การเผาไหม้ (Combustion) เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในระบบที่มีการเปลี่ยนแปลง ทางปฏิกิริยาเคมี โดยปกติทั่วไปแล้วการเผาไหม้เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเกิดการออกซิเดชั่นกับอาการจะให้ผลผลิตและความร้อนออกมา ดังสมการต่อไปนี้

                                    

 
  เชื้อเพลิง + อากาศ ผลผลิต + ความร้อน
 

                เชื้อเพลิงและการเผาไหม้
                          เชื้อเพลิง (Fuels) คือสารที่เกิดการสันดาปได้ง่ายในอากาศและสามารถปลดปล่อยพลังงานออกได้ เชื้อเพลิงโดยปกติจะประกอบด้วยสารคาร์บอนเป็นหลัก ส่วนปริมาณสารไฮโดรเจนจะมีปริมาณไม่เกิน 14% ส่วนออกซิเจนและสารอื่น ๆ อีกจำนวนเล็กน้อย
เชื้อเพลิงแบ่งตามสถานะได้แก่ เชื้อเพลิงแข็ง เชื้อเพลิงเหลว และเชื้อเพลิงแก๊

                เชื้อเพลิงเหลว
                          คุณสมบัติของเชื้อเพลิงเหลวที่สำคัญในการพิจารณาประกอบการใช้งาน คือ
                                      1. ความถ่วงจำเพาะ และความหนาแน่น เครื่องมือที่ใช้ทดสอบหาค่าความถ่วงจำเพาะ คือ Hydrometer หรือ Picenometer ค่าความถ่วงจำเพาะนิยมกำหนดตามมาตรฐาน API (American Petroleum Insitute) และ Baume ของยุโรปโดยมาตรฐานทั้งสองหาจากค่าความถ่วงจำเพาะของความหนาแน่นของเชื้อเพลิงเหลวและน้ำ ที่อุณหภูมิ 15.6๐C ดังสมการ

 
   API     =           141.5     -       131.5
              ความถ่วงจำเพาะ 15.6• C/ 15.6•C
   B’e      =           140        -        130
              ความถ่วงจำเพาะ 15.6• C/ 15.6•C
 

                         
                                      2. ความหนืด คือความสามารถในการต้านทานการไหลของน้ำมันหน่วยมาตรฐานที่ใช้คือ Centipoise, Centistroke หรือหาจากสมการ
                             I Centistoke = 0.308(SSU-26)
                                      3. ความสามารถในการระเหย
                                      4. คุณสมบัติในการจุดระเบิด
                                      5. ค่าความร้อนของน้ำมันเชื้อเพลิงในกรณีค่าความร้อนที่ได้ออกมาเมื่อน้ำอยู่ในสถานะของเหลว เรียกค่าความร้อนค่าสูง แต่ถ้าค่าความร้อนที่ได้ออกมาเมื่อน้ำอยู่ในสภาพไอ เรียกค่าความร้อนค่าต่ำ
                                      6. จุดไหล เป็นค่าของอุณหภูมิต่ำที่สุดที่น้ำมันสามารถไหลได้
                                      7. จุดวาบไฟ เป็นค่าของอุณหภูมิติดไฟของน้ำมันเมื่อบางส่วนเกิดการระเหยจนได้ปริมาณไอน้ำมันที่มากพอจะลุกเป็นไฟ
                เชื้อเพลิงแข็ง
                          เชื้อเพลิงแข็งได้แก่ ถ่านหิน ไม้ ขยะ ฯลฯ คุณสมบัติของเชื้อเพลิงแข็งที่สำคัญในการพิจารณา ได้แก่ ความสามารถในการถูกบดให้ละเอียดเพื่อให้เกิดการคลุกเคล้ากับออกซิเจนได้ดี สำหรับการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ อุณหภูมิในการรวมตัวเป็นก้อนของขี้เถ้าและองค์ประกอบของสารในการเผาไหม้ เช่น สารระเหย ความชื้น ขี้เถ้า ฯลฯ

                  เชื้อเพลิงแก๊ส
                          เชื้อเพลิงแก๊สเป็นเชื้อเพลิงที่ได้มาจากแก๊สธรรมชาติ และผลผลิตหรือผลพลอยได้ของการ
ผลิตเชื้อเพลิงเหลวและเชื้อเพลิงแข็ง ดังแสดงในตาราง
                                 ตารางคุณสมบัติขององค์ประกอบของแก๊สธรรมชาติ                        
                 

 องค์ประกอบ  
สูตรโมเลกุล
ค่าความร้อน
KJ/m3
ความถ่วงจำเพาะ
(เทียบกับอากาศ)
ความหนาแน่น
Kg/m3

                                    

 
 

      มีเทน     
อีเทน
โปรเพน
เอทีลีน
โปรพิลีน
คาร์บอนไดออกไซด์
ออกซิเจน
ไนโตรเจน CH4

C2H6
C3H8
C3H4
C3H6
CO2
O2
N2

39984
70770
101472
63630
93870
-
-
-
0.554
1.049
1.550
0.9750
1.481
1.5291
1.1053
0.9673
0.7168
0.356
2.004
1.2604
1.9370
1.9769
1.4290
1.2505
 

 

                          ความหนาแน่นของอากาศแห้งในสภาวะมาตรฐาน = 1.293 kg/m3

               การเผาไหม้ โดยปกติทั่วไปแล้วเชื้อเพลิงที่ใช้สำหรับการเผาไหม้จะประกอบด้วยธาตุที่เผาไหม้ได้ คือ คาร์บอน ไฮโดรเจน และกำมะถัน รวมไปถึงออกซิเจน ไนโตรเจน ขี้เถ้า และความชื้น ซึ่งมีอากาศเป็นตัวทำปฏิกิริยาให้เกิดการเผาไหม้ คือ ออกซิเจน (O2) โดยผลผลิตของการเผาไหม้จะออกมาในรูปของ Dry Gas ชนิดต่าง ๆ และ H2O ดังแสดงในตารางที่ 2 และ 3

                การอนุรักษ์มวลและอะตอม
                         ในทุก ๆ ครั้งของการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี องค์ประกอบต่าง ๆ ก่อนการเกิดปฏิกริยาเรา
เรียกว่า “Products” สามารถเขียนสมการได้ดังนี้คือ   

 
  Reacttants  ----------------   Products
.......... 1

                 

                    ซึ่งการอนุรักษ์มวลทั้งหมดของการเกิดปฏิกริยาเคมี สามารถพิจารณาได้จากกระบวนการ ดังตัวอย่างการเกิดปฏิกริยาของคาร์บอนและออกซิเจนจะได้ คาร์บอนไดออกไซด์ คือ

 
C + O2 (Reactants)  ------------  CO2 (Products)
.......... 2

                           

                    จากสมการ2 แสดงให้เห็นคาร์บอนหนึ่งอะตอมทำปฏิกริยากับออกซิเจนหนึ่งโมเลกุล (ออกซิเจน 2 อะตอม) ได้ผลผลิตหนึ่งโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ (ประกอบด้วยคาร์บอนหนึ่งอะตอม และออกซิเจนสองอะตอม) สมการดังกล่าวข้างต้นเราเรียกว่า “สมการสมดุล” และเครื่องหมายลูกศรแสดงทิศทางการเกิดปฏิกริยา
                    และจากสมการ 2 สามารถพิจารณาในรูปของโมเลกุลได้คือ

 
 I mol C + I mol O2 ----------  I mol CO2 ......... 1
.......... 3

                     

                    และจากสมการที่ 3 สามารถขยายให้อยู่ในรูปของมวลโมเลกุลในระบบ SI ได้คือ

 
  12 kg C + 32 kg O2   ---------  44 kg CO2 ……..2
.......... 4

                      

                    การพิจารณาปริมาตรต่อโมลที่ความดันและอุณหภูมิเดียวกัน ของแข็งและของเหลวจะมีค่าปริมาตรน้อยมากเมื่อเทียบกับแก๊ส ดังนั้นสมการที่.3 จึงเขียนอยู่ในรูปของปริมาตร (Vol) ได้ดังนี้คือ

 
  
.......... 5

                    สมการที่ 5 พิจารณาให้คาร์บอนเป็นของแข็ง และ O2 เป็นแก๊สอุดมคติแต่ถ้าพิจารณาให้คาร์บอนมีคุณลักษณะเป็นแก๊สเราสามารถเขียนสมการได้ใหม่คือ

 
  
.......... 6

                    และถ้าพิจารณาการเกิดปฏิกริยาไฮโดรเจน (g) และออกซิเจนจากน้ำ H2O

 
  
.......... 7
 
  
.......... 8
และ
  
.......... 9

                    ถ้าน้ำอยู่ในสถานะไอสามารถเขียนสมการปฏิกริยาได้คือ

และ
  
.......... 10

    แก๊สโซลีน C8H18 ทำปฏิกริยากับออกซิเจนบริสุทธิ์ได้ผลผลิตคือ CO2 และ H2O จงคำนวณหามวลของ CO2 และ H2O จากการเกิดปฏิกริยาดังกล่าว

สัดส่วนของการเกิดปฏิกริยา
สัดส่วนของการเผาไหม

สัดส่วนของส่วนผสมระหว่างเชื้อเพลิงและออกซิเจนสำหรับกระบวนการเผาไหม้จะพิจารณาจากการอนุรักษ์ปฏิกริยาของคาร์บอนจาก CO2 และไฮโดรเจนจาก H2O ดังตัวอย่างสัดส่วนการเกิดปฏิกริยาของโพเพน (C3H8) คือ

