แก๊สอุดมคติและทฤษฎีจลน์ 3

พลังงานจลน์เฉลี่ย

โมเลกุลของแก๊สแต่ละตัวเคลื่อนที่แบบ random
และมีอัตราเร็วไม่เท่ากัน เราจึงจำเป็นต้องใช้สถิติ
เพื่อหาค่าเฉลี่ยของอัตราเร็วของโมเลกุลเหล่านี้
สำหรับแก๊สอะตอมเดี่ยว (เช่น He, Ar, Ne) พบว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของแก๊สเป็นไปตามสมการ

สังเกตว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยแปรผันตรงกับอุณหภูมิ
สำหรับแก๊สอะตอมคู่ (เช่น O₂) ที่อุณหภูมิไม่สูงมากนัก สัมประสิทธิ์ตัวเลขด้านหน้าจะเป็น 5/2

พลังงานจลน์รวม

พลังงานจลน์รวมของโมเลกุลของแก๊สสามารถหาได้จากการนำค่าเฉลี่ยมาคูณด้วยจำนวนโมเลกุล

อัตราเร็วรากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย (root-mean-square speed)

จากสมการพลังงานจลน์ เราสามารถเขียนพลังงานจลน์เฉลี่ย

โดยที่  คือ อัตราเร็วกำลังสองเฉลี่ย

นิยามอัตราเร็วรากที่สองของกำลังสองเฉลี่ย (root-mean-square speed) v_rms โดย

ดังนั้น 

การประยุกต์

เครื่องจักรความร้อน

ในเครื่องจักรความร้อน เราเปลี่ยนความร้อนให้เป็นงาน เครื่องจักเหล่านี้ใช้ประโยชน์ ในการขนส่งทั้งทางบก ทางน้ำ ทางอากาศ และทางอวกาศ และยังใช้เดินเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า ทำให้เรามีไฟฟ้าใช้

เครื่องยนต์สี่จังหวะ (Four-stroke engine)

            เครื่องยนต์ซึ่งทำงานเป็นวัฏจักรการเคลื่อนไหวของลูกสูบสี่ขั้นตอน  รถยนต์ส่วนมากมีเครื่องยนต์แบบใช้น้ำมันสี่จังหวะ   การเคลื่อนไหวแบบสี่จังหวะเริ่มต้นด้วย  (1) จังหวะดูด (induction stroke)  ลิ้นเชื้อเพลิง (ลิ้นไอดี)  เปิดขณะที่ลูกสูบเคลื่อนลงดูดเอาเชื้อเพลิง  (ไอน้ำมันและอากาศ)  เข้าสู่กระบอกสูบ     (2)  จังหวะอัด  (compression stroke)  ลิ้นจะปิดและลูกสูบเคลื่อนขึ้น  อัดเชื้อเพลิงไว้  (3)  จังหวะกำลัง  (power strode) หัวเทียนจุดระเบิดเชื้อเพลิง  ทำให้เกิดการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว  ความร้อนที่เกิดขึ้นทำให้ก๊าซในกระบอกสูบขยายตัวดันลูกสูบเคลื่อนลงมาเพื่อทำงาน เช่น  ขับเคลื่อนล้อรถ (4)  จังหวะคาย  (exhaust strode)  ลิ้นไอเสียเปิดขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นขับไล่ก๊าซเสียออกไป

เครื่องยนต์สองจังหวะ (Two-stroke engine)

            เครื่องยนต์ซึ่งทำงานเป็นวัฏจักรการเคลื่อนไหวของลูกสูบสองขั้นตอน รถจักรยานยนต์จำนวนมากมีเครื่องยนต์แบบสองจังหวะ  ลูกสูบจะเคลื่อนไหวเพื่อเปิด และปิดช่องหรือพอร์ท (port)  ในกระบอกสูบเมื่อลูกสูบเลื่อนขึ้นใน  จังหวะที่หนึ่ง (1)  เชื้อเพลิงซึ่งอยู่เหนือลูกสูบจะถูกอัด แล้วถูกจุดระเบิด  โดยหัวเทียนในขณะที่เชื้อเพลิงใหม่ผ่านช่องเชื้อเพลิงเข้ามาในบริเวรณใต้ลูกสูบที่เลื่อนขึ้นนั้น  ในจังหวะที่สอง (2)  ลูกสูบถูกดันลง ปล่อยให้ก๊าซเสียระบายออกไป  และดันเชื้อเพลิงใต้ลูกสูบขึ้นสู่บริเวณเหนือลูกสูบโดยผ่านช่องถ่ายโอน

เครื่องจักรไอน้ำ (Steam engine)

เครื่องจักรที่ทำงานโดยใช้ไอน้ำร้อนขับดัน รถไฟสมัยโบราณได้กำลังจากเครื่องจักรไอน้ำ ในเครื่องจักรไอน้ำ ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลง (หรือเดินหน้าและถอยหลัง)  อยู่ในกระบอกสูบเช่นเดียวกับลูกสูบในเครื่องยนต์ของรถยนต์  ไอน้ำร้อนที่มีความดันสูงจะไหลจากหม้อต้มน้ำไปยังกระบอกสูบ แล้วไอน้ำนี้จะขยายตัวดันลูกสูบทำให้ได้กำลังงานออกมา  ในกังหันไอน้ำ (steam  turbine)   ไอน้ำที่ขยายตัวจะผลักให้ใบพัดหมุน  และโดยเหตุที่กังหันไอน้ำมีใบพัดหลายชุด สำหรับทำงานที่ความดันไอสูง  ปานกลาง และต่ำ  กังหันจึงได้กำลังจากไอน้ำเต็มที่

เครื่องยนต์เจ็ต (Jet engine) 

