เกรด 10 · อุณหพลศาสตร์
กระบวนการทางความร้อนและประสิทธิภาพ
การให้ความร้อน การเปลี่ยนสถานะ กระบวนการอะเดียแบติก และเครื่องยนต์ความร้อน
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
น้ำแข็งรับพลังงานแต่อุณหภูมิแทบคงเดิมระหว่างหลอมเหลว ส่วนแก๊สที่ถูกอัดอาจร้อนขึ้นได้โดยไม่รับความร้อน เพื่อเข้าใจกรณีเหล่านี้ ต้องแยกการเปลี่ยนสถานะ วิธีถ่ายเทพลังงาน และผลของวัฏจักรทั้งหมดออกจากกัน
ความร้อนคือการถ่ายเทพลังงาน
เมื่อจุ่มช้อนลงในน้ำร้อน พลังงานถ่ายเทไปยังช้อนที่เย็นกว่าเพราะอุณหภูมิต่างกัน นี่คือการถ่ายเทความร้อน ซึ่งเกิดได้ผ่านการนำ การพา หรือการแผ่รังสี ความร้อน Q บอกปริมาณพลังงานที่ถ่ายเท ไม่ใช่สารภายในวัตถุ พลังงานที่มีอยู่ภายในคือ U การคำนวณอุณหภูมิที่เปลี่ยนต้องทราบพลังงานที่วัสดุนั้นต้องใช้ภายใต้เงื่อนไขที่เลือก
คำนวณความร้อนเพื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ
การทำให้มวลสองเท่ามีอุณหภูมิเพิ่มเท่ากันมักต้องใช้พลังงานสองเท่า เมื่อความร้อนจำเพาะ c คงตัว จะได้ Q=mc\Delta t โดย m มีหน่วย kg, \Delta t คืออุณหภูมิที่เปลี่ยนใน °C และ c มีหน่วย J/(kg·K) ผลต่างอุณหภูมิใน °C และ K มีค่าตัวเลขเท่ากัน ค่า c ต้องตรงกับเงื่อนไขของกระบวนการ โดยเฉพาะสำหรับแก๊ส สูตรนี้ใช้เมื่อไม่มีการเปลี่ยนสถานะหรือการถ่ายเทพลังงานอื่นที่ยังไม่ได้คิด ระหว่างการเย็นลง Δt และ Q เป็นลบ
อุ่นก่อน แล้วจึงหลอมเหลว
พิจารณาน้ำแข็งที่เย็นกว่าจุดหลอมเหลว ช่วงแรกพลังงานทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น เมื่อเริ่มหลอมเหลว โครงสร้างของสารเปลี่ยน อนุภาคสามารถเปลี่ยนเพื่อนบ้านได้ สารผลึกบริสุทธิ์หลอมเหลวที่อุณหภูมิคงตัวภายใต้ความดันคงตัวตราบที่ทั้งสองสถานะยังอยู่ร่วมกัน พลังงานยังคงเข้าสู่สาร และไม่ได้ทำลายตัวโมเลกุล ดังนั้นการคำนวณ mc\Delta t เพียงครั้งเดียวจึงไม่ครอบคลุมเส้นทางทั้งหมดจากน้ำแข็งเย็นไปเป็นน้ำ
พลังงานสำหรับการหลอมเหลว
สำหรับสารที่อยู่ ณ จุดหลอมเหลวแล้ว ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว \lambda คือพลังงานที่ต้องใช้ต่อกิโลกรัม มีหน่วย J/kg การหลอมเหลวมวล m ทั้งหมดต้องใช้ Q=m\lambda มวลสองเท่าต้องใช้พลังงานสองเท่าภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน แม้ ΔT เป็นศูนย์ก็ตาม กระบวนการย้อนกลับคือการแข็งตัว ซึ่งถ่ายเทพลังงานเท่ากันให้สิ่งแวดล้อม สำหรับตัวสารเอง Q=-m\lambda เครื่องหมายบอกทิศทางการถ่ายเท ไม่ได้บอกว่าไม่มีการเปลี่ยนสถานะ
การกลายเป็นไอ