 
............... 11

  การเผาไหม้สมบูรณ
ปฏิกริยาของการเผาไหม้สมบูรณ์ จะได้ผลผลิตออกมาอยู่ในรูปของ O2 และ H2O ดังตัวอย่างการเผาไหม้ของโพเพน (C3H8) กับออกซิเจนบริสุทธิ์ใช้ออกซิเจนจำนวน 5 kmol และ C3H8 จำนวน kmol ได้ผลผลิตของ CO2 จำนวน 3 kmol และ H2O จำนวน 4 kmol
  การเผาไหม้ไม่สมบูรณ
การพิจารณาการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์จะพิจารณาจากเทอมของผลผลิต (Product) ซึ่งอาจจะดูผลของออกซิเจนที่ไม่เพียงพอต่อการเกิดปฏิกริยาของคาร์บอนจาก CO, H2 หรือ OH ดังตัวอย่างด้านล่างคือ
 
............... 12

  ส่วนประกอบของอากาศ
โดยปกติทั่วไปแล้วอากาศแห้งประกอบด้วย 21% ของ O2 และ 79% ของ N2 (โดยปริมาตร) ดังนั้น
 
อากาศ ............13
หรือจากสัดส่วน
จะได้สมการ
 
อากาศ ...........14

          

 

 
อัตราส่วนอากาศ – เชื้อเพลิง (AF)
ออกซิเจนที่ใช้ในกระบวนการเผาไหม้จะพิจารณาจากอากาศ ดังนั้นอัตราส่วนอากาศ – เชื้อเพลิง (AF) สามารถเขียนให้อยู่ในรูปของสมการต่อไปนี้คือ
 
AF = ปริมาณของอากาศ โดยมวล,จำนวนโมล,ปริมาตร
      ...........15
 
ปริมาณของเชื้อเพลิง
 
อากาศส่วนเกิน
อากาศส่วนเกินหมายถึงปริมาณของออกซิเจนที่ไม่ได้ใช้ในกระบวนการเผาไหม้จริงที่เกิดพิจารณาได้จากอัตราส่วนของอากาศ – เชื้อเพลิง ที่เผาไหม้จริงกับอัตราส่วนของอากาศเชื้อเพลิงทางทฤษฎีลบหนึ่ง ดังสมการต่อไปนี้

 อากาศส่วนหนึ่ง   =
............16

 
อัตราส่วนเชื้อเพลิงอากาศ (FA)

         อัตราเชื้อเพลิงอากาศ สามารถพิจารณาได้จากสมการต่อไปนี้คือ
 
.......................17

 มีเทน (CH4) ทำปฏิกริยากับอากาศแห้งในสัดส่วนที่ถูกต้องของอัตราเชื้อเพลิง จงคำนวณหาสมการสมดุล และอัตราส่วนอากาศเชื้อเพลิง, อัตราส่วนเชื้อเพลิงอากาศ โดยปริมาตร

                       ตาราง สรุปผลการเผาไหม้ของสารในแก๊สเชื้อเพลิง


ก๊าซ
สูตรโมเลกุล
สมการของปฎิกิริยาการสันดาป
(สำหรับการสันดาปอย่างสมบูรณ์)
ปริมาณต่อก๊าซ 1 m3
สารที่เกิด
จากการสัน
ดาป
O2 ที่
ใช้ไป
N2ที่
เหลือ
CO2
(m3)
H2O
(m3)
ไฮโดร
เจน
H2
H2 -1/2 O2----H2O
-
1
0.5
1.53
คาร์บอน
มอนอก
ไซด์
CO
CO - 1/2 O2---CO
1
-
0.5
1.83
มีเทน
CH4
CH4-2O2---CO2-2H2O
1
2
2
7.52
อีเทน
C2H3
C2H3+7/2 O2--2CO2-3H2O
2
3
3.5
13.17
เอทีลีน
C2H4
C2H4-3O2--2CO2-2H2O
2
2
3
11.29
เอเซที
ลีน
C2H2
C2H2+5/2 O2---2CO2-H2O
2
1
2.5
9.42
โปรเพน
C3H3
C2H3-5O2---3CO2-2H2O
3
4
5
13.31
โปรพีลีน
C3H5
C3H5-9/2 O2---3CO2-3H2O
3
3
4.5
15.93
บิวเทน
C4H10
C4H10-13/2 O2---4CO2-5H2O
4
5
6.5
24.45
บิวทีลีน
C4H8
C4H8-6O2---4CO2-4H2O
4
4
6
22.57
ก๊าซไฮ
โดคาร์
บอนทั่ว
ไป
CmHn
CmHn+(m+n/4)O2-----mCO2+n/2H2O
m
n/2
m+n/2
0.79/
0.21
(m+
n/2)

                   ตาราง สรุปผลการเผาไหม้ของธาตุที่เผาไหม้ได้ในเชื้อเพลิงแข็งและเชื้อเพลิงเหลว

ธาตุที่
สันดาปได้
สมการของปฎิกิริยา
การสันดาป
ปริมาณต่อธาตุที่สันดาปได้1kg
สารที่เกิด
จากการสัน
ดาป

O2
ที่ใช้ไป

N2
ที่เหลือ
อากาศ
ที่ใช้ไป
ก๊าซสัน
ดาปที่ได้
คาร์บอน
(C)
C+O2---CO7
12kg 32kg  44kg
(การสันดาปอย่าง
สมบูรณ์ของคาร์บอน)
CO2
1/2X44
=3.67
kg
O2
1/12
X
32
=8.77
kg
N2

1/12
X
105.84
=8.77
kg

O2
และ
N2
2.67
+
8.77
=11.44
kg
CO2
และ
N2
3.67
+
8.77
=12.44
kg
C+1/2 O2---CO
12kg 16kg  28kg
(การสันดาปอย่าง
สมบูรณ์ของคาร์บอน)
CO
1/12
x
28
=2.33
kg
O2
1/12
x
16
=1.33
kg
N2
1/12
x
52.92
=4.41
kg
O2
และ
N2
5.74
kg
CO
และ
N2
6.74
kg
ไฮโดรเจน
(H)
H2+1/2 O2----H2O
2kg 16kg  18kg
(การสันดาปอย่าง
สมบูรณ์ของไฮโดรเจน)
H2O
1/2
x
18
=9kg
O2
1/2
x
16
=8kg
N2
1/2
x
52.92
=26.46
kg
O2
และ
N2
34.46
kg
H2O
และ
N2
35.46
kg
กำมะถัน
(S)
S+O2---SO2
32kg 32kg  64kg
(การสันดาปอย่าง
สมบูรณ์ของกำมะถัน)
SO2
1/32
x
64
=2kg
O2
1/32
x
32
=1kg
N2
1/32
x
105.84
=3.31
kg
O2
และ
N2
4.31
kg
SO2
และ
N2
5.31
kg

น้ำมันดีเซล (C12H26) ทำปฏิกริยากับอากาศทางทฤษี 80% จงคำนวณหาผลที่ได้จากการเผาไหม้ โดยปริมาตร
โพเพน (C3H8) ทำปฏิกริยา 120% กับอากาศแห้งทางทฤษฎี จงคำนวณหามวลของผลผลิตที่ได้จากการเผาไหม้ และจุดน้ำค้าง (Dewpoint) ของผลผลิตที่ความดัน 1 บรรยากาศ
 แก๊สโซลีน (C8H18) เผาไหม้โดยใช้อากาศส่วนเกิน 30% ของอากาศแห้ง และผลผลิตจากการเผาไหม้ถูกทำให้เย็นตัวลงที่อุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศให้พิจารณาวิเคราะห์ปริมาตรของผลผลิตจากการเผาไหม้ (โดยไม่คิดผลของไอน้ำในผลผลิตจากการเผาไหม้)
 ถ่านหินเผาไหม้ด้วยอากาศส่วนเกิน 25% จากการวิเคราะห์ถ่านหินประกอบด้วยคาร์บอน 66% กำมะถัน 2% ไฮโดรเจน 6% ไนโตรเจน 1.5% ออกซิเจน 9.5% เถ้า 5.0% และความชื้น 10% จงคำนวณหาอัตราส่วนอากาศ – เชื้อเพลิง สำหรับการเผาไหม้โดยพิจารณาจากโมเลกุลและมวล

  กระบวนการเผาไหม้จริง

                           จากการศึกษาที่ผ่านมาการเผาไหม้ที่สมบูรณ์จะเกิดขึ้นเมื่อปริมาณของอากาศ O2 นั้นเพียงพอต่อการทำปฏิกริยาของคาร์บอนเพื่อให้ได้ CO2 แต่ที่พบเสมอ ๆ สำหรับการเผาไหม้จริงที่เกิดขึ้นนั้นปริมาณของอากาศส่วนเกินจะแปรเปลี่ยนผลทำให้เกิด CO ขึ้น ดังนั้นในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงการวิเคราะห์กระบวนการเผาไหม้จริงที่เกิดขึ้นในเครื่องมือทดสอบ Orsat Apparatus ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งเครื่องมือดังกล่าวประกอบด้วย ขวดแก้วสามใบบรรจุธาตุที่ดูดสารเคมี (Reagent) มีวาล์ว เปิด – ปิด ตัวอย่างของผลผลิตจากการเผาไหม้คือ CO, CO2 และ O2 จะถูกดูดเข้าไปเก็บในขวดแก้วดัวกล่าวจนเต็ม ดังนั้นเมื่อวาล์วของขวดแก้วทั้งสามเปิด แก๊ส CO, CO และ C จะถูกบรรจุในขวดวัดความดัน จนกระทั่วผิวของน้ำอยู่ที่ระดับ “B” โดยปริมาตรเริ่มต้นอยู่ระหว่าง “A” “B” ในขวดแก๊สที่ความดันเท่ากับความดันบรรยากาศ (PO) และอุณหภูมิ (TO) มีค่าคงที่ เมื่อวาล์วทางเข้า “C” ปิด ในขณะที่ขวดบรรจุแก๊สแต่ละขวดเปิด จนกระทั่งความดันในระบบทั้งหมดเท่ากับความดันบรรยากาศ ระดับปริมาตรในขวดแก๊สจะสูงกว่าระดับ “B” ผลทำให้ปริมาตรย่อย (Partial) Volume) V1 เกิดการเคลื่อนที่ออกจากส่วนผสมในขวดแก้ว เครื่องมือทดสอบชนิดนี้จึงใช้สำหรับวิเคราะห์ปริมาตรของ CO, CO2, และ O2

