การทดลองเสมือนจริง เรื่อง เครื่องจักรความร้อน

http://www.proton.rmutphysics.com/learn/8/heat-engine/

 

รถยนต์

ถึงแม้จะมีรถยนต์บางคันที่ใช้พลังงานจากมอเตอร์ไฟฟ้า รถสมัยใหม่ส่วนมากก็ยังคงทำงานในวิธีเดียวกับรถรุ่นแรกๆ ที่สร้างขึ้นเมื่อกว่าครึ่งศตวรรษมาแล้ว เชื้อเพลิงที่เผาไหม้ทำให้ลูกสูบในเครื่องยนต์เคลื่อนที่ไปมา เฟืองและชิ้นส่วนอื่นๆจะช่วยให้ลูกสูบสามารถขับเคลื่อนล้อไปได้ ฟิสิกส์ราชมงคลจะไขปริศนาภายใน โดยแยกให้เห็นชิ้นส่วนแต่ละชิ้น หลักการทำงานพื้นฐานของมัน ให้คุณได้ทราบอย่างละเอียดในหน้าถัดไป คลิกครับ

เครื่องยนต์โรตารี่ทำงานอย่างไร

(Rotary engines)

เครื่องยนต์โรตารี่ เป็นเครื่องยนต์แบบสันดาปภายใน มีลักษณะการสันดาปแบบเดียวกันกับในรถคันโปรดของคุณ แต่ว่ามันมีความแตกต่าง เพราะมันไม่ใช่เครื่องยนต์แบบลูกสูบ

สำหรับเครื่องยนต์แบบลูกสูบ เราแบ่งการเผาไหม้ภายในลูกสูบออกเป็น 4 จังหวะ คือ ดูด อัด ระเบิด และคาย

ให้คุณคลิกที่ปุ่มสีแดง เพื่อดูการเคลื่อนที่เป็นจังหวะ หรือถ้าคลิกที่ปุ่มสีเขียวสามารถดูการเคลื่อนที่ได้อย่างต่อเนื่อง

เครื่องยนต์โรตารี่ ได้แรงดันจากห้องเผาไหม้ ที่อยู่ภายในเสื้อโรเตอร์หรือห้องเผาไหม้ (Housing) ซึ่งจะถูกชีลด์ไว้อย่างดี ไม่ให้มีการรั่วไหลของแก๊ส ตัวโรเตอร์เทียบได้กับลูกสูบของเครื่องยนต์ลูกสูบ โรเตอร์จะหมุนแบบเยื้องศูนย์ ซึ่งจะทำให้ขอบของโรเตอร์สัมผัสกับห้องเผาไหม้อยู่ตลอดเวลา ตัวโรเตอร์ทำให้หัองเผาไหม้ถูกแยกออกเป็น 3 ห้อง ขณะที่โรเตอร์หมุนอยู่ แต่ละห้องจะมีการหดและขยายตัวของแก๊สอยู่ตลอดเวลา เราแบ่งจังหวะการเผาไหม้ออกเป็น 4 จังหวะ คือ ดูด อัด ระเบิด และคายไอเสีย ผู้ที่คิดเครื่องยนต์โรตารี่ขึ้นเป็นคนแรกคือ ดอกเตอร์ เฟลิค แรงเคล ( Felix Wankel) บางครั้งเราจึงเรียกเครื่องยนต์โรตารี่ว่า เครื่องยนต์ แรงเคล (Wankel engine หรือ Wankel rotary engine ) เพื่อเป็นเกียรติกับท่าน

ฟิสิกส์ราชมงคลจะไขปริศนาการทำงานของเครื่องยนต์โรตารี่ โดยพาท่านเข้าไปดูการทำงานภายใน ซึ่งคุณจะได้เห็นความมหัศจรรย์ล้ำลึก ในหน้าถัดไป คลิกครับ

 

วัฏจักร Otto

เข้าสู่การทดลองคลิกครับ

วิธีการทดลอง

1. คลิกปุ่ม start สังเกตการเคลื่อนที่ของลูกสูบ

ตอบคำถามต่อไปนี้

  1. ความร้อน ไหลเข้ากระบอกสูบตามเส้นทางใด ?

