เครื่องยนต์ความร้อนอยู่รอบตัวคุณ ตั้งแต่รถที่คุณขับไปจนถึงตู้เย็นที่ช่วยให้อาหารของคุณเย็นลงไปจนถึงระบบทำความร้อนและความเย็นในบ้านของคุณ ทั้งหมดนี้ทำงานโดยยึดหลักการสำคัญเดียวกัน
เป้าหมายของเครื่องยนต์ความร้อนคือการแปลงพลังงานความร้อนให้เป็นงานที่มีประโยชน์ และมีวิธีการต่างๆ มากมายที่คุณสามารถใช้ทำสิ่งนี้ได้ รูปแบบที่ง่ายที่สุดของเครื่องยนต์ความร้อนคือเครื่องยนต์ Carnot ซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Nicolas Leonard Sadi Carnot สร้างขึ้นจากกระบวนการสี่ขั้นตอนในอุดมคติซึ่งขึ้นอยู่กับอะเดียแบติกและไอโซเทอร์มอล ขั้นตอน
แต่เครื่องยนต์ Carnot เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์ความร้อน และประเภทอื่นๆ อีกมากมายก็บรรลุเป้าหมายพื้นฐานเดียวกัน การเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนและวิธีทำสิ่งต่างๆ เช่น การคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน เป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่กำลังศึกษาอุณหพลศาสตร์
เครื่องยนต์ความร้อนคืออะไร?
เครื่องยนต์ความร้อนเป็นระบบเทอร์โมไดนามิกที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล แม้ว่าการออกแบบที่แตกต่างกันจำนวนมากจะอยู่ภายใต้หัวข้อทั่วไปนี้ แต่ส่วนประกอบพื้นฐานหลายอย่างพบได้ในเครื่องยนต์ความร้อนแทบทุกชนิด
เครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ต้องใช้อ่างความร้อนหรือแหล่งความร้อนที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถมีได้หลายรูปแบบ (เช่น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นแหล่งความร้อนในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่ในหลาย ๆ กรณีเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ถูกใช้เป็นความร้อน ที่มา) นอกจากนี้ จะต้องมีอ่างเก็บน้ำเย็นที่อุณหภูมิต่ำ เช่นเดียวกับตัวเครื่องยนต์ ซึ่งมักจะเป็นก๊าซที่ขยายตัวขึ้นเมื่อมีความร้อน
เครื่องยนต์ดูดซับความร้อนจากถังพักร้อนและขยายตัว และกระบวนการขยายนี้ทำงานต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งมักจะถูกควบคุมให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้งานได้พร้อมกับลูกสูบ จากนั้นระบบจะปล่อยพลังงานความร้อนกลับเข้าสู่อ่างเก็บน้ำเย็นและกลับสู่สถานะเริ่มต้น จากนั้นกระบวนการก็จะเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่าเป็นวัฏจักรเพื่อสร้างงานที่มีประโยชน์อย่างต่อเนื่อง
ประเภทของเครื่องยนต์ความร้อน
วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์หรือรอบเครื่องยนต์เป็นวิธีทั่วไปในการอธิบายระบบทางอุณหพลศาสตร์จำเพาะจำนวนมากที่ทำงานในลักษณะวัฏจักรทั่วไปในเครื่องยนต์ความร้อนส่วนใหญ่ ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานด้วยวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกคือเครื่องยนต์คาร์โนต์หรือเครื่องยนต์ที่ทำงานตามวัฏจักรคาร์โนต์ นี่คือรูปแบบเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ย้อนกลับได้เท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งการบีบอัดและการขยายตัวแบบอะเดียแบติกและไอโซเทอร์มอล
