การทำความเย็นและการปรับอากาศ

โดย :วฒ ุ ิ ชยัส ิ ทธ ิ วงษ ์ (Ph.d. Mechanical Engineering) ต ำรำ กำรท ำควำมเย็นและกำรปรับอำกำศ (Refrigeration and Air Conditioning)

การท าความเย็นและการปรับอากาศ (Refrigeration and Air Conditioning) โดย ผ้ชู่วยศาสตราจารย ์ ดร.วฒุิชยัสิทธิวงษ ์(Ph.D. วิศวกรรมเครื่องกล) ISBN ต ารา การท าความเย็นและการปรับอากาศ (Refrigeration and Air Conditioning) เล่มนี้เรียบเรียงขึ้น เพื่อใช้ประกอบการเรียนการสอนในวิชาการท าความเย็นและการ ปรับอากาศ วิชาชีพเลือกกลุ่มวิชาอุณหพลศาสตร์หลกัสูตรอุตสาหกรรมศาตรบณัฑิต สาขาวิชาเทคโนโลยีเครื่องกล คณะเกษตรศาสตรแ์ละเทคโนโลยีมหาวิทยาลยัเทคโนโลยี ราชมงคลอีสาน วิทยาเขตสุรินทร์และเผยแพร่ความรู้แก่ผู้สนใจทัว่ ไป โดยมิได้มี วตัถปุระสงคเ์พื่อการค้าเชิงพาณิชยแ์ต่อย่างใด

ค าน า ต ำรำ กำรท ำควำมเย็นและกำรปรับอำกำศ (Refrigeration and Air Conditioning) ฉบับนี้ ใช้ประกอบกำรสอนควบคู่กับเอกสำรค ำสอนในรำยวิชำ กำรท ำควำมเย็นและกำรปรับอำกำศ รหัสวิชำ 20-407-222-109 เป็นวิชำชีพเลือกกลุ่มวิชำ อุณหพลศำสตร์ ในหลักสูตรอุตสำหกรรม ศำตรบัณฑิต สำขำวิชำเทคโนโลยีเครื่องกล คณะเกษตรศำสตร์และเทคโนโลยี มหำวิทยำลัย เทคโนโลยีรำชมงคลอีสำน วิทยำเขตสุรินทร์ จำกค ำอธิบำยรำยวิชำ ศึกษำเกี่ยวกับหลักกำรเบื้องต้นของกำรท ำควำมเย็น วัฏจักรทำง อุณหพลศำสตร์ของกำรท ำควำมเย็น ระบบท ำควำมเย็นระบบต่ำงๆ คอมเพรสเซอร์ อีเวปโปเรเตอร์ คอนเดนเซอร์ ระบบควบคุมกำรท ำงำน สำรท ำควำมเย็นและท่อ กำรหำภำระ ของกำรท ำควำมเย็น ระบบปรับอำกำศแบบต่ำงๆ ควำมชื้นในอำกำศ กำรถ่ำยเทอำกำศและกำร กระจำยลมและกำรออกแบบท่อลม ผู้เรียบเรียงได้รวบรวมและเรียบเรียงต ำรำนี้จำกหนังสือ เอกสำรที่มีกำรเผยแพร่ในวง วิชำกำร งำนวิจัย และจำกประสบกำรณ์ของผู้เรียบเรียงเพื่อให้มีต ำรำที่มีคุณภำพ ด้วยควำม ตั้งใจที่จะท ำต ำรำในฐำนะของบุคลำกรทำงกำรศึกษำสำยวิชำกำร เพื่อเป็นประโยชน์ต่อสำขำ วิชำชีพของตนเอง สุดท้ำย ผู้เรียบเรียงขอขอบคุณเจ้ำของผลงำนทุกท่ำนที่ผู้เรียบเรียงน ำมำใช้เป็ น เอกสำรอ้ำงอิงประกอบกำรจัดท ำต ำรำนี้ควำมดีของต ำรำเล่มนี้ขอมอบแด่คณำจำรย์ทุกท่ำนที่ได้ ประสิทธิ์ประสำทวิชำควำมรู้ให้แก่ผู้เขียน ขอขอบคุณมหำวิทยำลัยเทคโนโลยีรำชมงคลอีสำน ซึ่ง เป็นหน่วยงำนที่ผู้เรียบเรียงได้ปฏิบัติงำน สนับสนุนกำรพัฒนำตนเอง และกรำบขอบพระคุณบิดำ มำรดำ และศำสตรำจำรย์ ดร.กุลเชษฐ์ เพียรทอง ภำควิชำวิศวกรรมเครื่องกล คณะ วิศวกรรมศำสตร์ มหำวิทยำลัยอุบล ซึ่งเป็นอำจำรย์ที่ปรึกษำในระดับบัณฑิตศึกษำของผู้เรียบ เรียง และให้ค ำแนะน ำในกำรจัดท ำผลงำนทำงวิชำกำรในครั้งนี้ (วุฒิชัย สิทธิวงษ์) สำขำวิศวกรรมเครื่องกล คณะเกษตรศำสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีรำชมงคลอีสาน วิทยาเขตสุรินทร์ ธันวำคม 2566

ก สารบัญ เนื้อหา หน้า หน่วยที่ 1 ประวตัิของการทา ความเยน ็ และปรบัอากาศ 1 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 1 1.1 บทน ำ 1 1.2 กำรระบำยควำมร้อนตำมธรรมชำติ 2 1.3 กระบวนกำรระบำยควำมร้อนเชิงกล 4 1.4 สำรท ำควำมเย็น 11 1.5 กำรท ำควำมเย็นแบบดูดซึม 14 1.6 ระบบท ำควำมเย็นพลังงำนแสงอำทิตย์ 17 1.7 เครื่องท ำควำมเย็นวัฏจักรแก๊ส 18 1.8 กำรท ำควำมเย็นโดยใช้ระบบสตรีมเจ็ต 19 ค ำถำมท้ำยบท 22 เอกสำรอ้ำงอิง 23 หน่วยที่ 2 พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์ 24 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 24 2.1 พ้ืนฐานทำงอุณหพลศำสตร์ 24 2.2 กฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ 32 2.3 กฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์ 35 2.4 กระบวนกำรและวัฏจักร 38 ค ำถำมท้ำยบท 44 เอกสำรอ้ำงอิง 45 หน่วยที่ 3 วัฎจักรแบบอัดไอ 46 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 46 3.1 บทน ำ 46 3.2 เครื่องยนต์ควำมร้อน 48 3.3 เครื่องยนต์ควำมร้อนย้อนกลับ 50 3.4 วัฏจักรเครื่องยนต์ควำมร้อนย้อนกลับคำร์โนต์ 53

ข 3.5 วัฏจักรกำรท ำควำมเย็นคำร์โนต์ 54 3.6 วัฏจักรอัดไอ 57 3.7 ของเหลวเย็นยิ่งและไอร้อนยวดยิ่ง 72 3.8 วัฏจักรอัดไอจริง 80 ค ำถำมท้ำยบท 81 เอกสำรอ้ำงอิง 82 หน่วยที่ 4 อุปกรณ์ระบบท าความเย็นแบบอัดไอ 83 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 83 4.1 บทน ำ 84 4.2 เครื่องอัดไอ 84 4.3 เครื่องควบแน่น 107 4.4 เครื่องระเหย 123 4.5 อุปกรณ์ขยำยตัว 129 ค ำถำมท้ำยบท 140 เอกสำรอ้ำงอิง 142 หน่วยที่ 5 การควบคุมและอุปกรณ์ประกอบอื่นของวงจร 144 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 144 5.1 บทน ำ 144 5.2 เทอร์โมสตรัท 144 5.3 ฮิวมิดิสตัท 149 5.4 สวิทย์ควำมดัน 150 5.5 สวิตช์แรงดันน ้ำมัน 151 5.6 โซลีนอยด์วำล์ว 153 5.7 วำล์วควบคุมควำมดันเครื่องระเหย 155 5.8 แอกคิวมูเลเตอร์ 156 5.9 รีซีฟเวอร์ 157 5.10 เครื่องแยกน ้ำมัน 158 5.11 ฟิลเตอร์-ดรำยเออร์ 159 5.12 กระจกมอง 160 5.13 กรอง 161 5.14 เครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อน Suction-liquid 161 5.15 วำล์วปิด-เปิด 162

ค ค ำถำมท้ำยบท 164 เอกสำรอ้ำงอิง 165 หน่วยที่ 6 สารท าความเย็นและการออกแบบท่อสารท าความเย็น 166 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 166 6.1 บทน ำ 166 6.2 คุณสมบัติที่พึงประสงค์ของสำรท ำควำมเย็นในอุดมคติ 167 6.3 กำรจ ำแนกประเภทของสำรท ำควำมเย็น 168 6.4 สำรท ำควำมเย็นฮำโล-คำร์บอน 168 6.5 สำรท ำควำมเย็น Azeotrope 174 6.6 สำรท ำควำมเย็นอนินทรีย์ 177 6.7 สำรท ำควำมเย็นไฮโดรคำร์บอน 179 6.8 กำรก ำหนดหมำยเลขสำรท ำควำมเย็น 179 6.9 สำรทดแทนคลอโรฟลูออโรคำร์บอน 180 6.10 เปรียบเทียบสำรท ำควำมเย็น 182 6.11 คุณสมบัติทำงอุณหพลศำสตร์ของสำรท ำควำมเย็น 182 6.12 คุณสมบัติทำงเคมีของสำรท ำควำมเย็น 187 6.13 คุณสมบัติทำงกำยภำพของสำรท ำควำมเย็น 189 6.14 สำรท ำควำมเย็นทุติยภูมิ - เกลือ 192 6.15 ท่อสำรท ำควำมเย็น 193 ค ำถำมท้ำยบท 201 เอกสำรอ้ำงอิง 202 หน่วยที่ 7 การประมาณภาระการความเย็น 203 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 203 7.1 บทน ำ 203 7.2 ส่วนประกอบของภำระกำรท ำควำมเย็น 205 7.3 ควำมร้อนสัมพัทธ์ผ่ำนโครงสร้ำงอำคำรโดยกำรน ำควำมร้อน 206 7.4 ควำมร้อนที่ได้รับจำกรังสีดวงอำทิตย์ 213 7.5 กำรรับควำมร้อนจำกแสงอำทิตย์ผ่ำนผนังและหลังคำด้ำนนอก 214 7.6 อุณหภูมิอำกำศที่ผิวภำยนอกของอำคำร 218 7.7 ควำมร้อนจำกแสงอำทิตย์ผ่ำนกระจก 219 7.8 ควำมร้อนเนื่องจำกกำรรั่วซึม 220 7.9 ควำมร้อนจำกกำรระบำยอำกำศ 221

ง 7.10 ควำมร้อนจำกผู้อยู่อำศัย 222 7.11 ควำมร้อนจำกเครื่องใช้ไฟฟ้ำ 223 7.12 ควำมร้อนจำกผลิตภัณฑ์ 225 7.13 ควำมร้อนจำกอุปกรณ์ให้แสงสว่ำง 229 7.14 ควำมร้อนจำกเครื่องใช้ไฟฟ้ำ 229 7.15 ควำมร้อนจำกท่อส่งลม 229 ค ำถำมท้ำยบท 232 เอกสำรอ้ำงอิง 236 หน่วยที่ 8 สมบตัิของความชื้นในอากาศ และกระบวนการไซโครเมตริก 237 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 237 8.1 บทน ำ 237 8.2 อำกำศแห้งและไอน ้ำ 238 8.3 กฎแห่งควำมดันย่อยของดำลตัน 239 8.4 ควำมดันไออิ่มตัว 240 8.5 ไอร้อนยวดยิ่ง 241 8.6 ควำมชื้นสัมพัทธ์ 242 8.7 กฎของก๊ำซทั่วไป 243 8.8 ควำมหนำแน่นของอำกำศ 243 8.9 ควำมชื้น 244 8.10 ควำมชื้นอิ่มตัว 245 8.11 เปอร์เซ็นต์อิ่มตัว 245 8.12 ปริมำตรจ ำเพำะ 248 8.13 ควำมสัมพันธ์ระหว่ำงควำมหนำแน่นของอำกำศและปริมำตรจ ำเพำะ 249 8.14 อุณหภูมิกระเปำะแห้งและอุณหภูมิกระเปำะเปียก 249 8.15 สมกำรไซโครเมตริก 251 8.16 อุณหภูมิจุดน ้ำค้ำง 254 8.17 เอนทำลปีจ ำเพำะ 255 8.18 อุณหภูมิอิ่มตัวอะเดียแบติก 257 8.19 แผนภำพไซโครเมตริกและกระบวนกำรปรับอำกำศ 257 8.20 กำรท ำควำมชื้น 268 8.21 กำรลดควำมชื้นแบบอะเดียแบติก 278 8.22 พื้นที่ปรับอำกำศ: เส้นกระบวนกำรในห้อง 279 ค ำถำมท้ำยบท 281 เอกสำรอ้ำงอิง 285

จ หน่วยที่ 9 สภาวะความสบาย 286 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 286 9.1 บทน ำ 286 9.2 กำรปรับอำกำศเพื่อควำมสบำย 287 9.3 แผนภำพควำมรู้สึกสบำย-ไม่สบำย 289 9.4 คุณภำพอำกำศภำยในอำคำร 291 9.5 กำรควบคุมคุณภำพอำกำศภำยในอำคำร 295 9.6 กำรระบำยอำกำศมำตรฐำน ASHRAE 62 ส ำหรับ IAQ 299 ค ำถำมท้ำยบท 302 เอกสำรอ้ำงอิง 303 หน่วยที่ 10 การออกแบบระบบท่อน ้า และชุดจ่ายลมปลายทาง 304 วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 304 10.1 ระบบท่อของปรับอำกำศแบบน ้ำล้วน 304 10.2 ชุดจ่ำยลมปลำยทำง 310 10.3 อุณหภูมิของน ้ำในระบบและอัตรำกำรไหล 315 10.4 กำรเลือกชุดจ่ำยลมปลำยทำง 317 10.5 ขั้นตอนกำรออกแบบระบบ 318 ค ำถำมท้ำยบท 322 เอกสำรอ้ำงอิง 324 ดัชนี 325 ประวตัิผ้เูรียบเรียง 330

1 หน่วยที่ 1 ประวตัิของการท าความเย็นและปรับอากาศ (History of refrigeration and air conditioning) วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 1. ระบุวิธีกำรท ำควำมเย็นตำมธรรมชำติและมนุษย์สร้ำงขึ้นได้ 2. ระบุจุดส ำคัญของเทคนิคกำรท ำควำมเย็นต่ำงๆ 3. บอกชื่อสถำนที่ส ำคัญในประวัติศำสตร์ของเครื่องท ำควำมเย็น หน่วยที่ 1 นี้จะกล่ำวถึงประวัติกำรท ำควำมเย็นและปรับอำกำศ ตั้งแต่กำรระบำยควำมร้อน ตำมธรรมชำติเพื่อผลิตน ้ำแข็ง จนถึงกำรท ำควำมเย็นด้วยกระบวนกำรทำงกล ได้แก่ เครื่องท ำ ควำมเย็นอัดไอ รวมทั้งระบบปรับอำกำศ และจะได้กล่ำวถึงวิวัฒนำกำรของสำรท ำควำมเย็น และ บุคคลส ำคัญในกำรกำรพัฒนำกำรท ำควำมเย็นเพื่อให้ผู้ที่สนใจในกำรศึกษำได้รู้ถึงที่มำไว้พอสังเขป 1.1 บทน า วัตถุประสงค์ของเครื่องท ำควำมเย็น คือรักษำอุณหภูมิให้ต ่ำกว่ำสภำพแวดล้อมโดยมี เป้ำหมำยเพื่อให้ผลิตภัณฑ์หรือควบคุมพื้นที่ที่ต้องกำรให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต้องกำร ด้วย กระบวนกำรกำรถ่ำยเทควำมร้อนจำกผลิตภัณฑ์หรือพื้นที่ที่ต้องกำรไปยังตัวกลำงอื่นซึ่งมี อุณหภูมิต ่ำกว่ำผลิตภัณฑ์วิธีดั่งเดิมที่ใช้คือกำรใช้น ้ำแข็ง ในสมัยก่อนน ้ำแข็งจะถูกขนส่งจำก พื้นที่ที่หนำวเย็นกว่ำถูกเก็บไว้ในช่วงฤดูหนำวเพื่อน ำไปใช้ในฤดูร้อน หรือผลิตน ้ำแข็งในเวลำ กลำงคืน ในประเทศทำงทวีปยุโรป อเมริกำและอิหร่ำนมีกำรสร้ำงโรงน ้ำแข็งหลำยแห่งเพื่อเก็บ น ้ำแข็งโดยใช้วัสดุฉนวนที่หำได้ในท้องถิ่น เช่น ขี้เลื่อยหรือขี้กบไม้เป็นต้น ซึ่งต่อมำถูกแทนที่ ด้วยไม้ก๊อก (Cork) น ้ำแข็งจะถูกบรรจุเข้ำไปไว้ในโรงเก็บนี้ในช่วงฤดูหนำวเพื่อน ำมำใช้ในฤดู ร้อน ในปีค.ศ. 1806 Frederic Tudor ซึ่งถูกเรียกว่ำรำชำน ้ำแข็ง เขำตัดน ้ำแข็งจำกแม่น ้ำฮัดสัน และบ่อน ้ำในแมสซำชูเซตส์ในประเทศสหรัฐอเมริกำและส่งออกไปยังประเทศต่ำงๆ รวมถึง ประเทศอินเดีย ซึ่งน ้ำแข็งของเขำมีรำคำถูกกว่ำน ้ำแข็งที่ผลิตในท้องถิ่น Anderson (1953) บันทึกถึงกำรค้ำน ้ำแข็งในอเมริกำเหนือว่ำเป็นธุรกิจที่เฟื่องฟู น ้ำแข็งถูกส่งไปยังรัฐทำงใต้ของ อเมริกำโดยรถไฟที่หุ้มฉนวนด้วยไม้ก๊อกหนำ 30 เซนติเมตร น ้ำแข็งถูกส่งไปทั่วโลกรวมทั้งจีน และออสเตรเลียโดย Beazley และ Watt (1977) ได้อธิบำยถึงโรงเรือนเก็บน ้ำแข็งหรือที่เรียก icehouse ไว้ว่ำมีขนำดใหญ่จนสำมำรถจ ำหน่ำยน ้ำแข็งได้เพียงพอต่อควำมต้องกำร จำกข้อมูล ของ Gosney (1982) ได้กล่ำวถึงน ้ำแข็งไว้ว่ำ ในศตวรรษที่ 17-18 น ้ำแข็งเป็นที่นิยมมำกในหมู่ ชนชั้นสูง ในประเทศอินเดีย จักรพรรดิโมกุลใช้น ้ำแข็งเพื่อระบำยควำมร้อนในช่วงฤดูร้อนที่ รุนแรงในพระรำชวังเดิมที่เมืองเดลี(Delhi) และเมืองอัครำ (Agra) [1]

