ในสาขาวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการแปลงพลังงาน การจัดการความร้อน และการออกแบบระบบ ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์พลังงานความร้อนถือเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง สาขานี้จะตรวจสอบการสร้าง การถ่ายโอน การแปลง และการใช้พลังงานความร้อน โดยรวมถึงอุณหพลศาสตร์ การถ่ายเทความร้อน และกลศาสตร์ของไหล บทความนี้ให้การวิเคราะห์ที่ครอบคลุมเกี่ยวกับแนวคิดหลัก หลักการพื้นฐาน และการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมในโลกแห่งความเป็นจริง เพื่อสร้างรากฐานที่มั่นคงในวิทยาศาสตร์พลังงานความร้อน
อุณหพลศาสตร์เป็นรากฐานสำคัญของวิทยาศาสตร์พลังงานความร้อน ซึ่งควบคุมกระบวนการแปลงพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างพลังงานความร้อนและรูปแบบพลังงานอื่นๆ กฎพื้นฐานสี่ข้อสร้างกรอบการทำงานสำหรับการทำความเข้าใจพฤติกรรมทางความร้อน
กฎข้อที่หนึ่งใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานกับระบบอุณหพลศาสตร์ โดยระบุว่าไม่สามารถสร้างหรือทำลายพลังงานได้ เพียงแค่เปลี่ยนรูปหรือถ่ายโอนเท่านั้น สำหรับระบบปิด การเปลี่ยนแปลงพลังงานเท่ากับความร้อนที่ดูดซับลบด้วยงานที่ทำ:
ΔU = Q - W
โดยที่ ΔU แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน, Q หมายถึงความร้อนที่ดูดซับ และ W หมายถึงผลผลิตของงาน พลังงานภายในประกอบด้วยพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุลทั้งหมด หลักการนี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวิเคราะห์สมดุลพลังงานในระบบต่างๆ เช่น เครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งพลังงานเคมีจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน และต่อมาเป็นงานเชิงกล
กฎนี้ควบคุมทิศทางของการแปลงพลังงาน โดยกำหนดว่ากระบวนการทางธรรมชาติจะเพิ่มเอนโทรปี ซึ่งเป็นมาตรวัดความผิดปกติของระบบ การกำหนดที่สำคัญ ได้แก่:
นัยของกฎหมายที่มีต่อประสิทธิภาพพลังงานนั้นลึกซึ้ง แสดงให้เห็นว่าการแปลงพลังงานที่สมบูรณ์แบบยังคงเป็นไปไม่ได้เนื่องจากการสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้
เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15°C) เอนโทรปีของระบบจะเข้าใกล้ค่าต่ำสุด หลักการนี้เป็นรากฐานของปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่อุณหภูมิต่ำ เช่น สภาพนำยิ่งยวด
กฎพื้นฐานนี้ระบุว่าระบบที่อยู่ในสมดุลความร้อนกับระบบที่สามจะต้องอยู่ในสมดุลซึ่งกันและกัน ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการวัดอุณหภูมิ
วิทยาศาสตร์การถ่ายเทความร้อนตรวจสอบการเคลื่อนที่ของพลังงานความร้อนผ่านกลไกหลักสามประการ: การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี
การนำความร้อนอธิบายถึงการถ่ายเทความร้อนผ่านปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล ซึ่งควบคุมโดยกฎของฟูริเยร์:
Q = -kA(dT/dx)
โดยที่ k แสดงถึงการนำความร้อน, A ระบุพื้นที่ถ่ายโอน และ dT/dx แสดงถึงการไล่ระดับอุณหภูมิ โลหะมีการนำไฟฟ้าสูง ในขณะที่ฉนวนแสดงค่าต่ำ
การพาความร้อนเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของของไหล ซึ่งจัดอยู่ในประเภทธรรมชาติ (ขับเคลื่อนด้วยแรงลอยตัว) หรือแบบบังคับ (ขับเคลื่อนด้วยกลไก) กฎการเย็นตัวของนิวตันอธิบายถึงการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน:
Q = hA(T s - T ∞ )
โดยที่ h แสดงถึงสัมประสิทธิ์การพาความร้อน ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติของของไหลและสภาวะการไหล
การแผ่รังสีความร้อนเกิดขึ้นผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตามกฎของสเตฟาน-โบลทซ์มันน์:
Q = εσAT 4
โดยที่ ε หมายถึงการแผ่รังสี และ σ แสดงถึงค่าคงที่ของสเตฟาน-โบลทซ์มันน์ (5.67×10 -8 W/m 2 K 4 ).
การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติมักเกี่ยวข้องกับกลไกการถ่ายเทความร้อนพร้อมกัน ซึ่งต้องมีการวิเคราะห์ที่ครอบคลุมผ่านแนวทางการสร้างแบบจำลองอย่างง่าย
กลศาสตร์ของไหลศึกษาการเคลื่อนที่ของของเหลวและก๊าซ ซึ่งมีอิทธิพลอย่างยิ่งต่อกระบวนการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนผ่านคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความหนาแน่น ความหนืด และแรงตึงผิว
อุปกรณ์ที่จำเป็นเหล่านี้อำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างของไหล โดยมีข้อควรพิจารณาในการออกแบบ ได้แก่:
เทคโนโลยีเหล่านี้ใช้การเปลี่ยนแปลงเฟสของสารทำความเย็นสำหรับการใช้งานทำความเย็น โดยใช้รอบการอัดหรือการดูดซึม ในขณะที่จัดการกับข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อมผ่านการเลือกสารทำความเย็น
วิธีการจัดเก็บ ได้แก่ ความร้อนสัมผัส (การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) ความร้อนแฝง (การเปลี่ยนแปลงเฟส) และการจัดเก็บสารเคมีความร้อน ซึ่งพบการใช้งานในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์และการนำความร้อนเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรมกลับมาใช้ใหม่
วิธีการคำนวณ เช่น การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดและพลศาสตร์ของของไหลเชิงคำนวณ ช่วยให้สามารถออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพระบบความร้อนได้อย่างซับซ้อน
เทคโนโลยีการวัด รวมถึงเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ มิเตอร์วัดการไหล และระบบจัดเก็บข้อมูล ให้การตรวจสอบเชิงประจักษ์สำหรับแบบจำลองทางทฤษฎี
เทคโนโลยีหมุนเวียนที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ ลม และพลังงานความร้อนใต้พิภพ แสดงถึงการพัฒนาที่สำคัญในวิทยาศาสตร์พลังงานความร้อน
ความก้าวหน้าจะมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงาน แหล่งพลังงานใหม่ ระบบพลังงานอัจฉริยะ และมาตรการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
วิทยาศาสตร์พลังงานความร้อนยังคงมีความสำคัญต่อการจัดการกับความท้าทายด้านพลังงานระดับโลก โดยมีนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องที่ให้คำมั่นสัญญาว่าจะนำไปสู่การพัฒนาที่ยั่งยืนอย่างมีนัยสำคัญ
