สมดุลพลังงานในสภาวะคงตัว

Concept (แนวคิด)

สมดุลพลังงานเป็นการประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งระบุว่าพลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำลายได้ สำหรับกระบวนการเคมีแบบต่อเนื่อง เราจะวิเคราะห์ระบบเปิด (ปริมาตรควบคุม) ซึ่งมีมวลไหลข้ามขอบเขต ที่สภาวะคงตัว พลังงานรวมที่เข้าสู่ระบบจะเท่ากับพลังงานรวมที่ออกจากระบบ สำหรับอุปกรณ์ในกระบวนการส่วนใหญ่ (เช่น เครื่องทำความร้อน เครื่องทำความเย็น เครื่องอัดอากาศ) การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับเทอมของความร้อนและงานทางกล ดังนั้น สมดุลพลังงานจึงหมุนรอบ เอนทัลปี (Enthalpy, $H$) ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่รวมพลังงานภายในและงานจากการไหลเข้าด้วยกัน

Formula & Method (สูตรและวิธีการ)

สมการสมดุลพลังงานสภาวะคงตัวทั่วไปสำหรับระบบเปิดที่มีทางเข้าหนึ่งทางและทางออกหนึ่งทางคือ:

$\Delta H + \Delta E_k + \Delta E_p = Q - W_s$

โดยที่ $\Delta$ แทนค่า (ผลลัพธ์ขาออก - ผลลัพธ์ขาเข้า) หากละทิ้งการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ ($\Delta E_k$) และพลังงานศักย์ ($\Delta E_p$) สมการจะลดรูปลงเหลือ:

$\Delta H = Q - W_s$ $\dot{m}(h_{out} - h_{in}) = \dot{Q} - \dot{W}_s$

สำหรับอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนหรือถังที่ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว งานของเพลา $W_s = 0$ นำไปสู่: $\dot{Q} = \Delta \dot{H}$

Variables & Units (ตัวแปรและหน่วย)

• $\Delta H, \Delta \dot{H}$ = การเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี หรือ อัตราการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (จูล, kJ/h, วัตต์)
• $h$ = เอนทัลปีจำเพาะของสายของไหล (kJ/kg หรือ J/mol)
• $Q, \dot{Q}$ = ความร้อนที่ให้แก่ระบบ (หรืออัตราการถ่ายเทความร้อน) เป็นบวกหากความร้อนไหลเข้า
• $W_s, \dot{W}_s$ = งานของเพลาที่ทำ โดย ระบบให้กับสิ่งแวดล้อม เป็นบวกหากระบบทำงาน (เช่น กังหัน) เป็นลบหากมีงานกระทำต่อระบบ (เช่น ปั๊ม, เครื่องอัดอากาศ)
• $\dot{m}$ = อัตราการไหลเชิงมวล (kg/s)

Engineering Meaning (ความหมายทางวิศวกรรม)

สมดุลพลังงานสภาวะคงตัวช่วยให้วิศวกรสามารถกำหนดความต้องการด้านสาธารณูปโภค (utilities) ของโรงงานได้ การคำนวณ $\dot{Q}$ ช่วยให้วิศวกรออกแบบขนาดของหม้อไอน้ำ เตาเผา หรือหอหล่อเย็นที่จำเป็นได้ การคำนวณ $\dot{W}_s$ ช่วยให้ทราบถึงกำลังไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับเครื่องอัดอากาศและปั๊ม หรือกำลังที่ผลิตได้จากกังหัน เอนทัลปีเป็นสะพานเชื่อมสำคัญที่โยงอัตราการไหลของมวลเข้ากับความต้องการทางความร้อน

Engineering Check (การตรวจสอบทางวิศวกรรม)

ต้องกำหนดเครื่องหมายสำหรับความร้อนและงานอย่างรอบคอบเสมอ ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยคือการสับสนระหว่างงานที่ทำ ต่อ ระบบ กับงานที่ทำ โดย ระบบ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าเอนทัลปีจำเพาะที่ใช้มีการอ้างอิงถึงสถานะอ้างอิงทางอุณหพลศาสตร์เดียวกัน เมื่อมีการเปลี่ยนสถานะเกิดขึ้น (เช่น การเดือด) โปรดจำไว้ว่า $h$ ได้รวมความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอไว้แล้วโดยปริยายหากดึงข้อมูลมาจากตารางไอน้ำ (steam table)

Explicit Exclusions (ข้อยกเว้นที่ระบุชัดเจน)

บทความนี้ครอบคลุมเฉพาะสมดุลพลังงานแบบไม่มีปฏิกิริยา ไม่ครอบคลุมถึงสมดุลพลังงานในระบบที่มีปฏิกิริยา (ความร้อนของปฏิกิริยา, ความร้อนของการเกิด) สมดุลพลังงานสภาวะชั่วครู่ และการวิเคราะห์เอนโทรปี/พลังงานที่นำไปใช้ประโยชน์ได้ (exergy)