นโยบายการจัดการความรู้ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ 1.ให้ใช้เครื่องมือการจัดการความรู้ผลักดัน คุณภาพคน และกระบวนทำงาน 2.ส่งเสริมการแลกเปลี่ยนประสบการณ์การทำงาน จากหน้างาน 3.ส่งเสริมให้มีเวทีเรียนรู้ร่วมกัน
อ่าน: 1652
ความเห็น: 0

พลังงานในการปั้นน้ำเป็นตัว

ในประเทศเมืองร้อนอย่างเมืองไทย การบริโภคน้ำแข็งเป็นเรื่องปกติ... แต่ทราบหรือไม่ว่า การทำน้ำแข็งต้องใช้พลังงานเท่าไร...

ขอออกตัวสักนิดก่อนนะครับว่า ชื่อเรื่องที่ตั้งไม่ได้มีเจตนาจะไปบิดเบือนความหมายเดิมของสำนวนไทยนะครับ ขอยืมมาตั้งชื่อให้มันดูเก๋นิดหน่อยเท่านั้นเองครับ หากไม่เป็นที่ถูกอกถูกใจของท่านใดก็ขออภัย ณ ที่นี่ไว้ก่อนก็แล้วกัน


ปั้นน้ำเป็นตัว” ที่จั่วหัวไว้ในที่นี้ก็คือ การทำน้ำให้กลายเป็นน้ำแข็งนั่นเองครับ หากถูกถามว่า ต้องใช้ปริมาณพลังงานเท่าไร จึงจะสามารถทำให้น้ำ 1 กก. กลายเป็นน้ำแข็ง หลายคนอาจจะบอกว่า ไม่เห็นจะตอบยากอะไร และเคยเรียนมาแล้วในระดับมัธยมศึกษา แต่ก็เชื่อว่า มีคนจำนวนมาก รวมทั้งวิศวกรเครื่องกลเองก็คงตอบเป็นตัวเลขตรงๆ ไม่ได้


สมัยที่ผมเรียนระดับมัธยมศึกษา ยังเป็นช่วงคนไทยส่วนใหญ่ไม่รู้จักระบบหน่วย SI แต่มักจะคุ้นกับหน่วยเมตริกเป็นหลัก และส่วนใหญ่จะจำกันได้ว่า หากต้องการทำให้น้ำ 1 กรัมมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซนติเกรด (สมัยนั้น ยังเรียกหน่วยของอุณหภูมิแบบนั้น แม้ว่า จะมีมติในที่ประชุม General Conference on Weights and Measures ครั้งที่ 9 เมื่อ ค.. 1948 กำหนดให้เปลี่ยนไปใช้หน่วย เซลเซียส เพื่อเป็นการระลึกถึงนายแอนเดอร์ เซลเซียส นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน ซึ่งเป็นคนแรกที่เสนอระบบการวัดอุณหภูมิที่ใกล้เคียงกับระบบนี้ในปี ค.. 1742) ต้องใช้ความร้อน 1 แคลอรี่ จะเห็นว่า เป็นตัวเลขที่จำได้ง่ายมาก แต่นั่นเป็นความร้อนสัมผัสที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการทำน้ำให้กลายเป็นน้ำแข็งโดยตรงมากนัก


ถ้าถามว่า ต้องใช้พลังงานเท่าไรจึงจะทำให้น้ำแข็ง 1 กรัมละลายกลายเป็นน้ำ เชื่อว่า มีคนที่ตอบได้ไม่กี่คน เพราะจำตัวเลขไม่ได้ แต่ส่วนใหญ่จะตอบได้ว่า ต้องใช้ความร้อนเท่ากับความร้อนแฝง (Latent Heat) ของการหลอมเหลวของน้ำ(แข็ง) หากเป็นหน่วยเมตริกก็คือ ประมาณ 80 แคลอรี่ และหากเป็นหน่วย SI ก็คือ 334 จูลน์นั่นเอง


มาถึงตรงนี้ ทุกคนอาจจะตอบว่า ถ้าอย่างนั้นพลังงานที่ต้องใช้ในการเปลี่ยนน้ำ 1 กรัมให้กลายเป็นน้ำแข็งก็ประมาณ 80 แคลอรี่ หรือ 334 จูลน์ ไม่เห็นจะเป็นคำถามที่ยากอะไร... แต่ต้องบอกว่า เป็นคำตอบที่ผิดครับ


ทั้งนี้เนื่องจากกระบวนการให้ความร้อน และกระบวนดูดความร้อนมีความแตกต่างกันคร้บ


การดึงความร้อนออกจากที่ใดที่หนึ่ง หรือจากวัตถุ ทำได้หลายวิธี แต่สำหรับการดึงความร้อนจากแหล่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิบรรยากาศ วิธีที่นิยมใช้มาก คือ วิธีการทำความเย็นที่ทำงานภายใต้วัฏจักรการทำความเย็นนั่นเองครับ


วัฏจักรการทำความเย็น ถือเป็นหลักวิชาของการเคลื่อนย้ายพลังงานความร้อนแบบหนึ่ง พลังงานที่ต้องใช้ในการเคลื่อนย้ายความร้อนโดยปกติไม่จำเป็นต้องเท่ากับปริมาณพลังงานความร้อนที่ถูกเคลื่อนย้าย นี่ก็คือ เหตุผลที่ว่า เหตุใดการทำน้ำ 1 กรัมให้กลายเป็นน้ำแข็ง จึงไม่ต้องใช้พลังงาน 334 จูลน์ เพราะในการย้ายความร้อนจำนวน 334 จูลน์ออกจากน้ำ 1 กรัมเพื่อให้มันกลายเป็นน้ำแข็งไม่จำเป็นต้องใช้พลังงาน 334 จูลน์


คำถามในที่นี่ก็คือ แล้วต้องใช้พลังงานเท่าไรในการย้ายความร้อน 334 จูลน์ออกจากน้ำ ?


