ການວິເຄາະເອນໂທຣປີໃນຂະບວນການວິສະວະກຳທາງເທີໂມໄດນາມິກ
ໃນວິສະວະກຳ, ເທີໂມໄດນາມິກແມ່ນພື້ນຖານທີ່ສຳຄັນສຳລັບການເຂົ້າໃຈວິທີການເຄື່ອນຍ້າຍ ແລະ ປ່ຽນແປງພະລັງງານພາຍໃນລະບົບຕ່າງໆ - ຕັ້ງແຕ່ເຄື່ອງຈັກເຜົາໄໝ້ພາຍໃນ ແລະ ກັງຫັນໄອນ້ຳ ຈົນເຖິງເຄື່ອງອັດ ແລະ ລະບົບເຮັດຄວາມເຢັນ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ນອກເໜືອໄປຈາກການຄິດໄລ່ພະລັງງານ ແລະ ປະສິດທິພາບແລ້ວຍັງມີແນວຄວາມຄິດຫຼັກທີ່ມັກກຳນົດຂໍ້ຈຳກັດດ້ານປະສິດທິພາບຂອງຂະບວນການຄື: ເອນໂທຣປີ. ເອນໂທຣປີບໍ່ພຽງແຕ່ກ່ຽວກັບ "ຄວາມຜິດປົກກະຕິ" ທາງດ້ານຄຸນນະພາບເທົ່ານັ້ນ, ແຕ່ທາງດ້ານເຕັກນິກ, ມັນເປັນປະລິມານທີ່ຊ່ວຍໃຫ້ວິສະວະກອນປະເມີນທິດທາງທີ່ເກີດຂຶ້ນເອງຕາມທຳມະຊາດຂອງຂະບວນການ, ວັດແທກຄວາມບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້, ແລະ ຄິດໄລ່ວຽກທີ່ສູນເສຍໄປໃນລະບົບຕົວຈິງ. ບົດຄວາມນີ້ສົນທະນາກ່ຽວກັບການວິເຄາະເອນໂທຣປີໃນຂະບວນການທາງວິສະວະກຳເທີໂມໄດນາມິກ, ຕັ້ງແຕ່ຄຳນິຍາມຂອງມັນຈົນເຖິງການນຳໃຊ້ກັບອຸປະກອນອຸດສາຫະກຳ.
1. ເຂົ້າໃຈເອນໂທຣປີ ແລະ ຄວາມໝາຍທາງກາຍະພາບຂອງມັນ
ໃນເທີໂມໄດນາມິກແບບຄລາສສິກ, ເອນໂທຣປີ ແມ່ນຟັງຊັນສະຖານະທີ່ການປ່ຽນແປງຂອງມັນຖືກກຳນົດໄວ້ສຳລັບຂະບວນການທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ໂດຍຄວາມສຳພັນ:
\[
dS = \frac{\delta Q_{rev}}{T}
\]
ບ່ອນທີ່ \(dS\) ແມ່ນການປ່ຽນແປງຂອງ entropy, \(\delta Q_{rev}\) ແມ່ນຄວາມຮ້ອນທີ່ຖືກໂອນກັບຄືນໄດ້, ແລະ \(T\) ແມ່ນອຸນຫະພູມສຳບູນ (Kelvin). ເນື່ອງຈາກ entropy ເປັນຟັງຊັນສະຖານະ, ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ແມ່ນຂຶ້ນກັບເງື່ອນໄຂເບື້ອງຕົ້ນ ແລະ ສຸດທ້າຍເທົ່ານັ້ນ, ບໍ່ແມ່ນເສັ້ນທາງຂະບວນການ. ສິ່ງນີ້ມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍໃນວິສະວະກຳ ເພາະມັນຊ່ວຍໃຫ້ວິສະວະກອນສາມາດຄິດໄລ່ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ເຖິງແມ່ນວ່າສຳລັບຂະບວນການທີ່ແທ້ຈິງ ແລະ ບໍ່ສາມາດກັບຄືນໄດ້, ໂດຍໃຊ້ເສັ້ນທາງທີ່ສາມາດກັບຄືນໄດ້ແບບຈິນຕະນາການລະຫວ່າງສອງສະຖານະດຽວກັນ.
