19

1. บทที่ 19
เครื่องจักรความร้อน
 เครื่องยนต์ความร้อนทางานเป็นวัฏจักร โดยมีขั้นตอนดังนี้
1. เครื่องยนต์ดูดกลืนพลังงานความร้อนจากแหล่งให้ความร้อนอุณหภูมิสูง
2. เครื่องยนต์ทางาน
3. เครื่องยนต์คายพลังงานความร้อนที่แหล่งระบายความร้อนอุณหภูมิต่า
 จากภาพ
 ประสิทธิภาพทางความร้อน
 เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรซึ่งทางานเป็นวัฏจักรโดยรับความร้อนจากแหล่งอุณหภูมิเดี่ยวแล้วเปลี่ยนเป็นงานทั้งหมด
1. เครื่องจักรความร้อนดูดกลืนความร้อน 360 จูล และทางานต่อ 1 รอบได้25 จูล จงหา
ก. ประสิทธิภาพของเครื่องจักร
ข. ความร้อนที่ปล่อยออกมาใน 1 รอบ

2. 2. ความร้อนที่ดูดกลืนโดยเครื่องจักรความร้อนมีค่าเป็น 3 เท่าของงานที่ทาจงหา
ก. ประสิทธิภาพทางความร้อน
ข. อัตราส่วนของความร้อนที่ปล่อยออกต่อความร้อนที่ดูดกลืน
กระบวนการผันกลับได้และกระบวนการผันกลับไม่ได้ (Reversible and irreversible processes)
กระบวนการผันกลับได้เป็นกระบวนการที่เมื่อเกิดขึ้นแล้ว ทั้งระบบและสิ่งแวดล้อมสามารถกลับเข้าสู่สถานะเดิมได้ส่วนกระบวนการที่ไม่
เป็นไปตามหลักการดังกล่าวเรียกว่า กระบวนการผันกลับไม่ได้แต่กระบวนการที่แท้จริงในธรรมชาติจะเป็นกระบวนการผันกลับไม่ได้
ปั๊มความร้อนและเครื่องทาความเย็น
 ปั้มความความร้อนเป็นเครื่องกลที่ทาหน้าที่ส่งผ่านพลังงานความร้อนจากบริเวณที่มีอุณหภูมิต่าไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ส่วนเครื่องทา
ความเย็นทางานคล้ายกับเครื่องสูบความร้อน โดยภายในจะเย็นลงจากการดูดพลังงานความร้อนจากภายในออกไประบายหรือถ่ายเทที่ภายนอก
 จากภาพ
 สัมประสิทธิ์การทางาน
- ปั้มความร้อน
T-
T
c
h
hT

- เครื่องทาความเย็น
ch
c
TT
T


 เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรที่ทางานเป็นวัฏจักรด้วยกระบวนการที่รับความร้อนจากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่าแล้วถ่ายเทความร้อน
ดังกล่าวให้แหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง

3. 1.เครื่องทาความเย็นมีสัมประสิทธิ์ของการทางานเท่ากับ 5 ถ้าเครื่องทาความเย็นดูดกลืนความร้อน 120 จูล จากแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่าในแต่ละ
รอบจงหา
ก. งานที่ทาในแต่ละรอบ
ข. ความร้อนที่ปล่อยออกมายังแหล่งอุณหภูมิสูง
เครื่องจักรคาร์โนต์
 เขาได้แสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์ความร้อนที่ทางานตามอุดมคติเป็นวัฏจักรผันกลับได้หรือเรียกว่าวัฏจักรคาร์โนต์(carnot cycle)
 ได้ตั้งเป็นทฤษฎีขึ้นเรียกว่า ทฤษฎีคาร์โนต์(Carnot’s theorem) ซึ่งกล่าวว่า ไม่มีเครื่องจักรความร้อนจริงใดที่ทางานอยู่ระหว่างแหล่งอุณหภูมิคู่
เดียวกันแล้วสามารถมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องจักรคาร์โนต์เพราะว่าเครื่องจักรจริงไม่ได้ทางานภายใต้วัฎจักผันกลับได้
 วัฏจักรคาร์โนต์ทางานด้วยกระบวนการความร้อนคงที่ 2 ช่วง และกระบวนการอุณหภูมิคงที่ 2 ช่วง โดยกระบวนการทั้งหมดเป็นกระบวนการผัน
กลับได้ดังนี้
ก. กระบวนการจาก AB ก๊าซขยายตัวด้วยกระบวนการอุณหภูมิคงที่ Th โดยก๊าซสัมผัสกับแหล่งความร้อนอุณหภูมิ Th ระหว่างก๊าซขยายตัวจะ
ดูดกลืนพลังงานความร้อน Qh จากแหล่งความร้อนและก๊าซทางานได้เท่ากับ WAB โดยการดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่
ข. กระบวนการจาก BC ก๊าซขยายตัวด้วยกระบวนการความร้อนคงที่ คือไม่มีพลังงานความร้อนเข้าสู่หรือออกจากระบบระหว่างก๊าซขยายตัว
อุณหภูมิจะลดลงจาก Th เป็น TC และก๊าซทางานได้เท่ากับ WBC โดยการดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเช่นเดียวกัน
ค. กระบวนการ CD ก๊าซถูกอัดด้วยกระบวนการอุณหภูมิคงที่ TC ระหว่างก๊าซถูกอัดจะคายพลังงานความร้อน QC ให้แหล่งความร้อน โดยการ
ทางานจากภายนอกให้กับก๊าซเท่ากับ WCD
ง. ขั้นตอนสุดท้ายจาก DA ก๊าซถูกอัดด้วยกระบวนการความร้อนคงที่อีกครั้ง จึงไม่มีพลังงานความร้อนเข้าสู่หรือออกจากระบบระหว่างก๊าซถูกอัด
อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจาก TC เป็น Th และต้องทางานให้กับก๊าซจากตัวกระทาภายนอกเท่ากับ WDA