2 1.2 การระบายความร้อนตามธรรมชาติ ในบทน ำได้อธิบำยกำรใช้น ้ำแข็งที่เกิดจำกธรรมชำติเพื่อใช้ระบำยควำมร้อนไว้โดยน ้ำแข็ง ถูกขนส่งจำกพื้นที่ที่เย็นกว่ำหรือเก็บไว้ในโรงน ้ำแข็งในช่วงฤดูหนำวเพื่อใช้ในฤดูร้อน ในส่วนนี้ จะกล่ำวถึงกำรระบำยควำมร้อนแบบธรรมชำติที่ไม่ใช่วิธีกำรทำงกลหรือให้งำนหรือต้องมีงำนให้ ระบบเพื่อกำรระบำยควำมร้อน 1.2.1 ศิลปะกำรท ำน ้ำแข็งด้วยควำมเย็นในเวลำกลำงคืน (Art of Ice Making by Nocturnal Cooling) ศิลปะกำรท ำน ้ำแข็งในเวลำกลำงคืนที่สมบูรณ์เกิดขึ้นในประเทศอินเดียประมำณ 2500 ปีก่อนคริสตกำล จำกชั้นน ้ำบำงๆ หนำไม่กี่มิลลิเมตรถูกเก็บไว้ในพำชนะดินเผำหรือเซรำมิกตื้นๆ และสัมผัสกับท้องฟ้ำยำมค ่ำคืนที่ไม่มีเมฆ พำชนะบรรจุน ้ำถูกหุ้มด้วยหญ้ำแห้งอัดที่มีควำมหนำ 30 เซนติเมตร อุณหภูมิของชั้นบรรยำกำศชั้นสตรำโตสเฟียร์(11 กม. เหนือพื้นผิวโลก) คือ 55ºC พำชนะที่สัมผัสกับอำกำศจำกท้องฟ้ำจะแผ่รังสีควำมร้อนไปยังชั้นบรรยำกำศสตรำโตสเฟีย และเมื่อถึงเวลำเช้ำตรู่น ้ำในพำชนะจะแข็งตัวเป็นน ้ำแข็ง ในคืนที่อำกำศแจ่มใส น ้ำจะสูญเสีย ควำมร้อนจำกกำรแผ่รังสีขึ้นไป บนท้องฟ้ำจะต้องไม่มีเมฆและพำชนะควรจะอยู่ในที่โล่งแจ้งไม่มี สิ่งกีดขวำง เช่น ต้นไม้อำคำร ซึ่งจะมีอุณหภูมิที่สูงกว่ำ ในระยะเริ่มต้นกำรระบำยควำมร้อนแบบ ระเหยยังท ำให้น ้ำเย็นลงได้แค่ในระดับหนึ่งและหำกควำมเร็วลมสูง กำรสูญเสียกำรถ่ำยเทควำม ร้อนแบบหมุนเวียนจะไม่ท ำให้เกิดกำรก่อตัวของน ้ำแข็ง วิธีกำรผลิตน ้ำแข็งแบบนี้เป็นที่นิยมมำก ในประเทศอินเดีย และในประเทศอิหร่ำนด้วย จำกรูปที่ 1.1 หลักกำรของกำรท ำน ้ำแข็งด้วยควำมเย็นในเวลำกลำงคืน เมื่ออุณหภูมิ ของอำกำศที่ผิวน ้ำ (Ta ) และน ้ำในภำชนะ(TW) ที่มีอุณหภูมิต ่ำใกล้0ºC แต่ Ta สูงกว่ำ TW น ้ำจะ เหยตัวและสูญเสียควำมร้อนจนท ำให้เกิดน ้ำแข็ง ซึ่งอำจจะไม่น่ำเชื่อว่ำจะเกิดขึ้นได้เนื่องจำก Ta สูงกว่ำ TW แต่ก็เป็นวิธีกำรที่ท ำน ้ำแข็งได้อย่ำงมีประสิทธิภำพ รูปที่1.1 หลักกำรท ำน ้ำแข็งด้วยควำมเย็นในเวลำกลำงคืน (ดัดแปลงจำก [2])

3 1.2.2 กำรระบำยควำมร้อนแบบระเหย กำรระบำยควำมร้อนแบบระเหยถูกน ำมำใช้ในประเทศอินเดียมำนำนหลำยศตวรรษ กระบวนกำรของกำรท ำน ้ำเย็นด้วยกำรเก็บน ้ำไว้ในภำชนะดินยังคงใช้อยู่ทั่วอินเดีย ในรูปที่ 1.2 น ้ำในภำชนะดินจะซึมผ่ำนรูอำกำศของภำชนะดินไปยังพื้นผิวด้ำนนอกซึ่งจะระเหยออกไปยัง อำกำศโดยรอบและดูดซับควำมร้อนแฝงบำงส่วนจำกภำชนะดินและส่วนหนึ่งจำกอำกำศโดยรอบ ผนังภำชนะ ซึ่งช่วยระบำยควำมร้อนให้ภำชนะดินท ำให้น ้ำที่บรรจุอยู่ในนั้นเย็นลง ในประเทศ อินเดีย กำรระบำยควำมร้อนแบบระเหยของบ้ำนด้วยกำรวำงเสื่อเปียกที่หน้ำต่ำงยังคงเป็นเรื่อง ปกติมำก เสื่อท ำจำกล ำต้นของพืชที่เรียกว่ำ khus หรือในไทยเรียกว่ำหญ้ำแฝก ซึ่งท ำให้อำกำศ ภำยในบ้ำนเย็นลงและท ำให้อำกำศหอมสดชื่นด้วยกำรเพิ่มน ้ำหอมธรรมชำติกับน ้ำที่ชุบเสื่อ เสื่อ จะช่วยป้องกันกำรแผ่รังสีดวงอำทิตย์โดยตรงและกระจำยควำมร้อนของหน้ำต่ำงกระจกซึ่งจะ ช่วยลดภำระกำรท ำควำมเย็น ในปัจจุบันตัวท ำควำมเย็นในทะเลทรำยยังคงใช้กำรท ำควำมเย็น แบบระเหย ซึ่งเป็นวิธีที่เหมำะสมกับสภำพอำกำศที่อบอุ่นและแห้งในฤดูร้อน รูปที่1.2 กำรท ำน ้ำเย็นด้วยกำรเก็บน ้ำไว้ในภำชนะดิน (ดัดแปลงจำก [3]) มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตที่มีกำรระบำยควำมร้อนหรือถ่ำยเทควำมร้อนตำมธรรมชำติจำก กำรเผำผลำญพลังงำนที่สลับซับซ้อนมำกที่สุดและเป็นเอกลักษณ์เฉพำะ มนุษย์กระจำยพลังงำน ที่ใช้โดยกำรเผำผลำญและกระบวนกำรอื่นๆ หำกพลังงำนนี้ไม่สำมำรถกระจำยได้โดยกำรพำ ควำมร้อนและกำรแผ่รังสีมนุษย์ก็จะเริ่มเหงื่อออกและกระจำยพลังงำนนี้โดยกำรระบำยควำม ร้อนแบบระเหย สิ่งมีชีวิตอื่นไม่มีกำรระบำยควำมร้อนตำมธรรมชำติเหมือนมนุษย์ เช่น สุนัขน ำ ลิ้นออกมำเพื่อระบำยควำมร้อนแบบระเหย ช้ำงก็ท ำให้ตัวเองเย็นลงโดยใช้หูพัดเป็นพัดลม ม้ำ ลำยมีแถบสีเข้มและสีอ่อนบนตัวที่ท ำให้ได้รับควำมร้อนและเหนี่ยวน ำพำควำมร้อนเพื่อระบำย ควำมร้อนที่แตกต่ำงกัน ฮิปโปโปเตมัสและควำยเคลือบตัวเองด้วยโคลนเพื่อท ำให้ร่ำงกำยเย็นลง ผ่ำนกระบวนกำรท ำควำมเย็นแบบระเหย ส ำหรับอำคำรที่มีกำรระบำยควำมร้อนด้วยอำกำศแห่งแรกถูกสร้ำงขึ้นในประเทศ อินเดียเช่นกัน ว่ำกันว่ำมหำวิทยำลัย Patliputra ตั้งอยู่บนฝั่งแม่น ้ำคงคำใช้หลักกำรเหนี่ยวน ำ อำกำศเย็นที่ระเหยจำกแม่น ้ำ อำกำศภำยในห้องจะอุ่นขึ้นเมื่อมีคน ควำมหนำแน่นของอำกำศจะ ลดลงและเพิ่มขึ้น กำรไหลขึ้นด้ำนบนของอำกำศทำงปล่องไฟภำยในอำคำรที่อยู่ในต ำแหน่งที่ เหมำะสมในห้องของมหำวิทยำลัย Patliputra เพื่อช่วยเหนี่ยวน ำอำกำศเย็นจำกแม่น ้ำเข้ำมำแทน

4 1.2.3 กำรระบำยควำมร้อนด้วยสำรละลำยเกลือ กำรระบำยควำมร้อนให้สำมำรถลดลงได้ในระดับหนึ่งสำมำรถท ำได้โดยกำรละลำย เกลือในน ้ำ เกลือจะดูดซับควำมร้อนของสำรละลำยจำกน ้ำและท ำให้เย็นลง ตำมหลักทฤษฎี โซ เดีย ม ค ล อ ไรด์ (NaCl) ห รือเก ลือ แ ก ง ส ำม ำรถ ล ด อุ ณ ห ภู มิได้ถึง -20ºC แ ล ะ แคลเซียมคลอไรด์(CaCl2 ) ลดอุณหภูมิได้ถึง -50ºC ภำยใต้ภำชนะที่หุ้มฉนวนอย่ำงเหมำะสม อย่ำงไรก็ตำม จะต้องมีกระบวนกำรที่เป็นวัฏจักรเพื่อที่จะท ำให้เกลือกลับคืนสภำพจำก สำรละลำยกลำยเป็นของแข็งเช่นเดิม กำรคืนสภำพของเกลือต้องท ำกำรระเหยน ้ำออกจำก สำรละลำยเกลือซึ่งต้องใช้พลังงำนมำกเมื่อเทียบจำกค่ำควำมร้อนของสำรละลำย ซึ่งพลังงำน แสงอำทิตย์อำจใช้ส ำหรับกระบวนกำรระเหยน ้ำเพื่อคืนสภำพเกลือได้ 1.3 กระบวนการระบายความร้อนเชิงกล กำรระบำยควำมร้อนแบบระเหยที่เป็นกระบวนกำรท ำน ้ำแข็งจำกธรรมชำติในเวลำกลำงคืน นั้นจะขึ้นอยู่กับฤดูกำลและสภำวะทำงอุตุนิยมวิทยำที่ไม่สำมำรถก ำหนดและใช้งำนได้ตลอดทั้งปี อุณหภูมิต ่ำสุดที่สำมำรถท ำได้ด้วยกำรท ำควำมเย็นแบบระเหยธรรมชำติคืออุณหภูมิกระเปำะ เปียกของอำกำศและอุณหภูมิต ่ำสุดที่ได้จำกกำรละลำยของน ้ำแข็งคือ 0ºC แต่หำกเติมโซเดียม คลอไรด์หรือแคลเซียมคลอไรด์ลงในน ้ำแข็ง อุณหภูมิจะสำมำรถลดลงได้ถึง -20ºC อย่ำงไรก็ ตำม กำรระบำยควำมร้อนด้วยน ้ำแข็งเป็นกระบวนกำรที่ไม่สะดวก ต้องเติมน ้ำและต้องถ่ำยน ้ำทิ้ง และกำรถ่ำยเทควำมร้อนจำกพื้นผิวน ้ำแข็งนั้นควบคุมได้ยำก กำรท ำควำมเย็น (Refrigeration) จำกกระบวนกำรที่มนุษย์สร้ำงขึ้นเป็นอีกวิธีกำรที่น่ำสนใจ มำก จำกประวัติของกำรท ำควำมเย็น กำรพัฒนำสำรท ำควำมเย็นที่เป็นสำรตัวกลำงในระบบ และกำรพัฒนำเครื่องอัดไอ เหล่ำนี้เป็นประเด็นที่ส ำคัญที่จะได้กล่ำวถึงต่อไป ซึ่งจะได้อธิบำย ประวัติในหัวข้อ กำรท ำควำมเย็นแบบอัดไอ (Mechanical vapor compression refrigeration) กำรท ำควำมเย็นแบบดูดกลืน (Absorption refrigeration) เครื่องท ำควำมเย็นพลังงำน แสงอำทิตย์(Solar refrigeration systems) เป็นต้น 1.3.1 เครื่องท ำควำมเย็นอัดไอ ควำมสำมำรถของของเหลวในกำรดูดซับควำมร้อนในปริมำณมำกในขณะที่ท ำกำรต้ม และระเหยซึ่งเป็นพื้นฐำนของเครื่องท ำควำมเย็นที่ใช้ในปัจจุบันนี้ ปกติจุดเดือดของน ้ำคือ 100ºC เพรำะฉะนั้น ที่อุณหภูมิห้องน ้ำจะไม่เดือดจึงไม่เกิดกำรระบำยควำมร้อนหรือท ำควำมเย็น แบบระเหย น ้ำจะระเหยตัวไปในอำกำศที่ควำมชื้นไม่อิ่มตัวได้ช้ำๆ ด้วยกำรท ำให้น ้ำกระจำยตัว และกำรเคลื่อนที่ของอำกำศ เป็นที่ทรำบกันดีว่ำเมื่อของเหลวถูกวำงไว้ในอำกำศจะเกิดระเหยตัว กำรระเหยตัวจะ เกิดขึ้นที่ผิวบำงสู่อำกำศโดยรอบ เช่น อีเธอร์ (Ether) เมื่อของเหลวอีเธอร์เกิดกำรระเหยจะท ำให้ ผิวเย็นลงโดยกำรระเหยและดูดซับควำมร้อนแฝงจำกผิว จุดเดือดปกติของอีเธอร์ที่บรรยำกำศอยู่ ที่ประมำณ -34.5ºC ซึ่งเป็ นอุณหภูมิเดียวกับอุณหภูมิผิว กระบวนกำรนี้สำมำรถเพิ่ม ประสิทธิภำพขึ้นโดยกำรเอำไอระเหยที่เกิดขึ้นออกและท ำกำรเพิ่มอัตรำกำรระเหย ในปี

5 ค.ศ. 1755 William Cullen จำกมหำวิทยำลัย Edinburgh ได้ท ำชุดสำธิตกำรระเหยนี้โดยกำรให้ ควำมร้อนกับน ้ำบำงส่วนที่มีอีเธอร์ร่วมกับปั๊มสุญญำกำศ เมื่อควำมร้อนจำกน ้ำถ่ำยเทให้อีเธอร์ อีเธอร์จะระเหยตัว ปั๊มสุญญำกำศจะดูดไอระเหยนั้นออก น ้ำจึงเย็นจนกลำยเป็นน ้ำแข็ง ใน ห นั งสือ คู่ มือ Young Steam Engineer’s ข อง Oliver Evans พิมพ์ขึ้น ใน ปี ค.ศ.1805 ที่ฟิลำเดลเฟีย ได้อธิบำยวัฏจักรกำรท ำควำมเย็นเพื่อกำรผลิตน ้ำแข็งด้วยสุญญำกำศ จำกอีเธอร์ต่อมำในปีค.ศ.1834 Jacob Perkins ชำวอเมริกำที่อำศัยอยู่ในลอนดอนได้ออกแบบ ระบบดังกล่ำว ดังแสดงในรูปที่ 1.3 สำรท ำควำมเย็นอีเธอร์หรือของเหลวระเหยอื่นๆ ในเครื่อง ระเหย B จะเดือดเป็นไอเมื่อได้รับควำมร้อนของน ้ำที่อยู่รอบๆ ในภำชนะ A ไอระเหยจะถูกปั๊ม C ดึงออกไปและบีบอัดให้ควำมดันสูงขึ้นซึ่งจะไหลไปควบแน่นเป็นของเหลวในท่อด้วยกำรถ่ำยเท ควำมร้อนออกด้วยน ้ำในภำชนะ E ของเหลวที่ควบแน่นแล้วจะไหลผ่ำนวำล์วถ่วงน ้ำหนัก H ซึ่ง จะคอยรักษำควำมแตกต่ำงของแรงดันระหว่ำงคอนเดนเซอร์และเครื่องระเหย ปั๊มขนำดเล็ก ด้ำนบน H จะท ำหน้ำที่เป็นเครื่องเติมบรรจุสำรท ำควำมเย็น รูปที่1.3 เครื่องผลิตควำมเย็นที่ออกแบบโดย Jacob Perkins [1] ในสิทธิบัตรของ Jacob Perkins กล่ำวว่ำ วัตถุประสงค์ที่ใช้ของเหลวที่ระเหยได้เพื่อ กำรผลิตควำมเย็นหรือกำรแช่แข็งของเหลวในขณะเดียวกันจะควบแน่นของเหลวที่ระเหยได้ อย่ำงต่อเนื่องและน ำกลับมำใช้งำนได้อีกครั้งโดยไม่เสียเปล่ำ ต่อมำ John Hague น ำกำร ออกแบบของ Perkins มำดัดแปลงและสร้ำงเครื่องที่สำมำรถท ำงำนได้ขึ้นมำ ของไหลท ำงำนใน ระบบที่อ้ำงถึงเป็นซัลฟูริก (เอทิล) หรือเมทิลอีเธอร์จริงๆ แล้วคือ คำอุท์ชุค (Caoutchouc) ซึ่ง เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จำกกำรกลั่นยำงอินเดีย (Caoutchouc) ซึ่งในปีค.ศ. 1882 Sir Frederick Bramwell ได้อธิบำยกำรท ำงำนของเครื่องจักรของ Perkins ที่ท ำงำนด้วยมือซึ่งยังไม่เป็นที่รู้จัก อีกกว่ำห้ำสิบปีหลังจำกนั้น John Hague ท ำให้กำรออกแบบของ Perkins ท ำงำนได้จริงโดยที่มี กำรปรับเปลี่ยนบำงอย่ำง ดังแสดงในรูปที่1.4

6 รูปที่1.4 เครื่องผลิตเย็นที่ Perkins ออกแบบและสร้ำงโดย John Hague [5] หลักกำรทำงอุณหพลศำสตร์สองประกำรที่เกี่ยวข้องกับส่วนที่กล่ำวในข้ำงต้น ได้แก่ ประกำรแรก คือควำมดันไอระเหยและควำมร้อนแฝงซึ่งเรียกว่ำเอนทำลปี(Enthalpy) ของกำรระเหย หำกน ำของเหลวใส่ในภำชนะที่ไม่มีก๊ำซอื่นๆ ผสมอยู่จำกนั้นทิ้งไว้ในเวลำที่เพียง พอที่จะก่อให้เกิดเป็นไอจนสภำวะเกิดควำมสมดุลของไอตัวเองที่ควำมดันนั้นๆ เรียกว่ำ ความ ดันอิ่มตัว ซึ่งสิ่งนี้จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเพียงอย่ำงเดียว ที่ควำมดันนี้กำรแยกออกหรือแตกตัวออก จำกโมเลกุลของเหลวนั้นจะเท่ำกับอัตรำกำรควบแน่นของโมเลกุลไอระเหยด้วย ส่วนควำมดัน อิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โดยปกติที่ควำมดันบรรยำกำศ น ้ำจะเดือดที่100ºC แต่ถ้ำ ควำมดันเพิ่มขึ้นเช่นในหม้อควำมดันน ้ำหรือหม้อน ้ำ น ้ำจะเดือดที่อุณหภูมิสูงขึ้น ประกำรที่สอง คือกำรระเหยของของเหลวต้องใช้ควำมร้อนแฝง (Latent heat) ที่ เรียกว่ำแฝง เพรำะไม่สำมำรถสัมผัสได้เนื่องจำกอุณหภูมิของของเหลวหรือสำรตัวกลำงไม่ เปลี่ยนแปลงระหว่ำงกำรระเหย หำกเอำควำมร้อนแฝงออกจำกของเหลวของเหลวนั้นจะถูกท ำให้ เย็นลงถ้ำหำกควำมร้อนถูกดูดซึมจำกแหล่งภำยนอกเพียงพอ ยกตัวอย่ำงเช่น กรณีของน ้ำ อุณหภูมิของอีเธอร์จะคงที่ถ้ำน ้ำเป็นน ้ำแข็ง อุณหภูมิของอีเธอร์จะยังคงคงที่ตรำบใดที่ปั๊ม สุญญำกำศยังรักษำควำมดันเท่ำกับควำมดันอิ่มตัวที่อุณหภูมิตำมที่ต้องกำร นั่นคือไอระเหยจะ ถูกดูดออกหมด หำกต้องกำรให้อุณหภูมิต ่ำลงตำมที่ต้องกำรต้องท ำให้ควำมดันอิ่มตัวลดลงด้วย ปั๊มสุญญำกำศ อุปกรณ์ในระบบปรับอำกำศปัจจุบันที่ท ำหน้ำที่ท ำควำมเย็นด้วยกำรระเหยนี้ถูก เรียกว่ำ เครื่องระเหย (Evaporator) หำกกระบวนกำรท ำควำมเย็นแบบนี้ต้องท ำอย่ำงต่อเนื่อง จะต้องใช้อีเธอร์จ ำนวนมำก เว้นแต่ไอระเหยจะถูกน ำกลับมำใช้ใหม่โดยกำรควบแน่นกลับมำอยู่ ในสถำนะของเหลว กำรควบแน่นต้องผ่ำนกำรกลั่นด้วยกำรดึงควำมร้อนออกด้วยตัวกลำงที่มี อุณหภูมิต ่ำกว่ำไอระเหยของอีเธอร์มิเช่นนั้นอีเธอร์จะไม่สำมำรถควบแน่นได้เนื่องจำกต้องใช้ ตัวกลำงที่อุณหภูมิต ่ำกว่ำที่ผลิตออกมำหรือที่รับมำจำกน ้ำได้เป็นที่ทรำบกันดีว่ำอุณหภูมิอิ่มตัว จะเพิ่มขึ้นเมื่อควำมดันอิ่มตัวเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงสำมำรถควบแน่นที่อุณหภูมิบรรยำกำศโดยกำร เพิ่มควำมดันเป็นควำมดันอิ่มตัวที่อุณหภูมิบรรยำกำศ กระบวนกำรควบแน่นได้มีกำรศึกษำ