  2. ความร้อน ไหลออกกระบอกสูบตามเส้นทางใด ?

  3. เส้นทางใดเป็นเส้นทางที่หัวเทียนจุดระเบิด ดูทฤษฎีคลิกครับ

เครื่องจักรความร้อน

คลิกครับ

ตอบคำถามต่อไปนี้

1. ปรับ Engine efficiency เป็น 30 % และกดปุ่ม Start

Qc = ________%

2. ปรับ Engine efficiency เป็น 100 % และกดปุ่ม Start

Qc = ________% เป็นไปได้หรือไม่ จงอธิบาย

อธิบาย

_______________________________________________

_______________________________________________

_______________________________________________

ตู้เย็น

ตอบคำถามต่อไปนี้

1. เลื่อน COP ลงมาที่ 1.5 และกดปุ่ม Start

QH = ________% of W QC = ________% of W

COP = coefficient of performance = K = QC /(QH + QC)

คลิกครับ

 

 

กฏข้อที่หนึ่งทางเทอร์โมไดนามิกส์

คลิกครับ

ตู้เย็น

(Refrigerator)

บ้านเกือบทุกหลังในประเทศไทย ต้องมีตู้เย็นอย่างน้อย 1 ใบ ให้คุณลองเอาหูไปแนบฟังข้างๆตู้เย็น ทุกๆ 15 นาที จะได้ยินเสียงหึ่งๆ ของมอเตอร์ไฟฟ้า ถ้าเราไม่มีตู้เย็น อาหารหลายอย่าง เช่น เนื้อ นม และไข่ จะไม่สามารถเก็บอยู่ได้นาน

ตู้เย็นเป็นสิ่งประดิษฐ์อันมหัศจรรย์ ที่เปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของมนุษย์ ซึ่งแต่ก่อนเราเก็บเนื้อโดยอาศัยเกลือ มันทำให้รสชาติของเนื้อเสียไป แต่ปัจจุบันเราใช้ตู้เย็นแทน

ฟิสิกส์ราชมงคล จะเปิดเผยกลไกการทำงานของตู้เย็น ในหน้าถัดไป คลิกครับ

ตู้เย็น

การผลิต

กรรมวิธีการผลิตตู้เย็นในระบบอุตสาหกรรม เริ่มจากการปั๊มแผ่นเหล็กกล้าเป็นชิ้นส่วนต่างๆของตู้เย็น เคลือบสีภายนอกโดยใช้ระบบไฟฟ้าสถิต หลอมพลาสติก ขึ้นรูปเป็นโครงตู้ ต่อไป..... คลิกครับ

คาร์ล วอน ลินเด (Carl Von Linde)

คลิกค่ะ

ทฤษฏีการทำความเย็นโดยใช้อุปกรณ์ทางกล มี คาร์ล วอน ลินเด (Carl Von Linde) ในปี 1870 เขาได้เขียนหนังสือออกมา “การใช้วิธีการทางกล ในการดึงเอาความร้อนออกมาจากสาร จนสารมีอุณหภูมิต่ำ”

 

เครื่องทำน้ำแข็ง

(Icemakers)

เครื่องทำน้ำแข็งแบบอัตโนมัติทำได้ด้วยตนเอง

ติดตั้งอยู่ในช่องแช่แข็ง

ปัจจุบัน ทุกๆสิ่ง ทุกๆอย่างล้วนสบาย เรามีตู้เย็นไว้ใช้ในบ้าน ทำน้ำแข็งได้เองอย่างง่าย เพียงนำน้ำไปใส่ไว้ในถาด และไปไว้ในช่องแช่แข็งรอไม่นานนักก็ได้น้ำแข็งรับประทาน สำหรับนักประดิษฐ์สมองใสวิธีง่ายๆแบบนี้ มันดูธรรมดาเกินไป

