กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์

บทความเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

กระบวนการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั้งหมดเกิดขึ้นในทิศทางเดียวเท่านั้น แต่ไม่สามารถเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้ามได้ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่ากระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้ หลังจากที่มะม่วงหลุดจากก้านและร่วงลงสู่พื้นแล้ว มันจะไม่เคลื่อนที่ขึ้นไปอีก หนังสือที่เราผลักแล้วหยุดจะไม่เคลื่อนที่กลับมาหาเรา ถ้าเราเอาวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง (วัตถุร้อน) มาแตะกับวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ (วัตถุเย็น) ความร้อนจะไหลจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำโดยธรรมชาติ เราไม่เคยเห็นกระบวนการย้อนกลับที่ความร้อนเคลื่อนที่จากวัตถุเย็นไปยังวัตถุร้อน ถ้ากระบวนการนี้เกิดขึ้น วัตถุเย็นก็จะเย็นลง ในขณะที่วัตถุร้อนก็จะร้อนขึ้น แต่ในความเป็นจริงแล้ว มันไม่ใช่แบบนั้น มีกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้มากมายที่ดูแตกต่างกัน แต่ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบของพลังงานและการถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง

ตัวอย่างเช่น เกิดแผ่นดินไหวรุนแรงที่ทำให้ตึกถล่ม (ตึกถล่มเนื่องจากพลังงานที่มากับคลื่นแผ่นดินไหว) คุณเคยเห็นชิ้นส่วนของตึกที่ถล่มกลับมารวมกันและตั้งตรงเหมือนเดิมหรือไม่? หรือยกตัวอย่างเช่น แก้วตกพื้นแตก... คุณเคยเห็นเศษแก้วที่กระจัดกระจายอยู่บนพื้นกลับมารวมกันและกลายเป็นแก้วใบเดิมหรือไม่? คงไม่เคยเกิดขึ้น... ยังมีตัวอย่างอื่นๆ อีกมากมาย

เพื่ออธิบายกระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกที่เกิดขึ้นในทิศทางเดียวเท่านั้น (กระบวนการที่ไม่ผันกลับได้) นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกขึ้นมา กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกอธิบายว่ากระบวนการใดบ้างที่สามารถเกิดขึ้นได้ในจักรวาล และกระบวนการใดบ้างที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ นักวิทยาศาสตร์ท่านหนึ่งชื่อ อาร์.เจ.อี. คลอเซียส (ค.ศ. 1822–1888) ได้กล่าวไว้ดังนี้:

ความร้อนจะเคลื่อนที่เองจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ ความร้อนจะไม่เคลื่อนที่เองจากวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำไปยังวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง (กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ – คำกล่าวของคลอซิอุส)

คำกล่าวของคลอซิอุสเป็นคำกล่าวพิเศษของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เรียกว่าเป็นคำกล่าวพิเศษเพราะใช้ได้กับกระบวนการเดียวเท่านั้น คือการถ่ายเทความร้อน เนื่องจากคำกล่าวนี้ไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการอื่น เราจึงต้องการคำกล่าวที่ครอบคลุมกว่า การพัฒนาคำกล่าวทั่วไปของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์นั้นส่วนหนึ่งมาจากการศึกษาเครื่องยนต์ความร้อน ดังนั้นเราจะกล่าวถึงเครื่องยนต์ความร้อนก่อน

