น้ำ คือ ปัจจัยพื้นฐานของการดำรงชีวิตของมนุษย์ทุกคน และคุณสมบัติของน้ำ สามารถเป็นของแข็ง,ของเหลวและก๊าซได้ ซึ่งการที่จะใช้ประโยชน์ในแต่ละสถานะนั้นก็แตกต่างกัน บทความนี้ ขอกล่าวถึงการใช้ประโยชน์ในสถานะก๊าซเท่านั้น หรือที่เรียกว่า ไอน้ำ ทำไมเราจึงต้องใช้ไอน้ำและศึกษาเรื่องไอน้ำ ซึ่งสมัยก่อนใช้ไอน้ำเพียงแค่ประกอบอาหาร แต่ปัจจุบัน เราใช้ประโยชน์จากไอน้ำในรูปแบบของพลังงานความร้อนมากขึ้น ซึ่งมีราคาถูก หาง่าย การควบคุมอุณหภูมิ และความดันเป็นไปได้ง่าย และ ใน อุตสาหกรรมบางชนิด ไอน้ำ ถือเป็นปัจจัยหลักที่มีความสำคัญมากด้วย เช่น อุตสาหกรรมย้อมผ้า เป็นต้น ดังนั้น จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องศึกษา ไอน้ำและการใช้ไอน้ำ เพื่อใช้ประโยชน์ของไอน้ำให้ได้คุ้มค่าที่สุด และจะทำให้ต้นทุนในการผลิตต่ำลงในที่สุด

สิ่งที่เราได้จากไอน้ำ นั้น คือ ปริมาณพลังงานที่เกิดขึ้นจากความดันและอุณหภูมิ ณ สถานะไอน้ำ หรือเรียกว่า “เอ็นธาลปี” (Enthalpy) และจะนำเอา “เอ็นธาลปีจำเพาะ” (Specific Enthalpy) หรือ เอ็นธาลปี (ปริมาณพลังงาน) ของมวลสารหนึ่งหน่วย ( 1 กิโลกรัม) มาใช้ในการคำนวณ โดยมีหน่วยเป็น kJ/kg

ความจุความร้อนจำเพาะ (Specific Heat Capacity)

คือ หน่วยวัดความสามารถของวัตถุในการดูดซึมความร้อนนั่นคือ ปริมาณของพลังงาน (จูล) ที่ต้องการทำให้สาร 1 กิโลกรัม มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส หน่วยที่ใช้คือ kJ/kg oC (น้ำมีความจุความร้อนจำเพาะ 4.186 kJ/kg oC)

ความดันสมบูรณ์และความดันเกจ (Absolute Pressure and Gauge Pressure)

ความดันสมบูรณ์คือ ระดับความดันที่อยู่เหนือกว่าความดันในสูญญากาศ [ความดันสมบูรณ์ (Absolute Pressure) P(abs) = P(gage) + P(atm)]

เช่น ความดันบรรยากาศที่มีค่าเท่ากับ 1.013 บาร์สมบูรณ์ (Bar abs.) ที่ระดับน้ำทะเล

ความดันเกจคือความดันที่ปรากฏขึ้นที่เครื่องวัดความดันมาตรฐาน ซึ่งติดอยู่กับระบบไอน้ำ ความดันเกจเป็นความดันที่อยู่ในระดับเหนือกว่าความดันบรรยากาศ ตรงจุดเลขศูนย์ที่หน้าปัทม์ของเครื่องวัดจึงมีค่าโดยประมาณเท่ากับ 1.013 บาร์สมบูรณ์

ดังนั้นความดัน 3 บาร์สมบูรณ์ จึงประกอบด้วยความดันเกจ 1.987 บาร์บวกกับความดันบรรยากาศ 1.013 บาร์ ( 1 บาร์ เท่ากับ 100 kPa )

ความร้อนและการถ่ายเทความร้อน (Heat and Heat Transfer)

การถ่ายเทความร้อนนั้น จะ ใช้การไหลของเอ็นธาลปีจากสสารหนึ่งที่มีอุณหภูมิสูงไปยังอีกสสารหนึ่งที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อนำสสารทั้งสองมาสัมผัสกัน จะนำไอน้ำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ได้อย่างไร

