7
01-1 INTRODUCTION & PRELIMINAIES ขอบเขตของรายวิชา ชื่อของเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamics) อาจฟังดูไม่คุ้นเคยสําหรับบุคคลทั่วไป แต่เนื ้อหา ของวิชาเทอร์โมไดนามิกส์กลับมีความสําคัญอย่างมากสําหรับผู้ที่ต้องการศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงและเคลื่อนย้าย ของพลังงานเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ ้น และ/หรือ เพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงเคลื่อนย้ายของพลังงาน ใน เชิงวิศวกรรม Thermodynamics จะเข้าไปอธิบายพฤติกรรมการทํางานของเครื่องจักรกล และยังอาจถูกใช้ เพื่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของจักรกลได้อีกด้วย ขอบเขตของรายวิชานี ้อาจแบ่งออกได ้เป็ น 4 ส่วน ดังนี ส่วนที1 อธิบายการแบ่งประเภทของสสาร (substance) โดยใช้สถานะ (state) เป็นหลัก และ แนะนําสมบัติเทอร์โมไดนามิก (thermodynamic property) เบื ้องต ้นที่สําคัญเช่น ความดัน อุณหภูมิ และ ปริมาตรจําเพาะ ในส่วนนี ้ผู ้เรียนจะสามารถระบุค่าของ thermodynamic properties ที่สถานะใดสถานะ หนึ ่งซึ ่งกําหนดให้ได้ ส่วนที2 อธิบายถึงการเคลื่อนย้ายและเปลี่ยนแปลงของพลังงานรูปแบบต่าง ของ substance ผ่าน กระบวนการ (process) แบบต่าง เช่น กระบวนการความดันคงทีและ กระบวนการอุณหภูมิคงทีโดยใช้กฏ การอนุรักษ์พลังงานเป็นหลัก เมื่อจบส ่วนนี ้ผู ้เรียนจะสามารถระบุค่าของ thermodynamic properties ทีเปลี่ยนแปลงจาก state ที่หนึ ่งไปสู state ที่สองผ่าน process ต่าง ได้ มีผลให้สามารถคํานวณปริมาณ พลังงานที่เปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายได้ด้วย ส่วนที3 กล่าวถึงความเป็นไปได้ที่จะเกิด process ต่าง ที่ได้เรียนมาแล้วในส ่วนที2 กล่าวคือเป็น การพิจารณาว่า process จาก state ที่หนึ ่งไปสู state ที่สอง หรือ process จาก state ที่สองมาเป็น state ทีหนึ ่ง นั ้น process ใดบ้างที่สามารถเกิดขึ ้นได ้จริง ดังนั ้นส่วนนี ้จึงช่วยเสริมให้การระบุ process ต่าง นั ้น ใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากขึ ้น ส่วนที4 เป็นนํา process ต่าง ที่ได้ศึกษามาข้างต้นประกอบกันเป็นวัฏจักร (cycle) เพื่ออธิบายการ ทํางานของเครื่องจักรกลแบบต่าง โดยพิจารณาเน้นไปที่พลังงานที่ใช้ไป งานที่ได้ออกมา และประสิทธิภาพของ เครื่องจักรเหล่านี A Thermodynamic System and the Control Volume ระบบทางเทอร์โมไดนามิก (thermodynamic system) ก็คือเครื่องจักรกลหรือชุดครื่องจักรกลทีเราสนใจ การพิจารณาการทํางานของ thermodynamic system โดยตรงอาจทําได้ไม่ง่ายนัก แต่จะทําได้ง่าย กว่าหากพิจารณาปริมาตรความคุม (control volume) แทน Control volume เป็นอาณาบริเวณที่เรากําหนดขึ ้นมาเองเพื่อตัดเอา thermodynamic system ที่เราสนใจออกจากสิ่งแวดล้อม (surroundings) ด้วยผิวควบคุมหรือขอบเขต (control surface or boundary) ในลักษณะเดียวกับการเขียน Free-body diagram นั่นเอง ยกตัวอย่างในกรณีของกระบอกสูบ

CH01

Embed Size (px)

DESCRIPTION

thermo thai lecture chula 2014

Citation preview

  • 01-1

    INTRODUCTION & PRELIMINAIES

    (Thermodynamics) / Thermodynamics 4 1 (substance) (state) (thermodynamic property) thermodynamic properties 2 substance (process) thermodynamic properties state state process 3 process 2 process state state process state state process process 4 process (cycle) A Thermodynamic System and the Control Volume (thermodynamic system) thermodynamic system (control volume)

    Control volume thermodynamic system (surroundings) (control surface or boundary) Free-body diagram