เครื่องยนต์ความร้อน

พลังงานส่วนใหญ่ที่เราใช้มาจากพลังงานศักย์ทางเคมีที่อยู่ในปิโตรเลียม ก๊าซ และถ่านหิน พลังงานศักย์ทางเคมีที่อยู่ในปิโตรเลียม ก๊าซ หรือถ่านหินนั้นไม่สามารถนำมาใช้ได้โดยตรง ต้องนำมาเผาไหม้ก่อน โดยทั่วไป การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล (ปิโตรเลียม ก๊าซ และถ่านหิน) จะทำให้เกิดความร้อน ความร้อนสามารถนำมาใช้ปรุงอาหารและให้ความอบอุ่นแก่ห้องได้โดยตรง แต่ในการเคลื่อนที่สิ่งใดสิ่งหนึ่ง (เช่น การเคลื่อนย้ายยานพาหนะ) เราต้องแปลงความร้อนให้เป็นพลังงานจลน์หรือพลังงานกล (พลังงานกล = พลังงานศักย์ + พลังงานจลน์) การแปลงพลังงานกลเป็นความร้อนนั้นง่ายมาก แต่การแปลงความร้อนเป็นพลังงานกลนั้นยาก ลองถูฝ่ามือเข้าด้วยกันดูสิ...ฝ่ามือของคุณร้อนใช่ไหม? เมื่อเราถูฝ่ามือเข้าด้วยกัน (เราทำงาน) พลังงานกลจะถูกแปลงเป็นความร้อน กระบวนการนี้ง่ายมาก...แม้แต่ความร้อนที่ไม่มีที่สิ้นสุดก็สามารถผลิตได้โดยการทำงาน แต่กระบวนการย้อนกลับ คือการใช้ความร้อนเพื่อทำงานนั้นยาก

อุปกรณ์ที่ใช้ความร้อนในการทำงานถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1700 อุปกรณ์ดังกล่าวคือเครื่องจักรไอน้ำ เครื่องจักรไอน้ำถูกนำมาใช้ครั้งแรกในการสูบน้ำออกจากเหมืองถ่านหิน สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การใช้งานเครื่องจักรไอน้ำครั้งแรกเกิดขึ้นก่อนที่นักวิทยาศาสตร์จะรู้ว่าความร้อนเป็นพลังงานที่ถ่ายโอนเนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิ (กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ยังไม่ได้รับการกำหนดขึ้นในเวลานั้น)

การใช้เครื่องจักรไอน้ำในสมัยนั้นน่าจะมาจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวันที่แสดงให้เห็นว่าไอน้ำสามารถเคลื่อนย้ายสิ่งของได้ เครื่องจักรไอน้ำถือเป็นเครื่องจักรความร้อน (เครื่องจักรความร้อน = อุปกรณ์ที่แปลงความร้อนเป็นพลังงานกล) ในปัจจุบัน เครื่องจักรไอน้ำถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ส่วนเครื่องจักรความร้อนสมัยใหม่เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน (เครื่องยนต์รถยนต์ เครื่องยนต์รถจักรยานยนต์ ฯลฯ)

หลักการพื้นฐานของการใช้เครื่องยนต์ความร้อนคือ ความร้อนจะสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานกลได้ก็ต่อเมื่อความร้อนนั้นไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ในกระบวนการนี้ ความร้อนบางส่วนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล (ความร้อนบางส่วนถูกใช้ในการทำงาน) ในขณะที่ความร้อนบางส่วนจะถูกถ่ายเทไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ กระบวนการแปลงพลังงานและการถ่ายเทพลังงานในเครื่องยนต์ความร้อนแสดงไว้ในแผนภาพ

อุณหภูมิสูง (T)_H) และอุณหภูมิต่ำ (T_L( ) เรียกอีกอย่างว่าอุณหภูมิการทำงานของเครื่องยนต์ ความร้อนที่ไหลมาจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงจะใช้สัญลักษณ์ Q_Hในขณะที่ความร้อนที่ถูกปล่อยออกมาสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำจะใช้สัญลักษณ์ Q_L. เมื่อไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ ปริมาณ Q บางส่วน_H พลังงานส่วนหนึ่งถูกแปลงเป็นพลังงานกล (ใช้ในการทำงาน) และถูกปล่อยออกมาในรูปของ Q_Lจริงๆ แล้วเราหวังเป็นอย่างยิ่งว่าคำถามทั้งหมดจะเป็นจริง_H สามารถแปลงเป็น W ได้ แต่ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ ความร้อนจะสูญเสียไปเสมอ ดังนั้น จากหลักการอนุรักษ์พลังงาน จึงสรุปได้ว่า Q_H = W + Q_L.