เครื่องยนต์สันดาปภายในทั้งหมดทำงานบนวงจรอ็อตโต ซึ่งเป็นวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกอีกประเภทหนึ่งที่ใช้การจุดระเบิดของเชื้อเพลิงในการทำงานกับลูกสูบ ในระยะแรก ลูกสูบจะหยดเพื่อดึงส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ ซึ่งจะถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติกในขั้นตอนที่สองและจุดไฟในขั้นที่สาม
อุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำงานกับลูกสูบผ่านการขยายตัวแบบอะเดียแบติก ก่อนที่วาล์วไอเสียจะเปิดขึ้น ส่งผลให้แรงดันลดลง ในที่สุด ลูกสูบจะลอยขึ้นเพื่อล้างก๊าซที่ใช้แล้วและรอบเครื่องยนต์สมบูรณ์
เครื่องยนต์ความร้อนอีกประเภทหนึ่งคือเครื่องยนต์สเตอร์ลิงซึ่งมีปริมาณก๊าซคงที่ซึ่งเคลื่อนที่ระหว่างกระบอกสูบสองกระบอกที่ต่างกันในแต่ละขั้นตอนของกระบวนการ ขั้นตอนแรกเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่แก๊สเพื่อเพิ่มอุณหภูมิและทำให้เกิดแรงดันสูง ซึ่งจะเคลื่อนลูกสูบเพื่อให้เกิดการทำงานที่เป็นประโยชน์
จากนั้นลูกสูบจะกลับขึ้นด้านบนและดันแก๊สเข้าไปในกระบอกสูบที่สองซึ่งระบายความร้อนด้วยความเย็น อ่างเก็บน้ำก่อนที่จะถูกบีบอัดอีกครั้งซึ่งเป็นกระบวนการที่ต้องใช้งานน้อยกว่าที่ผลิตในคราวที่แล้ว เวที. ในที่สุด ก๊าซจะถูกย้ายกลับเข้าไปในห้องเดิม ซึ่งวงจรเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะทำซ้ำ
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของผลงานที่เป็นประโยชน์ต่อการป้อนความร้อนหรือพลังงานความร้อน และ ผลลัพธ์จะเป็นค่าระหว่าง 0 ถึง 1 เสมอ โดยไม่มีหน่วยใดๆ เนื่องจากทั้งพลังงานความร้อนและเอาต์พุตของงานถูกวัดเป็น จูล ซึ่งหมายความว่าถ้าคุณมีสมบูรณ์แบบเครื่องยนต์ความร้อนก็จะมีประสิทธิภาพ 1 และแปลงพลังงานความร้อนทั้งหมดให้เป็นงานที่ใช้งานได้และ ถ้ามันแปลงได้ครึ่งหนึ่ง ประสิทธิภาพจะเป็น 0.5 ในรูปแบบพื้นฐานสูตรสามารถเป็น เขียน:
\text{ประสิทธิภาพ}= \frac{\text{Work}}{\text{พลังงานความร้อน}}
แน่นอน เป็นไปไม่ได้ที่เครื่องยนต์ความร้อนจะมีประสิทธิภาพเท่ากับ 1 เพราะกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กำหนดว่าระบบปิดใดๆ จะเพิ่มขึ้นในเอนโทรปีเมื่อเวลาผ่านไป แม้ว่าจะมีคำจำกัดความทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำของเอนโทรปีที่คุณสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจสิ่งนี้ แต่วิธีที่ง่ายที่สุดในการ ลองคิดดูว่าความไร้ประสิทธิภาพโดยธรรมชาติในกระบวนการใด ๆ นำไปสู่การสูญเสียพลังงานบางอย่างซึ่งมักจะอยู่ในรูปแบบของของเสีย ความร้อน ตัวอย่างเช่น ลูกสูบของเครื่องยนต์ย่อมมีแรงเสียดทานทำงานกับการเคลื่อนที่ของมันอย่างไม่ต้องสงสัย ซึ่งหมายความว่าระบบจะสูญเสียพลังงานในกระบวนการเปลี่ยนความร้อนให้ทำงาน
ประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีของเครื่องยนต์ความร้อนเรียกว่าประสิทธิภาพคาร์โนต์ สมการนี้สัมพันธ์กับอุณหภูมิของอ่างเก็บน้ำร้อนตู่โฮ และอ่างเก็บน้ำเย็นตู่ค เพื่อประสิทธิภาพ (η) ของเครื่องยนต์