4.  สูตร
1. ประสิทธิภาพของเครื่องจักร Carnot คือ 30 % เครื่องจักรดูดกลืนความร้อน 800 จูลต่อรอบ จากแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูงที่ 500 K จงหา
ก. ความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อรอบ
ข. อุณหภูมิของแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่า
2. เครื่องจักรความร้อนทางานใน Carnot cycle ระหว่างอุณหภูมิ 80 และ 350 องศาเซลเซียส ซึ่งเครื่องจักรดูดกลืนความร้อน 20000 จูล ต่อรอบ
จากแหล่งความร้อนสูง ช่วงเวลาของแต่ละวัฎจักรใช้เวลา 1 วินาที จงหา
ก. กาลังผลิตสูงสุดของเครื่องจักรนี้
ข. ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหนึ่งวัฎจักร
เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combustion engines)
เครื่องยนต์ก๊าซโซลีน (เบนซิน) ที่ใช้ในรถยนต์หรือใช้ในงานอื่น ๆ เป็นตัวอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์ความร้อน แสดงการทางานของ
เครื่องยนต์ก๊าซโซลีนชนิดหนึ่ง โดยการทางานจะมี 5 ขั้นตอนที่เกิดต่อเนื่องกันในแต่ละวัฏจักร ดังนี้
ก. ข. ค. ง. จ.
เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบ 4 จังหวะ ที่ทางานต่อเนื่องเป็น 5 ขั้นตอน ก. ดูด ข. อัด ค. จุดระเบิด ง. กาลัง จ. คาย ตามรูปอธิบายกระบวนการที่
เกิดขึ้นได้ดังนี้
ก. จังหวะดูด (intake stroke) เป็นจังหวะที่วาวล์ท่อไอดีเปิดและลูกสูบกาลังเคลื่อนที่ลงทาให้เกิดที่ว่างในกระบอกสูบ เพื่อดูดอากาศที่ผสม
กับไอของก๊าซโซลีนจากคาร์บูเรเตอร์ (carburator) ผ่านเข้ามาทางท่อไอดีซึ่งเปิดอยู่เข้าสู่กระบอกสูบ ทาให้ปริมาตรของกระบอกสูบเพิ่มจากค่าต่าสุด
V (ขณะลูกสูบอยู่สูงสุด) เป็นค่าสูงสุด rV (ขณะลูกสูบอยู่ต่าสุด)
ข. จังหวะอัด (compression stroke) ในจังหวะนี้วาวล์ท่อไอดีจะปิด ไอของก๊าซที่ผสมกับอากาศแล้วจะถูกอัดประมาณได้ว่าเป็น
กระบวนการความร้อนคงที่ โดยลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นจนกระบอกสูบมีปริมาตรเท่ากับ V อีกครั้ง
ค. การจุดระเบิด (ignition) ช่วงที่ก๊าซถูกอัดจนมีปริมาตรเป็น V จะเกิดการจุดระเบิดขึ้นโดยหัวเทียน
ง. จังหวะกาลัง (power stroke) หลังจากการจุดระเบิดแล้วทาให้ก๊าซร้อนขึ้นและขยายตัวด้วยกระบวนการความร้อนคงที่จนมีปริมาตรเป็น
rV ในช่วงเกิดกระบวนการดังกล่าวก๊าซไปดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ลงและทางานได้