ความดันที่เกิดขึ้นโดยบรรยากาศในขณะที่น้ำเดือด ณ อุณหภูมิ 100 oC เท่ากับ 1.01325 บาร์ ซึ่งใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศ 1 บาร์ หากน้ำในหม้อไอน้ำร้อนขึ้นจนเกิดเป็นไอน้ำแล้วความดันของไอน้ำและความดันของน้ำก็จะเพิ่มมากขึ้นดังนั้นเราจึงนำความดันอันนี้ไปใช้ประโยชน์แล้วปล่อยให้ไอน้ำภายใต้ความดันพุ่งไปยังเครื่องอุปกรณ์ที่ทำให้สามารถควบแน่นเป็นน้ำได้ โดยมีความดันเท่าเดิมนี้ไหลต่อไปยังหม้อไอน้ำอีกครั้งหนึ่ง หม้อไอน้ำจะทำงานด้วยความดันที่สูงกว่าความดันบรรยากาศ อุณหภูมิของน้ำอิ่มตัวและของไอน้ำก็จะสูงกว่า 100 oC เช่น ถ้าความดันเท่ากับ 10 บาร์สมบูรณ์ อุณหภูมิของน้ำอิ่มตัวก็จะเท่ากับ 180 oC ซึ่งถ้าอุณหภูมิสูงๆ จะทำให้น้ำได้รับปริมาณ “เอ็นธาลปีของน้ำอิ่มตัว” มากขึ้น ในอีกทางหนึ่งเอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำที่จำเป็นต้องใช้ในการทำให้น้ำอิ่มตัวกลายเป็นไอนั้นจะลดลงในขณะที่ความดันเพิ่มขึ้น โมเลกุลของไอน้ำในความดันสูงๆ จะเกาะกลุ่มกันอยู่หนาแน่นกว่า และปริมาณพลังงานที่ต้องการเพิ่มเติมเพื่อช่วยให้โมเลกุลเหล่านั้นแยกตัวออกจากน้ำก็จะลดน้อยลง ในความดันที่สูงมากๆ ประมาณเหนือกว่า 221 บาร์ ระดับพลังงานของโมเลกุลไอน้ำก็จะมีค่าเท่ากันกับระดับพลังงานของน้ำ และเอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำก็จะเหลือเพียงศูนย์ อีกสิ่งหนึ่งคือ ปริมาตร ซึ่งปริมาตรของมวลสารใดๆ ย่อมขึ้นอยู่กับความดัน ณ ความดันบรรยากาศ ไอน้ำ 1 kg จะมีปริมาตรเท่ากับ 1.673 ลูกบาศก์เมตร ณ ความดัน 10 บาร์สมบูรณ์ ไอน้ำ 1 kg เท่ากันนั้นจะมีปริมาตรเพียง 0.1943 ลูกบาศก์เมตรเท่านั้น ปริมาตรของไอน้ำ 1 kg ณ ความดันระดับใดระดับหนึ่งเรียกว่า ปริมาตรจำเพาะ ( Specific Volumne , vg)

ลักษณะของไอน้ำที่นำไปใช้งานนั้น จะมีทั้งไอน้ำแห้งและไอน้ำเปียก ความหมายของไอน้ำอิ่มตัวแห้งคือ ไอน้ำที่กลายเป็นไอโดยสิ้นเชิงจนไม่มีหยดน้ำหรือละอองน้ำ ซึ่งในทางปฏิบัตินั้น ไอน้ำมักจะมีหยดน้ำเล็กๆ ปนอยู่ด้วย ซึ่งก็เป็นเรื่องที่สำคัญมากเรื่องหนึ่ง ส่วนไอน้ำเปียก คือ ไอน้ำที่ยังมีหยดน้ำหรือละอองน้ำปนอยู่ยกตัวอย่างเช่น เราจะสามารถคำนวณหาเอ็นธาลปีจำเพาะของไอน้ำที่ 7 บาร์ ซึ่งมีอัตราส่วนการแห้ง 0.95 ได้ดังนี้