η = 1 - \frac{T_C}{T_H}
คุณสามารถคูณผลลัพธ์ของสิ่งนี้ด้วย 100 หากคุณต้องการแสดงคำตอบเป็นเปอร์เซ็นต์ สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่านี่คือทฤษฎีสูงสุด – ไม่น่าเป็นไปได้ที่เครื่องยนต์ในโลกแห่งความเป็นจริงจะเข้าใกล้ประสิทธิภาพของ Carnot อย่างแท้จริงในทางปฏิบัติ
สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือคุณเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องยนต์ให้ความร้อนสูงสุดโดยเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอ่างเก็บน้ำร้อนและอ่างเก็บน้ำเย็น สำหรับเครื่องยนต์รถยนต์ตู่โฮ คือ อุณหภูมิของก๊าซภายในเครื่องยนต์เมื่อเผาไหม้ และตู่ค คือ อุณหภูมิที่ขับออกจากเครื่องยนต์
ตัวอย่างโลกแห่งความจริง – Steam Engine
เครื่องยนต์ไอน้ำและกังหันไอน้ำเป็นตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของเครื่องยนต์ความร้อน และ การประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำเป็นเหตุการณ์ทางประวัติศาสตร์ที่สำคัญในอุตสาหกรรมของ สังคม. เครื่องจักรไอน้ำทำงานในลักษณะเดียวกันกับเครื่องยนต์ความร้อนอื่นๆ ที่กล่าวถึงในตอนนี้: หม้อไอน้ำเปลี่ยนน้ำ เป็นไอน้ำซึ่งถูกส่งไปยังกระบอกสูบที่มีลูกสูบและความดันสูงของไอน้ำจะเคลื่อนตัว กระบอก
ไอน้ำจะถ่ายเทพลังงานความร้อนบางส่วนไปยังกระบอกสูบ ทำให้กระบวนการเย็นลง และเมื่อลูกสูบถูกดันออกจนสุด ไอน้ำที่เหลือจะถูกปล่อยออกจากกระบอกสูบ ณ จุดนี้ ลูกสูบจะกลับสู่ตำแหน่งเดิม (บางครั้งไอน้ำถูกส่งผ่านไปยังอีกที่หนึ่ง ด้านข้างของลูกสูบเพื่อให้สามารถดันกลับได้เช่นกัน) และวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกจะเริ่มต้นใหม่อีกครั้งด้วยไอน้ำที่มากขึ้น
การออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่ายนี้ทำให้สามารถผลิตงานที่มีประโยชน์จำนวนมากจากอะไรก็ได้ที่สามารถต้มน้ำได้ ประสิทธิภาพของเครื่องทำความร้อนด้วยการออกแบบนี้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของไอน้ำกับอุณหภูมิของอากาศโดยรอบ รถจักรไอน้ำใช้ผลงานที่สร้างขึ้นจากกระบวนการนี้เพื่อหมุนล้อและขับเคลื่อนรถไฟ
กังหันไอน้ำทำงานในลักษณะที่คล้ายกันมาก เว้นแต่งานจะเปลี่ยนเป็นกังหันแทนการเคลื่อนลูกสูบ นี่เป็นวิธีที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในการผลิตกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการหมุนรอบที่เกิดจากไอน้ำ
ตัวอย่างในโลกแห่งความจริง – เครื่องยนต์สันดาปภายใน
เครื่องยนต์สันดาปภายในทำงานโดยอิงตามวัฏจักรของอ็อตโตที่อธิบายข้างต้น โดยมีการจุดระเบิดด้วยประกายไฟสำหรับเครื่องยนต์เบนซินและการจุดระเบิดด้วยการอัดสำหรับเครื่องยนต์ดีเซล ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสิ่งเหล่านี้คือวิธีที่ส่วนผสมของเชื้อเพลิงกับอากาศถูกจุดไฟ โดยที่ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศจะถูกบีบอัดและจากนั้น จุดระเบิดในเครื่องยนต์เบนซินและเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปในอากาศอัดในเครื่องยนต์ดีเซล ทำให้เกิดการจุดระเบิดจาก อุณหภูมิ.