7 ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่สิบแปด ในปีค.ศ 1787 U.F. Clouet และ G. Monge ได้ท ำให้ก๊ำซ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์(Sulfur dioxide, SO2 ) เป็นของเหลว Van Marum และ Van Troostwijk นัก เคมีชำวดัตช์ท ำแอมโมเนีย (NH3 ) หรือ ไนโตรเจนไตรไฮไดรด์ให้เป็นของเหลวได้ดังนั้นจึง จ ำเป็นต้องมีเครื่องอัดไอ หรือคอมเพรสเซอร์(Compressor) เพื่อเพิ่มแรงดันเพื่อให้ไอระเหย สำมำรถควบแน่นที่อุณหภูมิสูงกว่ำสภำพแวดล้อม ในระบบปิด คอมเพรสเซอร์จะรักษำแรงดันใน เครื่องระเหยให้ต ่ำเช่นเดียวกันกับปั๊มสุญญำกำศเพื่อให้เกิดกำรระเหยของของเหลว ส่วนกำร ควบแน่นของเหลวจะเป็นด้ำนควำมดันสูง วำล์วขยำย (Expansion valve) หรือวำล์วลดควำมดัน จะช่วยลดควำมดันเพื่อให้สำรท ำควำมเย็นสำมำรถระเหยที่ควำมดันต ่ำและอุณหภูมิต ่ำ ระบบนี้ เรียกว่ำระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอ (Vapor compression refrigeration system) ดังแสดงใน แผนภำพของระบบนี้ในรูปที่ 1.5 รูปที่1.5 แผนภำพของระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอ (ดัดแปลงจำก [4]) รูปที่ 1.5 เป็นแผนภำพของระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอพื้นฐำน ที่แสดงกำรท ำงำน ของส่วนประกอบหลัก นั่นคือ เครื่องอัดไอ (Compressor) เครื่องควบแน่น (Condenser) วำล์ว ควบคุมกำรไหลหรือวำล์วขยำย (Expansion valve) และเครื่องระเหย (Evaporator) กำรระบำย ควำมร้อนหรือกำรท ำควำมเย็นจะได้รับเมื่อสำรท ำควำมเย็นไหลผ่ำนเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อน ที่เรียกว่ำเครื่องระเหย ควำมร้อนที่ต้องก ำจัดออกจำกของไหลหรือสิ่งแวดล้อมที่ท ำให้เย็นจะถูก ถ่ำยเทไปยังสำรท ำควำมเย็น ควำมร้อนนี้ท ำให้สำรท ำควำมเย็นรระเหยตัวในเครื่องระเหย สำร ท ำควำมเย็นที่ออกจำกเครื่องระเหยเป็นก๊ำซที่อุณหภูมิต ่ำและควำมดันต ่ำ ก๊ำซจะถูกอัดในเครื่อง

8 อัดไอให้มีแรงดันสูง สำรท ำควำมเย็นในสถำนะก๊ำซอุณหภูมิสูงไหลผ่ำนเครื่องควบแน่น ควบแน่นไอระเหยสำรท ำควำมเย็นเป็นของเหลวด้วยกำรก ำจัดควำมร้อนออกจำกไอระเหยไปยัง ครีบระบำยควำมร้อน (Heat sink) สำรท ำควำมเย็นจึงควบแน่นเป็นของเหลว ในขั้นตอนนี้ควำม ดันและอุณหภูมิจะสูง ของเหลวควำมดันสูงนี้ถูกสร้ำงขึ้นเพื่อให้ไหลผ่ำนวำล์วควบคุมกำรไหล หรือวำล์วขยำยซึ่งจะท ำให้ควำมดันและอุณหภูมิลดลง ผลที่เกิดจำกสำรท ำควำมเย็นที่มีแรงดันและอุณหภูมิต ่ำท ำให้เกิดกำรระเหยภำยใน เครื่องระเหย จึงสร้ำงควำมเย็นหรือน ำควำมร้อนออกจำกพื้นที่ที่ต้องกำรสร้ำงควำมเย็นได้ดังใน รูปที่ 1.5 วัฏจักรที่เป็นระบบปิดจึงท ำกำรก ำจัดควำมร้อนออกจำกพื้นที่ที่ต้องกำรสร้ำงควำมเย็น ได้อย่ำงต่อเนื่อง บริเวณพื้นที่นั้นจึงเย็นลงและควำมร้อนจะถูกถ่ำยเทให้ครีบระบำยควำมร้อน ของเครื่องระเหย ระบบอัดไอที่เก่ำแก่ที่สุดใช้ซัลฟูริก (เอทิล) หรือเมทิลอีเธอร์ในปีค.ศ. 1850 ที่ อังกฤษ Alexander Twining ได้จดสิทธิบัตรระบบกำรอัดไอโดยใช้แอมโมเนีย (NH3 ) และ คำร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) เครื่องเอทิลอีเธอร์ของเขำสำมำรถแช่แข็งน ้ำในถังได้และในปี ค.ศ.1856 ที่คลีฟแลนด์เครื่องรุ่นใหม่ของเขำสำมำรถน ้ำแข็งได้2000 ปอนด์ใน 20 ชั่วโมง ในปี ค.ศ.1856 ที่โอไฮโอ James Harrison จดสิทธิบัตรเครื่องท ำควำมเย็นแบบอัดไอที่ใช้งำนได้จริง โดยใช้อีเธอร์แอลกอฮอล์หรือแอมโมเนีย ปีค.ศ.1974 Oldham ได้อธิบำยเกี่ยวกับประวัติควำม เป็นมำของกำรพัฒนำเหล่ำนี้ไว้และ James Harrison ยังจดสิทธิบัตรเครื่องท ำควำมเย็นแบบ Chiller ด้วยเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนชนิดเปลือกและท่อ (Shell-and-Tube) โดยใช้เอทิลอีเธอร์เขำได้ตั้งโรงงำนน ้ำแข็งในออสเตรเลียใน ที่กีลอง (Geelong) และเมลเบิร์น (Melbourne) ในปีค.ศ.1864 Charles Tellier แห่งฝรั่งเศสก็ได้จดสิทธิบัตรระบบท ำควำมเย็นใช้ไดเมทิลอีเธอร์ ที่มีจุดเดือดปกติที่ -3.6ºC เครื่องที่มีชื่อเสียงที่สุดของเขำถูกใช้ในเรือ Le Frigorifique เป็นเรือ ห้องเย็นบรรทุกสินค้ำ ที่ขนส่งเนื้อสัตว์จำกฝรั่งเศสกับอเมริกำใต้ปกติแล้วจุดเดือดของอีเธอร์ที่ ควำมดันควำมดันบรรยำกำศคือ 3.6ºC ดังนั้นกำรระเหยที่อุณหภูมิต ่ำกว่ำต้องใช้สุญญำกำศ กำร ท ำสุญญำกำศท ำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดกำรรั่วไหลของอำกำศและควำมชื้นเข้ำสู่ระบบและ ส่วนผสมของอีเธอร์และอำกำศดังกล่ำวกลำยเป็นส่วนผสมที่ระเบิดได้อย่ำงไรก็ตำมควำมดันใน คอนเดนเซอร์หรือเครื่องควบแน่นอยู่ในระดับต ่ำจึงไม่จ ำเป็นต้องมีกำรก่อสร้ำงที่แข็งแร็ง ในปีค.ศ.1873 Carl von Linde ได้พิสูจน์ให้เห็นว่ำระบบอัดไอเชิงกลมีประสิทธิภำพ มำกกว่ำระบบท ำควำมเย็นแบบดูดกลืน (Absorption) โดยใช้แอมโมเนียเป็นสำรท ำควำมเย็น เป็นครั้งแรกที่มีเครื่องอัดไอแนวตั้งแบบลูกสูบคู่และจำกนั้นจึงมีกำรใช้เครื่องอัดไอแนวนอนลูกสูบ คู่ท ำงำนกับเครื่องควบแน่นที่ต้องกำรควำมดันมำกกว่ำ 10 บรรยำกำศ ที่จุดเดือดปกติ (Normal Boiling Point, NBP) ของแอมโมเนีย (NH3 ) อยู่ที่ -33.3°C ดังนั้นจึงไม่ต้องใช้สุญญำกำศใน เครื่องระหย ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมำแอมโมเนียจึงถูกใช้กันอย่ำงแพร่หลำยในโรงท ำควำมเย็นขนำด ใหญ่ เช่น โรงน ้ำแข็ง เป็นต้น ในปี ค.ศ.1871 ที่ซำนฟรำนซิสโก David Boyle สร้ำงระบบ NH3 ระบบแรก ปีค.ศ.1876 ที่นิวยอร์ก John Enright ยังได้พัฒนำระบบที่คล้ำยกัน ในปีค.ศ.1886 ที่เยอรมนี

9 N.Y. Franz Windhausen ได้พัฒนำระบบอัดไอ CO2 ที่ต้องใช้แรงอัด 80 เท่ำของบรรยำกำศ ในปีค.ศ.1882 Linde และปีค.ศ.1887 T.S.C. Lowe ได้ทดลองใช้ระบบที่คล้ำยกันนี้ใน สหรัฐอเมริกำ ซึ่งระบบใช้CO2 เป็นระบบที่ปลอดภัยมำกและถูกใช้ในเครื่องท ำควำมเย็นของเรือ จนถึงปีค.ศ.1955 และในปีค.ศ.1875 ที่เจนีวำ Raoul Pictet ใช้ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (Sulfur dioxide, SO2 ) หรือที่เรียกว่ำกรดซัลฟูวริก (NBP, -10°C) เป็นระบบแรงดันที่ป้องกันกำรรั่วไหล ของอำกำศเข้ำสู่ระบบได้ดีเครื่องอัดไอของ SO2 ยังไม่ต้องกำรน ้ำมันหล่อลื่นใดๆ เนื่องจำก ของเหลว SO2 ท ำหน้ำที่เป็นสำรหล่อลื่นจึงไม่ต้องใช้เครื่องแยกน ้ำมัน (Oil separator) แต่ อย่ำงไรก็ตำม ซัลฟูวริกจะกลำยเป็นกรดซัลฟูรัส หรือกรดก ำมะถันทันทีเมื่อท ำปฏิกิริยำกับ ควำมชื้นซึ่งจะไปยึดเกำะอยู่ในเครื่องอัดไอ ถึงแม้ว่ำจะเป็นซัลฟูวริกจะเป็นสำรพิษมันก็ยังถูกใช้ งำนตู้เย็นในครัวเรือนมำนำนกว่ำ 60 ปีสำรพิษแม้จะมีปริมำณเล็กน้อยก็ท ำให้เกิดอำกำรไอและ แสบตำ แต่กลิ่นของสำรท ำควำมเย็นช่วยให้มนุษย์ปลอดภัยเนื่องจำกจะช่วยท ำให้มนุษย์หนีจำก บริเวณที่รั่วนั้นได้กำรรั่วไหลของ SO2 มีพิษล่ำช้ำ เมื่อเกิดกำรรั่วต้องรีบเคลื่อนย้ำยคนออกไปที่ พื้นที่โล่ง แต่ถ้ำเป็นกำรรั่วไหลของเมทิลคลอไรด์อำจเป็นอันตรำยถึงชีวิตเมื่อสิ่งเหล่ำนี้เกิดขึ้นใน เวลำกลำงคืน และปัญหำอีกประกำรหนึ่งในกำรก็คือมันท ำปฏิกิริยำกับอลูมิเนียม เกิดกำรกัด กร่อนและท ำให้ผลิตภัณฑ์เกิดกำรติดไฟ เมทิลคลอไรด์(Methyl chloride : CH3Cl) โดยทั่วไปแล้วจะถูกใช้เป็นยำสลบ ในปี ค.ศ.1878 ที่ฝรั่งเศส C. Vincet ใช้เอทิลคลอไรด์ในระบบท ำควำมเย็นแบบสองขั้นตอน (Twostage refrigeration system) และใช้กลีเซอรีน (Glycerin) เป็นสำรหล่อลื่นในระบบนี้แต่หำก กลีเซอรีนดูดซับควำมชื้นจะเกิดอุดตันวำล์ว จึงถูกแทนที่ด้วยวำโวลีน (Valvoline) ซึ่งเป็น ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมเป็นน ้ำมันหล่อลื่นแทน บริษัท Servel ได้น ำมำใช้ในตู้เย็นส ำหรับครัวเรือน ตั้งแต่ปีค.ศ.1922 เป็นต้นมำ ในปีค.ศ.1890 Palmer ใช้คลอโรอีเทน (C2H5Cl) ในเครื่องอัดไอแบบโรตำรี่ (Rotary compressor) เขำผสมกับ C2H5Br เพื่อลดควำมไวไฟ ในปีค.ศ.1920 Edmund Copeland และ Harry Edwards ใช้ไอโซบิวเทน ในตู้เย็นขนำดเล็ก และเลิกใช้งำนในปีค.ศ.1930 เนื่องจำกมัน ถูกแทนที่ด้วย CH3Cl ในปีค.ศ.1922-1926 Carrier ใช้ไดคลอโรเอทิลีน (dielene หรือ dieline : CH3Cl) ในเครื่องอัดไอแบบแรงเหวี่ยง (Centrifugal compressors) ในช่วงปีค.ศ.1926-1933 Carrier ยังใช้เมทิลีนคลอไรด์(ไดคลอโรมีเทน, ชื่อทำงกำรค้ำ CARRENE) ในคอมเพรสเซอร์ หรือเครื่องอัดไอแบบแรงเหวี่ยงด้วย 1.3.2 ระบบท ำควำมเย็นที่ใช้ในครัวเรือน ตู้เย็นในครัวเรือนเครื่องแรกคิดค้นขึ้นในปีค.ศ.1809 เป็นกล่องน ้ำแข็ง หรือ Icebox (ใช้น ้ำแข็งธรรมชำติ) ถูกใช้มำเกือบ 150 ปีท ำจำกไม้ที่มีควำมเป็นฉนวนกันควำมร้อนที่ดี น ้ำแข็งถูกเก็บไว้ที่ด้ำนบนของกล่องเพื่อให้อำกำศเย็นจัดที่มีน ้ำหนักเคลื่อนตัวลงมำในกล่องและ ตั้งค่ำกำรไหลด้วยกำรพำควำมร้อนตำมธรรมชำติเพื่อท ำให้สิ่งที่อยู่ภำยในของกล่องเย็นลง ส่วนล่ำงมีอุปกรณ์ทรงกรวยเพื่อเก็บน ้ำจำกน ้ำแข็งที่ละลำยแล้ว ดังแสดงในรูปที่1.6

10 รูปที่1.6 ตู้เย็นครัวเรือน หรือ Icebox [5] กำรพัฒนำกำรท ำควำมเย็นมีกำรเปลี่ยนแปลงอย่ำงมำกเมื่อมีควำมต้องกำรกำรท ำ ควำมเย็นขนำดเล็กที่ใช้ในครัวเรือน กำรพัฒนำตู้เย็นในครัวเรือนเกิดขึ้นได้จำกกำรพัฒนำกำร ควบคุมสำรท ำควำมเย็นอัตโนมัติมีซีลที่ป้องกันกำรรั่วที่เพลำดีขึ้น มีกำรพัฒนำระบบไฟฟ้ำ กระแสสลับ มีมอเตอร์ไฟฟ้ำแบบเหนี่ยวน ำ มีกำรสร้ำงระบบควบคุมอัตโนมัติ2 ส่วน คือ: ส่วนที่ 1 ควบคุมกำรไหลของสำรท ำควำมเย็นผ่ำนวำล์วขยำยเพื่อให้เหมำะสมอัตรำกำรระเหยในเครื่อง ระเหย และส่วนที่ 2 มีเทอร์โมสตัทเพื่อปิดแหล่งจ่ำยไฟไปยังมอเตอร์เครื่องอัดไอเมื่อพื้นที่มี ควำมเย็นถึงอุณหภูมิที่ต้องกำร General electric company เปิดตัวตู้เย็นใหม่เครื่องแรกในปีค.ศ.1911 ตำมด้วย Frigidaire appliance company ในปี ค.ศ .1915 และ Kelvinator corporation เปิ ดตัวตู้เย็น เชิงกลในสหรัฐอเมริกำเมื่อปีค.ศ.1981 ในช่วงแรกๆ ตู้เย็นเหล่ำนี้ติดตั้งเครื่องอัดไอแบบเปิด (Open type) ที่ขับเคลื่อนด้วยสำยพำน ในปีค.ศ.1926 General electric company เปิดตัวตู้เย็นเครื่องแรกที่ใช้เครื่องอัดไอ แบบสุญญำกำศ หรือเครื่องอัดไอแบบปิดสนิท (Hermetic compressor) ต่อมำไม่นำนเครื่องอัด ไอแบบเปิดก็ถูกแทนที่ด้วยเครื่องอัดไอแบบปิดสนิท ในแรกเริ่มของตู้เย็นที่ใช้เครื่องอัดไอทำงกล นั้น เครื่องควบแน่นใช้กำรระบำยควำมร้อนด้วยน ้ำซึ่งในไม่ช้ำก็ถูกแทนที่ด้วยเครื่องควบแน่นที่ ระบำยควำมร้อนด้วยอำกำศ Platen และ Munters น ำเสนอตู้เย็นในครัวเรือนโดยใช้หลักกำรดูดซับ (Absorption) และตำมที่เขำออกแบบจึงได้มีกำรผลิตขึ้นเป็นครั้งแรกในปีค.ศ.1931 โดยบริษัทอีเลคโทรลักซ์ที่ สวีเดน และในปีค.ศ.1924 ที่ญี่ปุ่นมีกำรผลิตตู้เย็นในครัวเรือนที่ท ำงำนเชิงกลขึ้นเป็นครั้งแรก ใน ปีค.ศ.1939 มีกำรเปิดตัวตู้เย็นในครัวเรือนที่ท ำอุณหภูมิได้ 2 ระดับ คือตู้แช่แข็งกับตู้เย็นเป็น