[ไอน้ำเปียก 1 kg จะมีเอ็นธาลปีของน้ำอิ่มตัวอยู่เต็มที่แต่เนื่องจากไอน้ำแห้ง 0.95 kg มีน้ำปนอยู่ด้วย 0.05 kg ปริมาณเอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำจึงมีอยู่เท่ากับ 0.95 เท่านั้น เพราะฉะนั้นเอ็นธาลปีจำเพาะของไอน้ำจึงเท่ากับ hg = hf + (0.95 x hfg)]

เมื่อ

• hg คือ เอ็นธาลปีจำเพาะของไอน้ำอิ่มตัว
• hf คือ เอ็นธาลปีจำเพาะของน้ำอิ่มตัว
• hfg คือ เอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำ

หากว่า ความดันเพิ่มขึ้น

• เอ็นธาลปีของไอน้ำอิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย
• เอ็นธาลปีของน้ำอิ่มตัวจะเพิ่มขึ้น
• เอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัวจะลดลง

หากว่า ความดันลดลง

• เอ็นธาลปีของไอน้ำอิ่มตัวจะลดลงเล็กน้อย
• เอ็นธาลปีของน้ำอิ่มตัวจะลดลง
• เอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำอิ่มตัวจะเพิ่มขึ้น

จากกราฟ จะพบว่า การเปลี่ยนสภาพจากน้ำเป็นไอน้ำ ผลของการเพิ่มเอ็นธาลปีที่มีต่อสภาพทั้งสองอย่าง เส้นดิ่งแสดงอุณหภูมิ เส้นนอนคือ เอ็นธาลปี ที่แบ่งออกตามระดับอุณหภูมิในช่วงที่มีการเพิ่มเอ็นธาลปีเข้าไปพื้นที่ที่ต่ำกว่าแนวเส้นเหล่านั้นในกราฟก็คือ เอ็นธาลปีที่จุด A น้ำในขณะที่มีอุณหภูมิ 0oC มีเอ็นธาลปีเท่ากับ 0 ขณะที่การเพิ่มเอ็นธาลปีเข้าไป อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นไปตามแนวเส้น AB จุด B คือจุดอิ่มตัว หรือจุดเดือด T1 ซึ่งเป็นไปตามระดับความดันในระบบ จากจุด B ถึงจุด C เอ็นธาลปีของการกลายเป็นไอน้ำจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่อุณหภูมิอยู่คงที่ในระดับ T1 ถ้ามีการเพิ่มเอ็นธาลปีเลยจุด C ขึ้นไป ก็จะทำให้อุณหภูมิของไอน้ำเพิ่มขึ้น จนถึงระดับ T2 ที่จุด D บริเวณของกราฟทางด้านขวามือของเส้น C-D นั้นก็คือ ไอร้อนยวดยิ่งนั่นเอง T2 คือ อุณหภูมิของไอร้อนยวดยิ่ง และจาก T2 ถึง T1 ก็คือ ปริมาณของความร้อนยวดยิ่งที่เพิ่มเข้าไป ความดันของน้ำและไอน้ำที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ปรากฏอยู่ตามเส้น AEFG

ประเภทการใช้ไอน้ำ สามารถแบ่งได้2 ประเภท คือ

• ใช้ขับเครื่องกังหันไอน้ำ เครื่องจักรไอน้ำอันเป็นเครื่องจักรต้นกำลัง
• ใช้เป็นตัวถ่ายเทความร้อน ซึ่งมี 2 ลักษณะกล่าวคือ ใช้ถ่ายเทโดยตรง เช่น อบนึ่ง ฆ่าเชื้อโรคและใช้โดย อ้อมโดยผ่านเข้าไปในขดแลกเปลี่ยนความร้อน

เอกสารอ้างอิง

• สไปแร็กซ ซาร์โก, 2538, “หลักสูตรการใช้ไอน้ำ”, หน้า 5-14
• กองทุนเพื่อส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน
• สถานจัดการและอนุรักษ์พลังงาน มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
• สถาบันวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่