งานที่แก๊สทำและการทำงานของเครื่องยนต์

ให้ความร้อนแก่แก๊สในภาชนะสองใบ ใบหนึ่งมีฝายึดแน่น อีกใบมีลูกสูบที่ยกขึ้นได้ แก๊สมีความดันในทั้งสองใบ เหตุใดจึงทำงานเชิงกลต่อขอบเขตได้เฉพาะใบที่สอง?

อนุภาคแก๊สชนผนังและทำให้เกิดความดัน มีแรงกระทำต่อลูกสูบ แต่มีแรงอย่างเดียวยังไม่พอให้เกิดงาน ลองนึกถึงวัตถุที่อยู่นิ่งบนโต๊ะ หากลูกสูบเคลื่อนออกด้วยแรงจากแก๊ส แก๊สจะทำงานเป็นบวกและถ่ายโอนพลังงานเชิงกล งาน A มีหน่วยจูล งานต่อฝาที่อยู่นิ่งเป็นศูนย์ แม้ความดันจะสูงมากก็ตาม

การขยายตัวเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้เกิดงาน เมื่อแก๊สดันลูกสูบต้านแรงภายนอก พลังงานมาจากความร้อนที่รับหรือจากพลังงานภายในของแก๊สเอง หากไม่ได้รับความร้อน แก๊สในกรณีนี้มักเย็นลงเพราะพลังงานภายในลดลง ลองเทียบกับการขยายตัวเข้าบริเวณว่างในภาชนะแข็งเกร็ง ไม่มีวัตถุภายนอกที่เคลื่อนที่เพื่อรับพลังงาน ดังนั้นปริมาตรเพิ่มขึ้นเพียงอย่างเดียวจึงไม่รับประกันว่าเกิดงาน

คราวนี้กดลูกสูบเพื่ออัดแก๊ส แรงภายนอกเลื่อนขอบเขตต้านแรงดัน จึงเป็นการทำงานต่อแก๊ส พลังงานที่ส่งเข้าอาจเพิ่มพลังงานภายในและอุณหภูมิ เช่น เมื่ออัดอากาศในกระบอกสูบอย่างรวดเร็ว หากแก๊สมีเวลาถ่ายโอนพลังงานออก อุณหภูมิจะเพิ่มน้อยลง การเคลื่อนที่ของขอบเขตบอกทิศการถ่ายโอนพลังงานด้วยงาน ส่วนการเปลี่ยนอุณหภูมิยังขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วย

การขยายตัวหนึ่งครั้งทำให้ลูกสูบเคลื่อนเพียงหนึ่งจังหวะ เพื่อทำงานต่อเนื่อง เครื่องยนต์ต้องทำให้กลไกกลับสู่ตำแหน่งที่เริ่มซ้ำได้ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบ เชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในกระบอกสูบและแก๊สส่งพลังงานให้กลไก แต่แก๊สที่ใช้แล้วขยายตัวต่อไปไม่สิ้นสุดไม่ได้ ต้องนำผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ออกและเตรียมส่วนผสมใหม่ จึงเกิดลำดับกระบวนการซ้ำ เรียกว่าวัฏจักร

พิจารณาเครื่องยนต์เบนซินสี่จังหวะแบบง่าย ในจังหวะดูด ลูกสูบเคลื่อนเพิ่มปริมาตรให้ส่วนผสมผ่านวาล์วที่เปิดเข้ามา จากนั้นวาล์วปิดและลูกสูบอัดส่วนผสม ในจังหวะนี้แก๊สรับงาน ไม่ได้ให้งาน การเคลื่อนที่เกิดจากกลไกหมุนที่เชื่อมกับลูกสูบ พลังงานสะสมและงานจากกระบอกสูบอื่นช่วยให้ผ่านจังหวะที่กระบอกสูบนี้ไม่ได้เร่งเพลา

หลังจุดระเบิด อุณหภูมิและความดันแก๊สเพิ่มอย่างรวดเร็ว แก๊สขยายตัวดันลูกสูบ นี่คือจังหวะกำลังซึ่งส่งพลังงานให้เพลา จากนั้นวาล์วไอเสียเปิดและลูกสูบดันแก๊สที่ใช้แล้วออก หลังจังหวะคายจึงมีที่สำหรับการดูดครั้งต่อไป ต้องประเมินงานที่ใช้ประโยชน์ได้ตลอดวัฏจักร เพราะงานบางส่วนจากจังหวะกำลังใช้ในการอัด แลกเปลี่ยนแก๊ส และเอาชนะแรงเสียดทาน

แก๊สจำเป็นต้องดันลูกสูบหรือไม่? ลองส่งกระแสไอน้ำไปยังใบพัด เมื่อใบพัดเปลี่ยนการเคลื่อนที่ของกระแส จะมีแรงกระทำต่อใบพัดและทำให้เพลาหมุน นี่คือการทำงานของกังหันไอน้ำ ไอน้ำผลิตภายนอกแล้วส่งเข้ากังหัน พลังงานของไอน้ำเปลี่ยนเป็นพลังงานเชิงกลของการหมุน เพลาสามารถขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ กังหันกับเครื่องกำเนิดทำคนละขั้นตอน คือทำให้หมุนก่อนแล้วจึงผลิตพลังงานไฟฟ้า

กระบอกหนึ่งกักแก๊สที่ร้อนด้วยฝาแข็งที่อยู่นิ่ง ส่วนอีกกระบอกแก๊สยกลูกสูบ แก๊สทำงานเชิงกลต่อฝาหรือลูกสูบในกระบอกใด?

ตรวจสอบแรงก่อน ความดันแก๊สกระทำทั้งต่อฝาที่ยึดอยู่และลูกสูบที่เคลื่อนที่ได้

จากนั้นตรวจสอบการกระจัดของจุดที่แรงกระทำ ฝาอยู่นิ่ง งานที่แก๊สทำต่อฝาจึงเป็นศูนย์ ส่วนลูกสูบยกขึ้นและรับพลังงานเชิงกลจากแก๊ส

ความแตกต่างอยู่ที่ขอบเขตเคลื่อนที่ได้หรือไม่ ไม่ใช่เพียงมีการให้ความร้อน ในภาชนะที่ขอบเขตอยู่นิ่ง พลังงานที่ได้รับอาจเพิ่มพลังงานภายในของแก๊ส

มีการทำงานต่อลูกสูบในกระบอกที่สอง ส่วนกระบอกแรกมีความดัน แต่ฝาไม่เคลื่อนที่

ความดันทำงานเชิงกลเมื่อทำให้ขอบเขตเคลื่อนต้านแรงภายนอก

การขยายตัวที่ทำงานส่งพลังงานออก ส่วนการอัดส่งพลังงานเข้าแก๊ส การแลกเปลี่ยนความร้อนอาจเปลี่ยนผลการเพิ่มอุณหภูมิ

สี่จังหวะทำให้ทำงานซ้ำได้ ส่วนในกังหัน กระแสแก๊สกระทำต่อใบพัดแทนลูกสูบ

เครื่องยนต์ความร้อนเปลี่ยนพลังงานที่รับมาเพียงบางส่วนเป็นงาน ต่อไปเราจะคำนวณสัดส่วนนี้