พื้นฐานสมดุลพลังงาน (Energy Balance Fundamentals)

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่า พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปได้ ในทางวิศวกรรม เราประยุกต์ใช้หลักการนี้โดยใช้ สมดุลพลังงาน ข้ามขอบเขตของระบบที่กำหนดไว้

ระบบปิด (Closed Systems)

ระบบปิดสามารถแลกเปลี่ยนความร้อนและงานกับสิ่งแวดล้อมได้ แต่ไม่มีมวลไหลข้ามขอบเขต สำหรับระบบปิดที่เข้าสู่กระบวนการจากสถานะ 1 ไปยังสถานะ 2 สมดุลพลังงานคือ:

$\Delta U + \Delta E_K + \Delta E_P = Q - W$

โดยที่:

• $\Delta U$ = การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน [J]
• $\Delta E_K$ = การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ [J]
• $\Delta E_P$ = การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ [J]
• $Q$ = ความร้อนที่ถ่ายโอน เข้าสู่ ระบบ [J]
• $W$ = งานที่ทำ โดย ระบบ [J]

(หมายเหตุ: ข้อกำหนดเครื่องหมาย $Q - W$ สมมติให้ความร้อนที่ไหลเข้ามีค่าเป็นบวก และงานที่ทำออกมีค่าเป็นบวก ตำราบางเล่มใช้ $Q + W$ โดยนิยามงานเป็นงานที่ทำ "ให้แก่" ระบบ ดังนั้นควรตรวจสอบข้อกำหนดเครื่องหมายเสมอ)

บ่อยครั้งที่การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ในระบบปิดมีค่าน้อยมากจนละทิ้งได้ ทำให้สมการง่ายขึ้นเป็น $\Delta U = Q - W$

ระบบเปิดแบบไหลคงตัว (Open Systems - Steady-Flow)

ระบบเปิดเกี่ยวข้องกับมวลที่ไหลข้ามขอบเขตของระบบ (เช่น ปั๊ม กังหัน อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน) สำหรับระบบเปิดที่สภาวะคงตัว (steady-state) พลังงานที่เข้าสู่ระบบจะเท่ากับพลังงานที่ออกจากระบบ

เนื่องจากมวลจะนำพาพลังงานเข้าและออกจากระบบด้วย เราจึงนำเสนอ เอนทัลปี (Enthalpy, $H$) ซึ่งรวมเอาพลังงานภายในและงานเนื่องจากการไหล (flow work, $U + PV$) เข้าด้วยกัน สมดุลพลังงานมหภาคแบบไหลคงตัวในรูปของอัตรา (rate basis) คือ:

$\Delta \dot{H} + \Delta \dot{E}_K + \Delta \dot{E}_P = \dot{Q} - \dot{W}_s$

โดยที่:

• $\Delta \dot{H}$ = ผลต่างของอัตราการไหลของเอนทัลปีระหว่างทางออกและทางเข้า [W หรือ J/s]
• $\dot{Q}$ = อัตราการถ่ายโอนความร้อนเข้าสู่ระบบ [W]
• $\dot{W}_s$ = อัตราการทำงานของเพลาที่ทำโดยระบบ [W]

การตรวจสอบทางวิศวกรรม

ในตัวอย่างข้างต้น เครื่องหมายบวกของ $\dot{W}_s$ ยืนยันว่ามีการผลิตกำลังไฟฟ้า 4 MW โดย ระบบ (กังหัน) ซึ่งตรงกับข้อกำหนดเครื่องหมายที่เราเลือกใช้ หากนี่เป็นเครื่องอัดอากาศ (compressor) ค่า $\dot{W}_s$ จะเป็นลบ ซึ่งบ่งบอกว่าต้องป้อนงาน ให้กับ ระบบ\n