การเปลี่ยนของเหลวเป็นไอต้องเปลี่ยนการจัดเรียงและอันตรกิริยาของอนุภาค และอาจมีงานจากการขยายตัวด้วย ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ r รวมพลังงานที่ต้องใช้ต่อกิโลกรัมภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด: Q=mr โดย r มีหน่วย J/kg มวลที่กลายเป็นไอสองเท่าต้องใช้พลังงานสองเท่าเมื่อ r เท่าเดิม สารบริสุทธิ์เดือดที่อุณหภูมิคงตัวภายใต้ความดันคงตัว ส่วนการระเหยที่ผิวเกิดได้ที่อุณหภูมิอื่นซึ่งอาจเปลี่ยนระหว่างกระบวนการ
การเปลี่ยนสถานะย้อนกลับ
ระหว่างควบแน่น ไอคืนพลังงานให้สิ่งแวดล้อม สำหรับมวลที่ควบแน่น Q=-mr ภายใต้เงื่อนไขเดิม หากเส้นทางซับซ้อน ให้แยกเป็นขั้นที่มีลักษณะทางฟิสิกส์ต่างกัน อุ่นน้ำแข็งเย็นโดยใช้ความจุความร้อนของน้ำแข็ง จากนั้นหลอมเหลว แล้วอุ่นน้ำโดยใช้ความจุความร้อนของน้ำ ต้องรวมพลังงานแต่ละขั้น ไม่ใช่รวมอุณหภูมิ ตรวจสอบว่าการเปลี่ยนสถานะจบแล้วก่อนถือว่ามวลทั้งหมดเป็นของเหลวและเริ่มคำนวณขั้นต่อไป
พลังงานเชื้อเพลิง
พลังงานอาจมาจากไหน? การเผาไหม้เชื้อเพลิงมวล m อย่างสมบูรณ์ให้ Q=mq โดย q คือค่าความร้อนของเชื้อเพลิง หน่วย J/kg เมื่อมวลที่เผาไหม้สมบูรณ์เป็นสองเท่า พลังงานที่ปล่อยก็เป็นสองเท่า ในที่นี้ Q เป็นขนาดบวกของพลังงานที่ปล่อยออก สำหรับระบบที่คายพลังงานนั้น เครื่องหมายการถ่ายเทจะเป็นลบ พลังงานไปถึงวัตถุที่ต้องการให้ร้อนเพียงบางส่วน เพราะอาจใช้ทำให้อากาศ ผนัง และผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ที่ออกไปร้อนขึ้น พลังงานที่ปล่อยจึงไม่จำเป็นต้องเท่ากับพลังงานที่ได้รับมาใช้ประโยชน์
ไม่มีการถ่ายเทความร้อน
คราวนี้หุ้มฉนวนความร้อนให้แก๊สแล้วเลื่อนลูกสูบ ไม่มีความร้อนผ่านขอบเขต: Q=0 กระบวนการนี้เรียกว่าอะเดียแบติก กฎข้อที่หนึ่งกลายเป็น \Delta U=-A=A\prime ซึ่งไม่ได้บอกว่า U คงตัว เพราะงานยังถ่ายเทพลังงานได้ ฉนวนที่ดีหรือกระบวนการที่รวดเร็วเพียงพออาจทำให้การทดลองใกล้เคียงแบบจำลองนี้ แต่ความรวดเร็วเพียงอย่างเดียวไม่ใช่นิยาม ต้องมีการถ่ายเทความร้อนน้อยจนละเลยได้
ทำงานโดยใช้พลังงานภายในของแก๊ส
ระหว่างขยายตัวแบบอะเดียแบติก แก๊สดันลูกสูบและทำงานเป็นบวก ไม่มีความร้อนเข้ามาชดเชยพลังงานนี้ U จึงลดลง และแก๊สอุดมคติที่องค์ประกอบคงเดิมจะเย็นลง การอัดทำงานต่อแก๊ส ทำให้ U และอุณหภูมิเพิ่มขึ้น เงื่อนไขเรื่องงานสำคัญมาก: ในการขยายตัวอย่างอิสระเข้าสู่สุญญากาศ แก๊สอาจไม่ทำงาน จึงสรุปไม่ได้ว่าแก๊สอุดมคติจะเย็นลง การที่ปริมาตรเพิ่มเพียงอย่างเดียวไม่พอ
กลับสู่สถานะเริ่มต้น
หลังขยายตัวครั้งหนึ่ง แก๊สอาจทำให้ลูกสูบหยุดที่ปลายกระบอก เครื่องยนต์ต้องมีลำดับกระบวนการที่ทำซ้ำได้ คือวัฏจักรที่พาสารทำงานกลับสู่สถานะเริ่มต้น จึงมี \Delta U_{\text{цикл}}=0 พลังงานภายในไม่อาจลดลงไปเรื่อย ๆ ทุกวัฏจักร กำหนดขนาดบวก Q_1 เป็นความร้อนที่รับจากแหล่งร้อน และ Q_2 เป็นความร้อนที่คายให้แหล่งเย็น ข้อตกลงนี้ต่างจากการใช้ Q ตัวเดียวพร้อมเครื่องหมายในแต่ละขั้น