 
 

                                   รูปที่ 1 เครื่องทดสอบ Orsat apparatus
แก๊สธรรมชาติพิจารณาจาก CH4 เผาไหม้ด้วยอากาศแห้งที่ความดันบรรยากาศ และจากการวิเคราะห์ orsat ของผลผลิตจากการเผาไหม้ได้ CO2=10%, O2=1.71% และ CO=1% จงคำนวณหาเปอร์เซนต์ทางทฤษฎีของอากาศที่ใช้ในกระบวนการเผาไหม้
เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน CxHy ทำปฏิกริยากับอากาศแห้งจากผลวิเคราะห์โดยปริมาตรของผลผลิตจากการเผาไหม้ได้ CO2 = 9.57%, O2 = 6.39% และ N2 = 84.04% จงคำนวณหา
                1. องค์ประกอบของเชื้อเพลิง
                2. สมการปฏิกริยา
                3. เปอร์เซ็นต์ของอากาศทางทฤษฎีที่ใช้ในกระบวนการเผาไหม้
     กำหนดให้ CxHy + อากาศแห้ง ผลผลิตจากการเผาไหม้

                 การวิเคราะห์กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กับกระบวนการเผาไหม้
                              โดยปกติทั่วไปแล้วการใช้กฎข้อหนึ่งของอุณหพลศาสตร์สำหรับการวิเคราะห์ กระบวนการที่ไม่มีการไหล จำเป็นต้องรู้ปริมาณของพลังงานภายในแต่ในขณะเดียวกันในระบบที่มีการไหลเราจะใช้ปริมาณของเอนทาลปีแทนทางวิศวกรรมศาสตร์ปฏิกริยาการเผาไหม้จะเกิดขึ้น
สภาวะความดันคงที่ไม่ว่าจะเป็นระบบที่ไม่มีการไหลหรือระบบที่มีการไหล

                เอนโทรปีสำหรับการเผาไหม้
                               ปฏิกริยาเคมีที่เกิดขึ้น เกิดเมื่อมีการรวมตัวหรือสลายตัวของอะตอมโดยที่ระหว่างการเกิดปฏิกริยาจะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมี เนื่องจากองค์ประกอบที่สภาวะสุดท้ายแตกต่างจากองค์ประกอบของระบบที่สภาวะเริ่มต้น พิจารณาตัวอย่างกระบวนการเผาไหม้ซึ่งแสดงในรูปที่ 2 ประกอบด้วยไฮโดรเจน 1 mol ที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 25๐C ผสมกับออกซิเจนจำนวน 0.5 kmol ที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 25๐C โดยที่เอนทาลปีของส่วนผสมที่เกิดขึ้นในกระบวนการเผาไหม้มีค่าเป็นศูนย์

 

 รูปที่ 2 การวิเคราะห์การเผาไหม้ของ H2 และ O2

 

                

            โดยกำหนดให้เอนทาลปีของการรวมตัวที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน

            “สัญลักษณ์ ๐ แสดงถึงค่าเริ่มต้นที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน”
                            การคำนวณหาเอนทาลปีของการรวมตัว พิจารณารูปที่ 2 ภายใต้กระบวนการ SSSF NR kmol/s เกิดปฏิกริยาเผาไหม้ ขณะที่ได้ NP kmol/s ของผลผลิตจากการเผาไหม้ ซึ่งการเผาไหม้ของระบบที่ไม่มีการไหล ภายใต้ความดันคงที่ การทำปฏิกริยาของ NR kmol และผลผลิตจากการเผาไหม้ NP kmol ที่ความดันสุดท้าย Pfinal จะเท่ากับความดันเริ่มต้น Pintial จึงสามารถใช้ H (เอนทาลปีทั้งหมด) ในระบบที่ไม่มีการไหล มาพิจารณาหาค่าปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น ได้คือ

 
.......................17

                              โดยที่ Q = ปริมาณความร้อน
                                   HP = เอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยา
                                   HR = เอนทาลปีของผลผลิตจากการเกิดปฏิกริยา
            และสำหรับในกรณีที่การเกิดปฏิกริยามีหลายชนิด และผลผลิตจากการเผาไหม้ได้สารหลายชนิด จะได้

 
.......................18

            สำหรับการรวมตัวของน้ำ (H2O)(1) จากรูปที่ 2 ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทสู่สิ่งแวดล้อมสามารถหาได้จากการทดลอง (ใช้กระบวนการความดันคงที่ใน Calorimeter) จะมีค่าเท่ากับ

 
 

            ดังนั้นเอนทาลปีการรวมตัวของ (H2O)(1) คือ

 
 

            และค่าเอนทาลปีของการรวมตัวขณะเกิดปฏิกริยาของสารชนิดต่าง ๆ สามารถหาได้จากตารางในภาคผนวก

              เอนทาลปีสำหรับสารเคมี
                      เอนทาลปีสำหรับสารเคมีทุกชนิดสามารถหาค่าได้โดยการรวมค่าเอนทาลปีของการรวมตัวของส่วนประกอบต่าง ๆ ของสารนั้น ๆ และการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี จากสภาวะอ้างอิงมาตรฐานกับสภาวะที่เกิดผลผลิตจากการปฏิกริยาดังสมการ คือ

 
.......................19

                    สำหรับเอนทาลปีของส่วนผสมแก๊สอุดมคติ จากสมการที่ 9.19 จะพิจารณาค่าความจุความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ของแก๊สอุดมคติ

 
.......................20

โดยที่ Cp = ค่าความจุความร้อนจำเพาะเฉลี่ยที่ความดันคงที่ของแก๊สอุดมคติ
จงคำนวณหาค่าเอนทาลปีมาตรฐานของไฮโดรเจน, น้ำอิ่มตัว และไอน้ำที่อุณหภูมิ 50๐C โดยสมมติให้ไฮโดรเจนเป็นแก๊สอุดมคต

               เอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยาและค่าความร้อน
                           เอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยาทั้งหมดที่เปลี่ยนแปลงขณะสารเกิดปฏิกริยาเคมีเมื่ออุณหภูมิของผลผลิตจากการเกิดปฏิกริยาเท่ากับอุณหภูมิของปฏิกริยา ดังแสดงในรูปที่ 9.3 สามารถหาค่าได้จากผลต่างระหว่างผลรวมเอนทาลปีของสารที่ได้จากการเกิดปฏิกริยา และผลรวมเอนทาลปีของสารเกิดปฏิกริยาที่สภาวะเดียวกันภายใต้การเกิดปฏิกริยาที่สมบูรณ์ คือ

 
.......................21

             สำหรับการเกิดปฏิกริยาที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐานที่ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ คือ

 
.......................22

            ดังนั้นเอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยาที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐานขึ้นอยู่กับเอนทาลปีของการรวมตัวและจำนวนโมลของปฏิกริยา และผลผลิตที่ได้

 
 


                    รูปที่ 3 เอนทาลปีสำหรับการเกิดปฏิกริยาของสารเคมี
จงคำนวณหาค่าเอนทาลปีการเกิดปฏิกริยาของมีเทนกับอากาศส่วนเกิน 20% อุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ สมมติให้น้ำที่ได้จากการเผาไหม้มีคุณสมบัติเป็นไอ

                  เอนทราปีสำหรับการเผาไหม้ บางครั้งเรียกว่า “ปริมาณความร้อนสำหรับการเผาไหม้”หมายถึง ปริมาณความร้อนของน้ำมันเชื้อเพลิงที่ปลดปล่อยออกจากเชื้อเพลิงจำนวน 1 kmol ของการเกิดปฎิกริยากับกับอากาศทางทฤษฏี 100% ภายใต้กระขบวนการความดันคงที่ของสภาวะอ้างอิงมาตรฐานโดยที่ค่าเอนโทรปีสำหรับการเผาไหม้ ?hc หรือ ?hc มีค่าเท่ากับ ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงที่ปลดปล่อยออกมา ค่าความร้อนค่าสูง และค่าความร้อนค่าต่ำ ของเชื้อเพลิง คือปริมาณความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาจากการเผาไหม้หรือการทำปฏิกริยาที่สมบูรณ์ของเชื้อเพลิง ภายใต้กระบวนการ SSSF ที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน (25๐C, 1 atm) ซึ่งค่าความร้อนจะมีค่าเท่ากับ คือ

 
.......................23

            และเมื่อ H2O ของผลผลิตจากการเกิดปฏิกริยาอยู่ในสถานะของเหลว (H2Oliquid) เราเรียกว่าค่าความร้อนสูง [HHV] แต่ถ้า H2O ของผลผลิตจากการปฏิกริยาอยู่ในสภาพไอ (H2Ovapor) เราเรียกว่าค่าความร้อนค่าต่ำ และค่าความร้อนทั้งสองสามารถเปรียบเทียบได้ดังสมการ