ຄວາມໝາຍທາງກາຍະພາບຂອງ entropy ກ່ຽວຂ້ອງກັບແນວໂນ້ມຂອງລະບົບທີ່ຈະກ້າວໄປສູ່ສະຖານະທີ່ເປັນໄປໄດ້ທາງສະຖິຕິຫຼາຍຂຶ້ນ, ເຊັ່ນດຽວກັນກັບມາດຕະການຂອງ "ການກະຈາຍ" ຂອງພະລັງງານ. ໃນການປະຕິບັດວິສະວະກຳ, entropy ສ່ວນຫຼາຍແມ່ນໃຊ້ເພື່ອ:
1. ກຳນົດວ່າຂະບວນການດັ່ງກ່າວມີແນວໂນ້ມທີ່ຈະເກີດຂຶ້ນໂດຍທຳມະຊາດຫຼືບໍ່.
2. ປະເມີນລະດັບຄວາມບໍ່ສາມາດແກ້ໄຂໄດ້ ແລະ ຄຸນນະພາບຂອງຂະບວນການ.
3. ຄິດໄລ່ປະສິດທິພາບສູງສຸດທາງທິດສະດີ (ຂອບເຂດທີ່ເໝາະສົມ).
2. ກົດເກນທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກ ແລະ ການຜະລິດເອນໂທຣປີ
ການວິເຄາະເອນໂທຣປີແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງຢ່າງໃກ້ຊິດກັບກົດເກນທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກ. ສຳລັບລະບົບໂດດດ່ຽວ, ເອນໂທຣປີບໍ່ເຄີຍຫຼຸດລົງ:
\[
\Delta S_{ທັງໝົດ} \ge 0
\]
ສຳລັບລະບົບຕົວຈິງ, ເອນໂທຣປີທັງໝົດປະກອບມີເອນໂທຣປີຂອງລະບົບ ແລະ ສິ່ງອ້ອມຂ້າງ. ຖ້າຂະບວນການແມ່ນ:
- ປີ້ນກັບກັນໄດ້, ຫຼັງຈາກນັ້ນ \(\Delta S_{total} = 0\)
- ບໍ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້, ຫຼັງຈາກນັ້ນ \(\Delta S_{total} > 0\)
ແນວຄວາມຄິດຫຼັກຢູ່ທີ່ນີ້ແມ່ນການຜະລິດເອນໂທຣປີ (\(S_{gen}\)), ເຊິ່ງເປັນຕົວແທນຂອງເອນໂທຣປີ "ຜະລິດ" ເນື່ອງຈາກແຮງທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ເຊັ່ນ: ແຮງສຽດທານ, ການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນຜ່ານຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມທີ່ຈຳກັດ, ການປະສົມຂອງແຫຼວ, ຄວາມວຸ່ນວາຍ, ການຂະຫຍາຍຕົວຢ່າງເສລີ, ແລະ ປະຕິກິລິຍາເຄມີທີ່ບໍ່ສົມດຸນ. ໃນຮູບແບບຂອງຄວາມສົມດຸນເອນໂທຣປີສຳລັບລະບົບປະລິມານຄວບຄຸມ, ສິ່ງນີ້ສາມາດຂຽນໄດ້ດັ່ງນີ້:
\[
\frac{dS_{cv}}{dt} = \sum \dot{m}_{in}s_{in} – \sum \dot{m}_{out}s_{out} + \sum \frac{\dot{Q}}{T} + \dot{S}_{gen}
\]
ດ້ວຍ \( \dot{S}_{gen} \ge 0\). ສຳລັບວິສະວະກອນ, ຄ່າຂອງ \( \dot{S}_{gen} \) ເປັນຕົວຊີ້ບອກຄຸນນະພາບຂອງຂະບວນການ: ມັນໃຫຍ່ເທົ່າໃດ, ການສູນເສຍກໍ່ຈະຫຼາຍຂຶ້ນເທົ່ານັ້ນ.