ฟิสิกส์ราชมงคล จะนำท่านไปดูการทำงานของเครื่องทำน้ำแข็งแบบอัตโนมัติ ตั้งแต่ขนาดเล็กกระทัดรัด สามารถทำได้เองที่บ้าน จนถึงขนาดใหญ่ขึ้นผลิตได้ครั้งละมากๆที่ใช้สำหรับโรงแรม และโรงงาน ซึ่งหลักการพื้นฐานนั้นแสนง่าย ไม่ได้แตกต่างกับที่เราทำเองในถาด เพียงแต่มันมีความพิศดารและแตกต่างกันอยู่บ้าง ซึ่งจะได้อธิบายในหน้าถัดไป คลิกครับ

 

กระบวนการทางเทอร์โมไดนามิก

เข้าสู่การทดลองคลิกครับ

  • งานทั้งหมดในกระบวนการความดันคงที่ เป็นกี่จูล (สังเกตได้ที่หน้าจอหลังจากกระบวนการเสร็จสิ้นแล้ว)

ทดลองคำนวณงานให้ดูด้วย (โดยใช้ Vf จากห้องทดลอง)

กำหนดให้ P = 10.8 x 106 Pa

Vi = 1 x 10-3 m3

Vf = ______ m3

W = P(Vf - Vi) = _____จูล (คำนวณ)

งานที่ได้จากห้องทดลอง ______จูล

 

โรเบิร์ต เสตอร์ลิง


Robert Stirling (25 ต.ค.1740 - 6 มิ.ย.1878) เป็นชาวอังกฤษ เชื้อสายสก๊อต โดยอาชีพแล้วเป็นนักบวช แต่มีงานอดิเรกเป็นนักประดิษฐ์ เขาสนใจในการประดิษฐ์เครื่องยนต์ที่ปลอดภัยกว่าเครื่องจักรไอน้ำในสมัยนั้น ซึ่งมักจะมีการระเบิด ทำให้มีผู้เสียชีวิต

ในวันที่ 27 ก.ย. 1816 เขายื่นคำขอจดทะเบียนสิทธิบัตรเครื่องยนต์ที่เขาเรียกว่า Heat Economiser และได้รับอนุมัติ ในปี 1817 ทฤษฎีการทำงานของเครื่องยนต์ของเขาไม่ค่อยมีใครเข้าใจนัก จนกระทั่งมีความก้าวหน้าทางวิชา เทอร์โมไดนามิค อีกหลายสิบปีต่อมา




รูปที่ 1 ภาพวาดเครื่องยนต์เสตอร์ลิง คลิกอ่านต่อ

เครื่องยนต์เสตอร์ลิง

เครื่องยนต์เสตอร์ลิง ประดิษฐ์โดย โรเบิร์ต เสตอร์ลิง (Robert Stirling)(1790-1878)ในปี 1816 และได้รับสิทธิบัตร ในปี 1817

เครื่องยนต์เสตอร์ลิงทำงานโดยอาศัยหลักการ อากาศร้อนขยายตัว อากาศเย็นหดตัว ดังนั้นถ้าเราทำให้อากาศภายในกระบอกสูบร้อนแล้วเย็น สลับกัน ลูกสูบก็จะเคลื่อนที่ไปมา สามารถแปลงเป็นพลังงานกลได้

เครื่องยนต์เสตอร์ลิงมี 2 แบบ คือ แบบมีสองลูกสูบ กับ แบบสูบเดียวและใช้ฉนวนกั้นอากาศ(displacer piston)แทนลูกสูบอันที่สอง แบบที่แสดงข้างบนเป็นแบบลูกสูบเดียว
 



รูปที่ 1 ส่วนต่างๆของ เครื่องยนต์เสตอร์ลิง
 

คลิกครับ

เฮลิคอปเตอร์ อากาศยานปีกหมุน คลิกค่ะ

 

ลูกโป่งเฮลิคอปเตอร์

คลิกค่ะ download  จากฟิสิกส์ราชมงคล

อธิบายกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน กับการเคลื่อนที่ของลูกโป่งเฮลิคอปเตอร์

 

ควบคุมเฮลิคอปเตอร์ไม่ให้ชนสิ่งกีดขวาง คลิกค่ะ

 

 

 

ควบคุมเฮลิคอปเตอร์ เคลื่อนย้ายวัตถุ
ให้ตรงกับภาระกิจที่ได้รับมอบหมาย ·

คลิกครับ

รถยนต์พลังงานลมอัด

ใช้ถังอัดลมเป็นพลังงานให้กับรถ สามารถวิ่งได้ไกล 1.5 กิโลเมตร คลิกครับ



 