ต่อไปนี้เราจะมาทบทวนเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้กันทั่วไปในการแปลงความร้อนเป็นพลังงานกล สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ เรากำลังพิจารณาเฉพาะเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานอย่างต่อเนื่องเท่านั้น สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่อง ความร้อนจะต้องไหลอย่างต่อเนื่องจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ หากความร้อนไหลเพียงครั้งเดียว งานที่เครื่องยนต์ความร้อนทำก็จะทำเพียงครั้งเดียวเช่นกัน (พลังงานกลที่ผลิตได้จะมีน้อยมาก) ดังนั้น เครื่องยนต์ความร้อนจึงไม่สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เครื่องยนต์ความร้อนจะใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดก็ต่อเมื่อมันทำงานอย่างต่อเนื่อง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ พลังงานกลที่ผลิตโดยเครื่องยนต์ความร้อนนั้นเพียงพอที่จะใช้ในการเคลื่อนย้ายสิ่งของได้

เครื่องจักรไอน้ำ

เครื่องยนต์ไอน้ำใช้น้ำเป็นตัวกลางในการถ่ายเทความร้อน ไอน้ำถือเป็นสารทำงานในเครื่องยนต์ไอน้ำ เครื่องยนต์ไอน้ำมีสองประเภท ได้แก่ เครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบและเครื่องยนต์ไอน้ำแบบกังหัน (กังหันไอน้ำ) การออกแบบของทั้งสองประเภทแตกต่างกันเล็กน้อย แต่ทั้งสองประเภทมีลักษณะคล้ายคลึงกันคือ ใช้ไอน้ำที่ได้รับความร้อนจากการเผาไหม้น้ำมัน ก๊าซ ถ่านหิน หรือพลังงานนิวเคลียร์

เครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบ

โดยปกติแล้วน้ำในภาชนะจะถูกทำให้ร้อนด้วยความดันสูง เนื่องจากถูกทำให้ร้อนด้วยความดันสูง กระบวนการเดือดจึงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง อุณหภูมิแปรผันตรงกับความดัน ยิ่งอุณหภูมิของไอน้ำสูงเท่าไร ความดันไอจะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงหรือความดันสูงนี้จะเคลื่อนที่ผ่านวาล์วทางเข้าและขยายตัวดันลูกสูบ เมื่อขยายตัว ไอน้ำจะดันลูกสูบ ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางขวา

ความร้อนบางส่วนในไอน้ำจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางขวา ล้อที่เชื่อมต่อกับลูกสูบจะหมุน (1) หลังจากหมุนไปครึ่งรอบ ล้อจะดันลูกสูบกลับไปยังตำแหน่งเดิม (2) เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางซ้าย วาล์วทางเข้าจะปิดโดยอัตโนมัติ ในขณะที่วาล์วทางออกจะเปิดโดยอัตโนมัติ ไอน้ำจะถูกควบแน่นโดยคอนเดนเซอร์ กลายเป็นน้ำค้าง จากนั้น น้ำในคอนเดนเซอร์จะถูกสูบกลับเข้าไปในภาชนะเพื่อต้มอีกครั้ง และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป… เนื่องจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำๆ ลูกสูบจึงเคลื่อนที่ไปทางขวาและทางซ้ายอย่างต่อเนื่อง และเนื่องจากลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางขวาและทางซ้ายอย่างต่อเนื่อง ล้อจึงหมุนอย่างต่อเนื่องเช่นกัน การหมุนของล้อมักใช้ในการเคลื่อนย้ายสิ่งของ

กังหันไอน้ำ

หลักการทำงานของกังหันไอน้ำนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับเครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบ ความแตกต่างคือ เครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบใช้ลูกสูบ ในขณะที่กังหันไอน้ำใช้กังหัน ในเครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบ ความร้อนจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์เชิงเส้นของลูกสูบก่อน จากนั้นพลังงานจลน์เชิงเส้นของลูกสูบจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์เชิงหมุนของล้อหมุน ในกังหันไอน้ำ ความร้อนจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์เชิงหมุนของกังหันโดยตรง กังหันสามารถหมุนได้เนื่องจากความแตกต่างของความดัน อุณหภูมิของไอน้ำเหนือใบพัดสูงกว่าอุณหภูมิของไอน้ำใต้ใบพัดมาก ใบพัดเป็นแผ่นบางๆ ที่อยู่ตรงกลางของกังหัน อุณหภูมิแปรผันตรงกับความดัน เนื่องจากอุณหภูมิของไอน้ำเหนือใบพัดสูงกว่าอุณหภูมิของไอน้ำใต้ใบพัด ความดันไอน้ำเหนือใบพัดจึงมากกว่าความดันใต้ใบพัด ความแตกต่างของความดันนี้ทำให้ไอน้ำดันใบพัดลง ทำให้กังหันหมุน ทิศทางการหมุนของกังหันแสดงในรูป