11 ครั้งแรก หลังสงครำมโลกครั้งที่สองกำรใช้ตู้เย็นเชิงกลเพิ่มขึ้นอย่ำงรวดเร็วทั่วโลก ทุกวันนี้ตู้เย็น ได้กลำยเป็นเครื่องใช้ในครัวที่จ ำเป็น 1.3.3 ระบบปรับอำกำศ ระบบท ำควำมเย็นยังใช้ส ำหรับกำรให้ควำมเย็นและลดควำมชื้นในฤดูร้อนเพื่อควำม สะดวกสบำยส่วนบุคคล (เครื่องปรับอำกำศ) ระบบปรับอำกำศระบบแรกถูกน ำมำใช้ส ำหรับงำน ปรับอำกำศในงำนอุตสำหกรรม ในปีค.ศ.1891 Eastman Kodak ติดตั้งระบบปรับอำกำศระบบ แรกส ำหรับห้องเก็บฟิล์มถ่ำยภำพยนต์ในเมืองโรเชสเตอร์นิวยอร์ก ต่อมำในปีค.ศ.1902 ระบบ ปรับอำกำศได้ถูกติดตั้งในโรงพิมพ์และที่ชุมสำยโทรศัพท์ที่ฮัมบูร์กในปีค.ศ.1904 และประมำณ ปีค.ศ.1900 ถูกติดตั้งอีกจ ำนวนมำกในโรงงำนยำสูบและอุตสำหกรรมสิ่งทอ ในปีค.ศ.1894 ระบบปรับอำกำศในที่อยู่อำศัยระบบแรก ถูกติดตั้งที่เมืองแฟ รงก์เฟิ ร์ต (Frankfurt) เยอรมัน ห้องสมุดส่วนตัวในเซนต์หลุยส์สหรัฐอเมริกำ และคำสิโนในมอนติคำร์โลในปี ค.ศ.1901 นอกจำกนี้ยังมีควำมพยำยำมที่จะติดตั้งเครื่องปรับอำกำศในรถโค้ช (Coach) เป็น รถยนต์ขนำดใหญ่ประเภทรถบัส รถไฟโดยสำรปรับอำกำศโดยใช้น ้ำแข็ง กำรพัฒนำ เครื่องปรับอำกำศเป็นไปอย่ำงจริงจังจำก Willis Carrier นักวิทยำศำสตร์ชำวอเมริกันและนัก อุตสำหกรรม ในปีค.ศ.1902 Carrier ท ำกำรศึกษำกำรควบคุมควำมชื้นและออกแบบระบบปรับ อำกำศแบบท ำควำมเย็นจำกส่วนกลำง (Central Air Conditioning) โดยใช้เครื่องล้ำงอำกำศ หรือ เครื่องฟอกอำกำศ (Air washer) เมื่อปีค.ศ.1904 เนื่องจำกควำมพยำยำมในกำรบุกเบิกของ Carrier และเนื่องจำกกำรพัฒนำส่วนประกอบและกำรควบคุมที่แตกต่ำงกันไปพร้อม ๆ กัน เครื่องปรับอำกำศจึงเป็นที่นิยมอย่ำงรวดเร็วมำกโดยเฉพำะอย่ำงยิ่งหลังปีค.ศ.1923 ในปัจจุบัน นี้เองมีเครื่องปรับอำกำศใช้กันอย่ำงแพร่หลำยในที่พักอำศัย ส ำนักงำน อำคำรพำนิชย์ โรงพยำบำล และในยำนพำหนะ เช่น รถไฟ รถยนต์ หรือแม้กระทั่งเครื่องบิน เป็ นต้น อุตสำหกรรมเครื่องปรับอำกำศส่วนใหญ่ช่วยตอบสนองต่อกำรเจริญเติบโตของอุตสำหกรรม ต่ำงๆ หรือช่วยสนับสนุนให้อุปกรณ์อื่นๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย อุตสำหกรรมยำ อุตสำหกรรมเคมี เป็นต้น ระบบปรับอำกำศในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอ (Vapor compression refrigeration system) หรือระบบท ำควำมเย็นแบบดูดซับไอระเหย (Vapor absorption refrigeration system) ที่มีควำมสำมำรถที่แตกต่ำงกันไปตั้งแต่ไม่กี่กิโลวัตต์ ไปจนถึงเมกะวัตต์ 1.4 สารท าความเย็น สำรท ำควำมเย็นที่ใช้ในสมัยเริ่มแรกเป็นพิษ ติดไฟ มีกลิ่นรุนแรง กำรรั่วไหลของสำรท ำ ควำมเย็นก่อให้เกิดควำมตื่นตระหนกและเป็นพิษเมื่อเกิดเหตุกำรณ์เหล่ำนี้ในเวลำกลำงคืน บริษัท Frigidaire ในโอไฮโอ สหรัฐอเมริกำค ำนึงถึงเรื่องนี้ และสรุปว่ำอุตสำหกรรมเครื่องท ำ ควำมเย็นจะต้องใช้สำรท ำควำมเย็นใหม่โดยหวังว่ำจะได้มีกำรปรับเปลี่ยน Frigidaire จึงขอให้ ห้องปฏิบัติกำรวิจัยของเจเนอรัลมอเตอร์สท ำกำรพัฒนำสำรท ำควำมเย็นที่มีควำมปลอดภัย ไม่มี ฤทธิ์ทำงเคมีมีควำมเสถียร ควำมหนำแน่นไอสูง และมีจุดเดือดปกติต ่ำ Thomas Midgly, Jr. มี

12 ควำมรู้ในตำรำงธำตุและช่วยใช้แก้ไขปัญหำนี้ได้เขำคิดค้นคลอโรฟลูออโรคำร์บอนซึ่งปัจจุบัน รู้จักกันในชื่อ CFCs กำรศึกษำนี้เริ่มต้นขึ้นในปีค.ศ.1928 และพวกเขำพบ CFCs ทั้งหมดก่อนที่ จะยื่นจดสิทธิบัตรในเดือนเมษำยน ปีค.ศ. 1930 และประกำศไว้ในกำรประชุมแอตแลนตำของ สมำคมเคมีอเมริกัน (American chemical society) Thomas Midgly, Jr. พบว่ำพันธะฟลูออไรด์ ของสำรประกอบฟลูออริเนตเหล่ำนี้มีควำมเสถียรมำกที่สุดในบรรดำฮำโลเจน และกำรเติม ฟลูออไรด์ท ำให้Normal Boiling Point (NBP) ลดลง ในเบลเยียมเมื่อประมำณปีค.ศ.1890 กระบวนกำรฟลูออริเนชันได้รับกำรปรับปรุงให้สมบูรณ์แบบโดย Swartz แอนติโมนีไตร ฟลูออไรด์(Antimony trifluoride) เป็นสำรฟลูออริเนตและ CCl4 เป็นสำรตั้งต้น Swartz ตั้ง ข้อสังเกตว่ำกำรเพิ่มแอนติโมนีหรือพลวง จ ำนวนเล็กน้อยให้กับแอนติโมนีไตรฟลูออไรด์จะ ช่วยเพิ่มอัตรำของกระบวนกำรฟลูออ-ริเนชั่น ส่วนส ำคัญและน่ำสนใจของประวัติศำสตร์คือเมื่อ Thomas Midgley, Jr. เริ่มกำรสังเครำะห์ CFCs ได้antimony trifluoride จ ำนวนห้ำขวดในประเทศสหรัฐอเมริกำ นี่เป็นจุดเริ่มต้นด้วยของ กำรสร้ำง CCl4 และ CCl3F โดยกระบวนกำรนี้จำก antimony trifluoride จ ำนวน 5 ขวดน ำไปท ำ กำรทดลองกับหนูตะเภำพบว่ำหนูที่สัมผัสกับ CCl3F รอดชีวิต แต่เมื่อท ำกำรทดลองซ ้ำกับขวดที่ เหลืออีกสี่ขวดหนูตะเภำไม่รอดทุกครั้ง เกิดค ำถำมว่ำเกิดอะไรขึ้นกับขึ้นกับ antimony trifluoride ขวดแรก Thomas Midgley, Jr. จึงหยุดกำรทดลองนี้ลง antimony trifluoride ถูกจัดหำจำกยุโรป และทดลอง พบว่ำหนูตะเภำรอดชีวิตมำได้อีกครั้ง สำเหตุคือขวดทั้ง 4 ขวดมีน ้ำปะปนอยู่ท ำให้ เกิดฟอสจีน (Phosgene) หรือคำร์บอนิลคลอไรด์ (Carbonyl chloride) ขึ้นซึ่งเป็นเป็นก๊ำซพิษที่ ท ำให้หนูตะเภำตำย Thomas Midgley, Jr. ท ำสำรประกอบฟลูออริเนตขึ้นจ ำนวนมำกและในที่สุดก็ได้ข้อสรุปว่ำ CCl2F2 เป็นสำรท ำควำมเย็นที่มีแนวโน้มกำรใช้มำกที่สุด สำรท ำควำมเย็นนี้มีค่ำ NBP -29.8ºC แต่ปัญหำคือไม่สำมำรถตรวจจับกำรรั่วไหลและควำมชื้น ในขั้นต้นจึงท ำกำรเพิ่ม SO2 8% เข้ำไป เนื่องจำกสำมำรถตรวจจับได้จำกกลิ่นและแอมโมเนียซึ่งเป็นตัวก ำจัดน ้ำ อีกวิธีกำรหนึ่งที่ถูก เผยแพร่คือตะเกียงเฮไลด์(halide torch) เป็นตะเกียงตรวจรั่วของแก็สในระบบท ำควำมเย็น และ กำรเพิ่มเมทิลแอลกอฮอล์ในปริมำณเล็กน้อยลงใน CCl2F2 เพื่อควบคุมควำมชื้น ต่อมำวิธีกำร ปฏิบัติแบบนี้ถูกแทนที่ด้วยกำรใช้แคลเซียมคลอไรด์(Calcium chloride : CaCl2 , ผลึกสีขำว ใช้ มำกในงำนอุตสำหกรรเป็นสำรที่ดูดซับควำมชื้น) ในฟิลเตอร์-ดรำยเออร์ (Filter drier) ซึ่งปัจจุบัน ถูกแทนที่ด้วยซิลิกำเจล สำรท ำควำมเย็นนี้เหมำะสมที่สุดส ำหรับระบบท ำควำมเย็นขนำดเล็ก เครื่องอัดไอแบบลูกสูบมีแนวโน้มที่จะเกิดกำรรั่วจำกฝำสูบ และ ณ จุดที่เพลำข้อเหวี่ยงกับ ตัวเรือนของเครื่องอัดไอแบบลูกสูบที่ถูกขับด้วยสำยพำนและพูลเลย์ ห้องซีลหรือตลับกันรั่ว (Stuffing box) หรือ ปะเก็นเชือก (Gland) หรือซีลน ้ำมัน ณ จุดนี้แต่อย่ำงไรก็ตำมกำรรั่วไหล ของสำรท ำควำมเย็นเป็นสิ่งที่น่ำเบื่อหน่ำยที่ต้องเติมบ่อยๆ เพื่อแก้ปัญหำนี้ เครื่องอัดไอปิดสนิท (Hermetically sealed compressors) จึงถูกน ำมำใช้ในช่วงต้นทศวรรษที่ ค.ศ. 1930 โดยที่ มอเตอร์จะเชื่อมต่อกับเครื่องอัดไอโดยตรงและถูกปิดผนึกรวมกันภำยในตัวเรือนเพื่อป้องกันกำร รั่วไหลของสำรท ำควำมเย็น สำรท ำควำมเย็นจึงสัมผัสโดยตรงกับขดลวดมอเตอร์ดังนั้นสำรท ำ

13 ควำมเย็นเช่น CCl2F2 ซึ่งมีค่ำคงที่ไดอิเล็กตริก (Dielectric constant, ε) สูง จึงเหมำะส ำหรับ เครื่องอัดไอที่ปิดสนิท CHClF2 (NBP -40.8ºC) เปิดตัวในปีค.ศ.1936 อุณหภูมิด้ำน Discharge ของเครื่องอัดไอ จะสูงมำกซึ่งสร้ำงปัญหำในระบบขนำดเล็ก ตอนนี้มีกำรใช้กันอย่ำงแพร่หลำยในระบบปรับอำกำศ ขนำดเล็กและขนำดใหญ่ ในปีค.ศ.1950 แคเรียร์คอร์ปอเรชั่นแนะน ำว่ำหำกจะใช้ส ำหรับระบบ ปรับอำกำศขนำดเล็กให้ผสมอะซิโอโทรป (Azeotropic) กับ CCl2F2 และ C2H4F2และถูกเรียกว่ำ R500 ซึ่ง CHClF2 สำมำรถใช้ส ำหรับกำรแช่แข็งอำหำรโดยไม่ต้องใช้เครื่องอัดไอแบบสอง ขั้นตอน มีสำร CFCs อื่นๆ อีกมำกมำยที่ได้รับกำรพัฒนำในช่วงสองสำมทศวรรษที่ผ่ำนมำแต่ส่วน ใหญ่ถูกน ำมำใช้เท่ำที่จ ำเป็นและยังคงอยู่ในขั้นตอนกำรทดลองเท่ำนั้น CFCs ถูกคิดว่ำปลอดภัย ทุกประกำรและมีจ ำนวนมำกพอที่จะใช้ได้ สำร CFCs เป็นของไหลที่สภำวะใกล้จุดวิกฤต (Dense gas) มีคุณสมบัติกำรแพร่กระจำยได้ดีกว่ำของเหลว และไม่มีกลิ่น ดังนั้นหำกเกิดกำร รั่วไหลในพื้นที่ปิดล้อม สำรเหล่ำนี้จะไหลลงต ่ำใกล้พื้นและอำจท ำให้หำยใจไม่ออก จนกระทั่งปี ค.ศ.1974 เมื่อ Rowland และ Molina ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงำนเกี่ยวกับสมมติฐำนกำรท ำลำย โอโซนขึ้นจนเมีชื่อเสียง พวกเขำอ้ำงว่ำ CFCs กระจำยไปยังชั้นบรรยำกำศของโลกชั้นที่สองหรือ สตรำโตสเฟียร์(Stratosphere) ที่ซึ่งพลังงำนที่รุนแรงของรังสีอัลตรำไวโอเลต (UV) จะสลำย พวกมันเพื่อปล่อยอะตอมคลอรีนที่เร่งปฏิกิริยำกำรท ำลำยโอโซนในปฏิกิริยำลูกโซ่ ซึ่งจะเพิ่ม ควำมเข้มของรังสียูวีเหตุกำรณ์ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวโลกส่งผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อสุขภำพ ของมนุษย์และระบบชีวภำพอื่นๆ หลุมโอโซน (Ozone hole) ที่มีขนำดใหญ่เท่ำกับทวีปยุโรปถูก พบเหนือทวีปแอนตำร์กติกำ ดังนั้นควำมเฉื่อยและควำมเสถียรของพันธะฮำโลเจนจึงท ำหน้ำที่ เป็นดำบสองคม คือพันธะนี้มีควำมเสถียรมำกและไม่สำมำรถถูกท ำลำยลงในโทรโพสเฟียร์ได้ไม่ สำมำรถละลำยในน ้ำได้ส่งผลให้นี้ไม่สำมำรถถูกชะล้ำงด้วยฝน ไม่เป็นวัฏจักรธรรมชำติในชั้น บรรยำกำศ ดังนั้นหำกสิ่งเหล่ำนี้รั่วไหลสู่ชั้นบรรยำกำศก็จะยังคงอยู่ในชั้นบรรยำกำศตลอดเวลำ ในชั้นบรรยำกำศ ก๊ำซเหล่ำนี้จะสูงขึ้นเนื่องจำกควำมปั่นป่วนในชั้นบรรยำกำศและสูงขึ้นไปถึงชั้น สตรำโตสเฟียร์ที่สูงขึ้นไป 11 กิโลเมตร เหนือระดับน ้ำทะเล พันธะคลอรีนและโบรมีนสำมำรถถูก ท ำลำยได้ด้วยรังสียูวีในชั้นสตรำโตสเฟียร์รังสียูวีจะแตก CFC ออกเป็นอนุมูลอิสระอะตอม คลอรีน อะตอมของคลอรีนท ำปฏิกิริยำกับโอโซนเพื่อสร้ำงโมเลกุล ClO และอะตอมออกซิเจน โมเลกุล ClO จะท ำปฏิกิริยำกับโมเลกุลโอโซนอื่นเพื่อให้ได้อะตอมออกซิเจนและอะตอมคลอรีน ซึ่งท ำให้สูญเสียโอโซนเพิ่มขึ้นเป็นปฏิกิริยำลูกโซ่ที่ไม่มีวันสิ้นสุด ดังนั้นคลอรีนและโบรมีนที่มีใน CFCs จะท ำให้เกิดกำรสูญเสียโอโซน กำรมีอยู่ของอะตอมไฮโดรเจนใน CFC ช่วยให้กำรแตกตัว ในชั้นบรรยำกำศต ่ำลงมำ ดังนั้นไฮโดรเจนที่ประกอบอยู่ใน CFCs จึงมีศักยภำพในกำรท ำลำย โอโซนต ่ำกว่ำ สิ่งเหล่ำนี้เรียกว่ำ HCFCs กำรสูญเสียโอโซนเหนือเขตแอนตำร์กติกส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงเดือนกันยำยน - ตุลำคม เมื่อดวงอำทิตย์ขึ้นเหนือแอนตำร์กติกหลังจำกกำรเกิดพระอำทิตย์เที่ยงคืน (กำรเกิดพระอำทิตย์ เที่ยงคืนจะเป็นช่วงเวลำที่ไม่สำมำรถเห็นพระอำทิตย์ขึ้นและพระอำทิตย์ตกได้ตลอดระยะเวลำ 6

14 เดือน) ในช่วงเวลำนี้เป็นลักษณะที่แปลกประหลำดของภูมิภำคนี้คือเมฆสตรำโตสเฟียร์เป็นเมฆ ที่พบในชั้นสตรำโทสเฟียร์แถบขั้วโลกที่ระดับควำมสูง 15,000-25,000 เมตร (49,000-82,000 ฟุต) เมฆเหล่ำนี้เป็นแหล่งพื้นที่จ ำนวนมำกที่มีปฏิกิริยำระหว่ำงโอโซนและ CFC เกิดขึ้น และกำร สูญเสียโอโซนเกิดขึ้นในอัตรำที่รวดเร็วมำก ปฏิกิริยำที่คล้ำยกันและรุนแรงมำกขึ้นนี้เกิดขึ้นกับ สำรท ำควำมเย็นที่มีส่วนประกอบของโบรมีน สำรท ำควำมเย็นที่มีโบรมีนเป็นส่วนผสมถูก น ำมำใช้เท่ำที่จ ำเป็นในระบบท ำควำมเย็น แต่เป็นที่นิยมมำกขึ้นในฐำนะสำรหน่วงไฟ กำรค้นพบหลุมโอโซนและวิธีใช้CFCs ท ำให้โลกตื่นตระหนก เป็นผลให้ผู้ใช้และผู้ผลิตได้ ตกลงที่จะลดคลอรีน CFCs ตำมพิธีสำรมอนทรีออล 1987 พิธีสำรมอนทรีออลว่ำด้วยสำรท ำลำย ชั้นบรรยำกำศโอโซน คือสนธิสัญญำสำกลที่ก ำหนดขึ้นเพื่อควบคุม ยับยั้ง และรณรงค์ให้ลดกำร ผลิตและกำรใช้สำรท ำลำยชั้นบรรยำกำศโอโซน เพื่อรักษำชั้นบรรยำกำศโอโซนที่เริ่มจะสูญสลำย ไปเนื่องจำกสำรเหล่ำนี้ ดังนั้นจึงมีกำรหำสำรทดแทนคลอรีนที่มีCFCs ดังกล่ำว CFCs ที่มีอะตอมไฮโดรเจนและ ฟลูออรีนถือว่ำปลอดภัยจึงถูกน ำใช้แทน สำรท ำควำมเย็นที่ถูกน ำมำใช้ คือ CF3CFH2 และสำร ท ำควำมเย็น CCl2F2 ได้รับควำมนิยมสูงสุดส ำหรับระบบท ำควำมเย็นขนำดเล็ก CCl2F2ยังถูก ทดแทนด้วยสำรผสมไฮโดรคำร์บอน เช่น โพรเพน ไอโซบิวเทน สำรประกอบ อนินทรีย์เช่น NH3 และ CO2 เป็นสำรท ำควำมเย็นที่ปลอดภัย ส่วนคำร์บอนไดออกไซด์มีแรงดันในกำรท ำงำน สูงมำกต้องใช้อุปกรณ์ที่รับแรงดันสูงได้กำรพัฒนำล่ำสุดบ่งชี้ว่ำ CO2 อำจกลำยเป็นสำรท ำควำม เย็นยอดนิยม ในระหว่ำงเกิดกำรเดือด จุดเดือดของส่วนผสมในสำรท ำควำมเย็นมีค่ำที่แตกต่ำงกัน เช่นเดียวกันกับอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ที่ถูกท ำให้เย็นลงก็จะลดอุณหภูมิลงในระหว่ำง กระบวนกำรท ำควำมเย็นเช่นกัน ผลิตภัณฑ์และสำรท ำควำมเย็นสำมำรถจัดเรียงไว้ในเครื่อง แลกเปลี่ยนควำมร้อนแบบไหลสวนทำงกัน หรือ Counter Flow Heat Exchanger ในลักษณะที่ ควำมแตกต่ำงของอุณหภูมิเดือดระหว่ำงส่วนผสมเองและผลิตภัณฑ์ที่จัดวำงในตลอดแนวควำม ยำวของเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อน ท ำให้ค่ำกำรย้อนกลับไม่ได้(Irreversibility) ต ่ำ ค่ำกำร ย้อนกลับไม่ได้ตำมกฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนำมิกส์จะเกี่ยวเนื่องกับควำมย้อนกลับได้ (Reversible) หรือย้อนกลับไม่ได้ (Irreversible) ของกระบวนกำร นอกจำกนี้ส่วนผสมของสำร ท ำควำมเย็นยังมีคุณสมบัติที่ดีกว่ำสำรท ำควำมเย็นบริสุทธิ์สำรผสมดังกล่ำวได้รับมำตรฐำนและ สมบัติของสำรเหล่ำนี้สำมำรถศึกษำได้เพิ่มเติมในคู่มือ ASHRAE 1.5 การท าความเย็นแบบดูดซึม (Absorption Refrigeration) กำรทดลองของ Collin’s ใช้อีเธอร์กับน ้ำ อีเธอร์ระเหยด้วยกำรดูดซับควำมร้อนจำกน ้ำและ ท ำให้น ้ำเย็นลง ในปีค.ศ.1810 John Leslie เก็บ H2SO4 และน ้ำไว้ในขวดสองขวดที่แยกกันแต่ ต่อเชื่อมถึงกัน H2SO4 ดูดซับไอน ้ำ สิ่งที่เกิดขึ้นนี้กลำยเป็นหลักกำรของกำรก ำจัดไอน ้ำที่ระเหย ออกจำกผิวน ้ำที่ไม่ต้องใช้คอมเพรสเซอร์หรือปั๊ม อย่ำงไรก็ตำมกำรใช้ปั๊มสุญญำกำศจะช่วยเร่ง อัตรำกำรระเหย หลักกำรที่ใช้ H2SO4 เป็นสำรดูดซับนี้สำมำรถน ำกลับมำใช้ใหม่ได้ด้วยกำรให้

