Food science, food industrial technology on blog

หลักสมดุลพลังงานนั้นมีพื้นฐานมาจากกฏทางเทอร์โมไดนามิคส์ข้อที่ 1 ซึ่งเรียกว่า "กฏอนุรักษ์พลังงาน " ไม่ว่าจะป็นงานทางกล พลังงานจากกระแสไฟฟ้า และพลังงานความร้อนล้วนสามารถแสดงได้หน่วยเดียวกัน พลังงานกลที่ใส่เข้าไปในระบบสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นอย่างอื่นได้ไม่ว่าจะเป็นแรงต้านทาน พลังงานกระแสไฟฟ้า หรือพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นในไมโครเวฟที่มีการเพิ่มขึ้นของระดับปริมาณความร้อน จากหลักการที่ว่าพลังงานไม่สามารถสูญหายไปไหนนั้น เมื่อพิจารณาในระบบใดๆ สมการทั่วไปของสมดุลพลังงานคือ

ถ้าเป็นระบบคงตัวเทอมของพลังงานสะสมก็จะกลายเป็นศูนย์ ส่วนในกรณีที่เป็นระบบไม่คงตัวที่มีการสะสมของพลังงาน จะสามารถแสดงในรูปของอนุพันธ์เทียบกับตัวแปรใดๆที่สนใจ เมื่อภายในระบบมีการเปลี่ยนแปลงพลังงาน แต่ละเทอมก็จะต้องมีการแปรเปลี่ยนไปด้วย ปริมาณความร้อนสามารถแสดงในรูปของเอนทาลปีซึ่งเทียบโดยอุณหภูมิอ้างอิง พลังงานที่ใส่ไม่ว่าจะในรูปของพลังงานเชิงกล ไฟฟ้า แม่เหล็กไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปจากเดิมเมื่อมีการแลกเปลี่ยนระหว่างองค์ประกอบของระบบอย่างน้อยสอง ดังนั้นสมการทั่วไปของสมดุลพลังงานคือ

เทอมของพลังงาน

หน่วยของพลังงานในระบบSI คือ จูล(Joule,J) ซึ่งสามารถทำการแปลงหน่วยไปเป็นระบบอื่นได้ โดยการใช้แฟคเตอร์แปลงหน่วย ที่มีปรากฏในหนังสือวิศวกรรมทั่วไป หน่วยจูลสามารถเปลี่ยนไปมาให้อยู่ในรูปของพลังงานเชิงกล หรือไฟฟ้าได้ และแสดงในรูปของอัตราการไหลของพลังงาน ส่วนพลังงานการแผ่รังสีสามารถแสดงได้ในรูปของ Dose หรือปริมาณ ในหน่วย Gray,Gy อันมีฐานคำนวณจาก kJ/kg ในระบบ SI นอกจากนี้หน่วย rad เป็นพลังงานที่ดูดซับจากการแผ่รังสี โดย100rad เท่ากับ 1Gy

ความร้อน

ความร้อนสัมผัส (Sensible heat) เป็นพลังงานที่ถ่ายโอนกันระหว่างวัสดุ 2ชิ้น ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางอุณหภูมิขึ้น ส่วน ความร้อนแฝง (Latent heat) เป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะของสสาร ไม่ว่าจะเป็น พลังงานความร้อนแฝงในการหลอมเหลว (Latent heat of fusion) ที่เปลี่ยนสถานะระหว่างของแข็งกับของเหลว และพลังงานความร้อนแฝงของการระเหย (Latent heat of vaporization) ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนสถานะของแก๊สและของเหลว

ในทางเทอร์โมไดนามิคส์ได้มีการกำหนดนิยามของความร้อน (heat) ซึ่งใช้สัญลักษณ์ว่า q ไว้ว่า

ความร้อนเป็นพลังงานที่ถ่ายเทข้ามขอบเขตระบบที่มีอุณหภูมิสูงไปสู่ระบบอื่น หรือสิ่งแวดล้อมอื่นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า"

หน่วยของความร้อนในระบบSI จะมีหน่วยเหมือนกับงานคือ จูล และเนื่องจากการที่ความร้อนสามารถถ่ายเทเข้าออกจากระบบได้ จึงจำเป็นต้องมีการกำหนดเครื่องหมายของความร้อนเช่นเดียวกับงาน คือ

- ความร้อนที่ถ่ายเทเข้าสู่ระบบมีเครื่องหมายเป็นบวก

- ความร้อนที่ถ่ายเทออกจากระบบมีเครื่องหมายเป็นลบ

ปริมาณความร้อนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาวะระหว่างสภาวะที่ 1และ 2 ขึ้นอยู่กับลักษณะของกระบวนการ หรือกล่าวได้ว่าความร้อนเป็นฟังก์ชันเส้นทางเดินเช่นเดียวกับงาน ด้วยเหตุนี้รูปแบบสมการเชิงอนุพันธ์ของความร้อนจึงเป็นไม่แม่นตรง ซึ่งใช้สัญลักษณ์แทนว่า และหากอินทิเกรตจะได้ว่า