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ หลักการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำนั้นอิงตามแผนภาพการถ่ายโอนพลังงานที่อธิบายไว้ข้างต้น ในกรณีนี้ พลังงานกลสามารถเกิดขึ้นได้โดยการปล่อยให้ความร้อนไหลจากวัตถุหรือตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูงไปยังวัตถุหรือตำแหน่งที่มีอุณหภูมิต่ำ ดังนั้น ความแตกต่างของอุณหภูมิจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในเครื่องจักรไอน้ำ

หากคุณสังเกตการทำงานของเครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบ คุณจะเห็นว่าลูกสูบยังคงเคลื่อนที่ไปทางซ้ายและขวาได้แม้ว่าจะไม่มีความแตกต่างของอุณหภูมิ (ไม่มีคอนเดนเซอร์หรือปั๊ม) ลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ไปทางขวาได้เนื่องจากการขยายตัวของไอน้ำที่มีอุณหภูมิสูงหรือความดันสูง ในกรณีนี้ ความร้อนบางส่วนในไอน้ำจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์เชิงเส้นของลูกสูบ พลังงานจลน์เชิงเส้นของลูกสูบนี้จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์เชิงหมุนของล้อหมุน หลังจากหมุนครบครึ่งรอบ ล้อจะดันลูกสูบกลับไปทางซ้าย เมื่อล้อดันลูกสูบกลับไปทางซ้าย พลังงานจลน์เชิงหมุนของล้อจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์เชิงเส้นของลูกสูบอีกครั้ง ขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางซ้าย มันจะดันไอน้ำออกจากกระบอกสูบ ในขณะเดียวกัน วาล์วไอเสียก็จะเปิดออก

ดังนั้น ไอน้ำที่ถูกดันโดยลูกสูบจะดันเพื่อนของมันที่อยู่ใต้ลิ้นวาล์วไอเสีย หากอุณหภูมิของไอน้ำใต้ลิ้นวาล์วไอเสียเท่ากับอุณหภูมิของไอน้ำที่ถูกดันโดยลูกสูบ พลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่ของลูกสูบทั้งหมดจะถูกแปลงกลับไปเป็นพลังงานภายในของไอน้ำ พลังงานภายในแปรผันตรงกับอุณหภูมิ หากพลังงานภายในของไอน้ำเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของไอน้ำก็จะเพิ่มขึ้น อุณหภูมิแปรผันตรงกับความดัน หากอุณหภูมิของไอน้ำเพิ่มขึ้น ความดันของไอน้ำก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้น ความดันของไอน้ำที่ปล่อยออกมาทางลิ้นวาล์วไอเสียจะเท่ากับความดันของไอน้ำที่เข้ามาทางลิ้นวาล์วไอดี ลูกสูบจะเคลื่อนที่ไปทางซ้ายและขวาอย่างต่อเนื่อง แต่จะไม่มีพลังงานจลน์รวมที่สามารถนำมาใช้ได้ (ไม่มีงานรวมที่เกิดขึ้น) ดังนั้น พลังงานจลน์ที่ลูกสูบได้รับระหว่างกระบวนการขยายตัว (ลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางขวา) จะถูกส่งกลับไปยังไอน้ำระหว่างกระบวนการอัด (ลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางซ้าย)

สรุปได้ว่า ความแตกต่างของอุณหภูมิในเครื่องยนต์ไอน้ำยังคงมีความจำเป็น ความแตกต่างของอุณหภูมิในเครื่องยนต์ไอน้ำนี้สามารถทำได้โดยการใช้คอนเดนเซอร์ เมื่ออุณหภูมิและความดันของไอน้ำใต้ลิ้นไอเสียต่ำกว่าอุณหภูมิและความดันของไอน้ำในกระบอกสูบมาก เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปทางซ้าย ความดันที่ลูกสูบกระทำต่อไอน้ำจะน้อยกว่าความดันที่ไอน้ำกระทำต่อลูกสูบเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางขวามาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง งานที่ลูกสูบทำต่อไอน้ำจะน้อยกว่างานที่ไอน้ำทำต่อลูกสูบมาก ดังนั้น พลังงานจลน์ของลูกสูบเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่ถูกส่งกลับไปยังไอน้ำ ดังนั้นจึงมีพลังงานจลน์รวมหรืองานรวมที่เกิดขึ้น พลังงานจลน์รวมนี้ถูกนำไปใช้ในการเคลื่อนย้ายสิ่งใดสิ่งหนึ่ง

เครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์ของรถจักรยานยนต์และรถยนต์เป็นตัวอย่างของเครื่องยนต์สันดาปภายใน เรียกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในเพราะกระบวนการเผาไหม้เกิดขึ้นภายในกระบอกสูบที่ปิดสนิท เครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นผลมาจากการนำแนวคิดเรื่องการอัดและการขยายตัวแบบอะเดียแบติกมาใช้ในเชิงวิศวกรรม ซึ่งอธิบายไว้ในกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

เราจะพิจารณาเฉพาะเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซินและดีเซลเป็นเชื้อเพลิงเท่านั้น น้ำมันเบนซินและดีเซลเป็นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม ดังนั้นจึงมีพลังงานศักย์ทางเคมี พลังงานศักย์ทางเคมีในน้ำมันเบนซินและดีเซลจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนก่อนผ่านกระบวนการเผาไหม้ ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเผาไหม้จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล พลังงานกลนี้เองที่ทำให้รถจักรยานยนต์หรือรถยนต์เคลื่อนที่ได้ วัฏจักรในเครื่องยนต์เบนซินเรียกว่าวัฏจักรออตโต ในขณะที่วัฏจักรในเครื่องยนต์ดีเซลเรียกว่าวัฏจักรดีเซล วัฏจักรคือกระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกที่ผันกลับได้ มาเริ่มกันที่วัฏจักรออตโตกันก่อน

วงจรออตโต

นี่คือแผนภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบสี่จังหวะ ส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินไหลจากคาร์บูเรเตอร์เข้าสู่กระบอกสูบขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ลง (จังหวะดูด) จากนั้นส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินในกระบอกสูบจะถูกอัดแบบอะเดียแบติกขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น (จังหวะอัด) เนื่องจากการอัดแบบอะเดียแบติก อุณหภูมิและความดันของส่วนผสมจึงเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน หัวเทียนจะจุดประกายส่วนผสม ทำให้เกิดการเผาไหม้ เมื่อเผาไหม้ อุณหภูมิและความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น ก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูงจะขยายตัวดันลูกสูบลง (จังหวะขยายตัว) จากนั้นก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะถูกปล่อยออกมาทางวาล์วไอเสียและส่งไปยังท่อไอเสีย (จังหวะไอเสีย) วาล์วไอดีจะเปิดอีกครั้ง และจังหวะทั้งสี่จะเริ่มต้นซ้ำอีกครั้ง

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ จุดประสงค์ของจังหวะการอัดแบบอะเดียแบติกคือการเพิ่มอุณหภูมิและความดันของส่วนผสมไอระเหยของอากาศและน้ำมันเบนซิน การเผาไหม้ที่ความดันสูงจะสร้างอุณหภูมิและความดันสูงมาก ส่งผลให้แรงขับ (F = PA) ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการขยายตัวมีขนาดใหญ่มาก ทำให้เครื่องยนต์ของรถจักรยานยนต์หรือรถยนต์มีกำลังมากขึ้น แม้ว่าจะไม่มีการอัด ส่วนผสมไอระเหยของอากาศและน้ำมันเบนซินก็สามารถจุดติดได้เมื่อหัวเทียนจุดประกายไฟ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิและความดันของก๊าซที่เผาไหม้แล้วไม่สูงมากนัก ดังนั้นแรงขับที่เกิดขึ้นจึงมีขนาดเล็ก ส่งผลให้เครื่องยนต์มีกำลังน้อยลง