3. ເອນໂທຣປີໃນຂະບວນການທາງເທີໂມໄດນາມິກພື້ນຖານ
ໃນການວິເຄາະທາງວິສະວະກຳ, ຂະບວນການຕ່າງໆມັກຈະຖືກສ້າງແບບຈຳລອງເປັນອຸດົມການເພື່ອອຳນວຍຄວາມສະດວກໃນການຄິດໄລ່. ຂະບວນການພື້ນຖານບາງຢ່າງ ແລະ ຄວາມສຳພັນຂອງພວກມັນກັບເອນໂທຣປີມີດັ່ງນີ້:
ກ. ຂະບວນການໄອໂຊເທີມ (ຄ່າຄົງທີ່ T)
ໃນຂະບວນການ isothermal ທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້, ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງໂດຍກົງກັບການປ້ອນ/ສົ່ງອອກຄວາມຮ້ອນ:
\[
\Delta S = \frac{Q_{rev}}{T}
\]
ຂະບວນການນີ້ກ່ຽວຂ້ອງກັບການວິເຄາະເຄື່ອງຈັກ Carnot ແລະບາງຂັ້ນຕອນການບີບອັດ/ການຂະຫຍາຍແມ່ນຊ້າຫຼາຍ.
ຂ. ຂະບວນການໄອເຊັນໂທຣປິກ (ຄ່າຄົງທີ່ S)
ຂະບວນການໄອເຊັນໂທຣປີ ແມ່ນຂະບວນການທີ່ເປັນອຸດົມຄະຕິ ເຊິ່ງທັງເປັນແບບອາເດຍແບຕິກ ແລະ ແບບປີ້ນກັບຄືນໄດ້. ອົງປະກອບວິສະວະກຳຫຼາຍຢ່າງ ເຊັ່ນ: ກັງຫັນ, ເຄື່ອງອັດອາກາດ ແລະ ປາຍລະບາຍອາກາດ ມັກຖືກສົມມຸດວ່າເປັນໄອເຊັນໂທຣປີ ເພື່ອຄິດໄລ່ປະສິດທິພາບທີ່ເໝາະສົມ. ໃນຄວາມເປັນຈິງແລ້ວ, ຂະບວນການໃນອົງປະກອບເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນປະມານແບບອາເດຍແບຕິກ ແຕ່ບໍ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້, ດັ່ງນັ້ນເອນໂທຣປີມັກຈະເພີ່ມຂຶ້ນ. ຄວາມຜິດປົກກະຕິຈາກພຶດຕິກຳຂອງໄອເຊັນໂທຣປີ ຖືກນຳໃຊ້ເພື່ອກຳນົດປະສິດທິພາບຂອງໄອເຊັນໂທຣປີ.
ຄ. ຂະບວນການອາເດຍແບຕິກທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້
ໃນຂະບວນການ adiabatic ທີ່ແທ້ຈິງ, ບໍ່ມີການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນ (\(Q=0\)), ແຕ່ entropy ສາມາດເພີ່ມຂຶ້ນຍ້ອນການບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ພາຍໃນ:
\[
\Delta S = S_{gen} > 0
\]
ຕົວຢ່າງທົ່ວໄປແມ່ນການບີບອັດຂອງອາຍແກັສໂດຍການສຽດສີ ແລະ ການປັ່ນປ່ວນ.