หากยังพอจำกันได้ ปริมาณที่ใช้บอกสมรรถนะของระบบทำความเย็น ก็คือ ส...ของสมรรถนะ (Coefficient of Performance) หรือเรียกกันย่อๆ ว่า COP นั่นเองครับ เจ้า COP นี่เองที่เป็นตัวบอกความสามารถในการเคลื่อนย้ายความร้อนของระบบทำความเย็น เช่น หากระบบทำความเย็นมี COP เท่ากับ 3.5 ก็หมายความว่า ระบบนั้นสามารถเคลื่อนย้ายความร้อนปริมาณ 3.5 เท่าของพลังงานที่ต้องใช้ในการขับเคลื่อนระบบนั้น หากระบบนั้นต้องใช้พลังงาน 1 kW ระบบนั้นก็สามารถเคลื่อนย้ายความร้อนด้วยอัตรา 3.5 kW หรือ 3.5 กิโลจูลน์ต่อวินาที ซึ่งเท่ากับสามารถทำน้ำแข็ง 0 องศาเซลเซียสจากน้ำ 0 องศาเซลเซียสได้ในอัตรา 3500÷334 = 10.5 กรัมต่อวินาที หรือประมาณ 37.7 กิโลกรัมต่อชั่วโมง หรือพูดให้กระชับขึ้นก็คือ ระบบนี้สามารถทำน้ำแข็งจากน้ำ 0 องศาเซลเซียสได้ 37.7 กิโลกรัมด้วยกำลังไฟฟ้า 1 หน่วย (kWh) นั่นเองครับ


อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เราต้องลดอุณหภูมิของน้ำจากอุณหภูมิปกตื (ประมาณ 25-28 องศาเซลเซียส) ไปเป็นน้ำที่ 0 องศาเซลเซียส แล้วทำให้กลายเป็นน้ำแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส จากนั้น ก็ต้องลดอุณหภูมิของน้ำแข็งลงไปอีกประมาณ 8-10 องศาเซลเซียส เพื่อให้เป็นน้ำแข็งสุก จะได้ไม่ละลายเร็วเกินไป ดังนั้น ปริมาณความร้อนที่ต้องเคลื่อนย้ายออกจากน้ำ และน้ำแข็งจึงมากกว่า 334 จูลน์ต่อกรัม สำหรับประเทศที่มีอากาศร้อนอย่างเมืองไทย ความร้อนสัมผัสที่ต้องใช้เพิ่มขึ้นจะมีค่าประมาณ 50% ของความร้อนแฝง หากคำนึงถึงความร้อนสัมผัสจำนวนนี้ ก็จะทำให้กำลังไฟฟ้า 1 หน่วยสามารถใช้ผลิตน้ำแข็งได้ประมาณ 25 กิโลกรัมเท่านั้น (อย่าลืมว่า สำหรับระบบที่มี COP = 3.5 นะครับ)


แต่ก็อย่าลืมว่า ยังมีการสูญเสียเนื่องจากความร้อนจากสภาพแวดล้อมไหลเข้าไปในระบบด้วย ซึ่งก็จะเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้น


จะเห็นได้ว่า พลังงานที่ต้องใช้ในการผลิตน้ำแข็งขึ้นกับปัจจัยหลัก ๆ 2 ส่วน คือ ปริมาณความร้อนที่ต้องเคลื่อนย้าย (ความร้อนในน้ำ น้ำแข็ง และความร้อนจากภายนอกที่ไหลเข้าไปในระบบ) และ COP ของระบบทำความเย็น ปริมาณความร้อนที่ต้องเคลื่อนย้ายยิ่งน้อยก็ยิ่งดี แต่ก็ไม่อาจจะต่ำกว่าความร้อนแฝงและความร้อนสัมผัสของน้ำ ส่วนค่า COP ของระบบยิ่งสูงก็ยิ่งดี และเป็นค่าที่บ่งบอกความสามารถในการเคลื่อนย้ายความร้อนของระบบทำความเย็น

หมวดหมู่บันทึก: เรื่องทั่วไป
สัญญาอนุญาต: ซีซี: แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-อนุญาตแบบเดียวกัน Cc-by-nc-sa
สร้าง: 18 พฤศจิกายน 2556 08:39 แก้ไข: 06 สิงหาคม 2561 15:32 [ แจ้งไม่เหมาะสม ]
ดอกไม้
สมาชิกที่ให้กำลังใจ: Ico24 Our Shangri-La, Ico24 ServiceMan, และ 6 คนอื่น.
สมาชิกที่ให้กำลังใจ
 
Facebook
Twitter
Google

บันทึกอื่นๆ

ความเห็น

ไม่มีความเห็น

ร่วมแสดงความเห็นในหน้านี้

ชื่อ:
อีเมล:
IP แอดเดรส: 100.24.46.10
ข้อความ:  
เรียกเครื่องมือจัดการข้อความ
   
ยกเลิก หรือ