กระบวนการแปลงพลังงานและการถ่ายโอนพลังงานในเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบสี่จังหวะสามารถอธิบายได้ดังนี้: ในระหว่างการเผาไหม้ พลังงานศักย์ทางเคมีในน้ำมันเบนซินและพลังงานในอากาศจะถูกแปลงเป็นความร้อน ความร้อนบางส่วนจะถูกแปลงเป็นพลังงานกลในก้านลูกสูบและเพลาข้อเหวี่ยง ในขณะที่บางส่วนถูกปล่อยออกทางท่อไอเสีย พลังงานกลส่วนใหญ่ในก้านลูกสูบและเพลาข้อเหวี่ยงจะถูกแปลงเป็นพลังงานกลในรถ (ทำให้รถเคลื่อนที่) ในขณะที่ส่วนน้อยจะถูกแปลงเป็นความร้อน ความร้อนเกิดจากแรงเสียดทาน

กระบวนการขยายตัวและหดตัวแบบอะเดียแบติกในวัฏจักรออตโตสามารถแสดงได้ด้วยแผนภาพด้านล่าง แผนภาพนี้แสดงแบบจำลองในอุดมคติของกระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงเบนซิน

ส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินเข้าสู่กระบอกสูบ (a) จากนั้นส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินจะถูกอัดแบบอะเดียแบติก (a-b) โปรดสังเกตว่าปริมาตรของกระบอกสูบลดลง ส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินถูกทำให้ร้อนที่ปริมาตรคงที่ – ส่วนผสมนี้ถูกเผาไหม้ (b-c) ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะขยายตัวแบบอะเดียแบติก (c-d) เมื่อเย็นตัวลงที่ปริมาตรคงที่ – ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะถูกปล่อยออกทางท่อไอเสีย และส่วนผสมใหม่ของอากาศ + ไอน้ำมันเบนซินจะเข้าสู่กระบอกสูบ (d-a)

ส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินเข้าสู่กระบอกสูบ (a) จากนั้นส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินจะถูกอัดแบบอะเดียแบติก (a-b) โปรดสังเกตว่าปริมาตรของกระบอกสูบลดลง ส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซินถูกทำให้ร้อนที่ปริมาตรคงที่ – ส่วนผสมนี้ถูกเผาไหม้ (b-c) ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะขยายตัวแบบอะเดียแบติก (c-d) เมื่อเย็นตัวลงที่ปริมาตรคงที่ – ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะถูกปล่อยออกทางท่อไอเสีย และส่วนผสมใหม่ของอากาศ + ไอน้ำมันเบนซินจะเข้าสู่กระบอกสูบ (d-a)

วงจรดีเซล

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลคล้ายคลึงกับเครื่องยนต์เบนซิน ความแตกต่างอยู่ที่ขั้นตอนการอัดแบบอะเดียแบติกในขั้นต้น (การอัดแบบอะเดียแบติก = การอัดที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนความร้อนไม่มีเวลาไหลเข้าหรือออกจากระบบ ในกรณีนี้คือกระบอกสูบ) ในขณะที่เครื่องยนต์เบนซินจะอัดส่วนผสมของอากาศและไอน้ำมันเบนซิน แต่ในเครื่องยนต์ดีเซลจะอัดเฉพาะอากาศเท่านั้น การอัดแบบอะเดียแบติกทำให้ทั้งอุณหภูมิและความดันของอากาศเพิ่มขึ้น จากนั้นหัวฉีดจะพ่นดีเซลออกมา เนื่องจากอุณหภูมิและความดันของอากาศสูงมากอยู่แล้ว เมื่อดีเซลถูกพ่นเข้าไปในกระบอกสูบ ดีเซลจะจุดติดไฟทันที ไม่จำเป็นต้องใช้หัวเทียน โปรดสังเกตค่าความดันที่แสดงในแผนภาพด้านล่างเปรียบเทียบกับค่าความดันที่แสดงในแผนภาพวัฏจักรออตโต

แผนภาพนี้แสดงวัฏจักรดีเซลในอุดมคติ ในขั้นต้น อากาศจะถูกอัดแบบอะเดียแบติก (a-b) จากนั้นถูกทำให้ร้อนที่ความดันคงที่ – หัวฉีดจะพ่นดีเซลและเกิดการเผาไหม้ (b-c) ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะขยายตัวแบบอะเดียแบติก (c-d) เย็นลงที่ปริมาตรคงที่ – ก๊าซที่เผาไหม้แล้วจะถูกขับออกทางท่อไอเสียและอากาศบริสุทธิ์จะเข้าสู่กระบอกสูบ (d-a)