15 ควำมร้อนเพื่อก ำจัดไอน ้ำที่ดูดซับไว้ออกและเกิดกำรท ำงำนได้อย่ำงต่อเนื่อง นี่คือหลักกำรของ ระบบท ำควำมเย็นที่ออกแบบโดย Windhausen ในปีค.ศ.1878 ท ำงำนด้วย H2SO4 เพื่อใช้ผลิต น ้ำแข็งหรือน ้ำเย็นโดยกำรระเหยของน ้ำ และก่อนหน้ำนี้เมื่อปีค.ศ.1860 Ferdinand Carrie คิดค้นระบบดูดซับน ้ำ-แอมโมเนีย (NH3 ) น ้ำเป็นสำรดูดซับแอมโมเนียที่ดีนั่นคือหำกเก็บ แอมโมเนียไว้ในภำชนะต่อกับภำชนะอีกใบที่บรรจุน ้ำไว้ศักยภำพกำรดูดซึมแอมโมเนียที่รุนแรง จะท ำให้แอมโมเนียเกิดกำรระเหยจึงไม่ต้องใช้เครื่องอัดในกำรขับเคลื่อนไอระเหย สำรละลำย เข้มข้นจะถูกท ำให้ร้อนและผ่ำนคอลัมน์หรือหอกลั่นเพื่อแยกน ้ำออกจำกแอมโมเนีย ไอระเหย ของแอมโมเนียจะถูกควบแน่นและน ำกลับมำใช้ใหม่ดังแสดงแผนภำพไดอะแกรมในรูปที่ 1.7 รูปที่1.7 กำรน ำไอระเหยของแอมโมเนียที่ถูกควบแน่นกลับมำใช้ใหม่ (ดัดแปลงจำก [1]) ในระบบจะมีปั๊มของเหลวที่ใช้พลังงำนหรืองำนปั๊มเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับที่เครื่องอัดใช้ ดังนั้น ระบบจึงท ำงำนได้ด้วยพลังงำนเกรดต ่ำเพื่อใช้ส ำหรับให้ควำมร้อนกับสำรละลำยเข้มข้น เพื่อแยกน ้ำออกจำกแอมโมเนีย ระบบเหล่ำนี้เริ่มต้นครั้งแรกด้วยควำมร้อนจำกไอน ้ำ ต่อมำได้มีกำรน ำระบบน ้ำมันและก๊ำซธรรมชำติเข้ำมำใช้เป็นแหล่งพลังงำนควำมร้อนในกำร แยกน ้ำออกจำกแอมโมเนีย ในปีค.ศ. 1922 Balzar von Platen และ Carl Munters นักเรียน สองคนที่ Royal Institute of Technology Stockholm คิดค้นระบบสำมของเหลวที่ไม่ต้องใช้ปั๊ม และปั๊มฟองอำกำศ (Bubble pump) ถูกน ำมำใช้ส ำหรับกำรไหลเวียนของสำรละลำยเข้มข้นและ

16 สำรละลำยเจือจำง และ ไฮโดรเจน (H2 ) ถูกใช้เป็นก๊ำซที่ไม่ควบแน่นเพื่อลดแรงดันบำงส่วนของ NH3 ในเครื่องระเหย ในปีค.ศ. 1899 Geppert มีแนวคิดใช้อำกำศเป็ นก๊ำซที่ไม่ควบแน่นแต่ไม่ประสบ ควำมส ำเร็จ ปั๊มฟองอำกำศมีหลักกำรเดียวกับกำรชงกำแฟแบบ percolator เป็นกำรชงกำแฟ แบบน ้ำร้อนไหลเวียนผ่ำนผงเมล็ดกำแฟเมื่อน ้ำเดือด ยิ่งต้มนำนรสชำติของกำแฟจะยิ่งเข้มมำก ดังรูปที่ 1.8 ในหม้อไอน ้ำ เมื่อฟองอำกำศร้อนลอยขึ้นในหลอดมีบำงส่วนของหลอดจะมีของเหลว (สำรละลำยเจือจำง) ปิดท่วม ระหว่ำงนั้นของเหลวยังเพิ่มขึ้นไปด้ำนบนของหม้อไอน ้ำ และเป็น กำรเพิ่มระดับควำมเข้มข้นสำรละลำยขึ้นที่ส่วนบนของหม้อไอน ้ำและอยู่เหนือระดับของตัวดูดซับ ไอระเหยเพิ่มขึ้นในตัวดักจับไอน ้ำ (Rectifier) และสำรละลำยเจือจำงถูกระบำยไปยังตัวดูดซับ โดยแรงดันอุทกสถิต (Hydrostatic pressure) สำรละลำยเจือจำงนี้จะดูดซับไอระเหยของ แอมโมเนียจำกเครื่องระเหยและกลำยเป็นสำรละลำยเข้มข้นอีกครั้ง รูปที่1.8เครื่องชงกำแฟแบบ percolator (ภำพจำกผู้เขียน) ระบบดูดซึมลิเธียมโบรไมด์-น ้ำ (Lithium bromide - water absorption system) ใช้ส ำหรับ ระบบปรับอำกำศแบบน ้ ำเย็น (Chilled water) เป็ นระบบที่สืบทอดมำจำกเครื่องของ Windhausen แต่ใช้Lithium bromide (LiBr) แทนที่ H2SO4 โดยที่ LiBr จะท ำงำนเป็นตัวดูดซับ และน ้ำเป็นสำรท ำควำมเย็น ระบบนี้ท ำงำนที่ควำมดันสุญญำกำศ คอนเดนเซอร์และเครื่องก ำเนิด (Generator) ติดตั้งอยู่ในภำชนะทรงกระบอกเดียวกัน และเครื่องระเหยกับเครื่องดูดซึม (Absorber) อยู่ในท่อทรงกระบอกอีกชุด ดังแสดงในรูปที่1.9 ระบบนี้ยังท ำงำนด้วยพลังงำนเกรด ต ่ำ หรือควำมร้อนทิ้งจำกหม้อไอน ้ำหรือไอน ้ำทิ้งจำกกระบวนกำรอื่นๆ

17 รูปที่1.9แผนภำพระบบท ำน ้ำเย็นดูดซึมลิเธียมโบรไมด์-น ้ำ (ดัดแปลงจำก [6]) 1.6 ระบบท าความเย็นพลังงานแสงอาทิตย์ ประมำณปีค.ศ. 1950 มีควำมพยำยำมที่สร้ำงและใช้ระบบท ำควำมเย็นที่ท ำงำนด้วย พลังงำนแสงอำทิตย์ด้วยกำรใช้แผ่นเก็บพลังงำนแสงอำทิตย์แบบแผ่นแบนในหลำยประเทศ ต่อมำในปี ค.ศ. 1953 ใน Tashkent สหภำพโซเวียต มีระบบพลังงำนแสงอำทิตย์ที่ใช้จำน สะท้อนแบบพำรำโบลำกับตัวเก็บพลังงำนแสงอำทิตย์ที่ช่วยท ำให้มีควำมเข้มของแสงที่สูงขนำด 10 m 2 ผลิตน ้ำแข็งได้250 กก./วัน F.Trombe ติดตั้งเครื่องดูดซับด้วยกระจกทรงกระบอก พำรำโบลำขนำด 20 m 2 ที่ Montlouis ฝรั่งเศส เพื่อผลิตน ้ำแข็ง 100 กิโลกรัมต่อวัน วิกฤต พลังงำนเป็นแรงผลักดันในกำรวิจัยเกี่ยวกับระบบท ำควำมเย็นพลังงำนแสงอำทิตย์LiBr - water เป็นสำรท ำงำนได้รับกำรพัฒนำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในเครื่องปรับอำกำศเนื่องจำกสิ่งเหล่ำนี้ไม่ ต้องกำรควำมแตกต่ำงของอุณหภูมิขนำดใหญ่ มหำวิทยำลัยควีนส์แลนด์(University of Queensland) ออสเตรเลีย เป็นประเทศแรกที่ติดตั้งระบบปรับอำกำศพลังงำนแสงอำทิตย์ในปี ค.ศ. 1966 หลังจำกนั้นหลำยระบบก็ถูกน ำมำใช้อย่ำงประสบควำมส ำเร็จทั่วโลก มีระบบปรับ อำกำศชนิดดูดซึมใช้พลังงำนแสงอำทิตย์ส ำหรับอำคำรกว่ำ 500 แห่งในสหรัฐอเมริกำ ระบบดูดซึมแบบไม่ต่อเนื่องด้วยพลังงำนแสงอำทิตย์เป็นอีกหนึ่งควำมส ำเร็จของระบบนี้ ระบบนี้ไม่ต้องใช้เครื่องอัดไอแต่ใช้สำรท ำควำมเย็นและตัวดูดซับเพิ่มเติม และที่ตัวเก็บพลังงำน แสงอำทิตย์มีตัวดูดซับบรรจุอยู่ภำยใน ไอระเหยของสำรท ำควำมเย็นจะถูกขับเคลื่อนด้วย

18 ศักยภำพกำรดูดซับของตัวดูดซับ และจะระบำยควำมร้อนในเวลำกลำงคืนท ำให้ตัวดูดซับเย็นลง ในเวลำกลำงคืนสำรท ำควำมเย็นจะระเหยและไปสร้ำงควำมเย็นและสำรท ำควำมเย็นระเหยจะถูก ดูดซับในถ่ำนกัมมันต์หรือซีโอไลต์ และในช่วงกลำงวันสำรท ำควำมเย็นถูกขับออกจำกตัวดูดซับ โดยพลังงำนแสงอำทิตย์ถูกท ำให้ควบแน่นและเก็บไว้นถังเก็บเพื่อกำรใช้งำนในเวลำกลำงคืน ต่อไป ประสิทธิภำพคงระบบนี้ค่อนข้ำงต ่ำ ต้องใช้พื้นที่สะสมพลังงำนจ ำนวนมำก แต่ระบบ เหล่ำนี้พบกำรใช้งำนในพื้นที่ห่ำงไกลที่ไม่มีไฟฟ้ำใช้ระบบเหล่ำนี้อำจใช้โซเดียมไทโอไซเนต ถ่ำนกัมมันต์และซีโอไลต์เป็นตัวดูดซับ และแอมโมเนีย แอลกอฮอล์หรือฟลูออโรคำร์บอนเป็น สำรท ำควำมเย็น 1.7 เครื่องท าความเย็นวัฏจักรแก๊ส หำกอำกำศที่แรงดันสูงที่ขยำยตัวไปขับลูกสูบหรือหมุนกังหันให้ท ำงำน อุณหภูมิของอำกำศ จะลดลง หลักกำรนี้เป็นที่รู้จักกันในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 โดย Dalton and Gay Lusac ในปี ค.ศ. 1897 เป็นผู้ท ำกำรศึกษำเรื่องนี้ขึ้น Sadi Carnot กล่ำวถึงเรื่องนี้ไว้เมื่อปีค.ศ. 1824 ต่อมำ ในปีค.ศ. 1844 Dr. John Gorrie แพทย์ในฟลอริดำได้พัฒนำเครื่องดังกล่ำวในกำรใช้ผลิต น ้ำแข็งเพื่อสร้ำงควำมผ่อนคลำยให้ผู้ป่วยของเขำที่ทุกข์ทรมำนจำกไข้เครื่องนี้ผลิตท ำน ้ำเกลือที่ -7ºC เพื่อใช้ผลิตน ้ำแข็ง ต่อจำกนั้นมำในปีค.ศ. 1862 Alexander Carnegie Kirk สร้ำงเครื่องท ำ ควำมเย็น air cycle ซึ่งท ำงำนบนด้วยวัฏจักรสเตอร์ลิงย้อนกลับ (Reverse Stirling cycle) ใช้ เครื่องยนต์ไอน ้ำเป็นต้นก ำลังเพื่อขับคอมเพรสเซอร์ อันที่จริงแล้วหลักกำรนี้เป็นหลักกำร เดียวกันกับเครื่องฟอกอำกำศของ Phillips หลังจำกนั้นมำในปีค.ศ. 1875 Paul Giffard ได้สร้ำง เครื่องที่สมบูรณ์แบบได้และเครื่องนี้ได้รับกำรปรับปรุงเพิ่มเติมอีกโดย T.B. Lightfoot, A. Haslam Frank Allen จำกนิวยอร์กพัฒนำเครื่องระบบปิดแรงดันสูงให้ลดอัตรำกำรไหลเชิงปริมำตร (Volume flow rates) สิ่งนี้ ได้รับ ก ำรตั้งชื่ อว่ำ dense air machine ในทุ ก วัน นี้ air cycle refrigeration จะใช้เฉพำะในเครื่องบินที่มีคอมเพรสเซอร์เทอร์โบขนำดเล็กที่สำมำรถรองรับอัตรำ กำรไหลปริมำณมำก ระบบท ำควำมเย็น air cycle refrigeration ชนิด open type ในรูปที่ 1.10 เครื่องอัดไอจะดึงอำกำศจำกห้องเย็นและบีบอัด อำกำศจะร้อน แรงดันสูงจำก เครื่องอัดไอจะระบำยควำมร้อนในเครื่องแลกเปลี่ยนควำมร้อนด้วยน ้ำหล่อเย็น อำกำศอุ่น แต่ แรงดันสูงจะขยำยตัวในตัวขยำย (Expander) หรือลดแรงดันซึ่งจะท ำอำกำศให้เย็นลง อำกำศ เย็นจะถูกส่งไปยังห้องเย็นเพื่อท ำควำมเย็นอีกครั้ง เครื่องอัดไอและกังหัน (หรือตัวขยำย) ถูก ติดตั้งอยู่บนเพลำเดียวกันเพื่อให้เครื่องอัดไอใช้ก ำลังขับของกังหันนี้ด้วย

19 รูปที่1.10 ระบบท ำควำมเย็น Air cycle refrigeration ชนิด open type (ดัดแปลงจำก [1]) 1.8 การท าความเย็นโดยใช้ระบบสตรีมเจ็ต ระบบนี้สร้ำงควำมเย็นโดยกำรระเหยของน ้ำทันทีทันใด (Flash) โดยกำรฉีดน ้ำเข้ำไปในห้อง ที่รักษำแรงดันต ่ำไว้ส่วนหนึ่งของน ้ำที่ฉีดพ่นจะระเหยที่ควำมดันต ่ำและท ำให้น ้ำที่เหลือเย็นลง จนถึงอุณหภูมิอิ่มตัวที่ควำมดันในห้อง ไม่ต้องสงสัยเลยว่ำ อุณหภูมิที่ต ่ำกว่ำจะต้องใช้แรงดัน ที่ต ่ำกว่ำ แต่อุณหภูมิต ่ำกว่ำ 4ºC ไม่สำมำรถท ำได้ด้วยน ้ำเนื่องจำกน ้ำแข็งตัวที่0ºC โดยพื้นฐำน แล้วมันเป็นกระบวนกำรท ำควำมเย็นแบบระเหย ในระบบท ำควำมเย็นแบบดูดซึม ศักยภำพกำร ดูดซับที่ดีระหว่ำง H2SO4 - H2O หรือ LiBr - H2O ถูกใช้เพื่อดึงไอน ้ำ ในระบบนี้ไอน ้ำควำมเร็วสูง หรือสตรีมเจ็ต ถูกใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ไอน ้ำแรงดันสูงเคลื่อนที่ผ่ำนหัวฉีดแบบ convergence (ไป ในทิศทำงเดียวกัน) หรือแบบบรรจบกันซึ่งจะมีควำมเร็วเสียงระดับโซนิค (Sonic) หรือควำมเร็ว เหนือเสียง (Supersonic) และควำมดันต ่ำตำมต้องกำร ควำมดันที่ 0.009 kPa เหมำะสม สอดคล้องกับอุณหภูมิเครื่องระเหยที่ 4ºC ล ำพุ่งน ้ำหรือเจ๊ท (Stream หรือ jet) ที่เคลื่อนที่ด้วย ควำมเร็วสูงจะให้พลังงำนจลน์แก่ของเหลวโดยรอบ นั่นคือเหนี่ยวน ำ (Entrains) หรือท ำให้ เคลื่อนย้ำยไปพร้อมกัน ไอน ้ำควำมเร็วสูงมีโมเมนตัมสูงจะโอบล้อมหรือน ำไอน ้ำที่ระเหยออกจำก ห้องแฟลช (ห้องท ำน ้ำเย็น) ไปพร้อมกัน เนื่องจำกควำมเร็วสูงจึงเคลื่อนย้ำยไอระเหยเทียบกับ กำรไล่ระดับควำมดันที่เพิ่มขึ้นจนถึงคอนเดนเซอร์โดยที่ควำมดันอที่5.6 - 7.4 kPa ซึ่งสอดคล้อง กับอุณหภูมิคอนเดนเซอร์ที่35 - 45ºC ไอน ้ำกระตุ้น (Motive steam) หรือของไหลปฐมภูมิและ ไอระเหย (ของไหลทุติยภูมิ) ระเหยจะถูกควบแน่นและน ำกลับมำใช้ใหม่ดังแสดงในรูปที่ 1.11 Maurice Leblanc พัฒนำระบบนี้ในปำรีสประมำณเมื่อปีค.ศ.1910 ระบบนี้ต้องกำรสุญญำกำศที่ ดีในกำรบ ำรุงรักษำ บำงครั้ง ตัวอีเจคเตอร์(Ejector) เป็นตัวสนับสนุน หรือ Booster ใช้เพื่อ จุดประสงค์นี้ระบบนี้ยังขับเคลื่อนด้วยพลังงำนเกรดต ่ำนั่นคือไอน ้ำจำกหม้อไอน ้ำในโรงงำน อุตสำหกรรม

20 ในปี ค.ศ. 1838 Frenchman Pelletan จดสิทธิบัตรกำรใช้ล ำพุ่งไอน ้ำหรือเจ๊ท และวิศวกร ชำวฝรั่งเศสชื่อ Maurice สร้ำงระบบท ำควำมเย็นด้วยสตรีมเจ็ต และในปีค.ศ.1907 - 1908 Leblanc ได้เป็นผู้พัฒนำระบบ ระบบนี้ตัวอีเจ็คเตอร์ถูกใช้ในกำรสร้ำงล ำพุ่งไอน ้ำให้มีควำมเร็วสูง (เฉลี่ย 1,200 m/s) ในทำงธุรกิจมีกำรสร้ำงระบบขึ้นครั้งแรกโดย Westinghouse ในปีค.ศ.1909 เครื่องของ Leblanc ยังมีประสิทธิภำพต ่ำ แต่ระบบนี้ยังคงน่ำสนใจเนื่องจำกน ้ำไม่เป็นอันตรำย และระบบสำมำรถท ำงำนได้โดยใช้ไอน ้ำทิ้งจำกเครื่องจักรไอน ้ำ ตั้งแต่ปีค.ศ.1910 เป็นต้นมำ ระบบท ำควำมเย็นสตรีมเจ็ตส่วนใหญ่ใช้ในโรงเบียร์อุตสำหกรรมเคมี เรือรบ เป็นต้น ในปี ค.ศ.1926 Follain วิศวกรชำวฝรั่งเศส ได้ปรับปรุงเครื่องโดยกำรใช้ระบบกำรท ำงำนหลำยขั้นขึ้น คือกำรระเหยและกำรควบแน่นของไอน ้ำ ระหว่ำงปีค.ศ.1928-1930 ในสหรัฐอเมริกำระบบนี้ ได้รับควำมสนใจมำกขึ้นเพื่อน ำไปใช้เป็นเครื่องปรับอำกำศของโรงงำน โรงภำพยนตร์เรือและ แม้แต่ตู้สินค้ำรถไฟในหลำยบริษัท เช่น Westinghouse, Ingersoll Rand และ Carrier จึงเริ่มกำร ผลิตระบบเหล่ำนี้ในเชิงพำณิชย์ตั้งแต่ปีค.ศ.1930 เป็นต้นมำ แต่อย่ำงไรก็ตำม ระบบเหล่ำนี้เริ่ม ค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยระบบดูดซับไอที่มีประสิทธิภำพมำกขึ้นโดยใช้ลิเธียมโบรไมค์กับน ้ำ กระนั้น บำงประเทศในยุโรปตะวันออก เช่น เชโกสโลวะเกีย และรัสเซียยังคงผลิตระบบเหล่ำนี้ต่อไป ในช่วงปลำยทศวรรษ 1960 สำมำรถใช้หลักกำรอีเจ็คเตอร์ในเครื่องท ำควำมเย็นโดยใช้ของเหลว อื่นที่ไม่ใช่น ้ำ เช่น สำรท ำควำมเย็น CFC11, CFC21, CFC22, CFC113, CFC114 เป็นต้น รูปที่1.11 แระบบท ำควำมเย็นสตรีมเจ็ต (ดัดแปลงจำก [6]) ชื่อเสียงของผู้พัฒนำระบบท ำควำมเย็นไอระเหยแบบปิดครั้งแรก (ประมำณปีค.ศ.1955) ตกเป็นของวิศวกรชำวรัสเซียชื่อ I.S. Badylkes กำรใช้สำรท ำควำมเย็นอื่นที่ไม่ใช่น ้ำเป็นไปได้ที่ จะท ำให้อุณหภูมิต ่ำถึง -100ºC ด้วยกำรอัดแบบขั้นตอนเดียว ข้อดีที่กล่ำวถึงของระบบนี้คือควำม

