Blockdit Logo (Mobile)
อาจวรงค์ จันทมาศ
•
16 มิ.ย. 2021 เวลา 07:09 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
เครื่องจักรคาร์โนต์
เครื่องจักรความร้อนทรงประสิทธิภาพที่สุดในเอกภพ
เครื่องจักรความร้อน (Heat engine) อาจเป็นคำที่หลายคนไม่ค่อยคุ้นเคยนักเพราะมันเป็นศัพท์ทางฟิสิกส์ แต่จริงๆแล้วอุปกรณ์เครื่องใช้รอบตัวเรามากมายอาจถูกวิเคราะห์การทำงานได้ในลักษณะของเครื่องจักรความร้อน ซึ่งนิยามของเครื่องจักรความร้อน คือ ระบบใดๆที่ดูดซับความร้อนเข้ามาแล้วเปลี่ยนบางส่วนออกไปเป็นงาน (Work)ได้ ซึ่งอุปกรณ์และโครงสร้างมากมายหลายอย่างรอบตัวเรา ทำงานด้วยหลักการนี้
1
ยกตัวอย่างเช่น โรงไฟฟ้าที่เปลี่ยนความร้อนจากกการเผาถ่านหินหรือแก๊สธรรมชาติให้กลายเป็นงานในการปั่นไฟ , เครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal combustion engine) ที่อยู่ในรถยนต์ ก็เปลี่ยนความร้อนจากการสันดาปให้กลายเป็นงานในการหมุนของล้อ ฯลฯ แม้แต่ตู้เย็นก็สามารถมองได้ว่าเป็นเครื่องจักรความร้อนที่ทำงานย้อนกลับ กล่าวคือ ใช้ไฟฟ้าไปขับเคลื่อนกลไก(งาน) เพื่อดึงความร้อนจากภายในตู้เย็นออกสู่ภายนอก
2
การวิเคราะห์เครื่องจักรความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบเครื่องจักรความร้อนให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่คำถามคือ ประสิทธิภาพของมันมีขีดจำกัดหรือไม่ ?
ราวๆสองร้อยกว่าปีก่อน เครื่องจักรไอน้ำในยุคของเจมส์ วัตต์ ถูกสร้างขึ้นด้วยการลองผิดลองถูก ปรับแก้ปัญหาไปตามสิ่งที่เห็นและเกิดขึ้นเสียเป็นส่วนมาก โดยไม่ได้ออกแบบจากความเข้าใจธรรมชาติของความร้อนในระดับรากฐาน มันจึงเป็นสิ่งประดิษฐ์เชิงวิศวกรรมที่ทำงานได้อย่างน่าทึ่งอย่างยิ่ง แต่อีกแง่หนึ่งก็ยากที่จะวางแผนพัฒนาอย่างเป็นระบบ
เครื่องจักรไอน้ำของเจมส์ วัตต์
จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1824 ทหารหนุ่มวัยเพียง 27 ปี ชาวฝรั่งเศส ผู้มีนามว่า ซาดิ คาร์โนต์ (Nicolas Léonard Sadi Carnot) ได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานสำคัญที่สร้างความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องจักรความร้อน โดยงานวิจัยดังกล่าวได้วิเคราะห์เครื่องจักรความร้อนอย่างลึกซึ้งจนไปถึงระดับที่ว่าเครื่องจักรความร้อนมีประสิทธิภาพสูงสุดได้แค่ไหน
1
ธรรมชาติทั่วไปของความร้อนคือ มันสามารถไหลจากแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงมายังแหล่งที่อุณหภูมิต่ำกว่าได้เอง โดยระหว่างนั้นมันจะไหลผ่านเครื่องจักรความร้อน
หลักการทำงานทั่วๆไปของเครื่องจักรความร้อนคือ มันจะรับความร้อนจากแหล่งความร้อน (heat reservoir หรือ heat bath) ซึ่งอาจจะเป็นถ่านหินที่ถูกเผา หรือ ไฟ แล้วเปลี่ยนความร้อนบางส่วนเป็นงานเชิงกล แล้วคายความร้อนส่วนที่เหลือจากงานทิ้งสู่แหล่งเย็น (cold reservoir) ซึ่งอาจจะเป็นแท็งค์น้ำสำหรับหล่อเย็น หรืออากาศทั่วไปที่อุณหภูมิห้อง โดยเราจะสมมติว่าอุณหภูมิของทั้งสองแหล่งไม่เปลี่ยนแปลง
1
แผนภาพแสดงเครื่องจักรความร้อน แหล่งความร้อน และแหล่งความเย็น
