ภาคผนวก ก: พลังงานและอุณหพลศาสตร์สำหรับชาว Bitcoin

แปลโดย : Gemini 2.5 Pro / credit : https://braiins.com/books/bitcoin-mining-heat-reuse

ภาคผนวก ก: พลังงานและอุณหพลศาสตร์สำหรับชาว Bitcoin (APPENDIX A: ENERGY & THERMODYNAMICS FOR BITCOINERS)

เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องสังเกตว่าทุกสิ่งที่กล่าวถึงในหนังสือเกี่ยวกับการนำความร้อนจากบิตคอยน์กลับมาใช้ใหม่นี้มีพื้นฐานมาจากฟิสิกส์ นี่คือสิ่งที่ทำให้บิตคอยน์เป็นเงินที่มั่นคงทางอุณหพลศาสตร์เป็นครั้งแรก นี่คือเหตุผลว่าทำไมถึงเป็นเช่นนั้น

สำหรับการระบายหรือการนำความร้อนจากเครื่องขุดบิตคอยน์กลับมาใช้ใหม่ การทำความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์สามารถช่วยในการจัดการการดำเนินงานการขุดและการแปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ 'อุณหพลศาสตร์' มีต้นกำเนิดมาจากคำภาษากรีกว่า thermos (ความร้อน) และ dynamis (พลังงาน) มันหมายถึงการศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกี่ยวข้องกับความร้อน (thermal และ heat มักเป็นคำที่ใช้แทนกันได้ในสาขานี้)

พลังงานและงาน (ENERGY & WORK)

พลังงานเป็นคุณสมบัติของสสารที่ไม่สามารถสังเกตหรือจับต้องได้โดยตรง มันปรากฏในหลายรูปแบบ: พลังงานจลน์, พลังงานศักย์, พลังงานเคมี, พลังงานไฟฟ้า, พลังงานนิวเคลียร์, และพลังงานความร้อน พลังงานสามารถนิยามได้ว่า "ความสามารถในการทำงาน" ในทางฟิสิกส์ งาน (W) ถูกนิยามว่า "ความสามารถในการออกแรงเหนือระยะทาง" ปริมาณงานที่ทำได้คำนวณโดยการคูณแรง (F) ด้วยระยะทาง (d) ที่ใช้แรงนั้น

W = F * d

มาเริ่มต้นด้วยพลังงานงานเชิงกลก่อน ลองนึกภาพการยกเครื่องขุดบิตคอยน์เพื่อติดตั้งบนพื้นที่ว่างในแร็ค หากคุณออกแรง 100 นิวตัน (N) เพื่อยกเครื่องขึ้นเหนือระยะทาง 1 เมตร (m) ปริมาณงานที่ทำได้คือ 100 นิวตัน-เมตร (Nm) เนื่องจากพลังงานคือความสามารถในการทำงาน คำทั้งสองจึงสามารถใช้แทนกันได้ ดังนั้น ต้องใช้พลังงาน 100 Nm ในการยกวัตถุ หน่วยของงานหรือพลังงานในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) คือจูล (J) และ 1 Nm เท่ากับ 1 J ดังนั้น การยกเครื่องขุดบิตคอยน์ต้องใช้พลังงาน 100 J

งานไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้า (q) ผ่านสนามไฟฟ้า (E) เหนือระยะทางหนึ่ง (d) ไฟฟ้าเป็นสิ่งที่มองไม่เห็น จึงอาจเข้าใจยาก ตัวอย่างที่ดีที่สุดที่ผมพบคือ: ลองนึกภาพประจุไฟฟ้าเป็นคนกำลังลงจากสไลเดอร์ สนามไฟฟ้าแทนด้วยความชันของสไลเดอร์ โดยสนามไฟฟ้าที่ใหญ่กว่าจะเปรียบได้กับความชันที่สูงกว่า ระยะทางที่ประจุเดินทางแทนด้วยความยาวของสไลเดอร์ ด้วยวิธีนี้ งานไฟฟ้าสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นแรงที่สนามไฟฟ้ากระทำต่อประจุคูณด้วยระยะทางที่ประจุเดินทางภายในสนาม

การขุดบิตคอยน์ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อดำเนินการเชิงตรรกะของฟังก์ชันแฮช SHA-256 จึงเป็นที่มาของคำบรรยาย proof-of-work ที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการนี้!

