วิศวกรรมความร้อน: หลักการและทฤษฎี
หลักการพื้นฐานของวิศวกรรมเทอร์โมไดนามิกส์มีบทบาทสำคัญในการยกระดับโลกให้ดียิ่งขึ้นผ่านการปรับปรุงประสิทธิภาพของโรงงาน เครื่องจักร และการออกแบบโดยรวม
ปัจจัยที่สำคัญในการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องจักร ได้แก่ สิ่งต่างๆ เช่น ผลิตภัณฑ์สุดท้าย การใช้วัตถุดิบ การผลิตต้นทุน และการประเมินผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม วิศวกรในปัจจุบันใช้แนวคิดของเทอร์โมไดนามิกส์เพื่อตรวจสอบและสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆ ที่ออกแบบมาเพื่อความปลอดภัยและสบายของมนุษย์
วิทยาศาสตร์ของเทอร์โมไดนามิกส์มีอยู่ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 นับจากนั้นนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้พยายามอย่างต่อเนื่องในการทำให้มันเป็นมิตรกับผู้ใช้มากขึ้น
หลักการพื้นฐานของเทอร์โมไดนามิกส์
คำว่าเทอร์โมไดนามิกส์มาจากภาษากรีกว่า theme (หมายถึงความร้อน) และ dynamics (หมายถึงแรง) วิศวกรมีความสนใจในการศึกษาระบบและปฏิสัมพันธ์ระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อม
แนวคิด/คำจำกัดความที่ใช้ในส่วนนี้ช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจแนวคิดของวิศวกรรมเทอร์โมไดนามิกส์ (บางครั้งเรียกว่าวิศวกรรมพลังงานความร้อน)
ระบบ สภาพแวดล้อม และจักรวาล
ระบบคือสิ่งที่เราต้องการศึกษาและสนใจ ดังนั้นขั้นตอนแรกคือการกำหนดเป้าหมายของการศึกษาระบบ เช่น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบหรือลดการสูญเสีย เป็นต้น ตัวอย่างของระบบอาจเป็นการวิเคราะห์วงจรทำความเย็นในโรงเก็บสินค้าหรือการวิเคราะห์วงจรแรงดัน Rankine ในโรงไฟฟ้า
ระบบถูกกำหนดเป็นมวลสารบริสุทธิ์ที่มีขอบเขตแน่นอน ซึ่งประกอบด้วยสารภายในที่คงที่หรือเปลี่ยนแปลงตามวงจร
ขนาดของระบบไม่จำเป็นต้องคงที่ (เช่น อากาศในคอมเพรสเซอร์ถูกอัดโดยลูกสูบ) มันสามารถเปลี่ยนแปลงได้ (เช่น ลูกโป่งที่เติมลม) สารที่มีปฏิสัมพันธ์กับระบบภายนอกเรียกว่าสภาพแวดล้อม และจักรวาลคือผลรวมของระบบและสภาพแวดล้อม
สิ่งที่แยกระบบออกจากสภาพแวดล้อมเรียกว่าขอบเขต ขอบเขตของระบบสามารถคงที่หรือเคลื่อนที่ได้
การสื่อสารระหว่างระบบและสภาพแวดล้อมเกิดขึ้นโดยการข้ามขอบเขต ซึ่งมีบทบาทสำคัญในเทอร์โมไดนามิกส์ (กล่าวคือ ความร้อนและพลังงาน)
ประเภทของระบบในเทอร์โมไดนามิกส์
มีสองประเภทพื้นฐานของระบบในเทอร์โมไดนามิกส์:
ระบบปิดหรือมวลควบคุม: มีปริมาณสารที่แน่นอน ต่างจากระบบเปิด ในระบบปิดไม่มีการไหลของมวลสารข้ามขอบเขตของระบบ นอกจากนี้ยังมีระบบปิดพิเศษที่ไม่สื่อสารและแยกตัวเองออกจากสภาพแวดล้อมเรียกว่าระบบปิดแยก
ปริมาตรควบคุม (ระบบเปิด): ปริมาตรควบคุมจำกัดเฉพาะพื้นที่ที่มวลและพลังงานสามารถไหลผ่านและข้ามขอบเขตของระบบ ขอบเขตของระบบเปิดเรียกว่าพื้นผิวควบคุม ซึ่งสามารถเป็นจริงหรือไม่จริงได้
ตัวอย่างของปริมาตรควบคุม ได้แก่ อุปกรณ์ที่มีการไหลของมวลสารข้ามขอบเขตของระบบ เช่น การไหลของน้ำผ่านปั๊ม การไหลของไอน้ำในกังหันและการไหลของอากาศผ่านคอมเพรสเซอร์
เทอร์โมไดนามิกส์ระดับอนุภาค
วิธีการระดับอนุภาคในเทอร์โมไดนามิกส์ยังเรียกว่าวิทยาการสถิติเทอร์โมไดนามิกส์และมีความเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของสารและเป้าหมายของวิทยาการสถิติเทอร์โมไดนามิกส์คือการระบุพฤติกรรมเฉลี่ยของอนุภาคละเอียดที่ประกอบขึ้นเป็นระบบที่สนใจและใช้ข้อมูลนี้เพื่อสังเกตพฤติกรรมระดับแมโครของระบบ
