อุณหพลศาสตร์ – ปัญหาและวิธีแก้ปัญหา
1. จากกราฟ PV ด้านล่าง อัตราส่วนของงานที่ก๊าซทำในกระบวนการ I ต่อ งานที่ก๊าซทำในกระบวนการ II คือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
ขั้นตอนที่ 1 :
ความดัน (P) = 20 N/ m²
ปริมาตรเริ่มต้น ( V 1 ) = 10 ลิตร = 10 dm³ = 10 x 10⁻³ m³
ปริมาตรสุดท้าย (V2) = 40 ลิตร = 40 dm³3 = 40x10-3 m3
ขั้นตอนที่ 2 :
กระบวนการ (P) = 15 N/m2
ปริมาตรเริ่มต้น ( V 1 ) = 20 ลิตร = 20 dm³ = 20 x 10⁻³ m³
ปริมาตรสุดท้าย (V2) = 60 ลิตร = 60 dm³3 = 60x10-3 m3
เป็นที่ต้องการ : อัตราส่วนของงานที่ทำโดยแก๊ส
วิธีการแก้ปัญหา:
งานที่แก๊สทำในกระบวนการที่ 1:
W = P ΔV = P (V 2 –V 1 ) = (20)(40-10)(10 -3 m 3 ) = (20)(30)(10 -3 m 3 ) = (600)(10 -3 m 3 ) = 0.6 m 3
งานที่แก๊สทำในกระบวนการที่ 2:
W = P ΔV = P (V 2 –V 1 ) = (15)(60-20)(10 -3 m 3 ) = (15)(40)(10 -3 m 3 ) = (600)(10 -3 m 3 ) = 0.6 m 3
อัตราส่วนของงานที่ทำโดยแก๊สในกระบวนการที่ 1 และกระบวนการที่ 2:
0.6 ม. ³ : 0.6 ม. ³
1: 1
2.
จากกราฟด้านล่าง งานที่ก๊าซฮีเลียมทำในกระบวนการ AB คือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
ความดัน (P) = 2 x 105 N / m2 = 2x105 ปาสคาล
ปริมาตรเริ่มต้น (V)1) = 5 ซม.3 = 5x10-6 m3
ปริมาตรสุดท้าย (V2) = 15 ซม.3 = 15x10-6 m3
เป็นที่ต้องการ : งานที่ทำโดยก๊าซในกระบวนการ AB
วิธีการแก้ปัญหา:
W = ∆P ∆V
W = P (V 2 – V 1 )
W = (2 x 10 5 )(15 x 10 -6 – 5 x 10 -6 )
W = (2 x 10 5 )(10 x 10 -6 ) = (2 x 10 5 )(1 x 10 -5 )
W = 2 จูล
3.
จากกราฟด้านล่าง งานที่ทำในกระบวนการ AB คือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
ความดันเริ่มต้น (P1) = 4 Pa = 4 N/m2
แรงดันสุดท้าย (P2) = 6 Pa = 6 N/m2
ปริมาตรเริ่มต้น (V 1 ) = 2 m 3
ปริมาตรสุดท้าย (V 2 ) = 4 m 3
เป็นที่ต้องการ : งานที่ทำเสร็จแล้ว ฉันดำเนินการเกี่ยวกับ
วิธีการแก้ปัญหา:
งานที่ทำโดยแก๊ส = พื้นที่ใต้กราฟ ab
W = พื้นที่ของรูปสามเหลี่ยม + พื้นที่ของรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า
W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)
W = ½ (2)(2) + 4(2)
W = 2 + 8
W = 10 จูล
4. จากกราฟด้านล่าง งานที่ทำในกระบวนการ ABCA คือเท่าใด
วิธีการแก้ปัญหา:
งาน (W) = พื้นที่ของสามเหลี่ยม ABC
W = ½ (20-10)(6 x 10 5 – 2 x 10 5 )
W = ½ (10)(4 x 10 5 )
W = (5)(4 x 10 5 )
W = 20 x 105
W = 2 x 10⁵ จูล
5. เครื่องยนต์ดูดความร้อน 2000 จูลที่อุณหภูมิสูง และปล่อยความร้อน 1200 จูลที่อุณหภูมิต่ำ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์นี้คือเท่าไร?