เมื่อเกี่ยวข้องกับความร้อนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องขุดบิตคอยน์ คุณอาจสงสัยว่าพลังงานความร้อนสามารถทำงานได้อย่างไร เมื่อความร้อนถูกเพิ่มเข้าไปในระบบ เช่น แก๊ส มันจะเพิ่มความดันและปริมาตรของแก๊ส ทำให้สามารถทำงานได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นในเครื่องยนต์สันดาป งานที่ทำบนระบบสามารถกำหนดได้โดยการวัดแรงดัน (P) ที่แก๊สออกแรงเหนือการเปลี่ยนแปลงปริมาตร (∆V) – ซึ่งเป็นสัดส่วนกับระยะทาง – ของห้องลูกสูบ

W = P * ∆V

ปริมาณงานที่แน่นอนที่สามารถทำได้ด้วยพลังงานความร้อนจากเครื่องขุดบิตคอยน์นั้นเกี่ยวข้องกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างไอเสียร้อนกับสภาพแวดล้อมที่เย็น

เนื่องจากพลังงานทุกรูปแบบเหล่านี้สามารถนิยามได้ว่าเป็นความสามารถในการทำงาน พวกมันจึงมีหน่วยพื้นฐานร่วมกันคือจูล (J)

กำลัง (POWER)

กำลังคือการวัดการใช้พลังงานเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งแสดงด้วยหน่วยจูลต่อวินาที (J/s) หรือที่เรียกว่าวัตต์ (W) กำลังวัดปริมาณความเร็วในการบริโภคหรือสร้างพลังงาน ตัวอย่างเช่น หากอุปกรณ์ใช้พลังงาน 1 จูลทุกวินาที การใช้กำลังของมันคือ 1 วัตต์

สำหรับเครื่องขุดบิตคอยน์ กำลังเป็นตัวกำหนดอัตราการใช้พลังงานเพื่อดำเนินการฟังก์ชันแฮช นี่คือตัวชี้วัดที่สำคัญสำหรับผู้ขุด การใช้กำลังที่สูงขึ้นโดยทั่วไปหมายถึงการคำนวณต่อวินาทีที่มากขึ้น ซึ่งนำไปสู่ hashrate ที่สูงขึ้น และยังสร้างความร้อนมากขึ้นด้วย

ตัวอย่าง:

เครื่องขุดบิตคอยน์ที่ใช้กำลังไฟฟ้า 3000 วัตต์ ใช้พลังงาน 3000 จูลทุกวินาที! ในหนึ่งชั่วโมง การใช้พลังงานนี้คิดเป็น 10.8 ล้านจูล (เนื่องจาก 1 ชั่วโมง = 3600 วินาที)

หน่วย (UNITS)

นอกเหนือจากหน่วยมาตรฐานสากลสำหรับพลังงานและกำลังแล้ว ยังมีหน่วยอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไปในภูมิภาคและการใช้งานที่แตกต่างกัน

หน่วยพลังงาน (Units of Energy)

จูล (J): หน่วยมาตรฐาน SI (เมตริก) ของพลังงาน นิยามว่าเป็นปริมาณงานที่ทำเมื่อออกแรง 1 นิวตันเหนือระยะทาง 1 เมตร 1 J = 1 N * 1 m
บริติชเทอร์มอลยูนิต (BTU): ใช้กันทั่วไปในสหรัฐอเมริกาสำหรับระบบทำความร้อนและความเย็น 1 BTU คือพลังงานที่ต้องการเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 ปอนด์ขึ้น 1 องศาฟาเรนไฮต์
เทอร์ม (Therm): ใช้เป็นหลักในการเรียกเก็บค่าก๊าซธรรมชาติ 1 เทอร์ม = 100,000 BTU
วัตต์-ชั่วโมง (Wh): โดยทั่วไปใช้สำหรับการเก็บพลังงานไฟฟ้า โดยเฉพาะการวัดความจุแบตเตอรี่อิเล็กทรอนิกส์และแบตเตอรี่ขนาดเล็ก
กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh): 1 kWh = 1,000 Wh. มักใช้ในการเรียกเก็บค่าไฟฟ้าและการกำหนดขนาดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าขนาดใหญ่

หน่วยกำลัง (Units of Power)