คุณสมบัติสถานะและกระบวนการของเทอร์โมไดนามิกส์
คุณสมบัติเทอร์โมไดนามิกส์
คุณสมบัติเทอร์โมไดนามิกส์คือลักษณะทางกายภาพของระบบ ค่าของคุณสมบัติสามารถกำหนดได้ทุกเวลาโดยไม่ต้องทราบค่าก่อนหน้านี้และพฤติกรรมของมัน
คุณสมบัติที่กระจาย
คุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับมวลเรียกว่าคุณสมบัติที่กระจายและค่าสำหรับระบบโดยรวมคือผลรวมของค่าสำหรับส่วนต่างๆ ที่ระบบถูกแบ่งออก ตัวอย่างของคุณสมบัติที่กระจาย ได้แก่ ปริมาตร พลังงาน และมวล คุณสมบัติที่กระจายขึ้นอยู่กับขนาดของระบบและสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามเวลา
คุณสมบัติที่เข้มข้น
ต่างจากคุณสมบัติที่กระจาย คุณสมบัติที่เข้มข้นไม่ขึ้นอยู่กับมวลและไม่สามารถรวมกันได้ และไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ คุณสมบัติที่เข้มข้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในระบบในเวลาเดียวกัน ตัวอย่างของคุณสมบัติที่เข้มข้น ได้แก่ ความดันและความร้อน
สถานะเทอร์โมไดนามิกส์
สถานะถูกกำหนดเป็นสภาพของระบบที่อธิบายได้ดีที่สุดโดยคุณสมบัติของระบบ มวลที่ถูกครอบคลุมในระบบสามารถพบได้ในหลากหลายสภาพที่แตกต่างกัน ซึ่งเรียกว่าสถานะ มีความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของระบบ แต่สถานะสามารถระบุได้โดยให้ค่าของคุณสมบัติย่อย
กระบวนการเทอร์โมไดนามิกส์
กระบวนการเทอร์โมไดนามิกส์คือการแปลงจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง หากค่าของคุณสมบัติทางกายภาพของระบบในสองช่วงเวลาที่แตกต่างกันเหมือนกัน ระบบจะถูกกล่าวว่าอยู่ในสถานะเดียวกันในเวลานั้น ระบบจะถึงสภาพคงที่หากไม่มีคุณสมบัติใดๆ ของระบบเปลี่ยนแปลงตามเวลา
วงจรสมดุลของระบบ
วงจรสมดุลของระบบเทอร์โมไดนามิกส์คือกระบวนการที่ดำเนินไปตามลำดับและสิ้นสุดด้วยสภาพเดียวกับที่เริ่มต้น เมื่อวงจรเสร็จสมบูรณ์ คุณสมบัติทั้งหมดจะมีค่าเหมือนกับที่เป็นอยู่เมื่อเริ่มต้น วงจรที่ทำงานซ้ำ ๆ อย่างสม่ำเสมอ มีบทบาทสำคัญในหลายสาขา เช่น การหมุนเวียนของคอนเดนเสทในสถานีกำเนิดไฟฟ้าแบบความร้อน
สารทำงาน
ทฤษฎีของสารช่วยในการเข้าใจแนวคิดของพลังงาน สารเป็นที่รู้จักสำหรับมวล ปริมาตร และพื้นที่ และไม่ว่าโครงสร้างและธรรมชาติจะเป็นอย่างไร สารก็มีลักษณะเฉพาะ เช่น ความคงที่และความน่าเชื่อถือ สารประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากเรียกว่าโมเลกุล สามารถพบสารที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สได้ทุกที่
ในสารของแข็ง โมเลกุลอยู่ใกล้กันและมีการยึดติดอย่างแน่นหนา ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นต้องใช้แรงมากในการเปลี่ยนรูปร่าง
โมเลกุลในสารของเหลวไม่ได้ยึดติดอย่างแน่นหนา ดังนั้นแรงเล็กน้อยเพียงพอที่จะทำให้โมเลกุลรวมตัวกัน
ในสถานะแก๊ส โมเลกุลเคลื่อนที่อย่างอิสระและสุ่ม โดยไม่สนใจโมเลกุลข้างเคียง ความอัดได้เกี่ยวข้องกับแก๊ส ซึ่งมีพื้นที่ว่างระหว่างโมเลกุลมากมาย พลังงานเป็นเหตุผลที่ทำให้สารมีอยู่ในสถานะต่างๆ
สารบริสุทธิ์
วัสดุที่มีโครงสร้างเคมีเดียวหรือความบริสุทธิ์ในโครงสร้างเคมีที่แตกต่างกันเรียกว่าสารบริสุทธิ์ วัสดุสามารถมีอยู่ในสถานะเดียว เช่น ของเหลว หรือมีอยู่ในมากกว่าหนึ่งสถานะที่สมดุลกัน สารผสมที่มีความสม่ำเสมอของก๊าซที่มีส่วนผสมทางเคมีเดียวกันเรียกว่าสารบริสุทธิ์
ความสำคัญของ