เป็นที่รู้จัก :
ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า (Q H ) = 2000 จูล
ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมา (Q L ) = 1200 จูล
งานที่เครื่องยนต์ทำ (W) = 2000 – 1200 = 800 จูล
เป็นที่ต้องการ : ประสิทธิภาพ (e)
วิธีการแก้ปัญหา:
e = W / QH
e = 800/2000
e = 0.4 x 100%
e = 40%
6. เครื่องยนต์ดูดความร้อนที่อุณหภูมิ 960 เคลวิน และปล่อยความร้อนที่อุณหภูมิ 576 เคลวิน ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์นี้คือเท่าไร
เป็นที่รู้จัก :
อุณหภูมิสูง (TH ) = 960 K
อุณหภูมิต่ำ (T L ) = 576 K
ต้องการ: ประสิทธิภาพ (e)
วิธีการแก้ปัญหา:
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์ = 0.4 x 100% = 40%
7. จากกราฟด้านล่าง งานที่เครื่องยนต์ทำคือ 6000 จูล ความร้อนที่เครื่องยนต์ปล่อยออกมาในแต่ละรอบคือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
งาน (W) = 6000 จูล
อุณหภูมิสูง (T)H) = 800 เคลวิน
อุณหภูมิต่ำ (T)L) = 300 เคลวิน
ต้องการ: ความร้อนที่ระบายออกจากเครื่องยนต์
Solution :
ประสิทธิภาพคาร์โนต์ (อุดมคติ):
ปริมาณความร้อนที่ดูดซับโดยเครื่องยนต์คาร์โนต์:
W = e Q 1
6000 = (0.625) Q 1
Q1 = 6000/0.625
Q1 = 9600
ความร้อนที่ระบายออกจากเครื่องยนต์คาร์โนต์:
Q 2 = Q 1 – W
Q 2 = 9600 – 6000
Q2 = 3600 จูล
8. ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์คือ 40% ถ้าความร้อนถูกดูดซับที่อุณหภูมิ 727°C อุณหภูมิต่ำสุดคือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
ประสิทธิภาพ (e) = 40% = 40/100 = 0.4
อุณหภูมิสูง (TH ) = 727 ° C + 273 = 1000 K
เป็นที่ต้องการ : อุณหภูมิต่ำ
วิธีการแก้ปัญหา:
TL = 600 เคลวิน – 273 = 327oC
9. จากกราฟด้านล่าง ถ้าเครื่องยนต์ดูดซับความร้อน 800 จูล งานที่เครื่องยนต์ทำคือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
อุณหภูมิสูง (T)H) = 600 เคลวิน
อุณหภูมิต่ำ (T)L) = 250 เคลวิน
ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า (Q 1 ) = 800 จูล
ต้องการ:งาน (W)
วิธีการแก้ปัญหา:
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์:
งานดังกล่าวดำเนินการโดยเครื่องยนต์:
W = e Q 1
W = (7/12)(800 จูล)
W = 466.7 จูล
10. อุณหภูมิสูงสุดของเครื่องยนต์คาร์โนต์คือ 600 เคลวิน ถ้าเครื่องยนต์ดูดซับความร้อน 600 จูล และอุณหภูมิต่ำสุดคือ 400 เคลวิน งานที่เครื่องยนต์ทำคือเท่าใด
เป็นที่รู้จัก :
อุณหภูมิต่ำ (T L ) = 400 K
อุณหภูมิสูง (TH ) = 600 K
ปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้า (Q 1 ) = 600 จูล
ต้องการ: งานดังกล่าวทำโดยใช้เครื่องยนต์คาร์โนต์ (W)
วิธีการแก้ปัญหา:
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โนต์:
งานดังกล่าวทำโดยใช้เครื่องยนต์คาร์โนต์:
W = e Q 1
W = (1/3)(600) = 200 จูล
- จุดประสงค์หลักของอุณหพลศาสตร์คืออะไร? คำตอบอุณหพลศาสตร์มุ่งเน้นการศึกษาพลังงาน การเปลี่ยนแปลงของพลังงาน และความสัมพันธ์ของพลังงานกับสสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุล
- กฎข้อที่ศูนย์ของอุณหพลศาสตร์มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิอย่างไร? คำตอบกฎข้อที่ศูนย์กล่าวว่า หากระบบสองระบบอยู่ในสมดุลทางความร้อนกับระบบที่สามแล้ว ระบบทั้งสองนั้นก็จะอยู่ในสมดุลทางความร้อนซึ่งกันและกันด้วย นี่หมายความว่ามีคุณสมบัติอย่างหนึ่งที่เรียกว่าอุณหภูมิ ซึ่งจะมีค่าเท่ากันสำหรับทุกระบบที่อยู่ในสมดุลทางความร้อน
- กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกส์อธิบายถึงอะไร? คำตอบกฎข้อแรก หรือที่รู้จักกันในชื่อกฎการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวว่า พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้เท่านั้น ในระบบปิด การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะเท่ากับความร้อนที่เพิ่มเข้าไปในระบบลบด้วยงานที่ระบบทำต่อสิ่งแวดล้อม
- เหตุใดกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์จึงมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจทิศทางของกระบวนการทางธรรมชาติ? คำตอบกฎข้อที่สองกล่าวว่า เอนโทรปี (หรือความไม่เป็นระเบียบ) ของระบบที่แยกตัวอยู่อย่างโดดเดี่ยวจะเพิ่มขึ้นหรือคงที่เสมอ ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะกระจายตัวออกไปเองโดยธรรมชาติหากไม่มีสิ่งใดมาขัดขวาง ทำให้กระบวนการทางธรรมชาติมีทิศทาง และอธิบายได้ว่าทำไมบางกระบวนการจึงเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ ในขณะที่บางกระบวนการไม่เกิดขึ้น
- เอนโทรปีคืออะไร และมีความเกี่ยวข้องกับความไม่เป็นระเบียบในระบบอย่างไร? คำตอบเอนโทรปีคือการวัดปริมาณพลังงานในระบบที่ไม่สามารถนำไปใช้ในการทำงานได้ นอกจากนี้ยังมักถูกอธิบายว่าเป็นมาตรวัดความไม่เป็นระเบียบหรือความสุ่มของระบบ โดยทั่วไปแล้ว เอนโทรปีที่สูงขึ้นจะสอดคล้องกับความไม่เป็นระเบียบหรือความสุ่มที่มากขึ้น
- กฎข้อที่สามของเทอร์โมไดนามิกส์อธิบายเอนโทรปีของผลึกที่สมบูรณ์แบบที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ได้อย่างไร? คำตอบกฎข้อที่สามกล่าวว่า เอนโทรปีของผลึกที่สมบูรณ์แบบมีค่าเป็นศูนย์อย่างแน่นอนที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (0 เคลวิน) ซึ่งหมายความว่าที่อุณหภูมินี้ ระบบจะอยู่ในระเบียบที่สมบูรณ์แบบ
- ทำไมความร้อนจึงไม่สามารถไหลจากวัตถุที่เย็นกว่าไปยังวัตถุที่ร้อนกว่าได้เอง? คำตอบพฤติกรรมนี้เป็นผลมาจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ หากความร้อนไหลจากวัตถุที่เย็นกว่าไปยังวัตถุที่ร้อนกว่าโดยธรรมชาติ จะทำให้เอนโทรปีโดยรวมของระบบลดลง ซึ่งเป็นสิ่งที่กระบวนการทางธรรมชาติไม่พึงปรารถนา
- ในทางเทอร์โมไดนามิกส์ ระบบปิดและระบบเปิดมีความแตกต่างกันอย่างไร? คำตอบระบบที่แยกตัวออกจากสิ่งแวดล้อมจะไม่แลกเปลี่ยนพลังงานหรือสสารกับสิ่งแวดล้อมโดยรอบ ระบบปิดสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานได้ แต่ไม่แลกเปลี่ยนสสารกับสิ่งแวดล้อมโดยรอบ ระบบเปิดสามารถแลกเปลี่ยนทั้งพลังงานและสสารกับสิ่งแวดล้อมโดยรอบได้
- แนวคิดเรื่อง "งาน" ในอุณหพลศาสตร์แตกต่างจากการใช้คำนี้ในชีวิตประจำวันอย่างไร? คำตอบในทางเทอร์โมไดนามิกส์ “งาน” หมายถึงกระบวนการถ่ายโอนพลังงาน โดยแรงที่กระทำต่อวัตถุจะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปในทิศทางขนานกับแรงนั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อแก๊สขยายตัวไปกระทบกับลูกสูบ นั่นหมายความว่าแก๊สทำงานต่อลูกสูบ นี่เป็นคำจำกัดความที่เฉพาะเจาะจงกว่าเมื่อเทียบกับการใช้คำว่า “งาน” ในชีวิตประจำวัน ซึ่งอาจหมายถึงภารกิจหรือกิจกรรมใดๆ ก็ได้
-
วัฏจักรคาร์โนต์คืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญในทางเทอร์โมไดนามิกส์? คำตอบวัฏจักรคาร์โนต์เป็นวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิกในอุดมคติที่กำหนดขีดจำกัดสูงสุดของประสิทธิภาพที่เครื่องยนต์เทอร์โมไดนามิกแบบคลาสสิกใดๆ สามารถทำได้ในการแปลงความร้อนเป็นงาน (หรือในทางกลับกัน) มีความสำคัญเพราะเป็นการกำหนดขีดจำกัดประสิทธิภาพพื้นฐานโดยอิงจากอุณหภูมิของแหล่งความร้อนที่เครื่องยนต์ทำงานอยู่