วัตต์ (W): หน่วยมาตรฐาน SI (เมตริก) ของกำลัง นิยามเป็น 1 J ต่อวินาที (J/s)
กิโลวัตต์ (kW): 1 kW = 1,000 W. มักใช้ในการประยุกต์ใช้พลังงานไฟฟ้า
เมกะวัตต์ (MW): 1 MW = 1,000,000 W. มักใช้ในการบริโภคและการผลิตพลังงานในอุตสาหกรรม
แรงม้า (hp): ใช้เป็นหลักในอุตสาหกรรมยานยนต์ 1 hp ประมาณเท่ากับ 746 W.
BTU ต่อชั่วโมง (BTU/h): ใช้ในการประยุกต์ใช้ทำความร้อนและความเย็นเพื่อวัดกำลังทำความร้อนของระบบ HVAC หรือไฮโดรนิกส์

หน่วยที่ใช้กันทั่วไปในการขุดบิตคอยน์ (Common Units in Bitcoin Mining)

ในระหว่างกระบวนการขุด พลังงานไฟฟ้า (J) จะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน (J) อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากทั้งไฟฟ้าและความร้อนเป็นรูปแบบของพลังงาน จึงใช้หน่วยวัดเดียวกัน ในอัตราหนึ่ง กำลังไฟฟ้า (W) จะถูกแปลงเป็นกำลังความร้อน ซึ่งมักเรียกว่าอัตราความร้อน (W)

ในขณะที่จูลและวัตต์เป็นหน่วยพื้นฐานสำหรับการวัดพลังงานและกำลัง หน่วยมาตรฐานอื่นๆ มักใช้กันทั่วไปเนื่องจากข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ เช่น ขนาดของการบริโภค, การวัด, และการประยุกต์ใช้ที่แตกต่างกัน สำหรับวัตถุประสงค์ทางไฟฟ้า ได้แก่:

พลังงานไฟฟ้า: กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) เป็นหน่วยที่พบมากที่สุดของการวัดพลังงานและการเรียกเก็บเงินทั่วโลก เป็นมาตรฐานที่บริษัทสาธารณูปโภคใช้ในการเรียกเก็บค่าไฟฟ้าสำหรับการบริโภคพลังงานในที่อยู่อาศัยและเชิงพาณิชย์
กำลังไฟฟ้า: กิโลวัตต์ (kW) กิโลวัตต์ (kW) เป็นหน่วยที่พบมากที่สุดของการวัดกำลังทั่วโลก เป็นหน่วยมาตรฐานที่ใช้โดยอุปกรณ์ขนาดใหญ่ส่วนใหญ่และเครื่องจักรกำลังสูง

ความแตกต่างระหว่างวัตต์และวัตต์-ชั่วโมงอาจสร้างความสับสนในตอนแรก วัตต์วัดกำลัง ซึ่งเป็นอัตราที่พลังงานถูกใช้หรือสร้างขึ้น ในทางกลับกัน วัตต์-ชั่วโมงวัดปริมาณพลังงานทั้งหมดที่บริโภคหรือสร้างขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง เนื่องจากหนึ่งวัตต์แสดงถึงหนึ่งจูลต่อวินาที การคูณด้วยชั่วโมงจะให้จูล ซึ่งเป็นการวัดพลังงานโดยตรง แนวคิดนี้เข้าใจได้ดีที่สุดด้วยตัวอย่าง

ตัวอย่าง:

หากเครื่องขุดบิตคอยน์ใช้พลังงาน 3000 วัตต์-ชั่วโมง (3 kWh) ในช่วง 1 ชั่วโมง การใช้กำลังคงที่คือ 3000 วัตต์ หรือ 3 kW. หากเครื่องเดียวกันนี้ทำงานในช่วง 2 ชั่วโมง ก็จะใช้พลังงานรวม 6000 วัตต์-ชั่วโมง หรือ 6 kWh.

3000 Wh / 1 h = 3000 W

6000 Wh / 2 h = 3000 W

เมื่อพูดถึงการวัดการใช้พลังงานและการใช้กำลังในบริบทของระบบทำความร้อน หน่วยทั่วไปสำหรับการใช้งานไฟฟ้ามักไม่ถูกนำมาใช้ แต่จะใช้หน่วยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ:

พลังงานความร้อน: บริติชเทอร์มอลยูนิต (BTU): หน่วยที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการวัดพลังงาน โดยเฉพาะในระบบทำความร้อนและความเย็นในอเมริกาเหนือ 1 kWh = 3,412 BTU.
กำลังความร้อน: บริติชเทอร์มอลยูนิตต่อชั่วโมง (BTU/h): หน่วยทั่วไปสำหรับการวัดกำลังขับหรือความจุของระบบทำความร้อนและความเย็น โดยบ่งบอกถึงปริมาณพลังงานที่ถ่ายเทต่อชั่วโมง 1 kW = 3,412 BTU/h.