เครื่องจักรของคาร์โนต์มีลักษณะเป็นกระบอกสูบภายที่ในเป็นแก๊ส(จริงๆจะเป็นแบบใดก็ได้ แต่ตัวอย่างกระบอกสูบนี้เข้าใจและเห็นภาพได้ง่าย) เครื่องจักรอันเรียบง่ายนี้จะทำงานผ่าน 4 กระบวนการ โดยเริ่มต้นจาก
1
1. ความร้อนจากแหล่งร้อนไหลเข้ากระบอกสูบ จะทำให้แก๊สภายในขยายตัวโดยอุณหภูมิของแก๊สคงที่(Isothermal process) ระหว่างนี้กระบอกสูบจะถูกดันออก
2. จากนั้น ความร้อนจะไม่มีการไหลเข้าออกจากกระบอกสูบ ส่วนแก๊สในกระบอกสูบจะค่อยๆลดอุณหภูมิลงพร้อมกับขยายตัวดันลูกสูบออก โดยมันจะค่อยๆเย็นลงจนมีอุณหภูมิเท่ากับแหล่งเย็น (Adiabatic process)
3.ต่อมา แก๊สจะถูกบีบอัดแล้วคายความร้อนออกสู่แหล่งเย็น โดยตลอดกระบวนการนี้ อุณหภูมิของแก๊สจะคงที่ตลอดและมีค่าเท่ากับอุณหภูมิของแหล่งเย็น
4. ขั้นตอนสุดท้าย แก๊สจะถูกบีบอัดต่อโดยไม่มีความร้อนไหลเข้าหรือออกจากกระบอกสูบ แต่อุณหภูมิของแก๊สจะค่อยๆเพิ่มสูงขึ้นจนในที่สุดก็มีอุณหภูมิเท่ากับแหล่งร้อน จากนั้นเครื่องจักรจะเข้าสู่กระบวนการที่ 1 แล้ววนเช่นนี้ไปเรื่อยๆ
2
จะเห็นได้ว่าเมื่อทำงานครบ 4 กระบวนการแล้ว เครื่องจักรความร้อนจะกลับมาอยู่ในสภาพเดิมไม่ต่างจากในตอนแรก มันจึงเป็นเครื่องจักรที่ทำงานแบบเป็นวัฏจักร ซึ่งวัฏจักรดังกล่าวเรียกว่า วัฏจักรคาร์โนต์(Carnot cycle)
เครื่องจักรความร้อนที่ทำงานผ่านกระบวนการทั้ง 4 นี้ เป็นเครื่องจักรความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดภายใต้เงื่อนไขอุณหภูมิของแหล่งร้อนและแหล่งเย็น
วัฏจักรคาร์โนต์(Carnot cycle)
แนวคิดของคาร์โนต์นั้นเป็นการจินตนาการถึงเครื่องจักรความร้อนในอุดมคติผ่านกระบวนการต่างๆโดยไม่ได้มีการประดิษฐ์เครื่องจักรจริงๆขึ้นมา มันจึงเป็นเหมือนแนวคิดที่นำไปประยุกต์ใช้กับการออกแบบเครื่องจักรความร้อนอื่นๆหลากหลายรูปแบบ
2
นอกจากนี้มันยังแสดงให้เห็นขีดจำกัดเชิงประสิทธิภาพที่ไม่มีทางมากเกินไปกว่านี้ได้ ไม่ว่าจะเปลี่ยนแก๊สในเครื่องจักรความร้อนให้เป็นแก๊สชนิดใดก็ตาม
แม้ในความเป็นจริง ไม่มีเครื่องจักรไอน้ำใดเลยที่ทำประสิทธิภาพได้เท่ากับเครื่องจักรคาร์โนต์ และพูดตามตรงก็คือ เครื่องจักรคาร์โนต์นั้นไม่เหมาะกับการสร้างขึ้นมาใช้งานจริงด้วยซ้ำ เพราะอย่างน้อยๆการดูดซับความร้อนในวัฏจักรคาร์โนต์นั้นต้องใช้เวลานานมากเกินไปจนนำมาใช้งานจริงแล้วเราต้องรอนานมาก
1
ซาดิ คาร์โนต์ (Nicolas Léonard Sadi Carnot)
แต่เครื่องจักรความร้อนแบบของคาร์โนต์นั้นมีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาของวิชาเทอร์โมไดนามิกส์ในเวลาต่อมา ซึ่งน่าเศร้าที่ในช่วงชีวิตของ ซาดิ คาร์โนต์ ไม่ได้อยู่ทันเห็นการยอมรับผลงานของเขา เพราะเขาเสียชีวิตในวัยเพียง 36 ปีเท่านั้น ทว่างานของเขากลายเป็นฐานสำคัญให้กับสองยักษ์ใหญ่อย่าง Rudolf Clausius และ Lord Kelvin ผู้ได้สร้างแนวคิดเกี่ยวกับกฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์และเอนโทรปี
ทุกวันนี้ ระบบในธรรมชาติอย่างหลุมดำ ถูกวิเคราะห์ในรูปแบบเครื่องจักรความร้อน ได้ด้วย แนวคิดของคาร์โนต์จึงนับว่ายิ่งใหญ่และเป็นหมุดหมายสำคัญในเทอร์โมไดนามิกส์อย่างแท้จริง
1
โฆษณา