 
.......................24

มีเทนทำปฏิกริยากับอากาศทางทฤษฎี 100% ที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 25๐C จงคำนวณหาค่าเอนทาลปีจากการเกิดปฏิกริยา, เอนทาลปีจากการเผาไหม้, ความร้อนจากการเผาไหม้, ความร้อนค่าสูง และความร้อนค่าต่ำ

               การประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กับกระบวนการไหล
                          การนำกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์มาใช้งานกับกระบวนการไหลแบบสม่ำเสมอ ดังแสดงในรูปที่ 4 เป็นการแสดงการเกิดปฏิกริยาเคมีภายในระบบควบคุมปริมาตร (ระบบเปิด) การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ และพลังงานศักย์มีค่าน้อยมาก จากกฎข้อที่หนึ่งจะได้

 
 

                      รูปที่ 4 การเกิดปฏิกริยาของกระบวนการไหลแบบสม่ำเสมอ

 
.......................25

                  และสำหรับการเกิดปฏิกริยาของกระบวนการไหลแบบสม่ำเสมอ ดังแสดงในรูปที่ 4 สามารถนำมาเขียนในแผน h – T ดังในรูปที่ 5 ได้ ถ้าเอนทาลปีจำเพาะแปรเปลี่ยนจากสภาวะที่ 1 ไปยังสภาวะที่ 2 สามารถใช้สมการที่ 24 วิเคราะห์กระบวนการดังกล่าวได้โดยปกติทั่วไปแล้วจะไม่เปลี่ยนแปลงทั้งหมด จากรูปที่ .5 พิจารณาการเปลี่ยนแปลงจาก 1 – a – b – 2 โดยที่ a และ b เป็นสภาวะอ้างอิงมาตรฐานเริ่มต้น ของสารเกิดปฏิกริยา และผลผลิตจากการเกิดปฏิกริยา ดังนั้นเอนทาลปีสัมผัส (Sensible enthalpy) ของการเปลี่ยนแปลงระหว่างสภาวะที่ a และ 1 หาได้จากสมการ คือ

 
.......................26ก.

          โดยที่ คือ molar specific enthalpy enthapy ที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน TO (25๐C), คือ molar specific enthalpy ที่อุณหภูมิ T1 และ คือ average molar specific heat ที่ความดันคงที่ระหว่างอุณหภูมิ TO – T1 และเช่นเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงผลผลิตจากการเผาไหม้ b – T2 จะได้

 
......................26 ข

         แล้วถ้ากำหนดให้ คือ kmol/s ของสารเกิดปฏิกริยาเคมี และ คือ เอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยาเคมีที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน จะได้การเปลี่ยนแปลงของ ฟลั๊กซ์เอนทาลปี คือ

 
........................26 ค

          ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีทั้งหมดของกระบวนการ 1 – a – b – 2 คือ

 
...........................27
 
 

          และจากสมการที่ 24 สำหรับกฎข้อที่หนึ่งจะได้

 
...........................28

          โดยที่ TR และ TP ใช้แทนอุณหภูมิ T1 และ T2 ของการเกิดปฏิกริยา จากสมการที่ 27 สามารถขยายสมการที่ 19 ดังนั้นสามารถเขียนเทอมของเอนทาลปีมาตรฐานได้จากกฎข้อที่หนึ่ง คือ

 
...........................29

   

                            รูปที่ 5 ความสัมพันธ์ของฟลั๊กซ์เอนทาลปีและอุณหภูมิ

พิจารณาการไหลแบบสม่ำเสมอของ Calorimeter เพื่อคำนวณหาค่าเอนทาลปี ปฏิกริยาของ C2H4 ที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน โดยที่เชื้อเพลิงเข้าระบบมีอุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ ทำปฏิกริยา 150% กับอากาศทางทฤษฎี ผลผลิตจากการทำปฏิกริยาที่ทางออกมีอุณหภูมิ 400 K ความดัน 1 บรรยากาศ ความร้อนที่ถ่ายเทให้กับสิ่งแวดล้อมระหว่างทำปฏิกริยามีค่าเท่ากับ 1.25 X 106 kJ/kmol เชื้อเพลิง จงคำนวณหาเอนทาลปีการเกิดปฏิกริยา และตรวจสอบเอนทาลปีปฏิกริยาที่ที่คำนวณได้จากตาราง
             สิ่งที่พบบ่อย ๆ ขณะที่เกิดการเผาไหม้ ในกระบวนการที่มีการไหล การใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สำหรับระบบที่ไม่มีการไหล (ระบบปิด) มาวิเคราะห์กระบวนการดังกล่าวจะเกิดผลที่ดีกว่า และสำหรับระบบปิดที่บรรจุแก๊สอุดมคติ จากกฎข้อที่หนึ่งจะได้

 
Q – W = UP – UR   ...........................30

        จากนิยาม H = U + PV ดังนั้นกฎข้อที่หนึ่งสำหรับระบบปิดสามารถเขียนใหม่ได้ คือ

 
Q – W = HP – HR – [(PV)P – (PV)R]   ...........................31

        รวมสมการที่ 30 กับสภาวะแก๊สอุดมคติ จะได้

 
...........................32

รวมสมการที่ 31 และ 26 จะได้กฎข้อที่หนึ่งสำหรับการเกิดปฏิกริยาเคมีของแก๊สอุดมคติในระบบที่ไม่มีการไหล คือ

 
...........................33

                  เครื่องมือที่ใช้หาค่าความร้อนของเชื้อเพลิง เราเรียกว่า bomb calorimeter ซึ่งใช้วัดปฏิกริยาการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงกับออกซิเจน (หรืออากาศ) ภายในระบบปิด ที่จุ่มอยู่ในน้ำหนักภายใน Calorimeter การเผาไหม้จะทำให้ที่ออกซิเจนความดันสูงจะทำให้เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ จะทำการวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของน้ำเพื่อใช้ในการคำนวณปริมาณความร้อนจากการเกิดปฏิกริยาเผาไหม้ของระบบ ดังนั้นจะได้สมการของพลังงานภายในสำหรับการเผาไหม้ คือ

 
 

เอทซีลีน [C2H4(g)] ทำปฏิกริยาใน Bomb calorimeter กับออกซิเจนบริสุทธิ์อุณหภูมิ 25๐C จงคำนวณหาอัตราการถ่ายเทความร้อนต่อ kmol ของเชื้อเพลิงจาก Bomb ในระหว่างดำเนินกระบวนการ และคำนวณพลังงานภายในจากการเผาไหม้, เอนทาลปีของการเผาไหม้ โดยสมบัติให้ผลผลิตจากการเผาไหม้มีสถานะเป็นแก๊ส


                 อุณหภูมิเปลวไฟอะเดียแอแบติก

                       อุณหภูมิสูงสุดที่สามารถเกิดขึ้นได้ในกระบวนการเผาไหม้มีความจำเป็นต่อการออกแบบระบบการเผาไหม้เนื่องจากต้องพิจารณาเลือกวัสดุที่เหมาะสมในการสร้างห้องเผาไหม้ โดยที่อุณหภูมิสูงสุดของกระบวนการเผาไหม้สามารถหาได้เมื่อระบบ (ห้องเผาไหม้) มีฉนวนที่สมบูรณ์ห่อหุ้มอยู่ เพื่อป้องกันไม่ให้ความร้อนถ่ายเทสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งกระบวนการดังกล่าวได้แก่ กระบวนการอะเดียแอแบติก และอุณหภูมิสูงสุดของแก๊สที่ได้จากการเผาไหม้ในกระบวนดังกล่าว เราเรียกว่า ”อุณหภูมิเปลวไฟอะเดียแอแบติก” ซึ่งสามารถหาได้จากกระบวนการไหลแบบสม่ำเสมอ
                       สำหรับการไหลแบบสม่ำเสมอ กระบวนการเผาไหม้แบบอะเดียแอแบติก งานมีค่าเป็นศูนย์ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ และพลังงานศักย์มีค่าน้อยมาก จากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ จะได้ HP = HR, โดยที่ แทนฟลั๊กซ์เอนทาลปีสำหรับสารปฏิกริยาที่ไหลเข้า และไหลออก ดังรูปที่ 6 ในกระบวนการปฏิกริยาเริ่มต้นเกิดที่สภาวะที่ 1

 
 

                                    รูปที่ 6 กระบวนการไหลแบบสม่ำเสมอ

                โดยที่ค่าเอนทาลปีจำเพาะของแก๊สจากตารางภาคผนวกประมาณ 37.77 kJ/kmol เอนทาลปีของการเผาไหม้อีเทนสามารถหาได้โดยใช้สมการ 9.21 และค่าในตารางภาคผนวก [-1,427,830 kJ/kmol] และจากสมการที่ 33 ก ให้ TR = TRO จะได้

 
 

              อุณหภูมิเปลวไฟอะเดียแออบติก คือ 2,082 K
              หรือ อาจใช้วิธีการคำนวณโดยการประมาณค่า

 
 

              เมื่อการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีปฏิกริยามีค่าเท่ากับศูนย์ จะได้ TR = TRO เทอมด้านขวามือของสมการจะลดเหลือ 1(-84,720 kJ/kmol C2H6 (g)) ดังนั้นเอนทาลปีของออกซิเจน และไนโตรเจนจะมีค่าเป็นศูนย์ ปัญหาจึงเหลือเพียงหาค่า TP โดยที่ HP ด้านซ้ายมือของสมการจึงมีค่าเท่ากับ –84,720 kJ/kmol C2H6 (g) และค่า TP หาได้จากสมการ

 
 

                                         

 