เมื่อ ₁Q₂ คือ ปริมาณความร้อนข้ามขอบเขตของระบบระหว่างการเปลี่ยนแปลงสภาวะของระบบจากสภาวะที่ 1ไปสภาวะที่ 2

สำหรับอัตราการถ่ายโอนพลังงานต่อเวลามีหน่วยเป็นวัตต์ตามระบบSI ถ้าการเปลี่ยนแปลงสภาวะของระบบไม่มีการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้น (Q=0) เราจะเรียกว่า กระบวนการแอเดียบาติค (Adiababic process)

เอนทาลปี

ในการวิเคราะห์ปัญหาทางเทอร์โมไดนามิคส์ เรามักพบสมบัติทางเทอรโมไดนามิคส์ เช่น ความดัน(P) พลังงานภายใน(U) และปริมาตร(V) ปรากฏอยู่ด้วยกันเสมอ เพื่อความสะดวกจึงได้กำหนดสมบัติตัวใหม่ขึ้นเพื่อใช้แทนกลุ่มของสมบัติทางเทอร์ดมไดนามิคส์ข้างต้น ซึ่งสมบัติที่กล่าวถึงนี้ คือ เอนทาลปี(H) ซึ่งเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ H โดยที่

H = U + PV

หลักสมดุลมวลสารมีบทบาทในการคำนวณทางวิศวกรรมอาหาร และเคมีอย่างมาก โดยมากการคำนวณหาปริมาณขององค์ประกอบต่างภายในระบบ มักจะทำการแก้ไขปัญหาเริ่มต้นด้วยหลักสมดุลมวลสาร พร้อมๆไปกับสมดุลพลังงาน ดังนั้นสมดุลพลังงานจึงเป็นพื้นฐานในการคำนวณในระดับสูงต่อไป ไม่ว่าจะเป็นการออกแบบสร้างอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน หรือการวางแผนกระบวนการต่าง ยกตัวอย่างเช่น กระบวนการตกผลึก, การทำแห้ง เป็นต้น

สมบัติของไออิ่มตัวและไออิ่มตัวยวดยิ่ง

ในอุตสาหกรรมอาหารมีการนำเอาน้ำมาใช้ประโยชน์ต่างๆมากมาย ไม่ว่าจะใช้เป็นตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อน น้ำยังเป็นองค์ประกอบหลักภายในอาหาร จากตารางไอน้ำซึ่งแสดงสมบัติต่างๆ ซึ่งมีประโยชน์เมื่อพิจารณาถึงการแลกเปลี่ยนพลังงานภายในระบบ ไม่ว่าจะเป็นในตัวผลิตภัณฑ์อาหาร และไอน้ำหรือน้ำ ในที่นี้จะกล่าวถึงการใช้ประโยชน์ของน้ำในแง่เป็นตัวกลางแลกเปลี่ยนความร้อน น้ำจัดเป็นทรัพยากรที่มีราคาถูกและหาได้ง่าย ที่ระดับความดัน 1atm (14.7psia = 30inHg) น้ำบริสุทธิ์จะเดือดที่ 100^oC และแข็งตัวเป็นน้ำแข็งที่ 0^oC น้ำไม่ว่าสถานะใดก็จะมีระดับพลังงานจำเพาะแตกต่างไป จะเห็นได้ว่าน้ำประกอบด้วย 3สถานะ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว และไอ

Saturated liquid

ของเหลวอิ่มตัว หมายถึง ของเหลวที่มีความดันสอดคล้องกับความดันในการกลายเป็นไอ เช่น น้ำในรูปของเหลวมีอุณหภูมิ 100^oC ที่ความดัน 1บรรยากาศ ซึ่งเทียบเท่ากับจุดเดือดของน้ำที่อุณหภูมิดังกล่าว

Saturated vapor

ไออิ่มตัว หมายถึง น้ำที่อยู่ในสถานะเป็นไอที่ความดัน และอุณหภูมิสัมพันธ์กับจุดเดือดของระบบ

ของผสมระหว่างไอกับของเหลว (Vapor-Liquid mixture)

ไอที่มีส่วนผสมระหว่างของเหลวกับไอจะเรียกว่าของผสมระหว่างไอกับของเหลว

คุณภาพของไอ (Steam quality)

หาได้จากร้อยละของไอต่อส่วนผสมทั้งหมดที่เป็นของผสมระหว่างไอกับของเหลว

ไอดง(Super Saturated vapor)

ไออิ่มตัวยวดยิ่ง หรือ ไอดง หมายถึง น้ำที่อยู่ในสถานะเป็นไอที่มีอุณหภูมิสูงกว่าความดันที่สัมพันธ์กัน เช่นไอน้ำที่มีอุณหภูมิ 102^oC ที่ความดันบรรยากาศ จะจัดว่าเป็นไอดง และมีดีกรีของความเป็นไอดง เท่ากับ 2