5. จ. จังหวะคาย (exhaust stroke) จังหวะนี้วาวล์ท่อไอเสียจะเปิดลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นพร้อมกับคายส่วนผสมของก๊าซที่เผาไหม้แล้วออกจาก
กระบอกสูบ เมื่อสิ้นสุดจังหวะนี้ถือว่าเครื่องยนต์ทางานครบ 1 รอบ และพร้อมที่จะเริ่มจังหวะดูดในวัฏจักรใหม่ต่อไป
 กราฟระหว่างความดันกับปริมาตรแทนกระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกส์ของเครื่องยนต์ก๊าซโซลีนแบบอุดมคติ รูปแบบนี้เรียกว่า วัฏจักรออต
โต (Otto cycle)
rV
V
A
Qc
D
VO
B
O
CP
Qh
กระบวนการความร้อนคงที่
ตามรูป อธิบายกระบวนการที่เกิดขึ้นได้ดังนี้
1. จาก OA เป็นจังหวะดูด อากาศถูกดูดเข้ากระบอกสูบที่ความดันบรรยากาศ ทาให้ปริมาตรของกระบอกสูบเพิ่มจาก V เป็น rV
2. จาก AB เป็นจังหวะอัด โดยอากาศที่ผสมกับไอของก๊าซโซลีนจะถูกอัดด้วยกระบวนการความร้อนคงที่ ทาให้ปริมาตรลดลงจาก rV เป็น V ส่วน
อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจาก TA เป็น TB ถือว่ามีการทางานให้กับก๊าซเท่ากับพื้นที่ใต้เส้นกราฟ AB
3. จาก BC อากาศที่ผสมกับไอของก๊าซโซลีนเกิดการเผาไหม้ทาให้เกิดความร้อนขึ้น จึงถือว่ามีการเพิ่มพลังงานความร้อน Qh ให้กับก๊าซในช่วงนี้
ความดันและอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วโดยปริมาตรคงที่ จึงถือว่าไม่มีการทางานให้กับก๊าซ
4. จาก CD จังหวะนี้ก๊าซขยายตัวด้วยกระบวนการความร้อนคงที่ทาให้ปริมาตรของก๊าซเปลี่ยนจาก V เป็น rV ทาให้อุณหภูมิลดลงจาก TC เป็น TD
และก๊าซทางานได้เท่ากับพื้นที่ใต้เส้นกราฟ CD เรียกจังหวะนี้ว่าจะหวะกาลัง
5. จาก DA ก๊าซจะคายพลังงานความร้อน Qc ออกไป ทาให้ความดันลดลงแต่ปริมาตรยังคงที่ จึงไม่มีการทางานในช่วงนี้
6. จาก AO จังหวะคายเป็นกระบวนการช่วงสุดท้าย ก๊าซที่เหลือจะถูกปล่อย (คายออก) สู่ความดันบรรยากาศ ทาให้ปริมาตรลดลงจาก rV เป็น V
และพร้อมที่จะเริ่มวัฏจักรใหม่ต่อไป
เครื่องยนต์ดีเซล (diesel engine)
เครื่องยนต์ชนิดนี้มีอากาศกับไอของน้ามันโซลาเป็นสารปฏิบัติงาน น้ามันดังกล่าวมีจุดเดือดสูง ส่วนแหล่งระบายความร้อนคือบรรยากาศ
ของสิ่งแวดล้อม การทางานของเครื่องยนต์ดีเซลคล้ายกับเครื่องยนต์ก๊าซโซลีนที่กล่าวมาแล้ว สิ่งที่แตกต่างกันและสาคัญคือไม่ให้อากาศผสมกับน้ามัน
ก่อนอัด แต่จะอัดอากาศเพียงอย่างเดียวจนปริมาตรลดลงมากและร้อนจัดโดยไม่ระเบิด จากนั้นจึงฉีดฝอยน้ามันเข้าไปให้ได้จังหวะพอดีกับที่ลูกสูบจะ
เคลื่อนที่โดยก๊าซขยายตัวออกไป อากาศที่ถูกอัดจนร้อนจัดนั้นจะสันดาปกับไอน้ามันที่ระเหยขึ้นเองโดยไม่ต้องใช้ประกายไฟจากหัวเทียนมาจุด
ระเบิด ซึ่งสามารถอธิบาย
วัฏจักรดีเซล (diesel cycle) แบบอุดมคติโดยกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรดังรูป ดังนี้