อินทิเกรตได้ค่าดังตาราง

K
kJ/kmol
kJ/kmol
kJ/kmol kJ
HP
2,200
2,400
(2,381.6)
2,381.6
-289,999
-277,781

-278,907
-158,807
-148,237

-149,218
63,354
70,634

69,963
-222,662
-70,730
(-84,720)

-84,755

 

 

                   การวิเคราะห์กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

การวิเคราะห์อุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการเผาไหม้ โดยใช้กฎข้อที่หนึ่งในการวิเคราะห์ยังไม่เพียงพอจึงจำเป็นต้องใช้กฎข้อที่สองช่วยในการวิเคราะห์

                             การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีสำหรับระบบที่เกิดปฏิกริยา

                                      “จากผลของกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ที่กล่าวว่า เอนโทรปีของสารบริสุทธิ์สภาพผลึก (Pure erystalline) ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์นั้นจะมีค่าเป็นศูนย์” ดังนั้นทุก ๆ ค่าของเอนโทรปีสัมบูรณ์ จะวัดเทียบกับค่าอ้างอิงสัมบูรณ์ที่ความดัน 1 บรรยากาศ หรือสามารถแสดงได้ดังสมการ คือ

 
 

                เอนโทรปีสัมบูรณ์ที่สภาวะมาตรฐาน สำหรับสารเคมีจะพิจารณาที่อุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ ดังสมการ คือ

 
 

ดังนั้นค่าของ และ ที่ความดันมาตรฐาน 1 บรรยากาศ สามารถเขียนความสัมพันธ์ได้ คือ

 
...........................34 ก

                  โดยที่ค่า พิจารณาที่ความดัน 1 บรรยากาศ
                            สำหรับค่าเอนโทรปีสัมบูรณ์สำหรับการเกิดปฏิกริยาของส่วนผสมแก๊สอุดมคติ พิจารณาได้จากสมการการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของสารบริสุทธิ์ คือ

 
 

                  อินทิเกรตสมการ ds จากสภาวะอ้างอิงมาตรฐาน (25๐C, 1atm) ถึงอุณหภูมิ T ใด ๆ และความดัน Pi ของแก๊สผสมจะได้

 
......................34 ข

                  พิจารณา PO ที่ 1 บรรยากาศ และ คือ

 
 

                จากสมการที่ 34 (ก) และตารางแก๊สอุดมคติ (PO = 1 atm) ถ้า Pi มีค่าแน่นอนในบรรยากาศ สมการ 9.34 (ข) สามารถเขียนได้ใหม่ คือ

 
......................35

              สำหรับส่วนผสมของแก๊สอุดมคติอาจใช้กฏของ Gibbs – Dalton,s หาค่าได้ คือ

 
......................36

              ผลต่างของเอนโทรปีระหว่างแก๊สจากการเผาไหม้ และสารปฏิกริยาสำหรับการเกิดปฏิกริยาเคมีในระบบหาได้จากสมการ คือ

 
......................37

              รวมสมการ 37 และ 35 จะได้

 
......................38ก

              จากสัดส่วนโมล yi = P1/P แทนค่าในสมการ 38 จะได้

 
......................38ข

             ค่า p เป็นความดันทั้งหมด (ในบรรยากาศ)
มีเทน CH4 ทำปฏิกริยากับออกซิเจนในอัตราส่วนของสัดส่วนที่เหมาะสม ที่อุณหภูมิของปฏิกริยา และผลผลิตจากการเผาไหม้ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ โดยเป็นการเผาไหม้แบบสมบูรณ์ สมมติให้ H2O ในผลผลิตจากการเผาไหม้มีคุณสมบัติเป็นของเหลว จงคำนวณหา
                 ก. เอนโทรปีที่เปลี่ยนแปลงขณะเกิดปฏิกริยาในระบบ (kJ/kmol fuel)
                 ข. เอนโทรปีที่เปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม (ต่อ kmol fuel)
                 ค. การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีทั้งหมดของจักรวาล

                   การวิเคราะห์ Exergy สำหรับระบบที่เกิดปฏิกริยา

                            สภาวะตายสำหรับระบบที่เกิดปฏิกริยาเคมีที่อุณหภูมิสิ่งแวดล้อม TO ความดัน PO โดยสภาวะอ้างอิงมาตรฐานที่ใช้ คือ PO = 1 atm และ TO = 298.15 K ดังนั้นการหาค่า Exergy สำหรับสารเคมีในการไหลแบบสม่ำเสมอ คือ

 
......................39
โดยที่
......................39

                  และจากฟังก์ชันของ Gibbs[G = H – TS] สามารถเขียนสมการของ ของสารปฏิกริยา (การเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ และพลังงานศักย์น้อยมาก) ได้คือ

 
......................39

                  เมื่อ GRO คือ Gibbs function ของสารปฏิกริยา
                  และ GO คือ Gibbs function ของ Original mixture เมื่อเข้าสู่สภาวะตาย [TO,PO] และเช่นเดียวกัน จะได้

 
......................39

                  ดังนั้น Exergy สูงสุดที่เกิดขึ้นได้

 
......................40

                    สมมติว่า H2O ที่ได้จากแก๊สเผาไหม้ที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 25๐C เผาไหม้สมบูรณ์ อยู่ในสภาวะของเหลว สมการที่ 40 จึงสามารถใช้คำนวณหา ได้คือ

 
......................39

                        ถ้ามี H2O ที่เหลืออยู่ในแก๊สจากการเผาไหม้ จะได้

 
......................39

           
จงคำนวณหา Exergy เคมีของแก๊สมีเทนบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ TO และความดัน PO โดยใช้สมการจากตารางที่1 และ 2 แล้วเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้ โดยกำหนดให้ LHV4 สำหรับมีเทนมีค่าเท่ากับ 802 MJ/kmol
แก๊สมีเทนที่อุณหภูมิ TO ความดัน PO ไหลเข้าถังปฏิกริยา และทำปฏิกริยากับอากาศในสัดส่วนที่เหมาะสมที่อุณหภูมิ TO ความดัน PO ดังแสดงในรูปด้านล่าง การทำปฏิกริยาเคมีที่เกิดขึ้นในกระบวนการความดันคงที่ในถังปฏิกริยา และผลผลิตจากการปฏิกริยา คือ ไอเสียที่ระบายสู่สิ่งแวดล้อมที่อุณหภูมิ TO, PO
              ส่วนที่ 1 จงคำนวณหางานสูงสุดที่เป็นไปได้ต่อ kmol เชื้อเพลิงจากกระบวนการเผาไหม้ถ้าไอเสียที่ออกจากถังทำปฏิกริยาที่อุณหภูมิ TO และที่อุณหภูมิ 1,000 K
              ส่วนที่ 2 ถ้าความร้อนที่เกิดจากปฏิกริยาส่งต่อให้กับเครื่องยนต์คาร์โน ดังในรูปด้านล่าง จงคำนวณหางานที่เครื่องยนต์ผลิตได้ต่อ kmol เชื้อเพลิง ถ้าการเกิดปฏิกริยาที่อุณหภูมิ TO และที่อุณหภูมิ 1,000 K

 
 

ตัวอย่างที่ 18 แก๊สโซลีน C8H18 ทำปฏิกริยากับออกซิเจนบริสุทธิ์ได้ผลผลิตคือ CO2 และ H2O จงคำนวณหามวลของ CO2 และ H2O จากการเกิดปฏิกริยาดังกล่าว
         
        วิธีทำ  จากการสมดุลสมการเคมีได้

 
......................39

                    หรือ

 
......................39

                    สมดุลมวลได้

 
......................39

                    ดังนั้น

 
......................39

 

ตัวอย่างที่ 19 มีเทน (CH4) ทำปฏิกริยากับอากาศแห้งในสัดส่วนที่ถูกต้องของอัตราเชื้อเพลิง จงคำนวณหาสมการสมดุล และอัตราส่วนอากาศเชื้อเพลิง, อัตราส่วนเชื้อเพลิงอากาศ โดยปริมาตร
         
         วิธีทำ       เขียนสมการสมดุลได้

 
CH4 + อากาศแห้ง b CO2 + c H2O + d N2
......................ก

                         หรือ

 
......................ข

        สมดุลอะตอมของธาตุได้
        สมดุลคาร์บอน ; b=1
        สมดุลไฮโดรเจน ; c=2
        สมดุลออกซิเจน ; 2a=2b+c=4
                       a=2
        สมดุลไนโตรเจน ; 2(3.76)a=2d
                       d=7.52
        แทนค่าในสมการ (ข) ได้

 
......................ข
และ
......................ข


 ตัวอย่างที่ 20 น้ำมันดีเซล (C12H26) ทำปฏิกริยากับอากาศทางทฤษี 80% จงคำนวณหาผลที่ได้จากการเผาไหม้ โดยปริมาตร           

               วิธีทำ     เขียนเป็นสมการสมดุลได

 
......................ข

           ใช้อากาศ 80% ของอากาศแห้งทางทฤษฎี ดังนั้นจะได้การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์ คือ

 
......................ข

           สมดุลอะตอม
           สมดุลคาร์บอน a+b = 12
           สมดุลคาร์บอน 0.8(18.5)2 = 13 + 2a+b
           ได้ a = 4.6 และ b = 7.4
     แทนค่าในสมการข้างบนได้

 
ผลผลิต
จำนวนโมล
%โดยปริมาตร
H2O
13
16.1
CO2
4.6
5.7
CO
7.4
9.2
N2
55.6/80.6
69%
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 21 โพเพน (C3H8) ทำปฏิกริยา 120% กับอากาศแห้งทางทฤษฎี จงคำนวณหามวลของผลผลิตที่ได้จากการเผาไหม้ และจุดน้ำค้าง (Dewpoint) ของผลผลิตที่ความดัน 1 บรรยากาศ