เครื่องยนต์ซึ่งพ่นอากาศออกไปด้วยความเร็วสูง

      เครื่องบินส่วนมากใช้เครื่องบนต์แบบเจ็ต เครื่องยนต์เจ็ตคือกังหันก๊าซซึ่งใช้พาราฟินเป็นเชื้อเพลิงและขับดันเฉพาะเครื่องอัดเท่านั้น  ในขณะที่เครื่องยนต์เผาผลาญเชื้อเพลิงจะมีพวยอากาศร้อนและก๊าซอื่น ๆ ถูกขับออกจากท่อไอเสียของเครื่องยนต์และผลักดันเครื่องยนต์ไปข้างหน้า   เทอร์โปแฟน  (turbofan)  คือเครื่องยนต์เจ็ตที่มีพัดลมอันใหญ่อยู่ข้างหน้าพัดลมจะพัดให้อากาศที่อยู่รอบ ๆ กังหันก๊าซเข้ามารวมกับพวยอากาศทางด้านหลัง  เป็นการเพิ่มแรงผลักดันของเครื่องยนต์

• ไอน้ำอากาศและความดันไอ

    ไอน้ำในกาศที่เกิดจากการระเหยของน้ำ จะประพฤติตัวเหมือนกับแก๊ส คือมีความดัน ซึ่งเรียกว่าความดันไอ ที่อุณหภูมิหนึ่งๆ ความดันไอน้ำจะมีค่าสูงสุดค่าหนึ่ง เรียกว่า ความดันไออิ่มตัว และถ้าความดันสูงขึ้นโมเลกุลของไอน้ำจะอยู่ใกล้กันมากขึ้นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลจะทำให้โมเลกุลของน้ำจับตัวกันกลายเป็นหยดน้ำตกลงมายังแหล่งน้ำเดิม

ผู้สร้างเครื่องจักร

• ฮีโร่แห่งอเล็กซานเดรีย (Hero  of  Alexandria) 

นักฟิสิกส์กรีก  (ศตวรรษแรกของคริสต์ศักราช) ฮีโร่หรือฮีรอน  ได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำเครื่องแรกขึ้นมา  เรียกว่า  แอโอลิไพล์  ประกอบด้วย  หม้อต้มน้ำอยู่ใต้ทรงกลมกลวงที่มีช่องระบายอากาศสองช่อง  ไอน้ำจะมาตามท่อ  เข้าสู๋ทรงกลม  แล้วพุ่งออกจากช่องระบายทั้งสองทำให้ทรงกลมหมุนได้  แอโอลิไพล์นี้ไม่ได้มีการนำมาใช้งานจริงแต่อย่างใด

• เจมส์ วัตต์  (Jame Watt) วิศวกรสก็อต (ค.ศ.  1736-1819)

นับจากปี ค.ศ.  1700   เป็นต้นมาได้มีการพัฒนาเครื่องจักรไอน้ำขึ้นในประเทศอังกฤษ  โดยในปี  ค.ศ.  1768   เจมส์ วัตต์  ได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำ ที่มีประสิทธิภาพขึ้นเป็นครั้งแรก   นำไปสู่พัฒนาการต่อๆมาจนสามารถขับเคลื่อนเครื่องจักรได้ทุกชนิด  หน่อยเอสไอของกำลัง คือวัตต์  ตั้งตามชื่อของเขา

• แฟรงค์ วิทเทิล  (Frank  Whittle) วิศวกรอังกฤษ  (เกิด  ค.ศ.  1907)

แฟรงค์  วิทเทิล  มีแนวคิดเรื่องเครื่องยนต์เจ็ต ในปี ค.ศ.  1929   และได้ทดลองสร้างเครื่องยนต์นี้ขึ้นอย่างไรก็ตาม  เครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์เจ็ต ลำแรกสร้างในประเทศเยอรมนี  ในปี ค.ศ.  1939   เครื่องยนต์ของวิทเทิลเองถูกนำมาใช้ในเครื่องบินเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1941  และถือเป็นต้นแบบของเครื่องยนต์เจ็ตยุคใหม่

• ก็อตต์เลียบ  เดมเลอร์  ( Gottlieb  Daimler) วิศวกรเยอมัน (ค.ศ.  1834-1900)

เครื่องยนต์สันดาปภายในรุ่นแรกสุดใช้ก๊าซถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง ในปี  ค.ศ.  1883   เดมเลอร์ได้สร้างเครื่องยนต์แบบใช้น้ำมันที่ใช้งานได้เป็นเครื่องแรก  สองปีต่อมา เครื่องยนต์นี้จึงมีการนำมาใช้กับรถจักรยานยนต์เครื่องยนต์ดีเซล  (Diesel Engine)

• รูดอล์ฟ ดีเซล (Rudolph Diesel ค.ศ. 1858-1913)

ชื่อของเขากลายมาเป็นชื่อเครื่องยนต์ที่เขาได้ประดิษฐ์คิดค้นขึ้นมา ถูกขับเคลื่อนจากแรงกระตุ้นทางสังคมวิทยามากกว่าทางเงินตรา ในเวลานั้น การปฏิวัติทางอุตสาหกรรมกำลังอยู่ในยุคสูงสุดความฝันของดีเซลในการสร้างเครื่องยนต์ ที่ช่วยให้ผู้คนหลุดพ้นจากระบวนการใช้แรงงานเกี่ยวข้องกับเครื่องจักรอื่น ๆ รวมถึงเครื่องยนต์ที่ใช้แก๊ส เขาต้องการให้ผู้คนตัดสินใจใช้วิถีชีวิตด้วยตัวเอง มากกว่าจะให้เครื่องจักรที่พวกเขาสรรค์สร้างขึ้นตัดสินใจแทนตัวพวกเขา