ງ. ຂະບວນການໄອໂຊບາຣິກ ແລະ ໄອໂຊຄໍຣິກ
ສຳລັບຂະບວນການຄວາມດັນຄົງທີ່ ຫຼື ປະລິມານຄົງທີ່, ການປ່ຽນແປງຂອງ entropy ສາມາດຄິດໄລ່ໄດ້ໂດຍໃຊ້ຂໍ້ມູນຄຸນສົມບັດ (ຕາຕະລາງໄອນ້ຳ, ຕາຕະລາງອາຍແກັສທີ່ເໝາະສົມ) ຫຼື ສົມຜົນຄວາມຮ້ອນສະເພາະ:
- ສຳລັບອາຍແກັສທີ່ເໝາະສົມ:
\[
\Delta s = c_p \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right) – R\ln\left(\frac{P_2}{P_1}\right)
\]
ຫຼື
\[
\Delta s = c_v \ln\left(\frac{T_2}{T_1}\right) + R\ln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)
\]
4. ການນຳໃຊ້ການວິເຄາະເອນໂທຣປີໃນອຸປະກອນວິສະວະກຳ
ກ. ກັງຫັນ ແລະ ເຄື່ອງອັດອາກາດ
ໃນກັງຫັນທີ່ເໝາະສົມ, ການຂະຫຍາຍຕົວຂອງນ້ຳຈະຜະລິດວຽກສູງສຸດໃນລະຫວ່າງຂະບວນການ isentropic. ກັງຫັນທີ່ແທ້ຈິງມີການເພີ່ມຂຶ້ນຂອງ entropy ເນື່ອງຈາກແຮງສຽດທານ ແລະ ຄວາມວຸ່ນວາຍ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ວຽກຕົວຈິງໜ້ອຍລົງ. ປະສິດທິພາບ isentropic ຂອງກັງຫັນໂດຍທົ່ວໄປແມ່ນຖືກນິຍາມວ່າເປັນອັດຕາສ່ວນຂອງວຽກຕົວຈິງຕໍ່ກັບວຽກ isentropic. ໃນທາງກົງກັນຂ້າມ, ໃນເຄື່ອງອັດອາກາດ, ຄວາມບໍ່ປ່ຽນແປງເຮັດໃຫ້ຄວາມຕ້ອງການວຽກຕົວຈິງສູງກວ່າທີ່ເໝາະສົມ.
ຂ. ເຄື່ອງແລກປ່ຽນຄວາມຮ້ອນ (ເຄື່ອງແລກປ່ຽນຄວາມຮ້ອນ)
ເຄື່ອງແລກປ່ຽນຄວາມຮ້ອນມັກຖືກສົມມຸດວ່າບໍ່ເຮັດວຽກຫຍັງ ແລະ ເຮັດວຽກຢູ່ໃນສະຖານະທີ່ໝັ້ນຄົງ. ເຖິງແມ່ນວ່າມັກຈະຖືກສົມມຸດວ່າເປັນ adiabatic ເມື່ອທຽບກັບສິ່ງແວດລ້ອມ, ການຜະລິດ entropy ເກີດຂຶ້ນຍ້ອນການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນຜ່ານຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມທີ່ຈຳກັດ. ການອອກແບບທີ່ດີພະຍາຍາມຫຼຸດຜ່ອນຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມໃນທ້ອງຖິ່ນ, ຫຼຸດຜ່ອນການບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້, ແລະ ຫຼຸດຜ່ອນ \(S_{gen}\).