              วิธีทำ   จากการเผาไหม้สมบูรณ์กับอากาศส่วนเกิน จะได้ผลผลิตจากการเผาไหม้ คือ
                         CO2 , N2 , H2O และ O2 ซึ่งสมการคือ

 
......................ข

                         ใช้อากาศ 120% ทางทฤษฎี


 
......................ข

               ดังนั้นมวลของผลผลิตจากการเผาไหม้

 
 
จำนวนโมล
  มวลโมเลกุล มวล(kg)/โมลเชื้อเพลิง   %โดยมวล
CO2
3
X
44
132
15.2
H2O
4
X
18
72
8.3
O2
1
X
32
32
3.7
N2
22.56/30.56
X
28
632/868
72.8
......................ข

จำนวนโมลของ H2O (g) พิจารณาโดยมวลของผลผลิตที่ความดันทั้งหมด

 
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 22 แก๊สโซลีน (C8H18) เผาไหม้โดยใช้อากาศส่วนเกิน 30% ของอากาศแห้ง และผลผลิตจากการเผาไหม้ถูกทำให้เย็นตัวลงที่อุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศให้พิจารณาวิเคราะห์ปริมาตรของผลผลิตจากการเผาไหม้ (โดยไม่คิดผลของไอน้ำในผลผลิตจากการเผาไหม้)



          วิธีทำ    สมการทางทฤษฎี คือ
 
......................ข

                    
  และอากาศส่วนเกิน 30%
 
......................ข

                        การวิเคราะห์โดยปริมาตรของผลผลิตจากการเผาไหม้

 
 
จำนวนโมล
%โดยปริมาตร
CO2
8
9.8
H2O
9
11.0
N2
61.1
74.6
O2
3.75/81.85
4.6
......................ข

คือ

          ความดันอิ่มตัวของไอน้ำที่ 25๐C คือ 3.169 kPa และสัดส่วนความดันของส่วนผสมอิ่ม

 
......................ข

          ดังนั้นความดันย่อยของไอน้ำในการเผาไหม้จะไม่เกิน 3.13% ของความดันสุทธิ (P)
และจากการเผาไหม้ได้ H2O = 11% โดยปริมาตรที่ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ
ดังนั้นพิจารณา H2O เกิดขึ้นจากการเผาไหม้ โดยพิจารณาจากจำนวนโมลทั้งหมดของผลผลิตต่อโมลของเชื้อเพลิง คือ

 
......................ข
หรือ
......................ข
 
......................ข
 
......................ข
 
......................ข


 

จำนวนโมล
%โดยปริมาตร
CO2
8
10.6
H2O
2.35
3.1
N2
61.1
81.3
O2
3.75/75.2
5
......................ข
  จะเห็นได้ว่าปริมาณไอน้ำจำนวน 9 - 2.35 = 6.65 mol H2O/mol C8H8 ที่หายไปจากผลผลิตของการเผาไหม้


ตัวอย่างที่ 23 ถ่านหินเผาไหม้ด้วยอากาศส่วนเกิน 25% จากการวิเคราะห์ถ่านหินประกอบด้วยคาร์บอน 66% กำมะถัน 2% ไฮโดรเจน 6% ไนโตรเจน 1.5% ออกซิเจน 9.5% เถ้า 5.0% และความชื้น 10% จงคำนวณหาอัตราส่วนอากาศ – เชื้อเพลิง สำหรับการเผาไหม้โดยพิจารณาจากโมเลกุลและมวล

กำหนดให้ ถ่านหิน + 125%อากาศทฤษฎี products

               กำหนดให้ ถ่านหิน + 125%อากาศทฤษฎี products

      วิธีทำ    พิจารณาถ่านหินที่จำนวน 100 kg ดังนั้นจะได้

 
ส่วนประกอบ
m(มวลkg)
M(มวล/โมล)
%โดยมวล
C
66
12
5.5
58.1
S
2
32
0.06
0.6
H2
6
2
3.0
31.7
N2
1.5
28
0.05
0.5
O2
9.5
32
0.30
3.2
Ash
5
H2O
18
0.56/9.47
5.9
......................ข

   
       เขียนปฏิกริยาต่อ kmol ของธาตุต่าง ๆ

              0.581 C + 0.581O2---------0.581 CO2
              0.006 S + 0.006 O2--------- 0.006 SO2
            0.317 H2 + 0.158 O2-------- 0.317 H2O

     ดังนั้น
(0.745 kmol O2 ที่ต้องการ/kmol ถ่านหิน) – (0.032 kmol O2 ในถ่านหิน/kmol ถ่านหิน)
              =0.713 kmol O2 ที่ต้องการจากอากาศ/kmol ถ่านหิน
และสมการการเผาไหม้ที่สมบูรณ์สำหรับถ่านหิน คือ

             เชื้อเพลิง + อากาศ --------------- ผลผลิตจากการเผาไหม้
     หรือ

 
......................ข

ละสมการสำหรับอากาศส่วนเกิน

 
......................ข

ดังนั้นอัตราส่วนอากาศเชื้อเพลิง
             Nอากาศ / Nเชื้อเพลิง = 1.25(0.713)(4.76)
                                                               

     และ AFมวล = mอากาศ /mเชื้อเพลิง

                         =4.242(29)/0.581(12)+0.006(32)+0.317(2)+0.005(28)+0.032(32)+0.0059(18)
                         =12.272 kg อากาศ/kg เชื้อเพลิง

   ดังนั้น AFมวล = 12.272kg อากาศ/kg เชื้อเพลิง(ไม่คิดเถ้า)
         และในกรณีพิจารณาแล้วจำนวน 5 kg จะได้
    [12.272 kg อากาศ/kg เชื้อเพลิง (ไม่คิดเถ้า)]X[0.95kg(ไม่มีขี้เถ้า)/1.0 kg(มีเถ้า)
                         =11.7 kg อากาศ/kg เชื้อเพลิง

ตัวอย่างที่ 24 แก๊สธรรมชาติพิจารณาจาก CH4 เผาไหม้ด้วยอากาศแห้งที่ความดันบรรยากาศ และจากการวิเคราะห์ orsat ของผลผลิตจากการเผาไหม้ได้ CO2=10%, O2=1.71% และ CO=1% จงคำนวณหาเปอร์เซนต์ทางทฤษฎีของอากาศที่ใช้ในกระบวนการเผาไหม้



             กำหนดให้ CH4 + อากาศแห้ง ผลผลิตจากการเผาไหม้

       วิธีทำ   พิจารณาจาก 100 โมลของผลผลิตแก๊ส จะได้จำนวนของ N2 คือ

                         100 – 10 – 1.17 –1 = 87.29
             สมการปฏิกริยาคือ
 
......................ข


            จากการสมดุลอะตอมได้
                    N2 ; y = 23.22
                      C ; x = 11.00
                   H2 ; z = 22.00
                   O2 ; y = 23.21
       ดังนั้นสมการข้างต้นจะได้

 
......................ข

       โดยที่อากาศที่ใช้จริง/kmol ของมีเทนคือ
               อากาศที่ใช้จริง = 2.11(4.76) = 10.04 kmol อากาศ/kmol เชื้อเพลิง
               และอากาศทางทฤษฎีที่ต้องการหาได้จากสมการ

 
......................ข

        โดยคิดจาก kmol ของเชื้อเพลิงจะได้
                 อากาศทางทฤษฎี = 2(4.76) = 9.52 kmol อากาศ/kmol เชื้อเพลิง
                 ดังนั้น เปอร์เซ็นต์สำหรับอากาศทางทฤษฎี =


ตัวอย่างที่ 25 เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน CxHy ทำปฏิกริยากับอากาศแห้งจากผลวิเคราะห์โดยปริมาตรของผลผลิตจากการเผาไหม้ได้ CO2 = 9.57%, O2 = 6.39% และ N2 = 84.04%            จงคำนวณหา
                 1. องค์ประกอบของเชื้อเพลิง
                 2. สมการปฏิกริยา
                 3. เปอร์เซ็นต์ของอากาศทางทฤษฎีที่ใช้ในกระบวนการเผาไหม้

           กำหนดให้ CxHy + อากาศแห้ง ผลผลิตจากการเผาไหม้

   วิธีทำ

          1. วิเคราะห์องค์ประกอบของเชื้อเพลิงได้กำหนดให้ผลผลิตจากการเผาไหม้เป็น 100 โมลจะได

 
......................ข

     หาค่าคำตอบได้

 
......................ข

     ดังนั้นองค์ประกอบของเชื้อเพลิง คือ
              และจะได้อัตราส่วน   ประมาณ 
    ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับเชื้อเพลิงประเภทโพเพน C3H8

               2. สมมติให้เชื้อเพลิงคือโพเพน ดังนั้นสมการปฏกริยาเคมีคือ

 
......................ข

       พิจารณาต่อเชื้อเพลิง 1 mol จะได้สมการ

 
......................ข

          จะได้ kmol อากาศ/kmol เชื้อเพลิง
           และ kmol อากาศ/kmol เชื้อเพลิง
  อากาศทางทฤษฎี =
                            = 140 %


ตัวอย่างที่ 26 จงคำนวณหาค่าเอนทาลปีมาตรฐานของไฮโดรเจน, น้ำอิ่มตัว และไอน้ำที่อุณหภูมิ 50๐C โดยสมมติให้ไฮโดรเจนเป็นแก๊สอุดมคติ

           วิธีทำ
                     ก. จากไฮโดรเจน (g)