จากคำอธิบายข้างต้น สรุปได้ว่าเครื่องยนต์ความร้อนแต่ละชนิดโดยพื้นฐานแล้วมีสารทำงานเฉพาะของตนเอง สารทำงานสำหรับเครื่องยนต์ไอน้ำคือน้ำ สารทำงานสำหรับเครื่องยนต์เบนซินคืออากาศและไอน้ำมันเบนซิน สารทำงานสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลคืออากาศและน้ำมันดีเซล สารทำงานมักจะดูดซับความร้อนที่อุณหภูมิสูง (QH ₎ ทำงาน (W ) แล้วปล่อยความร้อนที่เหลือออกมาที่อุณหภูมิต่ำกว่า (QL ₎เนื่องจากพลังงานมีการอนุรักษ์ ดังนั้น QH ₌ W + _QL

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน

ประสิทธิภาพ (e) ของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนระหว่างงาน (W) ที่เครื่องยนต์ทำกับความร้อนที่ป้อนเข้าไปที่อุณหภูมิสูง (Q _H ) ในทางคณิตศาสตร์สามารถเขียนได้ดังนี้:

W คือกำไรที่เราได้รับ ในขณะที่ QH _คือต้นทุนที่เราต้องเสียไปในการซื้อและเผาเชื้อเพลิง ในฐานะมนุษย์ที่มักต้องการได้กำไรสูงสุดและค่าใช้จ่ายน้อยที่สุด เราจึงหวังว่ากำไรที่เราได้รับ (W) จะสอดคล้องกับต้นทุนที่เราต้องเสียไป (QH) เป็นไปได้หรือไม่?

ตามหลักการอนุรักษ์พลังงาน ความร้อนที่ป้อนเข้าไป (Q _H ) ต้องเท่ากับงาน (W) ที่ทำ + ความร้อนที่ปล่อยออกมา (Q _L ) ในทางคณิตศาสตร์:

ในการแสดงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนเป็นเปอร์เซ็นต์ ให้คูณสมการประสิทธิภาพด้วย 100% จากสมการประสิทธิภาพข้างต้น ยิ่งเครื่องยนต์ความร้อนปล่อยความร้อนออกมามาก (Q _L ) ประสิทธิภาพก็จะยิ่งต่ำลง เราต้องการให้เครื่องยนต์ปล่อยความร้อนออกมาน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (Q _L ) อย่างไรก็ตาม ความร้อนที่ป้อนเข้าไป (Q _H ) มักได้มาจากการเผาไหม้น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซ ฯลฯ (เชื้อเพลิงที่เราต้องจ่ายเงินซื้อ)

ดังนั้น เครื่องยนต์ความร้อนทุกชนิดจึงถูกออกแบบมาให้มีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แม้ว่าเราปรารถนาที่จะได้รับประโยชน์สูงสุดจากค่าใช้จ่ายที่น้อยที่สุด แต่ความเป็นจริงก็คือ เครื่องยนต์ไอน้ำโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพประมาณ 40% ในขณะที่เครื่องยนต์สันดาปภายในมีประสิทธิภาพประมาณ 50% ซึ่งหมายความว่าความร้อนครึ่งหนึ่งที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนั้นสูญเปล่า มีเพียงครึ่งเดียวเท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นพลังงานกล

ตัวอย่างคำถามข้อที่ 1:

เครื่องยนต์ความร้อนดูดความร้อน 3000 จูล (Q _H ) ทำงาน (W) และปล่อยความร้อน 2500 จูล (Q _L ) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนนี้คือเท่าไร?

การอภิปราย

ตัวอย่างคำถามข้อที่ 2:

เครื่องยนต์ความร้อนดูดความร้อน 3000 จูล (Q _H ) ทำงาน (W) และปล่อยความร้อน 2000 จูล (Q _L ) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนนี้คือเท่าไร?

การอภิปราย

ตัวอย่างคำถามข้อที่ 3:

เครื่องยนต์ความร้อนดูดความร้อน 3000 จูล (Q _H ) ทำงาน (W) และปล่อยความร้อน 1500 จูล (Q _L ) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนนี้คือเท่าไร?

การอภิปราย