ຄ. ວາວຄວບຄຸມຄວາມໄວ
ຂະບວນການຄວບຄຸມຄວາມໄວ (ຕົວຢ່າງ, ໃນວາວຂະຫຍາຍຕູ້ເຢັນ) ໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວຖືກພິຈາລະນາເປັນ isenthalpic (ຄ່າຄົງທີ່ \(h\)), ແຕ່ entropy ເພີ່ມຂຶ້ນ. ການວິເຄາະ entropy ຊ່ວຍໃຫ້ເຂົ້າໃຈວ່າການຄວບຄຸມຄວາມໄວເປັນຂະບວນການທີ່ບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ສູງ ແລະ ເຮັດໃຫ້ສູນເສຍວຽກງານທີ່ມີທ່າແຮງ. ດັ່ງນັ້ນ, ໃນບາງລະບົບ, ອຸປະກອນຂະຫຍາຍຈຶ່ງຖືກທົດແທນດ້ວຍເຄື່ອງຂະຫຍາຍເພື່ອດູດຊຶມວຽກງານ ແລະ ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້, ເຖິງແມ່ນວ່າຈະມີຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງຄວາມສັບສົນທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນ.
ງ. ລະບົບເຄື່ອງເຮັດຄວາມເຢັນ ແລະ ປໍ້າຄວາມຮ້ອນ
ໃນວົງຈອນການເຮັດຄວາມເຢັນ, ການວິເຄາະເອນໂທຣປີຊ່ວຍປະເມີນປະສິດທິພາບຂອງເຄື່ອງອັດອາກາດ, ຄຸນນະພາບຂອງຂະບວນການກັ່ນຕົວ/ການລະເຫີຍ, ແລະແຫຼ່ງທີ່ມາຂອງຄວາມບໍ່ປ່ຽນແປງທີ່ຫຼຸດຜ່ອນ COP (ສຳປະສິດປະສິດທິພາບ). ແຜນວາດ \(Ts\) ແມ່ນມີປະໂຫຍດຫຼາຍສຳລັບການເບິ່ງເຫັນການເພີ່ມຂຶ້ນຂອງເອນໂທຣປີໃນຂະບວນການບີບອັດ ແລະ ການຄວບຄຸມຕົວຈິງ.
5. ເອນໂທຣປີ, ການອອກກໍາລັງກາຍ, ແລະ ການສູນເສຍວຽກ
ໃນວິສະວະກຳ, ເອນໂທຣປີມັກຈະຖືກຈັບຄູ່ກັບແນວຄວາມຄິດຂອງ ເອັກເຊີກີ, ເຊິ່ງເປັນມາດຕະການຂອງພະລັງງານສູງສຸດທີ່ສາມາດປ່ຽນເປັນວຽກທີ່ເປັນປະໂຫຍດເມື່ອລະບົບພົວພັນກັບສະພາບແວດລ້ອມອ້າງອີງ. ການສູນເສຍວຽກຍ້ອນການບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງໂດຍກົງກັບການຜະລິດເອນໂທຣປີຜ່ານ:
\[
\dot{W}_{lost} = T_0 \dot{S}_{gen}
\]
ບ່ອນທີ່ \(T_0\) ແມ່ນອຸນຫະພູມອາກາດອ້ອມຂ້າງ. ຄວາມສຳພັນນີ້ແມ່ນເຂັ້ມແຂງຫຼາຍ: entropy ໃດໆທີ່ເກີດຂຶ້ນສະແດງເຖິງການສູນເສຍ "ທ່າແຮງການເຮັດວຽກ". ດັ່ງນັ້ນ, ການເພີ່ມປະສິດທິພາບຂອງລະບົບອຸດສາຫະກໍາມັກຈະສຸມໃສ່ການຫຼຸດຜ່ອນ \( \dot{S}_{gen} \) ໃນອົງປະກອບທີ່ໂດດເດັ່ນ, ເຊັ່ນ: ເຄື່ອງອັດອາກາດ, ເຄື່ອງເຜົາໄໝ້, ຫຼື ເຄື່ອງແລກປ່ຽນຄວາມຮ້ອນທີ່ມີຄວາມແຕກຕ່າງຂອງອຸນຫະພູມຫຼາຍ.