 
......................ข

           เนื่องจาก มีค่าเท่ากับศูนย์จาก [H2(g)] สามารถหาค่าโดยใช้คุณสมบัติแก๊สอุดมคติ ในตารางภาคผนวกของไฮโดรเจน ค่าเฉลี่ยระหว่าง T = 298.15 K และ T = 305 K จะได้

 
......................ข

          ดังนั้น

 
......................ข
 
......................ข
และจาก
......................ข

          จากกรณีดังกล่าวมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิน้อยมาก กำหนดค่าเฉลี่ย CP = 14.3 kJ/kg.K จะได้ ค่าเอนทาลปีมาตรฐานที่ 50๐C คือ 358 kJ/kg

          ข. จากค่า และ H2O (ดังตัวอย่างรูปที่ 2) มีค่าเท่ากับ

 
......................ข


          ดังนั้นค่าเอนทาลปีมาตรฐานของน้ำอิ่มตัวจากสมการที่ 19 จะได้

 
......................ข

          ค. สำหรับไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 50๐C จะได้ความดันอิ่มตัว 0.1235 bar ดังนั้นน้ำจึงไม่สามารถกลายเป็นไอได้ที่อุณหภูมิ 50๐C ความดัน 1 บรรยากาศ ดังนั้นค่าเอนทาลปี
มาตรฐานของไอน้ำที่ 50๐C คำนวณได้ตามข้อ (ก) โดยใช้ค่าเอนทาลปีจำเพาะของแก๊สอุดมคติในตารางภาคผนวกโดยสมมติให้

 
 ของน้ำ
......................ข

           จากสมการที่19 และตารางแก๊สอุดมคติได้

 
......................ข
 
......................ข

            ดังนั้นไอน้ำที่อุณหภูมิ 50๐C เอนทาลปีมาตรฐานจำเพาะคือ

 
......................ข

            และควรพิจารณาค่า hfg (2382 kJ/kg ที่ 50๐C) ดังนั้นจะได้

 
......................ข
 
= -15,776 + 2382
= -13,394 kJ/kg
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 27 จงคำนวณหาค่าเอนทาลปีการเกิดปฏิกริยาของมีเทนกับอากาศส่วนเกิน 20% อุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ สมมติให้น้ำที่ได้จากการเผาไหม้มีคุณสมบัติเป็นไอ

               วิธีทำ  จากโจทย์ได้สมการ

              CH4 + 1.2 อากาศทางทฤษฎี --------------  ผลผลิตจากการเผาไหม้

       ดังนั้นสมการปฏิกริยา คือ

              CH4 + 1.2(2)(O2 + 3.76 N2) ----------------  CO2 + 2 H2O + 0.4 O2 + 9.02 N2

        ดังนั้น จากสมการเอนทาลปี

 
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 28  มีเทนทำปฏิกริยากับอากาศทางทฤษฎี 100% ที่ความดัน 1 บรรยากาศ อุณหภูมิ 25๐C จงคำนวณหาค่าเอนทาลปีจากการเกิดปฏิกริยา, เอนทาลปีจากการเผาไหม้, ความร้อนจากการเผาไหม้, ความร้อนค่าสูง และความร้อนค่าต่ำ

             วิธีทำ จากโจทย์จะได้

                           CH4 + อากาศทางทฤษฎี ------------  ผลผลิตจากการเผาไหม้

          ดังสมการ

                           CH4 + 2(O2 + 3.76 N2) --------------  CO2 + 2H2O + 7.52 N2

          ก. พิจารณาตามตัวอย่างที่ 10 สมมติให้ H2O มีคุณสมบัติเป็นไอได้

 
kJ/kmol
......................ข

          ข. เอนทาลปีของการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงและอากาศ จะมีค่าเท่ากับเอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยา

 
kJ/kmol
......................ข

          ค. ความร้อนจากการเผาไหม้ จะมีค่าเหมือนกับเอนทาลปีของการเผาไหม้ คือ
          ง. = -802,000 kJ/kmol
          จ. ค่าความร้อนต่ำจะมีค่าเป็นลบเท่ากับเอนทาลปีของการเผาไหม้กับไอน้ำจากการเผาไหม้คือ
LHV = 802,000 kJ/kmol

          ฉ. ค่าความร้อนสูงหาได้จากสมการ 9.23 คือ

 
HHV = LHV +
......................ข
 
= 802,000 kJ/kmol fuel +(2441)(18 kJ/kmol H2O)
......................ข
                
 
= 890,000 kJ/kmol fuel
......................ข

ตัวอย่างที่ 29 พิจารณาการไหลแบบสม่ำเสมอของ Calorimeter เพื่อคำนวณหาค่าเอนทาลปี ปฏิกริยาของ C2H4 ที่สภาวะอ้างอิงมาตรฐาน โดยที่เชื้อเพลิงเข้าระบบมีอุณหภูมิ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ ทำปฏิกริยา 150% กับอากาศทางทฤษฎี ผลผลิตจากการทำปฏิกริยาที่ทางออกมีอุณหภูมิ 400 K ความดัน 1 บรรยากาศ ความร้อนที่ถ่ายเทให้กับสิ่งแวดล้อมระหว่างทำปฏิกริยามีค่าเท่ากับ 1.25 X 106 kJ/kmol เชื้อเพลิง จงคำนวณหาเอนทาลปีการเกิดปฏิกริยา และตรวจสอบเอนทาลปีปฏิกริยาที่ที่คำนวณได้จากตาราง

        วิธีทำ

               C2H4 (g) + 1.5 อากาศทางทฤษฎี ---------------  ผลผลิตจากการทำปฏิกริยา

              (25๐C,1 atm)    (25๐C, 1 atm)    (400 K, 1 atm)

 
kJ/kmol fuel
......................ข


       สภาวะปฏิกริยา คือ

 
......................ข

       เอนทาลปีปฏิกริยาสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ 25 รวมกับสมการ 24 คือ

 
......................ข

       งานเพลามีค่าเท่ากับศูนย์ ค่าเอนทาลปีมาตรฐานที่ 25๐C , เท่ากับ ดังนั้นเอนทาลปีของปฏิกริยาสามารถหาได้จาก

 
......................ข

       โดยที่

 
......................ข

        ดังนั้นแทนค่าจะได้เอนทาลปีของการเกิดปฏิกริยา คือ

 
......................ข

          ตรวจสอบเอนทาลปีจากตารางโดยใช้สมการที่ 21

 
......................ข

          จากตารางในภาคผนวกได้ค่าเอนทาลปี ดังนี้

               CO2 = -393,536 kJ/kmol CO2
               H2O = -241,826 kJ/kmol H2O
       C2H4 (g) = 52,260 kJ/kmol C2H4 (g)
           และโดยที่เอนทาลปีของ O2, N2 มีค่าเป็นศูนย์ เมื่อแทนค่าจะได้

 
MJ/kmol fuel
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 30 เอทซีลีน [C2H4(g)] ทำปฏิกริยาใน Bomb calorimeter กับออกซิเจนบริสุทธิ์อุณหภูมิ 25๐C จงคำนวณหาอัตราการถ่ายเทความร้อนต่อ kmol ของเชื้อเพลิงจาก Bomb ในระหว่างดำเนินกระบวนการ และคำนวณพลังงานภายในจากการเผาไหม้, เอนทาลปีของการเผาไหม้ โดยสมบัติให้ผลผลิตจากการเผาไหม้มีสถานะเป็นแก๊ส

          วิธีทำ

                  C2H4 (g) + 3 O2 ----------------  ผลผลจากการเผาไหม้สถานะเป็นแก๊ส

          จากสมการปฏิกริยา

                  C2H4 (g) + 3 O2 ----------------- 2 CO2 (g) + 2H2O (g)

          ใช้สมการ 32 คำนวณหาค่า โดยสมมติให้ W = O
           และ TP = TR = 298 K ดังนั้นจะได้

 
......................ข

          ใช้เอนทาลปีจากตารางในภาคผนวกได้

               q = 2(-393,536) + 2(241,862) – 1(52,226) kJ/kmol
                  = -1,323 MJ/kmol fuel
          จากสมการ

 
......................ข

           สมมติให้กระบวนการที่เกิดขึ้นเป็นกระบวนการอุณหภูมิคงที่ TP = TR จากสมการที่ 31 แสดงให้เห็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของกระบวนการซึ่งมีค่าเท่ากับการเปลี่ยนแปลง ของพลังงานภายใน ดังนั้น

 
MJ/kmol fuel
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 31 มีเทน CH4 ทำปฏิกริยากับออกซิเจนในอัตราส่วนของสัดส่วนที่เหมาะสม ที่อุณหภูมิของปฏิกริยา และผลผลิตจากการเผาไหม้ 25๐C ความดัน 1 บรรยากาศ โดยเป็นการเผาไหม้แบบสมบูรณ์ สมมติให้ H2O ในผลผลิตจากการเผาไหม้มีคุณสมบัติเป็นของเหลว จงคำนวณหา
                ก. เอนโทรปีที่เปลี่ยนแปลงขณะเกิดปฏิกริยาในระบบ (kJ/kmol fuel)
                ข. เอนโทรปีที่เปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม (ต่อ kmol fuel)
                ค. การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีทั้งหมดของจักรวาล

         วิธีทำ
                CH4 + O2 ผลผลิตจากการเกิดปฏิกริยา [H2O (liquid)]
          (การเกิดปฏิกริยาและผลผลิตจากการเกิดปฏิกริยาที่ (25๐C , 1 atm)
                สมการสมดุลการเกิดปฏิกริยา คือ

 
......................ข

        สัดส่วนของโมล และ สำหรับปฏิกริยา และ
        สำหรับผลผลิตแก๊สจากการเกิดปฏิกริยา (ไม่รวมของเหลว (น้ำ) อิ่มตัว)
       ใช้สมการที่39 คำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี จะได้