6. rV
V
A
Qc
D
VO
B
O
CP
Qh
กระบวนการความร้อนคงที่
1. จาก OA เป็นการดูดอากาศจากภายนอกเข้าสู่กระบอกสูบ
2. จาก AB อากาศจะถูกอัดทาให้ปริมาตรเปลี่ยนจาก rV เป็น V ด้วยกระบวนการความร้อนคงที่จนอากาศร้อนจัด
3. จาก BC จะเป็นการระเบิดโดยการฉีดฝอยน้ามันดีเซลเข้าสู่กระบอกสูบ ทาให้ได้รับพลังงานความร้อน Qh ในขณะที่ความดันคงที่
4. จาก CD เป็นช่วงการทางานเนื่องจากการระเบิดและก๊าซขยายตัวด้วยกระบวนการความร้อนคงที่
5. จาก DA อากาศที่ผ่านการสันดาปมาแล้วเย็นตัวลงโดยปริมาตรคงที่ คายพลังงานความร้อนออกไปเท่ากับ Qc
6. จาก AO เป็นการขับไอเสียออกโดยความดันคงที่ และพร้อมที่จะดูดอากาศเข้ามาในกระบอกสูบเพื่อเริ่มต้นวัฏจักรใหม่ต่อไป
การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี
 เอนโทรปีที่เปลี่ยนแปลงไปจะเท่ากับพลังงานความร้อนที่ถ่ายเทออกไปในกระบวนการที่ผันกลับได้หารด้วยอุณหภูมิเป็นองศาสัมบูรณ์ดังนี้
dS = T
dQ
เอนโทรปีมีหน่วยเป็น  K
J
เคลวิน
จูล
 เมื่อระบบดูดกลืนพลังงานความร้อนเข้าสู่ระบบปริมาณ dQ จะเป็นบวกเป็นผลทาให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้น แต่ถ้าระบบคายพลังงานความร้อนออกมา
dQ จะเป็นลบจึงทาให้เอนโทรปีลดลง
∫
{
เกิดและผันกลับไม่ได้
เกิดและผันกลับได้
ไม่สามารถเกิดได้
การหา
การหลอมเหลวและการกลายเป็นไอ

7. การเปลี่ยนอุณหภูมิ
1. จงกาหารเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของเงิน จานวน 1 โมล เมื่อถูกหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 961 0
C กาหนดให้ เลขมวลเท่ากับ 108 กรัม/โมล และ L =
8.9 kJ/kg
2. จงหาการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของน้าแข็ง 20 กรัม เป็นน้าที่ 25 องศาเซลเซียส กาหนดให้ L= 333000 J/K , c = 4180 J/kgK
ของผสม
1.เหล็ก 1 กิโลกรัม อุณหภูมิ 900 0
C ถูกทาให้เย็นโดยใส่ลงไปในน้า 4 กิโลกรัม อุณหภูมิ 10 0
C ถ้าสมมุติว่าไม่มีการสูญเสียความร้อนเลย จงหาการ
เปลี่ยนแปลงเอนโทรปี กาหนดให้ น้า
แก๊สเปลี่ยนสภาวะ
1.จงหาการลดลงของเอนโทรปีของก๊าซฮีเลียม 1 โมล ที่ถูกทาให้เย็นที่ 1 atm จากอุณหภูมิห้อง(293 K ) เป็น อุณหภูมิ 4 K ให้
ของฮีเลียมเท่ากับ
2.ก๊าซฮีเลียมจานวน 5 โมล อุณหภูมิ 27 0
C ปริมาตร 4.8 ลิตร ขยายตัวจนมีปริมาตร 9.6 ลิตร โดยการขยายตัวที่ความดันคงที่ จงหาการเปลี่ยนแปลง
เอนโทรปีที่เกิดขึ้น
3. ภาชนะ 2 ลิตร ซึ่งมีฉากกั้นแบ่งครึ่งตรงกลางดังรูป ถ้าก๊าซทั้งสองอยู่ที่อุณหภูมิห้องและความดัน 1 atm จากนั้นนาฉากกั้นออก จงหาการเพิ่มขึ้น
ของเอนโทรปี