6. ແຜນວາດ Ts ເປັນເຄື່ອງມືວິເຄາະ
ແຜນວາດອຸນຫະພູມ-ເອນໂທຣປີ (\(Ts\)) ເປັນເຄື່ອງມືທີ່ເບິ່ງເຫັນໄດ້ຢ່າງສຳຄັນ. ພື້ນທີ່ພາຍໃຕ້ເສັ້ນໂຄ້ງຂອງຂະບວນການທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ໃນແຜນວາດ \(Ts\) ເປັນຕົວແທນຂອງການຖ່າຍໂອນຄວາມຮ້ອນ \(Q_{rev}\). ແຜນວາດນີ້ເຮັດໃຫ້ວິສະວະກອນເຫັນໄດ້ງ່າຍ:
- ຂະບວນການດັ່ງກ່າວມີແນວໂນ້ມທີ່ຈະປີ້ນກັບຄືນໄດ້ເກືອບທັງໝົດບໍ (ເສັ້ນໂຄ້ງແມ່ນ "ສະອາດ" ແລະ ບໍ່ເພີ່ມຂຶ້ນໃນ entropy).
- ມີຄວາມບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ຫຼາຍປານໃດໃນການບີບອັດ, ການຂະຫຍາຍຕົວ, ແລະ ການເພີ່ມ/ການກຳຈັດຄວາມຮ້ອນ.
- ການປຽບທຽບວົງຈອນທີ່ເໝາະສົມທຽບກັບວົງຈອນທີ່ແທ້ຈິງ.
7. ເຄ ສີມພູລານ
ການວິເຄາະເອນໂທຣປີໃນຂະບວນການທາງວິສະວະກຳທາງເທີໂມໄດນາມິກແມ່ນວິທີການພື້ນຖານໃນການເຂົ້າໃຈ ແລະ ປັບປຸງປະສິດທິພາບຂອງລະບົບພະລັງງານ. ເອນໂທຣປີຊ່ວຍເຊື່ອມຕໍ່ກົດເກນທີສອງຂອງເທີໂມໄດນາມິກກັບຄວາມເປັນຈິງຂອງຂົງເຂດ: ບໍ່ມີຂະບວນການໃດທີ່ສາມາດປີ້ນກັບຄືນໄດ້ຢ່າງແທ້ຈິງ, ແລະທຸກໆຄວາມບໍ່ແນ່ນອນທີ່ປີ້ນກັບຄືນໄດ້ຜະລິດເອນໂທຣປີ ແລະ ຫຼຸດຜ່ອນວຽກງານທີ່ອາດເກີດຂຶ້ນ. ຜ່ານຄວາມສົມດຸນຂອງເອນໂທຣປີ, ວິສະວະກອນສາມາດລະບຸແຫຼ່ງທີ່ມາຂອງການສູນເສຍ, ປະເມີນປະສິດທິພາບຂອງໄອເຊນໂທຣປີຂອງເຄື່ອງຈັກແຫຼວ, ປະເມີນຄຸນນະພາບຂອງການອອກແບບເຄື່ອງແລກປ່ຽນຄວາມຮ້ອນ, ແລະ ເຊື່ອມໂຍງການຜະລິດເອນໂທຣປີກັບການສູນເສຍອອກກຳລັງກາຍ. ໃນທີ່ສຸດ, ການຮຽນຮູ້ແນວຄວາມຄິດຂອງເອນໂທຣປີບໍ່ພຽງແຕ່ເປັນຄວາມຈຳເປັນທາງວິຊາການເທົ່ານັ້ນ ແຕ່ຍັງເປັນເຄື່ອງມືທີ່ໃຊ້ໄດ້ຈິງສຳລັບການອອກແບບລະບົບຄວາມຮ້ອນທີ່ມີປະສິດທິພາບ, ປະຫຍັດພະລັງງານ, ແລະ ໜ້າເຊື່ອຖືຫຼາຍຂຶ້ນໃນການນຳໃຊ້ອຸດສາຫະກຳທີ່ທັນສະໄໝ.