 
......................ข

        ค่าเอนโทรปีจำเพาะมาตรฐานของ H2O(1) ชั้นแรกสามารถคำนวณได้จาก เอนโทรปีของไอน้ำอิ่มตัว (แห้ง) ที่อุณหภูมิ 25๐C โดยใช้สมการที่ 35

 
......................ข

        โดยที่ จากตารางแก๊ส และ ps คือความดันอิ่มตัวในบรรยากาศสำหรับไอน้ำที่ 25๐C สมมติให้ผลต่างของ ระหว่างความดัน ps และ 1 atm มีค่าน้อยมาก ดังนั้นค่าเอนโทรปีจำเพาะมาตรฐานสำหรับ H2O (1) สามารถคำนวณได้จากสมการ คือ

 
......................ข

          และสำหรับค่าเอนโทรปีจำเพาะมาตรฐานของมีเทน, คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจน สามารถคำนวณมาได้ โดยแทนค่า p = 1 atm และ TR = TO = 25๐C แล้วนำค่าไปแทนในสมการ จะได้

 
ต่อ kmol fuel
......................ข

         พิจารณาการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของสิ่งแวดล้อม จากสมการ

 
......................ข

          กำหนดให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิ 25๐C ปริมาณการถ่ายเทความร้อนสามารถใช้สมการที่ 27 โดยให้ TP = TR = 298.15 K และไม่มีงานเพลา จะได้

 
......................ข

          จากสมการจะเห็นว่าไม่มีค่าเอนโทรปีของ O2 เนื่องจากมีค่าเป็นศูนย์ และจะได้ปริมาณความร้อนของ H2O = -285.800 kJ/kmol H2O, CO2 = -393,536 kJ/kmol CO2, CH4 = -74,848 kJ/kmol CH4 เมื่อแทนค่า จะได้

 
......................ข

          ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของสิ่งแวดล้อม

 
......................ข

 

ตัวอย่างที่ 32 จงคำนวณหา Exergy เคมีของแก๊สมีเทนบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิ TO และความดัน PO โดยใช้สมการจากตารางที่ 9.1 และ 9.2 แล้วเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้ โดยกำหนดให้ LHV4 สำหรับมีเทนมีค่าเท่ากับ 802 MJ/kmol

          วิธีทำ
               จากตารางที่ 1 จะได้

 
......................ข

              สำหรับมีเทนบริสุทธิ์, จะได้

 
......................ข

และจากตารางที่ 2 สำหรับแก๊ส จะได้

 
......................ข

          สำหรับ และ

ดังนั้น
......................ข


          ผลลัพธ์ที่ได้แตกต่างกัน 0.2%
 

ตัวอย่างที่ 33 แก๊สมีเทนที่อุณหภูมิ TO ความดัน PO ไหลเข้าถังปฏิกริยา และทำปฏิกริยากับอากาศในสัดส่วนที่เหมาะสมที่อุณหภูมิ TO ความดัน PO ดังแสดงในรูปด้านล่าง การทำปฏิกริยาเคมีที่เกิดขึ้นในกระบวนการความดันคงที่ในถังปฏิกริยา และผลผลิตจากการปฏิกริยา คือ ไอเสียที่ระบายสู่สิ่งแวดล้อมที่อุณหภูมิ TO, PO
ส่วนที่ 1 จงคำนวณหางานสูงสุดที่เป็นไปได้ต่อ kmol เชื้อเพลิงจากกระบวนการเผาไหม้ถ้าไอเสียที่ออกจากถังทำปฏิกริยาที่อุณหภูมิ TO และที่อุณหภูมิ 1,000 K
ส่วนที่ 2 ถ้าความร้อนที่เกิดจากปฏิกริยาส่งต่อให้กับเครื่องยนต์คาร์โน ดังในรูปด้านล่าง จงคำนวณหางานที่เครื่องยนต์ผลิตได้ต่อ kmol เชื้อเพลิง ถ้าการเกิดปฏิกริยาที่อุณหภูมิ TO และที่อุณหภูมิ 1,000 K

         วิธีทำ
               สมการปฏิกริยา

 
......................ข

          งานสูงสุดกำหนดโดย ซึ่ง Exergy ทั้งหมดต่อ kmol จะรวม Thermal exergy ,Pressure exergy และ Chemical exergy สำหรับเชื้อเพลิงภายในถัง และ มีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้น Tin = To และ Pin =Po จะได้ ในกรณีนี้ อุณหภูมิและความดันที่ทางออกเท่ากับสิ่งแวดล้อม จะได้

 
......................ข

          เมื่อ สำหรับมีเทนสามารถใช้สมการในตารางที่ 1 คำนวณหาได้คือ

 
......................ข

          จะได้งานสูงสุดที่เป็นไปได้ของระบบ คือ 827 MJ/kmol CH4 #
สำหรับในกรณีที่ 2 ( ไม่มีค่าเท่ากับศูนย์) ดังนั้นผลผลิตที่ปฏิกริยา 1,000 K สามารถหาค่า ได้จากสมการ

 
......................ข

          ค่าเฉลี่ยจำเพาะของโมลที่ความดันคงที่ของ CO2, H2O และ N2 ระหว่างอุณหภูมิ 25๐C – 1,000 K คือ 47.6 kJ/kmol.K , 37.0 kJ/kmol.K และ 30.6 kJ/kmol.K ตามลำดับ ดังนั้นจะได้ = 33.4 kJ/kmol หรือ 351.4 kJ/kmol.K ของ CH4 เมื่อแทนค่าจะได้

 
......................ข

          ซึ่งงานของเครื่องยนต์คาร์โนที่ทำได้ คือ 826,731 – 119,948 = 706,780 kJ/kmol CH4       

          จากกระบวนการดังกล่าวกำหนดให้ TH = 1,000 K, TL = 298.15 K จากสมการประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คาร์โน และงาน คือ ดังนั้นจะได้

 
......................ข

          โดยที่ Q จากปฏิกริยาอุณหภูมิ 1,000 K สามารถหาค่าได้จากสมการ 28 คือ

 
......................ข

แทนค่าได้
......................ข

ตัวอย่างที่ 34  การวิเคราะห์เชิงมวลของถ่านหินที่ใช้กับหม้อไอน้ำลูกหนึ่งได้ว่า มี C 82%, H 8%, O 3% และ ash 7% อัตราการป้อนเชื้อเพลิงเข้าเตา 0.19 kg/s โดยให้มีปริมาณอากาศส่วนเกิน 30% จงคำนวณหา

 

ก.ปริมาตรอากาศเข้าเตา โดยมีสภาวะที่ทางเข้า 100 kPa และ30oC กำหนดให้ R ของอากาศ = 0.287 kJ/kg.K

 

ข.ปริมาณร้อยละของแก๊สแต่ละชนิดในไอเสียแห้งที่เกิดขึ้น เมื่อวิเคราะห์ต่อ 1 kg ถ่านหิน

    C         +         O2                    CO2

12 kg         +      32 kg                    44 kg

       1 kg         +   2 2/3 kg                  3 2/3 kg

ดังนั้น 0.82 kg C จะใช้ O2 = 2.667 x 0.82 = 2.19 kg

  2H2        +         O2                      2H2O

4 kg         +      32 kg                    36 kg

1 kg         +        8 kg                      9 kg

ดังนั้น 0.08 kg H2 จะใช้  O2 =  8 x 0.08  =  0.64 kg

ได้ปริมาณ O2 เพื่อการเผาไหม้ทั้งหมด = 2.19 + 0.64

                                                       = 2.83 kg

แต่เชื้อเพลิงมี O2 อยู่แล้ว  0.03 kg

ดังนั้นจะต้องใช้ O2 จากอากาศอีก       = 2.83 + 0.03

                                                       = 2.8 kg

แต่อากาศมี O2 ร้อยละ 23.2 โดยน้ำหนัก ดังนั้น

จะต้องใช้อากาศ  = 2.8/0.232  =  12.18 kg/kg ถ่านหิน

ค่าที่ได้เป็นค่าทฤษฎี เมื่อใช้อากาศส่วนเกิน 30%

ปริมาณอากาศที่ใช้จริง        =  1.3 x 12.18

                                         =  15.82 kg/kg ถ่านหิน

ดังนั้นอัตราการไหลของอากาศเชิงมวลที่ไหลเข้าเตา

                    

                

อัตราการไหลเชิงปริมาตร อาจหาได้จากสมการแก๊สอุดมคติ


 

ดังนั้นอัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศที่เป่าเข้าเตา ที่ 100 kPa, 30°C

                          

 

ไอเสียแห้งประกอบไปด้วย CO2 จากการเผาไหม้ +O2 ส่วนเกิน +N2 ที่มากับอากาศ

จากสมการการเผาไหม้ 0.82 kg ของ C ได้ CO2

CO2   =   3.667 x 0.82  =  3.01  kg/kg ถ่านหิน

การใช้อากาศส่วนเกิน 30% ทำให้มี O2 ในไอเสีย

= ค่า O2 ทฤษฎี  x % อากาศส่วนเกิน

            = 2.8 x 0.3  =  0.84 kg/kg ถ่านหิน

ปริมาณ N2 ในไอเสีย   =  ปริมาณอากาศเข้าเตา x % N2 ใน                                                        อากาศ

= 15.82 x 0.768  =  12.18 kg/kg ถ่านหิน

ดังนั้นปริมาณไอเสียแห้ง = 3.01 + 0.84 + 12.18

                                   = 16.03 kg/kg ถ่านหิน

โดยมี CO2 18.78 %, O2 5.24% และ N2 75.98%                            ตอบ