21 ไม่สลับซับซ้อนและควำมทนทำน ในขณะที่กำรออกแบบและกำรค ำนวณทำงเศรษฐศำสตร์เป็น ข้อเสียหลักของระบบ ระบบกำรท ำควำมเย็นประเภทนี้ยังคงใช้ส ำหรับกำรท ำควำมเย็น สุญญำกำศของอำหำร น ้ำจำกอำหำรจะระเหยแล้วดูดซับควำมร้อนแฝงจำกอำหำรและท ำให้ อำหำรเย็นลง ที่กล่ำวมำข้ำงต้นเป็นประวัติของระบบท ำควำมเย็นแบบต่ำงๆ ซึ่งมีใช้อยู่ในปัจจุบัน และมี หลำยระบบได้รับควำมนิยมกันอย่ำงแพร่หลำยในปัจจุบันและมีกำรพัฒนำอย่ำงต่อเนื่อง นอกจำกนี้แล้วด้วยวิวัฒนำกำรควำมเจริญก้ำวหน้ำทำงเทคโนโลยีจึงมีนักวิจัยได้พยำยำมพัฒนำ ระบบเก่ำให้มีประสิทธิภำพสูงขึ้น และท ำกำรพัฒนำระบบทควำมเย็นด้วยวิธีกำรใหม่ๆ เช่น กำร ท ำควำมเย็นโดยใช้เทอร์โมอิเล็กทริก (Thermoelectric refrigeration) ระบบท ำควำมเย็นโดยใช้ เทอร์โมอิเล็กทริกนี้ ได้มีกำรค้นพบตั้งแต่ปีค.ศ.1821 โดยนักวิทยำศำสตร์ชำวเยอรมัน ชื่อ T.J. Seebeck โดยมีหลักกำรอยู่ที่กำรถ่ำยเทพลังงำนควำมร้อนจำกที่หนึ่งไปสู่ที่หนึ่ง ในระบบนี้ใช้ อิเล็กตรอนเป็นตัวกลำงในกำรท ำควำมเย็น แทนที่จะใช้สำรท ำควำมเย็นเป็นตัวกลำง หรือระบบ ท ำควำมเย็นพลังงำนแม่เหล็ก (Magnetic refrigeration system) เป็นต้น

22 ค าถามท้ายบท 1. ในประเทศอินเดีย วิธีเก่ำแก่ที่ใช้ผลิตน ้ำแข็งธรรมชำติท ำอย่ำงไร 2. กำรน ำควำมร้อนของหญ้ำแห้งอัดแน่นคือ 0.2 W/m-K อุณหภูมิสตรำโตสเฟียร์และ อำกำศอยู่ที่ -55ºC และ 25ºC ตำมล ำดับ ค่ำสัมประสิทธิ์กำรถ่ำยเทควำมร้อนแบบพำ ควำมร้อน 18 กำรท ำควำมเย็นและกำรปรับอำกำศส ำหรับอำกำศนิ่ง 5.0 W/m 2 -K และ ควำมหนำของหญ้ำแห้งอัดที่ใช้ส ำหรับกำรผลิตน ้ำแข็งธรรมชำติคือ 0.3 ม. จงแสดงว่ำ กำรถ่ำยเทควำมร้อนสุทธิจำกน ้ำที่อุณหภูมิ 0ºC คือ 26.527 W/m2 หำกกำรแผ่รังสีของ น ้ำเป็น 0.9 โดยละเลยควำมต้ำนทำนกำรน ำควำมร้อนของหม้อดิน 3. สมมติว่ำ (ก) ค่ำสัมประสิทธิ์กำรถ่ำยเทควำมร้อนแบบหมุนเวียนในค ำถำมที่ 2 เพิ่มขึ้น เป็น 10.0 W/m2 -K เนื่องจำกควำมเร็วลม และ (ข) ถำดไม่เห็นท้องฟ้ำอย่ำงเต็มที่ (เป็น ผลให้ปัจจัยรูปร่ำงที่สัมพันธ์กับท้องฟ้ำคือ 0.5 และอุณหภูมิของวัตถุโดยรอบคือ 25ºC จำกนั้นในทั้งสองกรณีจงหำอัตรำกำรถ่ำยเทควำมร้อนและท ำนำยว่ำสำมำรถท ำน ้ำแข็ง ได้หรือไม่ 4. ค่ำสัมประสิทธิ์กำรถ่ำยเทควำมร้อนแบบหมุนเวียนและค่ำสัมประสิทธิ์กำรถ่ำยเทมวลคือ 10 W / m2 -K และ 0.01 kg/m 2 -s ตำมล ำดับ อัตรำส่วนควำมชื้นของอำกำศที่ 35ºC ควำมชื้นสัมพัทธ์ 40% คือ 0.014 kgw/kga และอัตรำส่วนควำมชื้นของอำกำศอิ่มตัวคือ 0.020107 ควำมร้อนแฝงของน ้ำที่ 25ºC คือ 2442.5 J/kg กำรละเลยรังสีจงแสดงให้ เห็นว่ำอัตรำกำรถ่ำยเทควำมร้อนสุทธิจำกหม้อดินเปียกจะอยู่ที่ 6.18 W/m 2 5. ควำมแตกต่ำงระหว่ำงกำรต้มและกำรระเหยคืออะไร 6. น ้ำระเหยจำกพื้นผิวที่เปียกที่อุณหภูมิห้องได้อย่ำงไร 7. อธิบำยหลักกำรของกำรท ำควำมเย็นแบบระเหยและข้อจ ำกัด 8. อธิบำยหลักกำรท ำควำมเย็นโดยกำรละลำยเกลือในน ้ำ 9. กำรระเหยของสำรท ำควำมเย็นท ำให้เกิดควำมเย็นแล้วท ำไมจึงต้องมีกำรควบแน่นและ ท ำอย่ำงไร 10. เหตุใดจึงต้องใช้แรงดันสองค่ำในระบบท ำควำมเย็นแบบอัดไอ 11. สำรท ำควำมเย็นที่ใช้ในเครื่องท ำควำมเย็นแบบใช้มือ Perkins คืออะไร? 12. ข้อดีและข้อเสียของ SO2 ในฐำนะสำรท ำควำมเย็นคืออะไร 13. ท ำไม Thomas Midgley ถึงเลือกคลอโรฟลูออโรคำร์บอนเป็นสำรท ำควำมเย็น 14. กระบวนกำรที่ Thomas Midgley ใช้ในกำรสร้ำง CCl2F2 คืออะไร 15. กำรใช้งำนหลักของ R500 และ R502 คืออะไร 16. ข้อดีของระบบท ำควำมเย็นแบบดูดซึมคืออะไร

23 เอกสารอ้างอิง 1.Ramesh Chandra Arora. (2010). Refrigeration and Air Conditioning. Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Technology, Asoke K. Ghosh. 2.Charlotte Pho. (November 09, 2021). Explore The Ancient Tower Making Ice in The Persian Desert. Vietnam times. https://vietnamtimes.org.vn/explore-the-ancienttower-making-ice-in-the-persian-desert-37507.html 3.Manova. (May 26, 2019). Why is the water in the earthen pot cool. Learn more deeply. https://learnmoredeeply.com/ 4.Ronald H. Howell, William J. Coad, Harry & J. Sauer, Jr. (2013). PRINCIPLES OF HEATING VENTILATING AND AIR CONDITIONING (7 th Ed), ASHRAE. 5.National Museum of American. History Jacob Perkins Ice Machine, 1834, Model., https://americanhistory.si.edu/collections/search/object/nmah_846195 6.กุลเชษฐ์ เพียรทอง. (2553). การท าความเย็น, มหำวิทยำลัยอุบลรำชธำนี. (พิมพ์ครั้งที่ 3) อุบลรำชธำนี.

24 หน่วยที่ 2 พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์ (Fundamental of thermodynamics) วัตถุประสงค์ของหน่วยเรียน 1. ให้ค ำจ ำกัดควำมควำมร้อนและงำนได้ 2. ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศำสตร์กับระบบเปิดและปิดได้ 3. ใช้กฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์กับระบบเปิดและปิดได้ 4. ให้ค ำจ ำกัดควำมเครื่องยนต์ควำมร้อนตู้เย็นและปั๊มควำมร้อน 5. ใช้กฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์เพื่อประเมินประสิทธิภำพของวัฏจักรย้อนกลับได้ 6. อธิบำยอสมกำรของคลอเซียสและเอนโทรปีได้ 7. อธิบำยกระบวนกำรย้อนกลับและไม่สำมำรถย้อนกลับได้ 8. ระบุหลักกำรของกำรเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีได้ เครื่องท ำควำมเย็นและเครื่องปรับอำกำศเกี่ยวข้องกับกำรถ่ำยเทควำมร้อนและกำรท ำงำน นอกเหนือจำกกำรไหลของของเหลว สันนิษฐำนว่ำผู้อ่ำนมีพื้นฐำนและได้ศึกษำรำยวิชำอุณหพล ศำสตร์วิศวกรรม กลศำสตร์ของไหลและกำรถ่ำยเทควำมร้อนมำแล้วบ้ำง ดังนั้น ในหน่วยนี้จะ เป็นกำรทบทวนแนวคิดพื้นฐำนบำงประกำรของวิชำเหล่ำนี้ที่เกี่ยวข้องกับเครื่องท ำควำมเย็นและ เครื่องปรับอำกำศ 2.1 พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์ อุณหพลศำสตร์หรือ เทอร์โมไดนำมิกส์(Thermodynamics) ซึ่งเป็นค ำที่มำจำก ภำษำกรีซ สองค ำ คือ Theme หมำยถึงควำมร้อน กับ Dynamics ที่หมำยถึงกำรเคลื่อนที่ เป็นวิทยำศำสตร์ ที่มุ่งเน้นกับกำรศึกษำพลังงำน กำรเปลี่ยนแปลงของพลังงำนควำมร้อน และควำมสัมพันธ์กับ สถำนะของสสำร กำรเคลื่อนที่ของปริมำณควำมร้อน กำรเปลี่ยนรูปของปริมำณควำมร้อน กำร อนุรักษ์พลังงำนของระบบต่ำงๆ รวมไปถึงกำรศึกษำด้ำนต่ำงๆ ของคุณสมบัติของสำรท ำงำน (Working substance) และสสำรที่ใช้ในงำนอุณหพลศำสตร์ หรือกล่ำวได้ว่ำเป็นวิทยำศำสตร์ พื้นฐำนที่เกี่ยวกับพลังงำน โดยอำศัยหลักกำรอนุรักษ์พลังงำน (Conservation energy) หรือ กฎ ข้อที่หนึ่งของอุณหพลศำสตร์(The first law of thermodynamics) คือ พลังงำนไม่สำมำรถถูก ท ำลำยหรือสร้ำงขึ้นได้ แต่พลังงำนสำมำรถเปลี่ยนรูปพลังงำนได้ เช่น พลังควำมร้อนเปลี่ยนเป็น พลังงำนกลในเครื่องยนต์สันดำปภำยใน เป็นต้น และผลรวมของพลังงำนจะมีค่ำคงที่เสมอตำม กฎข้อที่หนึ่งทำงอุณหพลศำสตร์ เนื่องจำกกำรด ำเนินกำรทำงวิศวกรรมทุกครั้งเกี่ยวข้องกับควำมสัมพันธ์ระหว่ำงพลังงำน และวัสดุหลักกำรของอุณหพลศำสตร์สำมำรถพบได้ในกิจกรรมทำงวิศวกรรมทั้งหมด อุณหพล

25 ศำสตร์อำจถือเป็นค ำอธิบำยพฤติกรรมของสสำรในสมดุลและกำรเปลี่ยนแปลงจำกสภำวะสมดุล หนึ่งไปอีกสภำวะหนึ่ง แนวคิดที่ส ำคัญของอุณหพลศำสตร์คือพลังงำนและเอนโทรปีหลักกำร ส ำคัญสองประกำรของอุณหพลศำสตร์เรียกว่ำกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศำสตร์ตำมที่ได้ กล่ำวไปข้ำงต้น คือ กฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์เกี่ยวข้องกับพลังงำน แนวคิดเรื่องพลังงำน แสดงถึงควำมพยำยำมที่จะหำควำมแปรปรวนในเอกภพทำงกำยภำพ หรือสิ่งที่ยังคงคงที่ ท่ำมกลำงกำรเปลี่ยนแปลง กฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์อธิบำยแนวคิดของเอนโทรปี (Entropy) ตัวอย่ำงเช่น กำรเปลี่ยนแปลงพลังงำนที่เกิดขึ้นตำมธรรมชำติทุกครั้งจะมำพร้อมกับ กำรสูญเสียพลังงำนที่จะให้เกิดประสิทธิภำพของงำนในอนำคต ช่วงปี ค.ศ. 1822 – 1888 Rudolf Clausius นักฟิสิกส์ชำวเยอรมัน ได้คิดค้นพบแนวคิดของ เอนโทรปีเพื่ออธิบำยปริมำณกำรสูญเสียพลังงำนที่มีอยู่ในกำรเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นตำม ธรรมชำติทั้งหมด แม้ว่ำตำมธรรมชำติควำมร้อนจะไหลจำกสิ่งที่ร้อนกว่ำไปยังสิ่งที่เย็นกว่ำซึ่ง สัมผัสได้สอดคล้องกับกำรเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีเป็นไปได้ที่จะท ำให้ควำมร้อนไหลจำกสิ่งที่เย็น กว่ำไปยังสิ่งที่ร้อน เช่นเดียวกับสิ่งที่เป็นอยู่กับตู้เย็นหรือเครื่องท ำควำมเย็นในปัจจุบัน อย่ำงไรก็ ตำมสิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นตำมธรรมชำติตำมหลักกำรพื้นฐำนของอุณหพลศำสตร์พลังงำนของโลก คงที่และเอนโทรปีของโลกเพิ่มขึ้นโดยไม่มีขีดจ ำกัด สำระส ำคัญของหลักกำรนี้คือเรำไม่สำมำรถ รับอะไรได้เลย หลักกำรที่สองเน้นว่ำทุกครั้งที่ได้รับบำงสิ่งบำงอย่ำง โอกำสที่จะได้รับสิ่งนั้นใน อนำคตจะลดลงด้วยจนในที่สุดจะไม่มีกำร "รับ" อีกต่อไป กำรให้เหตุผลทำงอุณหพลศำสตร์จะมำจำกกฎทั่วไปไปจนถึงกรณีเฉพำะ นั่นก็คือ กำรให้ เหตุผลเป็นนิรนัย คือกำรให้เหตุผลโดยกำรน ำควำมรู้พื้นฐำนจำกกฎ หรือบทนิยำม ซึ่งเป็นสิ่งที่รู้ มำก่อนและยอมรับว่ำเป็นจริงมำประกอบเพื่อน ำไปสู่ข้อสรุปมำกกว่ำกำรให้เหตุผลเป็นอุปนัย คือ เป็นวิธีกำรสังเครำะห์ควำมจริงแบบทั่วไปจำกกำรสังเกตหรือกำรทดลองหลำยครั้งและสิ่งที่ได้ เรียนรู้มำจำกผู้อื่นนั่นเอง เพื่อแสดงให้เห็นถึงองค์ประกอบของกำรให้เหตุผลทำงอุณหพลศำสตร์ กระบวนกำรวิเครำะห์อำจแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน คือ ขั้นตอนที่ 1 ทำงอุดมคติหรือใช้แบบจ ำลองวิเครำะห์แทนระบบจริงด้วยกระบวนกำรทำง วิทยำศำตร์ประยุกต์(Engineering sciences) ทั้งหมด เพรำะฉะนั้นทักษะในกำรสร้ำงอุดมคติ เป็นส่วนส ำคัญของศิลปะทำงวิศวกรรม ขั้นตอนที่ 2 เอกลักษณ์เฉพำะของอุณหพลศำสตร์คือกำรให้เหตุผลเชิงนิรนัยจำกกฎข้อที่ หนึ่งและสองของอุณหพลศำสตร์ ขั้นตอนเหล่ำนี้เกี่ยวข้องกับ (1) ควำมสมดุลของพลังงำน (2) ควำมสัมพันธ์ของสมบัติที่ เหมำะสม และ (3) กำรเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี[1] 2.1.1 สมบัติทำงอุณหพลศำสตร์ สมบัติทำงอุณหพลศำสตร์จะเป็นสิ่งที่สังเกตได้วัดได้หรือค ำนวณได้ในระบบที่มี สภำวะสมดุลทำงอุณหพลศำสตร์นั้นสภำวะทำงอุณหพลศำสตร์ถูกก ำหนดโดยสมบัติทำง อุณหพลศำสตร์สมดุลทำงอุณหพลศำสตร์จะอ้ำงอิงกับควำมสมดุลทำงกล ควำมร้อนและทำงเคมี ก็คือกำรไม่มีกำรสมดุลของแรง กำรไม่มีกำรสมดุลทำงควำมร้อนและกำรถ่ำยเทมวล และกำรไม่

