให้ขอบเขตเคลื่อนต้านแรงภายนอก

ใจความสำคัญ · 2

การขยายตัวที่ทำงานส่งพลังงานออก ส่วนการอัดส่งพลังงานเข้าแก๊ส การแลกเปลี่ยนความร้อนอาจเปลี่ยนผลการเพิ่มอุณหภูมิ

ใจความสำคัญ · 3

สี่จังหวะทำให้ทำงานซ้ำได้ ส่วนในกังหัน กระแสแก๊สกระทำต่อใบพัดแทนลูกสูบ

บทเรียนถัดไป

เครื่องยนต์ความร้อนเปลี่ยนพลังงานที่รับมาเพียงบางส่วนเป็นงาน ต่อไปเราจะคำนวณสัดส่วนนี้

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

งานที่แก๊สขยายตัวทำ

แก๊สทำงานเชิงกลเมื่อมีการขยายและเคลื่อนลูกสูบหรือใบพัดกังหัน

พลังงานภายในบางส่วนของแก๊สเปลี่ยนเป็นพลังงานเชิงกล ส่วนการอัดด้วยแรงภายนอกอาจเพิ่มพลังงานภายในได้

เครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์ความร้อนที่เชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในกระบอกสูบ และแก๊สที่ขยายตัวออกแรงต่อลูกสูบ

วัฏจักรสี่จังหวะประกอบด้วยจังหวะดูด อัด กำลัง และคาย โดยได้งานที่ใช้ประโยชน์เป็นหลักในจังหวะกำลัง

กังหันไอน้ำ

เครื่องยนต์ความร้อนที่กระแสไอน้ำออกแรงต่อชุดใบพัด ทำให้เพลาหมุน

กังหันถูกใช้ในโรงไฟฟ้า โดยการหมุนของเพลาจะถูกส่งไปยังเครื่องกำเนิดพลังงานไฟฟ้า

ปริมาณทางฟิสิกส์

1 คุณค่า

งานที่แก๊สทำ

A

พลังงานเชิงกลที่แก๊สขยายตัวถ่ายโอนให้วัตถุภายนอก

หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