งานตลอดหนึ่งวัฏจักร
สำหรับวัฏจักรครบหนึ่งรอบ กฎข้อที่หนึ่งให้ A=Q_1-Q_2 พลังงานจากแหล่งร้อนบางส่วนออกไปเป็นงาน ที่เหลือไปยังแหล่งเย็น หลังจบวัฏจักรไม่มีพลังงานสะสมเพิ่มภายใน หากเพิ่มความร้อนทั้งสองเป็นสองเท่าโดยคงอัตราส่วน งานจะเพิ่มเป็นสองเท่า ต้องลบ Q₂ เพราะนิยามให้เป็นขนาดบวกของความร้อนที่คายออก การอนุรักษ์พลังงานกำหนดสมดุล ส่วนข้อจำกัดที่ไม่ให้เปลี่ยนความร้อนทั้งหมดจากแหล่งเดียวเป็นงานแบบวัฏจักร ต้องใช้กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ด้วย
ส่วนที่เปลี่ยนเป็นงานมีประโยชน์
เพื่อเปรียบเทียบเครื่องยนต์ ให้หาสัดส่วนพลังงานจากแหล่งร้อนที่เปลี่ยนเป็นงาน: \eta=A/Q_1=(Q_1-Q_2)/Q_1 ปริมาณนี้ไร้มิติ คูณด้วย 100 จะได้ร้อยละ ที่ Q₁ เท่าเดิม หากคาย Q₂ น้อยลง ประสิทธิภาพจะสูงขึ้น แต่ฟิสิกส์จำกัดว่าจะลด Q₂ ได้เพียงใด การหารด้วย Q₂ จะเป็นการเทียบงานกับพลังงานที่คายออก แทนที่จะเทียบกับพลังงานที่ป้อนเข้า เมื่อ A = 0 แม้มีความร้อนเข้าเป็นบวก ก็ไม่ได้งานมีประโยชน์จากวัฏจักร
อุณหภูมิของแหล่งร้อนและแหล่งเย็น
ทำไมแม้แต่เครื่องยนต์อุดมคติก็ต้องคายพลังงานบางส่วน? ทิศทางของกระบวนการทางความร้อนเพิ่มข้อจำกัดนอกเหนือจากการอนุรักษ์พลังงาน ให้แหล่งทั้งสองมีอุณหภูมิคงตัว T_1>T_2 ในหน่วย K กระบวนการผันกลับได้เป็นกระบวนการขีดจำกัดที่ย้อนกลับได้โดยไม่เหลือการเปลี่ยนแปลงสุทธิของระบบรวมกับสิ่งแวดล้อม เครื่องยนต์เช่นนี้กำหนดขีดบนระหว่างแหล่งสองแหล่ง การตัดความเสียดทานเชิงกลออกเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้ทุกขั้นทางความร้อนผันกลับได้
ขีดจำกัดการ์โนต์
สำหรับเครื่องยนต์การ์โนต์ที่ผันกลับได้ ขีดจำกัดคือ \eta_{\text{Карно}}=(T_1-T_2)/T_1=1-T_2/T_1 เมื่ออุณหภูมิทั้งสองเข้าใกล้กัน ค่านี้เข้าใกล้ศูนย์ แหล่งที่มีอุณหภูมิเท่ากันไม่ให้ทรัพยากรทางความร้อนชนิดนี้แก่เครื่องยนต์ ที่ T₂ คงเดิม การเพิ่ม T₁ เพิ่มขีดจำกัด แต่สูตรไม่ได้รับประกันว่าเครื่องจริงจะมีประสิทธิภาพเท่านั้น ประสิทธิภาพจริงหาได้จากงานและ Q₁ และต้องไม่เกินขีดจำกัดการ์โนต์ระหว่างแหล่งเดียวกัน อัตราส่วนนี้ต้องใช้อุณหภูมิสัมบูรณ์
สมดุลพลังงานของวัฏจักร
ในหนึ่งวัฏจักร เครื่องยนต์รับความร้อน 800 J และคายให้แหล่งเย็น 500 J จงหางานและประสิทธิภาพ
ลองดูตัวอย่าง · 1
สารทำงานกลับสู่สถานะเริ่มต้น: ΔUวัฏจักร=0
ลองดูตัวอย่าง · 2
งาน A=Q₁−Q₂=800−500=300 J
ลองดูตัวอย่าง · 3
ประสิทธิภาพ η=A/Q₁=300/800=0.375=37.5%
ลองดูตัวอย่าง · 4
ตรวจสอบ: พลังงานที่รับเข้า 37.5% เปลี่ยนเป็นงาน อีก 62.5% ไปยังแหล่งเย็น
ตรวจสอบผลลัพธ์
งาน 300 J; ประสิทธิภาพ 37.5%
ประเด็นสำคัญ · 1