26 มีปฏิกิริยำทำงเคมีตำมล ำดับ อุณหพลศำสตร์เกี่ยวข้องกับกำรเปลี่ยนแปลงในระบบจำกสภำวะ สมดุลหนึ่งไปเป็นสภำวะสมดุลอื่น [2] สมบัติทำงอุณหพลศำสตร์ที่พบบ่อยคืออุณหภูมิควำมดัน ปริมำตร หรือควำมหนำแน่นจ ำเพำะ พลังงำนภำยใน เอนทำลปีและเอนโทรปีสถำนะระบบ คือ เงื่อนไข หรือกำรก ำหนดค่ำที่มีรำยละเอียดที่ชัดเจนและเพียงพอเพื่อให้สถำนะหนึ่งแตกต่ำงจำก สถำนะอื่นๆ และสมบัติอิสระจ ำนวนเพียงพอถือเป็นค ำจ ำกัดควำมที่สมบูรณ์ของสถำนะของ ระบบก็ได้สถำนะอำจถูกระบุหรืออธิบำยที่สังเกตได้สมบัติทำงมหภำค เช่น อุณหภูมิควำมดัน และควำมหนำแน่น สมบัติแต่ละอย่ำงของสำรในสถำนะที่ก ำหนดมีค่ำเพียงค่ำเดียว สมบัตินี้มีค่ำ เท่ำกันส ำหรับสถำนะที่ก ำหนดเสมอไม่ว่ำสำรจะมีสถำนะอย่ำงไร อันที่จริงแล้ว สมบัติสำมำรถ ก ำหนดเป็นปริมำณใดๆ ที่ขึ้นอยู่กับสถำนะของระบบและเป็นอิสระจำกเส้นวิถีโดยที่ระบบมำถึง สถำนะที่ก ำหนดนั้น ในทำงกลับกันสถำนะถูกระบุหรืออธิบำยโดยสมบัติของมันเอง 2.1.2 ระบบและสภำพแวดล้อม กำรใช้ประโยชน์ของอุณหพลศำสตร์จะต้องก ำหนดค ำจ ำกัดควำมของระบบ (System) และก ำหนดสิ่งแวดล้อม (Surrounding) ระบบสำมำรถเป็นวัตถุก็ได้ปริมำณของสสำร ใดๆ ก็ได้หรือพื้นที่ใดๆ ที่เลือกที่จะใช้ส ำหรับกำรศึกษำ และแยก (ทำงควำมคิดหรือทำง จินตนำกำร) ออกจำกทุกสิ่งทุกอย่ำง ซึ่งจะกลำยเป็นสภำพแวดล้อม ระบบที่สนใจในทำง อุณหพลศำสตร์มีขอบเขตจ ำกัด และมองเป็นมหำภำคมำกกว่ำจุลภำค ไม่มีกำรพิจำรณำ โครงสร้ำงโดยละเอียดของสสำรและมีเพียงลักษณะภำยนอกของระบบ เช่น อุณหภูมิและควำม ดันเท่ำนั้นที่ถือเป็นพิกัดอุณหพลศำสตร์ทุกอย่ำงภำยนอกระบบคือสภำพแวดล้อม และระบบถูก แยกออกจำกสภำพแวดล้อมตำมขอบเขตของระบบ ขอบเขตเหล่ำนี้อำจเคลื่อนย้ำยได้หรือคงที่ ไม่ว่ำจะเป็นของจริงหรือจินตนำกำร ระบบ มีควำมหมำยได้หลำกหลำยขึ้นอยู่กับบริบท ค ำจ ำกัดควำมที่ถือเป็นกลำงที่ ใช้ได้ส ำหรับระบบทุกประเภทว่ำ ระบบ คือชุดขององค์ประกอบกำรโต้ตอบซึ่งท ำงำนในลักษณะ องค์รวมเพื่อท ำหน้ำที่เฉพำะ ระบบทำงอุณหพลศำสตร์เกี่ยวข้องกับกำรรวบรวมสสำรที่แตกต่ำงจำกสิ่งแวดล้อม โดยใช้ขอบเขต [3] รูปที่ 2.1 แสดงระบบและกำรแยกจำกสิ่งแวดล้อมโดยใช้ขอบเขต (Boundary) ขอบเขตสำมำรถแก้ไขหรือเคลื่อนที่ได้เมื่อกล่ำวถึงมวลควบคุมหรือระบบ ทุกสิ่งทุกอย่ำงที่อยู่ ภำยนอกระบบจะเรียกว่ำ “สิ่งแวดล้อม” โดยระบบจะแยกออกจำกสิ่งแวดล้อมโดยมีขอบเขตของ ระบบใช้เป็นตัวก ำหนดขอบเขต ระบบทำงอุณหพลศำสตร์มีฟังก์ชั่นที่แตกต่ำงกัน อำทิเช่น ใน เครื่องจักรไอน ้ำมีหลักกำรกำรท ำงำนโดยกำรเปลี่ยนแปลงพลังงำนจำกพลังงำนควำมร้อนเป็น งำนกล องค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นระบบเช่นนี้เรียกว่ำ ระบบย่อย ในระบบปิด (Closed systems) ไม่อนุญำตให้สิ่งใดเข้ำหรือออกจำกระบบ และด้วย เหตุนี้จึงไม่อนุญำตให้ถ่ำยโอนข้ำมขอบเขตของระบบ ขอบเขตของระบบจะเปลี่ยนมิติขึ้นอยู่กับ กำรเคลื่อนที่ของลูกสูบ แต่ไม่มีมวลเข้ำหรือออกจำกระบบ ดังรูปที่2.2 ในทำงตรงกันข้ำม ระบบ

27 เปิด (Open systems) อนุญำตให้ถ่ำยโอนสสำรข้ำมขอบเขตของระบบดังแสดงในรูปที่ 2.3 ขอบเขตของระบบยังคงคงที่มวลเข้ำและออกจำกระบบ รูปที่2.1 ระบบ สิ่งแวดล้อมและขอบเขตของระบบ (ดัดแปลงจำก [3]) รูปที่2.2 ระบบปิด (ดัดแปลงจำก [3]) รูปที่2.3 ระบบเปิด (ดัดแปลงจำก [3]) แนวคิดของระบบปิดทำงอุณหพลศำสตร์ระบบปิดเป็นระบบที่มีสสำรเป็นหนึ่ง เดียวกันตลอดเวลำ มวลของสสำรคงที่และกำรถ่ำยเทพลังงำนในรูปแบบของกำรถ่ำยเทควำม

28 ร้อนและกำรท ำงำนเกิดขึ้นข้ำมขอบเขตนั้น ดังแสดงในรูปที่ 2.4 ระบบปิดนี้เรียกอีกอย่ำงว่ำ ระบบควบคุมมวล หรือ control mass system แนวคิดของระบบเปิดทำงอุณหพลศำสตร์คือระบบที่มวลบำงส่วน (เช่นกำรไหลของ ของไหล) ข้ำมเขตของกำรควบคุมปริมำตรนอกเหนือจำกกำรถ่ำยเทพลังงำนในรูปแบบของกำร ถ่ำยเทควำมร้อนและงำน ระบบเปิดมักจะถูกควบคุมปริมำตรคงที่ในพื้นที่ว่ำงและขอบเขตของ มันเรียกว่ำ ปริมำตรควบคุม หรือ control volume ดังแสดงไว้ในรูปที่ 2.5 เมื่อมีของเหลวเข้ำสู่ ระบบที่จุดที่ 1 (ที่ทำงเข้ำ) ปริมำตรควบคุมโดยอัตรำกำรไหลของมวล m1 และพลังงำนภำยใน 1 u และออกจำกจุดที่2 (ที่ทำงออก) ด้วยพลังงำนภำยใน 2 u ต้องใช้งำนขับดันของเหลวเข้ำไปใน ระบบควบคุมปริมำตรด้วยแรงดันของระบบ 1 p ที่ทำงเข้ำ เช่นเดียวกันกับที่จุดที่ 2 ต้องใช้งำนขับ ให้ของไหลไหลออกจำกระบบควบคุมปริมำตรด้วยควำมดัน 2 p งำนที่กล่ำวถึงนี้เรียกว่ำ งำนที่ เกิดจำกไหล หรืองำนจำกกระบวนกำรไหล (Flow work) ที่เข้ำสู่ระบบนี้อำจมีพลังงำนจลน์และ พลังงำนศักย์เช่นกัน รูปที่2.4 ระบบปิด (ดัดแปลงจำก [3]) รูปที่2.5 ระบบเปิดกำรไหลคงที่ (ดัดแปลงจำก [3])

29 2.1.3 พลังงำน (Energy) ค ำจ ำกัดควำมของพลังงำน คือ ควำมสำมำรถที่จะท ำงำนได้ซึ่งงำนก็คือผลของกำร กระท ำของแรงกับกำรท ำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปในแนวของแรงกระท ำนั้น หรือผลคูณสเกลำร์ของแรง และเวกเตอร์กำรกระจัด ณ จุดที่ใช้แรง ดังแสดงในรูปที่ 2.6 และสำมำรถเขียนให้เป็นสมกำรที่ 2.1 W F x = (2.1) โดยที่ F คือ เวกเตอร์แรงที่ท ำหน้ำที่ในระบบและ x คือเวกเตอร์กำรกระจัด ผลรวม ของแรง จะเป็นดังสมกำร 2.2 2 1 = X X W Fdx (2.2) โดยเป็นกำรด ำเนินกำรรวมระหว่ำงสองจุดคือ x1 และ x2 เวกเตอร์แรงและกำรกระจัด ตำมเส้นทำงแสดงในรูปที่ 2.6 รูปที่2.6 ระบบเปิดกำรไหลคงที่ (ดัดแปลงจำก [3]) เมื่อแรงกระท ำบนพื้นที่ ผลลัพธ์ของควำมดันและงำนแสดงออกไว้ในสมกำรที่ 2.2 สำมำรถเขียนได้ในแง่ของควำมดันตำมสมกำรนี้แต่จะแสดงเป็นเครื่องหมำยลบเพื่อแสดงว่ำ ระบบท ำงำนในสภำพแวดล้อม หรือ (x2 > x1 ) ส ำหรับระบบของพื้นที่คงที่ เขียนสมกำรได้เป็น 2.3 และ 2.4 2 1 = - x x W p Adx (2.3) 2 1 = - V V W pdV (2.4) งำนมีหน่วยเดียวกับพลังงำน พลังงำนในหน่วยเอสไอ (The International System of Units, S.I.) คือจูล (J) และหน่วยส ำหรับอัตรำกำรถ่ำยเทพลังงำน (หรือก ำลัง) คือวัตต์(W) เช่น ในกรณีของลูกสูบบีบอัดก๊ำซ สภำพแวดล้อมท ำงำนบนระบบ (ในกรณีนี้คือก๊ำซ) แต่ในทำง

30 กลับกัน เมื่อก๊ำซขยำยตัวระบบอำจท ำงำนภำยใต้สภำพแวดล้อมแทน ในระหว่ำงกระบวนกำรอัด และขยำยตัวของก๊ำซ พลังงำนถูกเปลี่ยนจำกรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง กำรท ำเช่นนั้น พลังงำนทั้งหมดของทั้งระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นหลักกำรพื้นฐำนในทำงฟิสิกส์ที่ซึ่งจะ ได้ด ำเนินกำรต่อไปในส่วนอื่นภำยใต้กฎข้อที่หนึ่งทำงอุณหพลศำสตร์ พลังงำนตำมกฎกำรทรงพลังงงำนข้อที่1 ทำงเทอร์โมไดนำมิกส์ได้แก่ - พลังงำนจลน์(Kinetics energy) คือ พลังงำนจำกกำรเคลื่อนที่ของสสำรจำก ต ำแหน่งหนึ่งไปอีกต ำแหน่งหนึ่ง ในกรณีของระบบเปิดมีของไหลเข้ำหรือออกจำกระบบ (เรียกว่ำ งำนจำกกำรไหล) พลังงำนจลน์และพลังงำนศักย์ก็มีควำมส ำคัญเช่นกัน พลังงำนจลน์ต่อหน่วย เวลำถูกก ำหนดดังสมกำร 2.5 2 1 = 2 k E mc (2.5) โดยที่ m คืออัตรำกำรไหลของมวลและ c คือควำมเร็วของของไหล - พลังงำนศักย์ (Potential energy) คือ พลังงำนเนื่องจำกต ำแหน่งของสสำรใน แรงดึงดูดหรือแรงโน้มถ่วงของโลก พลังงำนศักย์ถูกก ำหนดดังสมกำร 2.6 = p E mgz (2.6) โดยที่g คือควำมเร่งเนื่องจำกแรงโน้มถ่วงและ z คือควำมสูงจำกต ำแหน่งอ้ำงอิง - พลังงำนภำยใน (Internal energy) คือ พลังงำนรูปแบบอื่นที่แตกต่ำงจำก พลังงำนจลน์และพลังงำนศักย์เช่น พลังงำนจำกกำรเคลื่อนที่ของโมเลกุลในสสำร พลังงำนจำก แรงกระท ำทำงไฟฟ้ำของสสำร พลังงำนจำกกำรหมุนของโมเลกุลในสสำร และพลังงำนจำกกำร เคลื่อนที่ของอะตอมในสสำร 2.1.4 งำนจำกกระบวนกำรไหล งำนที่เกิดจำกไหล (Flow work) หรืองำนจำกกระบวนกำรไหล ในระบบจะเป็น ของเหลวเข้ำและออกจำกระบบ ซึ่งระบบต้องมีงำนที่เกิดจำกกำรไหลของของเหลวที่จะเข้ำสู่ ระบบกับควำมดันของระบบและในเวลำเดียวงำนที่เกิดจำกกำรไหลจะต้องขับดันของเหลวออก จำกระบบ ดังในภำพที่ 2.7 ควำมเร็วของของเหลวที่ทำงเข้ำ 1 คือ V1 พื้นที่ของท่อทำงเข้ำคือ A1 และควำมดันในปริมำตรควบคุมคือ p1 ที่ช่วงเวลำ t สมมุติฐำนว่ำของเหลวในช่วงระยะควำม ยำวในช่วงเวลำนั้น V1 t ของในท่อจะถูกผลักเข้ำไปในปริมำตรควบคุมกับควำมดัน p1 งำนที่ท ำ ในเวลำนั้นเป็น t=W =แรง×ระยะทำง=p1A1 (V1 t)=p (2.7) เมื่อ v1 คือปริมำตรจ ำเพำะของของเหลวที่ทำงเข้ำและ m1 คืออัตรำกำรไหลของมวล ดังนั้น

31 1 1 1 1 m V A v = 1 1 1 1 V A m v = (2.8) จำกสมกำรที่ (2.7) ลดรูปเป็น 1 1 1 dW m p v t = อัตรำกำรไหลของงำนจำกกระบวนกำรไหลเป็น 1 1 1 dW dt m p v / = (2.9) เช่นเดียวกัน คือ ที่ทำงออกที่ต ำแหน่ง 2 งำนจำกกระบวนกำรไหลเป็น m p v 2 2 2 ที่ ต้องขับดันของเหลวออกจำกระบบ ดังนั้นจึงเห็นได้ว่ำงำนกำรไหลจ ำเพำะนั้นได้รับจำกผลคูณของควำมดัน p และ ปริมำตรเฉพำะ v เช่น งำนจำกกระบวนกำรไหล = pv รูปที่2.7งำนจำกกระบวนกำรไหลของของไหลเข้ำและออกจำกระบบ (ดัดแปลงจำก [2]) 2.1.5 พลังงำนภำยใน พลังงำนภำยใน (Internal energy; U) ของสำรใดๆ คือ ผลรวมของพลังงำนจลน์ อัน เนื่องมำจำกกำรเคลื่อนที่ กำรสั่น กำรหมุนของโมเลกุล กำรเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน และรวมถึงพลังงำนศักย์อันเนื่องมำจำกแรงกระท ำระหว่ำงโมเลกุล และระหว่ำงอนุภำค ต่ำงในโมเลกุล ส ำหรับแก๊สอุดมคติ1 โมลจะได้ควำมสัมพันธ์ดังนี้ 3 3 = = 2 2 U PV RT (2.10) พลังงำนภำยในไม่สำมำรถหำได้โดยตรง จะหำได้จำกกำรทดลอง คือ หำได้จำกกำร เปลี่ยนแปลงพลังงำนภำยใน ที่สภำวะแรกและสภำวะสุดท้ำย เช่น ถ้ำระบบเปลี่ยนพลังงำน

32 ภำยในจำก U1 เป็น U2 ดังนั้นกำรเปลี่ยนแปลงพลังงำนภำยในคือ U = U2 - U1 และพลังงำน ภำยในจะไม่ขึ้นกับวิถีกำรเปลี่ยนแปลง ดังนั้นพลังงำนภำยในเป็นฟังกช์สภำวะ จำกสมกำรที่ได้จำกกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศำสตร์ในระบบปิด กำรเปลี่ยนแปลง พลังงำนภำยในจะขึ้นกับควำมร้อนที่ถ่ำยเทระหว่ำงระบบกับสิ่งแวดล้อมและงำนที่เกิดขึ้นเท่ำนั้น U = q + w (2.11) ค่ำ U เป็นค่ำกำรเปลี่ยนแปลงพลังงำนภำยในที่ขึ้นกับสภำวะเริ่มต้นและสภำวะ สุดท้ำยเท่ำน้ ัน ดังนั้น สูตรส ำหรับกำรเปลี่ยนแปลงเชิงอนุพันธ์(Differential change) จะได้ว่ำ dU dq dw = + (2.12) จำกสมกำรที่2.10, 2.11 และ 2.12 ส ำหรับระบบที่ประกอบด้วยแก๊สอุดมคติ จะได้ 2 1 = - V ext V U q P dV (2.13) 2.1.6 เอนทำลปี เอนทำลปี(Enthalpy) เป็นควำมเหมำะสมในกำรรวมกันของงำนจำกกำรไหลจ ำเพำะ (p11 ) กับพลังงำนภำยใน (u1 ) ที่ทำงเข้ำระบบเนื่องจำกทั้งคู่ท ำให้พลังงำนของระบบเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกันกับที่ทำงออกพลังงำนภำยในจ ำเพำะ u2 และงำนจำกกำรไหลจ ำเพำะ p22 สำมำรถ รวมกันตั้งแต่แรกจะลดพลังงำนของระบบในขณะที่ของไหลไหลออกจำกระบบ ผลรวมของ พลังงำนภำยในจ ำเพำะและงำนจำกกำรไหลจ ำเพำะเรียกว่ำ เอนทำลปี(Enthalpy) ปริมำณของ พลังงำนนี้แสดงด้วยสัญลักษณ์h และถูกก ำหนดเป็น h=u+p (2.14) ดังนั้น ส ำหรับระบบเปิดจะเหมำะสมที่จะใช้ในกำรพิจำรณำเอนทำลปีแทนพลังงำน ภำยในของของเหลวที่ทำงเข้ำและทำงออกเพื่อให้งำนจำกำรไหลรวมอยู่ในนั้น 2.2 กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ หลักกำรอนุรักษ์พลังงำนระบุว่ำพลังงำนไม่สำมำรถสร้ำงหรือท ำลำยได้ซึ่งเป็นหนึ่งในกฎที่ ส ำคัญที่สุดในฟิสิกส์หลักกำรเดียวกันนี้ไม่เพียงแต่ใช้กับพลังงำนเท่ำนั้น แต่ยังรวมถึงมวลด้วย กฎเหล่ำนี้เป็นพื้นฐำนของหลำยวิชำในวิทยำศำสตร์กำยภำพและมีควำมส ำคัญต่อกำรศึกษำ อุณหพลศำสตร์

33 กฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์คือหลักกำรของกำรอนุรักษ์พลังงำนที่ใช้กับระบบอุณหพลศำสตร์ ในวัฏจักรอุณหพลศำสตร์ที่สมบูรณ์ผลรวมของงำนสุทธิและควำมร้อนสุทธิที่ถ่ำยโอน จำกสภำพแวดล้อมไปยังระบบควรเท่ำกับศูนย์เขียนเป็นสมกำรได้เป็น + =0 C C W Q (2.15) โดยที่ C เป็นผลรวมถูกด ำเนินกำรตลอดวัฏจักรอุณหพลศำสตร์ทั้งหมด 2.2.1 กระบวนกำรที่ไม่มีกำรไหล กระบวนกำรที่ไม่มีกำรไหล (Non-flow processes) ตำมกฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์ สำมำรถใช้ได้กับกรณีที่ไม่มีวัฏจักรอุณหพลศำสตร์ที่สมบูรณ์ในระบบที่ไม่มีกำรไหลเข้ำหรือออก จำกขอบเขตของระบบ (ระบบเปิด), ผลรวมของกำรเปลี่ยนแปลงอะตอม ในกำรท ำงำนและพลังงำน ควำมร้อนจะส่งผลให้เกิดกำรเปลี่ยนแปลงในพลังงำนภำยในของระบบ ด้วยเหตุนี้สมกำรพลังงำนที่ ไม่มีกำรไหลอำจเขียนได้ dW dQ dU + = (2.16) กำรบูรณำกำรระหว่ำงสองสถำนะใดๆ ได้เป็น W Q U + = (2.17) 2.2.2 กระบวนกำรไหลแบบคงตัว กระบวนกำรไหลแบบคงตัว (Steady flow processes) ในกรณีที่สสำรไหลเข้ำและ ออกจำกขอบเขตของระบบ พลังงำนที่เกี่ยวข้องกับกำรไหลเมื่อรวมกันจะมีค่ำเท่ำกันระหว่ำง พลังงำนเข้ำและพลังงำนออก รูปที่2.8 แสดงพลังงำนเข้ำและพลังงำนออกทั้งหมดส ำหรับระบบ ส ำหรับจุดประสงค์ของหน่วยนี้จะกล่ำวเน้นเฉพำะกรณีกำรไหลคงที่เท่ำนั้น ซึ่ง หมำยควำมว่ำเงื่อนไขอนุพันธ์ของเวลำเท่ำกับศูนย์จำกรูปที่ 2.8 พลังงำนเข้ำและออกที่ เกี่ยวข้องกับทำงเข้ำและทำงออกมีดังนี้ 1) pV เกี่ยวข้องกับงำนที่ท ำ (Work done) เพื่อขับธำตุหรือองค์ประกอบของ ของเหลวเข้ำและออกจำกระบบเพื่อเอำชนะแรงต้ำน 2) พลังงำนภำยในของของเหลว U 3) พลังงำนจลน์ของของเหลว ½ mC 2 4) พลังงำนศักย์ของของเหลว mgz นอกจำกนี้ยังมี, งำนและควำมร้อนถูกป้อนเข้ำสู่ระบบ กำรเขียนสมกำรกำรอนุรักษ์มวลส ำหรับทำงเข้ำและทำงออกเขียนได้เป็น 1 2 m m= (2.18)