นอกจากนี้ รอบที่เหลือของ Otto ก็เสร็จสมบูรณ์ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้: เชื้อเพลิงถูกดึงเข้าไปในเครื่องยนต์ (หรือเพียงแค่อากาศสำหรับ ดีเซล), อัด, ติดไฟ (โดยจุดประกายให้เชื้อเพลิงและพ่นเชื้อเพลิงเข้าไปในอากาศร้อนอัดอากาศสำหรับดีเซล) ซึ่งใช้งานได้ดี บนลูกสูบผ่านการขยายตัวแบบอะเดียแบติกจากนั้นวาล์วไอเสียจะเปิดขึ้นเพื่อลดความดันและลูกสูบจะดันออก ใช้แก๊ส
ตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง – ปั๊มความร้อน เครื่องปรับอากาศ และตู้เย็น
ปั๊มความร้อน เครื่องปรับอากาศ และตู้เย็นทั้งหมดทำงานในรูปแบบของวงจรความร้อนเช่นกัน แม้ว่าจะมีเป้าหมายที่แตกต่างกันในการใช้พลังงานความร้อนเพื่อเคลื่อนย้ายพลังงานความร้อนไปรอบๆ ตัวอย่างเช่น ในวงจรการทำความร้อนของปั๊มความร้อน สารทำความเย็นจะดูดซับความร้อนจากอากาศภายนอกเนื่องจากอุณหภูมิที่ต่ำกว่า (เนื่องจากความร้อนเสมอไหลจากร้อนไปเย็น) แล้วดันผ่านคอมเพรสเซอร์เพื่อเพิ่มแรงดันและอุณหภูมิ
อากาศที่ร้อนกว่านี้จะถูกส่งไปยังคอนเดนเซอร์ ใกล้กับห้องเพื่อให้ความร้อน ซึ่งกระบวนการเดียวกันจะถ่ายเทความร้อนไปยังห้อง สุดท้าย สารทำความเย็นจะเคลื่อนผ่านเข้าไปในวาล์วที่ลดแรงดันลง และทำให้อุณหภูมิพร้อมสำหรับการทำความร้อนรอบใหม่
ในรอบการทำความเย็น (เช่นเดียวกับในเครื่องปรับอากาศหรือตู้เย็น) กระบวนการจะทำงานย้อนกลับ สารทำความเย็นดูดซับพลังงานความร้อนจากห้อง (หรือภายในตู้เย็น) เพราะเก็บไว้ที่ อุณหภูมิเย็นแล้วดันผ่านคอมเพรสเซอร์เพื่อเพิ่มแรงดันและ อุณหภูมิ.
ณ จุดนี้ มันจะเคลื่อนไปรอบๆ ด้านนอกห้อง (หรือที่ด้านหลังของตู้เย็น) ซึ่งพลังงานความร้อนจะถูกถ่ายเทไปยังอากาศภายนอกที่เย็นกว่า (หรือรอบห้อง) สารทำความเย็นจะถูกส่งผ่านวาล์วเพื่อลดความดันและอุณหภูมิ เพื่ออ่านค่าสำหรับรอบการให้ความร้อนอีกครั้ง
เนื่องจากเป้าหมายของกระบวนการเหล่านี้ตรงกันข้ามกับตัวอย่างเครื่องยนต์ การแสดงประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนหรือตู้เย็นจึงแตกต่างกันด้วย นี้ค่อนข้างคาดเดาในรูปแบบแม้ว่า เพื่อให้ความร้อน:
η = \frac{Q_H}{W_{in}}
และเพื่อความเย็น:
η = \frac{Q_C}{W_{in}}
ที่ไหนคิวเงื่อนไขคือพลังงานความร้อนที่ย้ายเข้ามาในห้อง (ด้วยตัวห้อย H) และย้ายออก (ด้วยตัวห้อย C) และWใน คือการนำงานเข้าระบบในรูปของไฟฟ้า อีกครั้ง ค่านี้เป็นตัวเลขไร้มิติระหว่าง 0 ถึง 1 แต่คุณสามารถคูณผลลัพธ์ด้วย 100 เพื่อให้ได้เปอร์เซ็นต์หากต้องการ
ตัวอย่างโลกแห่งความจริง – โรงไฟฟ้าหรือสถานีไฟฟ้า
โรงไฟฟ้าหรือโรงไฟฟ้าเป็นเพียงเครื่องยนต์ความร้อนอีกรูปแบบหนึ่ง ไม่ว่าพวกเขาจะสร้างความร้อนโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิง แหล่งความร้อนใช้ในการเคลื่อนย้ายกังหันและด้วยเหตุนี้จึงทำงานเกี่ยวกับกลไกซึ่งมักใช้ไอน้ำจากน้ำอุ่นเพื่อหมุนกังหันไอน้ำซึ่งผลิตไฟฟ้าในลักษณะที่อธิบายข้างต้น วัฏจักรความร้อนที่แม่นยำที่ใช้อาจแตกต่างกันไปตามโรงไฟฟ้า แต่โดยทั่วไปจะใช้วงจรแรงคิน
วัฏจักรแรงคินเริ่มต้นด้วยแหล่งความร้อนที่เพิ่มอุณหภูมิของน้ำ จากนั้นจึงขยายตัวของไอน้ำใน a กังหันตามด้วยการควบแน่นในคอนเดนเซอร์ (ปล่อยความร้อนเหลือทิ้งในกระบวนการ) ก่อนที่น้ำเย็นจะไหลเข้าสู่ ปั๊ม. ปั๊มจะเพิ่มแรงดันของน้ำและเตรียมให้ร้อนต่อไป