การเพิ่มอุณหภูมิและการเปลี่ยนสถานะใช้พลังงานต่างกัน จึงต้องคำนวณแยกเป็นขั้น
ประเด็นสำคัญ · 2
การไม่มีการถ่ายเทความร้อนไม่ได้หมายถึงอุณหภูมิคงตัว งานสามารถเปลี่ยนพลังงานภายในได้
ประเด็นสำคัญ · 3
เมื่อครบวัฏจักร U กลับสู่ค่าเดิมและ A = Q₁ − Q₂ ขีดจำกัดการ์โนต์ขึ้นกับอุณหภูมิสองค่า และไม่ได้เท่ากับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริงโดยอัตโนมัติ
เรียนอะไรต่อ
ต่อไปจะอธิบายอันตรกิริยาทางไฟฟ้าด้วยประจุและสนาม
แนวคิดพื้นฐาน
การถ่ายเทความร้อน
การถ่ายเทพลังงานภายในระหว่างวัตถุโดยไม่มีงานเชิงกลจากการเคลื่อนที่ระดับมหภาค
พลังงานถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่าโดยธรรมชาติโดยการนำ การพาความร้อน หรือการแผ่รังสี
การเปลี่ยนสถานะ
การเปลี่ยนสารจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง
ในระหว่างการหลอมละลายหรือการเดือด พลังงานที่ให้มาจะเปลี่ยนตำแหน่งสัมพัทธ์ของอนุภาค ดังนั้นอุณหภูมิจึงมักจะคงที่
กระบวนการอะเดียแบติก
กระบวนการที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม
ในที่นี้ Q = 0 อุณหภูมิและพลังงานภายในเปลี่ยนผ่านงานที่แก๊สทำหรืองานที่ทำต่อแก๊สเท่านั้น
เครื่องยนต์ความร้อน
อุปกรณ์ที่เปลี่ยนความร้อนที่ได้รับบางส่วนเป็นงานเชิงกลซ้ำเป็นวัฏจักร
เครื่องยนต์รับความร้อนจากแหล่งร้อน เปลี่ยนบางส่วนเป็นงาน และคายส่วนที่เหลือให้แหล่งเย็น ประสิทธิภาพจึงต่ำกว่า 100%
ปริมาณทางฟิสิกส์
ความร้อนจำเพาะ
cความร้อนที่ต้องใช้เพื่อเปลี่ยนอุณหภูมิของมวลหนึ่งหน่วยไปหนึ่งองศา
หน่วย: จูลต่อกิโลกรัมเคลวิน · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}\cdot\mathrm{К}}
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
\Delta tความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้น
หน่วย: องศาเซลเซียส · {}^\circ\mathrm{C}
ค่าความร้อนของเชื้อเพลิง
qความร้อนที่ปล่อยเมื่อเชื้อเพลิงมวลหนึ่งหน่วยเผาไหม้อย่างสมบูรณ์
หน่วย: จูลต่อกิโลกรัม · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}
ความร้อนแฝงจำเพาะของการหลอมเหลว
\lambdaความร้อนที่ต้องใช้เพื่อหลอมเหลวสารมวลหนึ่งหน่วยที่จุดหลอมเหลว
หน่วย: จูลต่อกิโลกรัม · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}
ความร้อนแฝงจำเพาะของการกลายเป็นไอ
rความร้อนที่ต้องใช้เพื่อเปลี่ยนของเหลวมวลหนึ่งหน่วยเป็นไอที่จุดเดือด
หน่วย: จูลต่อกิโลกรัม · \frac{\mathrm{Дж}}{\mathrm{кг}}
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน
\etaสัดส่วนความร้อนจากแหล่งร้อนที่เปลี่ยนเป็นงานมีประโยชน์
หน่วย: ปริมาณไร้มิติ
ความร้อนที่รับจากแหล่งร้อน
Q_1พลังงานที่สารทำงานรับจากแหล่งร้อน
หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}
ความร้อนที่คายให้แหล่งเย็น
Q_2พลังงานที่สารทำงานถ่ายเทให้แหล่งเย็น
หน่วย: จูล · \mathrm{Дж}
อุณหภูมิของแหล่งร้อน
T_1อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแหล่งร้อน
หน่วย: เคลวิน · \mathrm{К}
อุณหภูมิของแหล่งเย็น
T_2อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแหล่งเย็น
หน่วย: เคลวิน · \mathrm{К}
สูตรบทเรียน
ความร้อนเพื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ
Q=mc\Delta tปริมาณความร้อนเท่ากับผลคูณของมวล ความร้อนจำเพาะ และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
เงื่อนไข: ไม่มีการเปลี่ยนเฟส ความร้อนจำเพาะจะคงที่ในช่วงที่พิจารณาและสอดคล้องกับสภาวะของกระบวนการ วิธีการถ่ายโอนพลังงานแบบอื่นจะถูกนำมาพิจารณาแยกกัน
ความร้อนจากการเผาไหม้
Q=mqเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้จนหมด ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาตามสัดส่วนของมวลของมัน
ความร้อนที่ใช้ในการหลอมเหลว
Q=m\lambdaความร้อนของการหลอมเหลวที่อุณหภูมิคงที่จะเป็นสัดส่วนกับมวลของสาร
เงื่อนไข: หลอมเหลวสารผลึกบริสุทธิ์มวล m ทั้งหมดที่จุดหลอมเหลวและความดันคงตัว คำนวณการเพิ่มอุณหภูมิก่อนถึงจุดหลอมเหลวแยกต่างหาก
ความร้อนของการกลายเป็นไอ
Q=mrความร้อนของการกลายเป็นไอที่อุณหภูมิคงที่จะเป็นสัดส่วนกับมวลของของเหลว
เงื่อนไข: การกลายเป็นไอของมวล m ที่อุณหภูมิคงตัวที่กำหนด โดยใช้ r สำหรับเงื่อนไขนั้น คำนวณการเพิ่มอุณหภูมิก่อนหน้าแยกต่างหาก
กฎข้อที่หนึ่งสำหรับกระบวนการอะเดียแบติก
Q=0,\quad\Delta U=A\primeหากไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน พลังงานภายในจะเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการทำงานของแรงภายนอกเท่านั้น
เงื่อนไข: ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน
\eta=\frac{A}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}ประสิทธิภาพเท่ากับงานมีประโยชน์หารด้วยความร้อนที่รับจากแหล่งร้อน
เงื่อนไข: วัฏจักรครบหนึ่งรอบที่สารทำงานกลับสู่สถานะเริ่มต้น Q₁ > 0 และ Q₂ ≥ 0 คือขนาดของความร้อนที่รับเข้าและคายออก ส่วน A คืองานสุทธิที่เป็นบวกของเครื่องยนต์ต่อวัฏจักร
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์การ์โนต์อุดมคติ
\eta=\frac{T_1-T_2}{T_1}ประสิทธิภาพขีดจำกัดของเครื่องยนต์ผันกลับได้ขึ้นกับอุณหภูมิของแหล่งร้อนและแหล่งเย็น
เงื่อนไข: วัฏจักรการ์โนต์ผันกลับได้ โดยอุณหภูมิของแหล่งร้อนและแหล่งเย็นใช้หน่วยเคลวิน นี่คือขีดบนของประสิทธิภาพสำหรับอุณหภูมิเหล่านั้น
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