  • 01-2

    control surface (boundary) control volume surroundings 1.1(a) control volume surroundings

    Boundary control volume (stationary) (movable) 1.1(a) movable boundary boundary surroundings (heat or work) boundary

    1.1(a) control surface (mass flux) (open surface) control surface mass flux control surface 1.1(b) surface closed surface control volume (control mass)

    heat work boundary control mass control mass (isolated system)

    (a) (b)

    1.1 Control volume In-text questions

    a. control volume control mass b. control volume, control surface surrounding c. closed surface isolated system

    control volume

    control surface or boundary

    mass flux (inlet)

    mass flux (outlet)

    heat or work

    control mass

    no heat or work

    closed closed

  • 01-3

    Macroscopic versus Microscopic Points of View thermodynamic system (macroscopic) (microscopic) thermodynamic system microscopic thermodynamic properties substance substance control volume thermodynamic system macroscopic substance (continuum) thermodynamic properties continuum macroscopic Properties and State of a Substance substance (phase) (vapor phase) (liquid phase) (solid phase) (state) macroscopic state substance thermodynamic properties

    Thermodynamic properties 2 intensive extensive intensive properties extensive properties substance intensive properties extensive property

    properties (thermodynamic equilibrium) (thermal equilibrium) (mechanical equilibrium) (chemical equilibrium) 1.1(a) control volume thermal equilibrium control volume mechanical equilibrium chemical equilibrium thermodynamic equilibrium

    In-text questions

    d. phase state e. intensive property extensive property f. thermodynamic equilibrium

  • 01-4

    Processes and Cycles (process) state state process property (isobaric process) (isothermal process) (isochoric process)

    state state 1.1(b) mechanical equilibrium macroscopic thermodynamic equilibrium thermodynamic equilibrium process quasi-equilibrium macroscopic quasi-equilibrium processes nonequilibrium processes state

    process process process state substance state state process (cycle) Units for Mass, Length, Time and Force SI units kilogram, meter, second Newton prefixes 1.1

    1.1 Unit prefixes Factor Prefix Symbol Factor Prefix Symbol 1015 1012 109 106 103

    peta tera giga mega kilo

    P T G M k

    10-3 10-6 10-9 10-12 10-15

    milli micro nano pico

    femto

    m n p f

    prefix kilo (mole) mol substance 1 mol ( 12 g) substance 1 mol H2O H O 1 16 2 1 16 18 1 mol 18 g

  • 01-5

    Specific Volume and Density (density) SI units kg/m3 (specific volume) ( density) m3/kg specific volume intensive property

    density specific volume mol mol/m3 m3/mol

    density specific volume kg v mol v

    In-text questions

    g. mol H2, N2, NH3 1, 5, 10 15 g h. specific volume intensive property extensive property

    Pressure (pressure) property substance vapor phase liquid phase substance solid phase property normal stress pressure Pascal (Pa) N/m2 pressure bar 1 bar = 0.1 MPa pressure 2 (absolute pressure) (gauge pressure)

    abs gauge atmP P P (1-01) atmP 101,325 Pa gauge pressure vacuum vacuum pressure

    Example 1.1 A manometer contains mercury of which density is 13,534 kg/m3. The manometer is installed between an air tank and atmosphere as shown in the given picture. Determine the absolute pressure, gauge pressure and vacuum of the air inside the tank. Solution: Finding the absolute pressure from the height difference between the mercury surfaces in the manometer. Then determine the gauge pressure and vacuum from the obtained absolute pressure.

  • 01-6

    abs mercury atmP g z P 13,534 9.81 0.2 101,325 absP 74,771absP Pa gauge abs atmP P P 74,771 101,325 gaugeP 26,554 gaugeP Pa 26,554 vacuum gaugeP P Pa vacuum

    Energy Substance (energy) substance (internal energy) (kinetic energy) (potential energy) total energy (E) = internal energy (U) + kinetic energy (KE) + potential energy (PE) (specific total energy) Ee

    m u ke pe 21

    2 u V gz (1-02)

    u , ke pe specific internal energy, specific kinetic energy specific potential energy Kinetic energy potential energy substance internal energy substance macroscopic internal energy internal energy substance Equality of Temperature 2 1 2 properties

    Air 0.2 m

    Patm

  • 01-7

    properties 2 2 (Equality of Temperature) The Zeroth Law of Thermodynamics 2 equality of temperature 3 3 equality of temperature 1 2 1 2 Temperature Scales US customary units (F) SI unit ( C ) Thermodynamics (K)

    oK C 273.15 (1-03) In-text questions

    i. Specific total energy j. 2 equality of temperature k. The zeroth law of Thermodynamics l. 25 C K