รถวิ่งด้วยอากาศ

รถแห่งอนาคต ใช้เชื้อเพลิงจากการอัดอากาศ เพียงอัดก๊าซใส่ถังไว้ และใช้แรงอัดนี้อัดกลับเข้าไปหมุนกระบอกสูบ ท่านจะได้เห็นกำลังและความเร็วของรถแห่งอนาคตนี้ คลิกครับ

รถยนต์กับไอพ่น

คำถาม

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อรถยนต์แล่นเข้าไปใกล้กับท่อไอพ่นของเครื่องบิน

  1. รถยนต์ไหม้

  2. รถยนต์ลอยขึ้น

  3. ท่อไอพ่นหยุดหมุน

มีการทดลองใช้ไอพ่นเป่าไปที่รถตู้ด้วยน่าตื่นเต้นยิ่ง คลิกค่ะ download  จากฟิสิกส์ราชมงคล   

ตู้เย็น

คำถาม

ตู้เย็นที่ถูกเปิดทิ้งไว้ในห้องจะส่งผลอย่างไรต่ออากาศโดยรอบ

  1. อากาศเย็นลง
  2. อากาศอุ่นขึ้น
  3. ไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ

คำตอบเกี่ยวกับหลักฟิสิกส์ความร้อน คลิกครับ ขนาด 4.8 MB

เครื่องจักรกลดังรูปเป็นไปได้หรือไม่ ?



ก้อนที่ดูเหมือนลิ่มสามเหลี่ยมสีน้ำตาล คือพื้นเอียงนะครับ ส่วนลูกกลม ๆ ซึ่งเคลื่อนที่อยู่ก็เป็นลูกแก้ว ซึ่งถูกโยงติดกันไว้ ด้วยเชือก การทำงานของอุปกรณ์ชิ้นนี้ก็อาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก จะเห็นว่าด้านพื้นเอียงทางซ้ายซึ่งเอียงมากกว่า จะมีลูกแก้วอยู่ประมาณสามลูก ส่วนด้านขวาซึ่งเอียงน้อยกว่า มีลูกแก้วอยู่ประมาณห้าลูก ถ้าลูกแก้วทุกลูกมีน้ำหนักเท่ากัน ลูกแก้วห้าลูกทางขวาก็ควรจะมีน้ำหนักมากกว่า ลูกแก้วสามลูกทางซ้าย ลูกแก้วทางขวาจิงกลิ้งลงตามพื่นเอียงพร้อมกับดึงให้ลูกแก้วทางซ้ายเคลื่อนที่ขึ้น (ส่วนลูกแก้วซึ่งอยู่ด้านล้างของพื่นเอียง ก็แค่เคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง โดยไม่ได้ชักเยอน้ำหนักกับลูกแก้วด้านอื่น)
 

 คลิกดูวีดีโอ ตอนที่ 1
คลิกดูวีดีโอ ตอนที่ 2

เครื่องจักรที่เคลื่อนไหวได้เองตลอดเวลา

Perpetual Motion Machine

คลิกอ่านต่อค่ะ

แบบทดสอบ เรื่อง เครื่องจักรความร้อน

 คลิกเข้าทำแบบทดสอบ  

คลิกเข้าทำแบบทดสอบ 

 

แบบทดสอบ เรื่อง เครื่องจักรความร้อน
นักศึกษาต้องทำส่วนนี้  ทุกคน  เก็บคะแนนใน เครื่องบริการ
จำนวน 10 ข้อ ทดลองให้เสร็จก่อนจึงค่อยทำ
ใส่ชื่อ สกุล รหัส กลุ่ม ให้เรียบร้อยด้วยครับ

ทำด้านล่างนี้ หรือ คลิกที่นี่

 

คลิกดูคะแนน

รอสักครู่ คะแนนจึงปรากฏ

แต่ถ้าไม่เห็นคะแนนให้ คลิก ปุ่ม Ctrl+F5  ที่หน้า ให้คะแนน