34 ส ำหรับ N เป็นของอัตรำกำรไหลของมวลเข้ำ/ออก 1 = 0 N i i m = (2.19) รูปที่2.8 ระบบอุณหพลศำสตร์กำรไหลแบบคงแสดงพลังงำนเข้ำ (1) และพลังงำนออก (2) (ดัดแปลงจำก [3]) กำรเขียนสมกำรพลังงำนอยู่ทำงด้ำนซ้ำยมือและพลังงำนออกไว้ทำงด้ำนขวำมือได้เป็น 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 U p V mgz mc Q W U p V mgz mc + + + + + = + + + (2.20) หรือในเทอมของก ำลัง: 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 mu p V mgz mc Q W mu p V mgz mc + + + + + = + + + (2.21) กำรใช้สมกำร 2.14 แทนให้อยู่ในเทอมของเอนทำลปีจะได้ 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 mh mgz mc Q W mh mgz mc + + + + = + + 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 m h gz c Q W m h gz c ( + + )+ + = ( + + ) (2.22) โดยทั่วไป ส ำหรับ N ทำงเข้ำ/ออก 2 1 2 =1 ( + + ) + + =0 N i i i i m h gz c Q W (2.23) สมกำรนี้เรียกว่ำสมกำรพลังงำนกำรไหลคงที่

35 2.3 กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศำสตร์อธิบำยถึงปริมำณพลังงำนซึ่งเข้ำและ/หรือออกระหว่ำงระบบ อุณหพลศำสตร์ที่สัมพันธ์กับสภำพแวดล้อม กฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์อธิบำยทิศทำง ธรรมชำติของพลังงำน พลังงำนควำมร้อนไหลจำกอุณหภูมิสูงไปต ่ำ สิ่งนี้ถูกย้อนกลับ งำนเข้ำ จะต้องด ำเนินกำรภำยใต้สภำพแวดล้อมในระบบ ค ำจ ำกัดควำมของกฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์สำมำรถอธิบำยได้ดังนี้ “หากระบบรับพลังงานความร้อนจากแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูง พลังงานนั้นไม่สามารถ แปลงเป็นงานได้ทั้งหมดและพลังงานความร้อนบางส่วนจะต้องถูกถ่ายเทออกไปยังแหล่งที่มี อุณหภูมิต ่ากว่า” กฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์ยังบ่งบอกถึงคุณภำพ ในบริบทนี้คุณภำพจะหมำยถึง ควำมสำมำรถในกำรแปลงพลังงำนได้ง่ำยเพียงใด ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงพลังงำนควำมร้อน ทั้งหมดเป็นงำน ในทำงกลับกัน เป็นไปได้ที่จะแปลงงำนทั้งหมดเป็นควำมร้อน ค ำจ ำกัดควำม แสดงให้เห็นเป็นรูปที่2.9 ซึ่งควำมร้อนถูกกระจัดออกจำกแหล่งที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อผลิตงำน จำก พลังงำนควำมร้อนที่แหล่งอุณหภูมิสูงถูกถ่ำยโอนไปยังแหล่งที่มีอุณหภูมิต ่ำ กฎข้อที่สองของ อุณหพลศำสตร์ระบุว่ำ Q2 > 0 ถ้ำหำกพำรำมิเตอร์ของประสิทธิภำพระบบถูกก ำหนดให้เป็นงำน ออกหำรด้วยพลังงำนควำมร้อนเข้ำ สมกำรของประสิทธิภำพของระบบเขียนเป็น 1 = × 100% W Q (2.24) จำกกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศำสตร์, 1 2 W Q Q = - และโดยที่ 1 2 Q Q> 1 2 2 1 1 - = × 100% = 1 - × 100% Q Q Q Q Q (2.25) ซึ่งหมำยควำมว่ำกฎข้อที่สองระบุว่ำไม่มีระบบใดที่มีประสิทธิภำพ 100% <100% (2.26) 2.3.1 เอนโทรปี (Entropy) เอนโทรปี(Entropy) ใช้เพื่อก ำหนดคุณสมบัติจำกกฎข้อที่2 ของอุณหพลศำสตร์คือ กฎที่ว่ำด้วยคุณภำพของพลังงำนและกระบวนกำรที่เกิดขึ้นจริงในทำงอุณหพลศำสตร์ (Quality of energy and actual process) หรือไม่มีเครื่องจักรควำมร้อน หรือ heat engine ใดๆ ที่จะ สำมำรถท ำงำนให้เป็นวัฏจักรและสร้ำงงำนออกมำได้เมื่อได้รับควำมร้อนจำกแหล่งควำมร้อน เพียงเเหล่งเดียว

36 รูปที่2.9 ระบบก ำจัดพลังงำนควำมร้อนและผลิตงำนในสภำพแวดล้อม (ดัดแปลงจำก [3]) ในรูปที่ 2.10 แสดงว่ำ หำกควำมร้อนถูกถ่ำยเท Q12 และมีงำนบนระบบ W12จำก สถำนะจำกจุดเริ่มต้นที่ 1 ไปยังสถำนะ 2 พลังงำนภำยในของระบบจะเปลี่ยนจำก U1 เป็น U2 ดังนั้น U = U2 -U1 = Q12+W12 แต่หำกสัญลักษณ์ของ Q12 และ W12 ย้อนกลับด้ำน พลังงำน ภำยในจะเปลี่ยนจำก U2 เป็น U1 แต่อย่ำงไรก็ตำมระบบจะไม่กลับมำที่สถำนะ 1 เว้นแต่ควำม ร้อนและกำรถ่ำยเทงำนจะย้อนกลับได้ตำมกฎข้อที่ 1 และจำกสถำนะที่เกิดขึ้นนี้อธิบำยตำมกฎ ข้อที่2 จะไม่สมบูรณ์ มีบำงอย่ำงถูกเปลี่ยนแปลง ดังนั้นเรำไม่สำมำรถน ำระบบกลับสู่สถำนะที่1 ได้โดยกำรย้อนกลับสัญลักษณ์ของควำมร้อนและกำรถ่ำยเทงำน สิ่งนี้ไม่ได้เป็นผลที่เกิดจำก พลังงำนภำยใน ดังนั้นต้องระบุสมบัติบำงอย่ำงที่ใช้วัดปริมำณกำรกลับไม่ได้นี้สมบัตินี้คือ เอนโทรปี(Entropy) ระดับอุณหพลศำสตร์ถูกก ำหนดบนพื้นฐำนของอัตรำส่วนของควำมร้อนที่ถูกสกัด ออกและควำมร้อนที่ถูกถ่ำยเทออกของระบบอุณหพลศำสตร์จำกแหล่งควำมร้อนอุณหภูมิสูงไป แหล่งควำมร้อนอุณหภูมิต ่ำ หำกอุณหภูมิของแหล่งควำมร้อนอุณหภูมิสูงคือ T1 และของแหล่ง ควำมร้อนอุณหภูมิต ่ำคือ T2 , T1=T2 เมื่อ Q1= Q2 และ 2 2 1 1 = Q T T Q (2.27)

37 1 2 1 2 = Q Q T T (2.28) ระดับอุณหพลศำสตร์นี้ก ำหนดให้มีค่ำศูนย์สัมบูรณ์และเนื่องจำก Q2 ไม่สำมำรถเป็น ศูนย์ได้ตำมกฎข้อที่สองของอุณหพลศำสตร์ศูนย์สัมบูรณ์เป็นขีดจ ำกัดทำงทฤษฎีที่ไม่สำมำรถ เข้ำถึงได้ รูปที่2.10 กระบวนกำรย้อนกลับไม่ได้(Irreversible process) (ดัดแปลงจำก [2]) ส ำหรับกำรกระจำยอย่ำงต่อเนื่องของแหล่งควำมร้อนอุณหภูมิคงที่สิ่งนี้อำจถูกเขียน ในรูปแบบอินทิกรัลได้ดังสมกำร 2.29 หรือเรียกว่ำควำมไม่เท่ำเทียมกันของคลอเซียส หรือ อสมกำรของคลอเซียส (Clausius inequality) นิยำมของกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนำมิกส์อีก นิยำมหนึ่งที่นิยำมโดย Clausius (1876) กล่ำวว่ำ “ไม่มีอุปกรณ์ใดๆ ที่สำมำรถด ำเนินกำรเป็น วัฏจักรและสำมำรถถ่ำยเทควำมร้อนได้จำกแหล่งที่มีอุณหภูมิต ่ำกว่ำไปสู่แหล่งที่มีอุณหภูมิสูง กว่ำโดยปรำศจำกกำรให้งำนแก่ระบบ (Work in = 0)” 0 dQ T (2.29) ปริมำณ dQ T เป็นสมบัติทำงอุณหพลศำสตร์และเป็นที่รู้จักกันเป็นอย่ำงดีว่ำคือเอน โทรปีและมีหน่วยของจูล/เคลวิน (J/K) = dQ dS T (2.30) หำกเรำพิจำรณำผลรวมของปริมำณดังกล่ำวระหว่ำงสองสถำนะเท่ำนั้น นั่นคือเรำจะได้

38 2 2 1 1 = - = dQ S S S T (2.31) สมกำร 2.31 นี้ใช้กับกระบวนกำรย้อนกลับเท่ำนั้น เอนโทรปีจ ำเพำะถูกก ำหนดให้ เป็นเอนโทรปีต่อหน่วยมวล = S s m (2.32) 2.4 กระบวนการและวัฏจักร กระบวนกำร (Process) คือ เส้นทำงที่ระบบเปลี่ยนแปลงสภำวะจำกสภำวะเริ่มต้น ไปยัง สภำวะสุดท้ำย ซึ่งท ำให้คุณสมบัติบำงอย่ำงของระบบเปลี่ยนแปลงไป สรุปได้ว่ำ “เมื่อใดก็ตำม สมบัติเพียงหนึ่งหรือมำกกว่ำของระบบใดระบบหนึ่งเปลี่ยนแปลง แสดงว่ำระบบนั้นจะมี กระบวนกำรเกิดขึ้น กำรเปลี่ยนแปลงสภำวะของระบบจะอยู่บนกระบวนกำรนั้น” วัฏจักร (Cycle) หมำยถึงกำรด ำเนินกระบวนกำรของระบบหรือสำรท ำงำนที่ประกอบด้วย สองกระบวนกำรขึ้นไป แล้วท ำให้ระบบเปลี่ยนแปลงสภำวะจำกสภำวะเริ่มต้นหนึ่งๆ โดยผ่ำน กระบวนกำรต่ำงๆ จนกระทั่งมำถึงกระบวนกำรสุดท้ำยซึ่งท ำให้ระบบนั้นกลับคืนสู่สภำวะเริ่มต้น เดิม เรียกว่ำระบบด ำเนินครบวัฏจักร 2.4.1 กระบวนกำรไอโซบำริก ในกระบวนกำรไอโซบำริก (Isobaric process) หรือกระบวนกำรควำมดันคงที่ (Constant pressure process) กระบวนกำรนี้ไม่มีกำรเปลี่ยนแปลงควำมดัน (∆p = 0) ระหว่ำง สถำนะหนึ่งกับอีกสถำนะหนึ่ง ดังแสดงบนแผนภำพ p-V ในรูปที่2.11 จำกสมกำร 2.1 หรือสมกำรงำน เมื่อควำมดันคงที่ ได้สมกำรงำนเป็น 2 1 W p V V = - ( - ) (2.33) ส ำหรับกระบวนกำรย้อนกลับได้(Reversible process) งำนที่ท ำในระหว่ำง กระบวนกำร 1 ไป 2 เท่ำกับพื้นที่ใต้เส้นที่แสดงในรูปที่ 2.12 รูปที่2.11 กระบวนกำรไอโซบำริกบนแผนภำพ p-V (ดัดแปลงจำก [4])

39 จำกกฎข้อที่1 ของเทอร์โมไดนำมิคส์ จะได้ 2 1 2 1 Q p V V U U - ( - ) = - (2.34) รูปที่2.12 กระบวนกำรไอโซบำริกบนแผนภำพ p-V (ดัดแปลงจำก [4]) 2.4.2 กระบวนกำรไอโซคอริก ในกระบวนกำรไอโซคอริก (Isochoric process) หรือกระบวนกำรปริมำตรคงที่ (Constant volume process) ดังแสดงในแผนภำพ p-V ของรูปที่2.13 ปริมำตรยังคงเหมือนเดิม ตลอดกระบวนกำร (∆V = 0) แต่ระหว่ำงกระบวนกำรนั้นควำมดันและอุณหภูมิจะกำร เปลี่ยนแปลง ตัวอย่ำงเช่น กำรให้ควำมร้อนกับภำชนะปิดที่เต็มไปด้วยก๊ำซ รูปที่2.13 กระบวนกำรไอโซคอริกบนแผนภำพ p-V (ดัดแปลงจำก [4]) จำกสมกำรงำน เมื่อปริมำตรคงที่ งำนจะมีค่ำเท่ำกับ W= 0 (2.35) 2 1 Q U U = - (2.36) 2.4.3 กระบวนกำรไอโซเทอร์มอล กระบวนกำรไอโซเทอร์มอล (Isothermal process) หรือกระบวนกำรอุณหภูมิคงที่ (Constant temperature process) กระบวนกำรอุณหภูมิคงที่สำมำรถมองเห็นได้โดยใช้แผนภำพ อุณหภูมิ-เอนโทรปี (T-s) ดังแสดงในแผนภำพรูปที่ 2.14 เนื่องจำกอุณหภูมิยังคงคงที่ตลอด

40 กระบวนกำร ดังรูปที่2.14(a) ในทำงตรงกันข้ำมกันรูปที่2.14(b) แสดงกระบวนกำรบนแผนภำพ p-V แผนภำพดังกล่ำว เส้นกระบวนกำรตั้งอยู่บนเส้นอุณหภูมิคงที่ (เส้นที่อุณหภูมิมีค่ำไม่ แตกต่ำงกัน) จะได้สมกำรกำรเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีเป็น 2 2 1 1 = - = dQ s s s T (2.37) จำกพื้นที่ใต้เส้นกระบวนกำรในแผนภำพ T-s คือค่ำพลังงำนควำมร้อนด้วยซึ่งสำมำรถ หำได้จำก Q Tds = (2.38) สิ่งส ำคัญ คือต้องทรำบว่ำสิ่งนี้มีไว้ส ำหรับกระบวนกำรย้อนกลับ (Reversible process) เท่ำนั้น ส ำหรับกรณีอุณหภูมิคงที่ T=ค่ำคงที่ (T=Constant) และด้วยเหตุนี้ 2 1 Q T s s = ( - ) (2.39) (a) แผนภำพแสดงควำมสัมพันธ์ของ T-s (b)แผนภำพแสดงควำมสัมพันธ์ของ p-V รูปที่2.14 กระบวนกำรไอโซเทอร์มอล บนแผนภำพ T-s (a) และ p-V (b) (ดัดแปลงจำก [4]) 2.4.4 กระบวนกำรโพลีทรอปิก (Polytropic process) ในกระบวนกำรโพลีทรอปิกนั้น คือกระบวนกำรขยำยตัวและอัดตัวที่เกิดขึ้นจริงของ ก๊ำซ โดยที่ควำมดันและปริมำตรมีควำมสัมพันธ์กระบวนกำรจะเป็นไปตำมสมกำรต่อไปนี้ = n pV K (2.40) โดยที่ n เรียกว่ำดัชนีโพลีทรอปิก และ K เป็ นค่ำคงที่ ตำมค ำนิยำมกระบวนกำร โพลีทรอปิกเป็นกระบวนกำรที่ย้อนกลับได้ตำมที่ระบุในรูปขีดจ ำกัดสองข้อเป็น n→0 และ n→ สอดคล้องกับกระบวนกำรไอโซบำริกและปริมำตรคงที่ ตำมล ำดับ ดังนั้นกระบวนกำรก่อน หน้ำนี้จึงเป็นกรณีพิเศษของกระบวนกำรโพลีทรอปิก ส ำหรับสองสถำนะที่แสดงในรูปที่ 2.15

41 1 1 2 2 = n n p V p V (2.41) งำนที่ท ำสำมำรถประมำณได้จำก 2 1 = - V V W pdV และสมกำร 2.41 จำกสมกำรทำงคณิตศำสตร์สำมำรถลดรูปได้ 2 2 1 1 - = -1 p V p V W n (2.36) รูปที่2.15 กระบวนกำรโพลีทรอปิกบนแผนภำพp-V (ดัดแปลงจำก [4]) 2.4.5 กระบวนกำรอะเดียแบติกและกระบวนกำรไอเซนโทรปิค กระบวนกำรอะเดียแบติก (Adiabatic process) คืออกระบวนกำรที่ไม่มีกำรถ่ำยโอน พลังงำนควำมร้อนหรือออกจำกระบบ กระบวนกำรดังกล่ำวอำจมีทั้งแบบย้อนกลับหรือย้อนกลับ ไม่ได้จำกกฎข้อที่ 2 ทำงอุณหพลศำสตร์กำรเปลี่ยนแปลงพลังงำนควำมร้อนเป็น dQ Tds = = 0 (2.42) ซึ่งหมำยควำมว่ำเอนโทรปีส ำหรับกระบวนกำรอะเดียแบติกแบบย้อนกลับได้ยังคงไม่ เปลี่ยนแปลง คือ ds = 0 กระบวนกำรอะเดียแบติกแบบย้อนกลับได้จึงเป็นกระบวนกำร 2 1 = - V n V K W dV V 2 1 = - V n V W K V dV − 1- 1- 2 1 ( - ) = -1 n n K V V W n

42 ไอเซนทรอปิกเช่นกัน (เอนโทรปียังคงไม่เปลี่ยนแปลง) กระบวนกำร adiabatic ย้อนกลับได้ (และด้วยเหตุนี้isentropic) จะแสดงบนแผนภำพ T-s และ p-V ในรูปที่2.16(a) และ 2.16(b) กระบวนกำรอะเดียแบติกหรืออะไดอะบำติกนี้จะไม่ควำมร้อนสูญเสียจำกระบบหรือ ระบบไม่ไดรับควำมร้อนเพิ่มขึ้น ก็คือระบบไม่มีกำรถ่ำยทควำมร้อน q = 0 ดังนั้น U W = (2.43) ส ำหรับกระบวนกำรอ๊ะบำติกผันกลับได้ที่ประกอบด้วยแก๊สสมบูรณ์แบบ (Reversible adiabatic expansion of an ideal gas) dU pdV = - (2.44) (a) แผนภำพแสดงควำมสัมพันธ์ของ T-s (b)แผนภำพแสดงควำมสัมพันธ์ของ p-V รูปที่2.16 กระบวนกำรไอเซนทรอปิกบนแผนภำพ T-s และp-V (ดัดแปลงจำก [4]) ส ำหรับกระบวนกำรที่ผันกลับไม่ได้และมีกำรเปลี่ยนแปลงปริมำตร จะได้ = - ext dU p dV (2.45) จำกเนื้อหำที่กล่ำวมำข้ำงต้น ระบบ (System) กระบวนกำร (Process) จะมีควำม เชื่อมโยงกับในส่วนต่อจำกนี้ไปนั่นคือวัฏจักรทำงอุณหพลศำสตร์วัฏจักรทำงอุณหพลศำสตร์คือ ระบบที่มีสภำวะเริ่มต้นหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นสภำวะอื่น แต่สุดท้ำยจะกลับมำเป็นสภำวะ เริ่มต้นอีกครั้ง ตำมรูปที่2.17 หรือกำรที่สำรในระบบเกิดกำร เปลี่ยนแปลงไม่ว่ำจะกี่กระบวนกำร และกี่สภำวะก็ตำม สุดท้ำยจะย้อนกลับมำสู่สภำวะเริ่มต้นอีกครั้ง