สำหรับระบบนำความร้อนจากการขุดบิตคอยน์กลับมาใช้ใหม่ มักจำเป็นต้องแปลงระหว่างหน่วยทั่วไปของพลังงานและกำลังไฟฟ้าและความร้อนเหล่านี้ สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากโครงสร้างพื้นฐานการทำความร้อนส่วนใหญ่มักระบุหน่วยเป็น BTU/h ในขณะที่ฮาร์ดแวร์การขุดบิตคอยน์ระบุหน่วยเป็น kW

อุณหภูมิ vs. พลังงานความร้อน (TEMPERATURE VS THERMAL ENERGY)

อุณหภูมิไม่ใช่การวัดพลังงานโดยตรง เป็นการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในสสาร โมเลกุลของสสารจะสั่นสะเทือนในระดับอะตอม และความเร็วเฉลี่ยของการสั่นสะเทือนจะกำหนดอุณหภูมิ ยิ่งอนุภาคของสสารเคลื่อนที่เร็วขึ้น อุณหภูมิก็จะสูงขึ้น

ในฮาร์ดแวร์การขุดบิตคอยน์ กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านวงจรของเครื่องจักร การชนกันและความต้านทานในระดับอะตอมทำให้ส่วนประกอบภายในของชิป ASIC สั่นสะเทือน ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น

พลังงานความร้อน ในทางกลับกัน แสดงถึงพลังงานจลน์ทั้งหมดของอนุภาคทั้งหมดในสสาร พลังงานนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยสำคัญสามประการ: อุณหภูมิ, มวล, และความจุความร้อนจำเพาะ

อุณหภูมิ (T): การวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคในสสาร อุณหภูมิที่สูงขึ้นหมายถึงการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มากขึ้น
มวล (m): ปริมาณของสสาร มวลที่มากขึ้นหมายถึงอนุภาคที่มากขึ้น ซึ่งมีส่วนทำให้พลังงานความร้อนรวมสูงขึ้น
ความจุความร้อนจำเพาะ (c): สิ่งนี้บ่งชี้ว่าต้องใช้พลังงานความร้อนเท่าใดในการเปลี่ยนอุณหภูมิของมวลหนึ่งหน่วยของสสารหนึ่งองศาเซลเซียส อาจมองได้ว่าเป็นความต้านทานของสสารต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ฮาร์ดแวร์การขุดบิตคอยน์ที่มีมวลมากขึ้นหรือสสารที่มีความจุความร้อนจำเพาะสูงกว่าต้องการพลังงานมากขึ้นในการเปลี่ยนอุณหภูมิ

กฎของอุณหพลศาสตร์ (LAWS OF THERMODYNAMICS)

ตอนนี้เราเข้าใจแนวคิดของพลังงาน, งาน, กำลัง, และอุณหภูมิแล้ว สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจกฎของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งกำหนดหลักการพื้นฐานที่ควบคุมการถ่ายเทและการเปลี่ยนแปลงพลังงาน กฎเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจขีดจำกัดทางกายภาพและประสิทธิภาพสูงสุดที่สามารถทำได้สำหรับการขุดบิตคอยน์แบบดั้งเดิมหรือการนำความร้อนกลับมาใช้ใหม่

กฎข้อที่ 1 (1st Law)

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ หรือที่รู้จักกันในชื่อกฎการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวว่าพลังงานไม่สามารถถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลายได้ เพียงแต่เปลี่ยนจากรูปหนึ่งไปอีกรูปหนึ่งเท่านั้น

พลังงานไฟฟ้าที่เครื่องขุดบิตคอยน์ใช้ถูกนำไปใช้งานคำนวณและแปลงเป็นความร้อนตลอดกระบวนการ ในระหว่างการแปลงไฟฟ้าเป็นความร้อนนี้ ไม่มีพลังงานสูญหายหรือถูกทำลาย และไม่มีการสร้างหรือเพิ่มเข้าไปในระบบ

วงจรไฟฟ้ามีประสิทธิภาพสูงในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน พลังงานไฟฟ้าจำนวนน้อยมากถูกแปลงเป็นรูปแบบอื่น เช่น แสง, เสียง, และการเคลื่อนที่จลน์ขนาดใหญ่ หากแผงแฮชของคุณเริ่มเรืองแสง, ส่งเสียงดัง, หรือเคลื่อนที่ คุณกำลังมีปัญหาใหญ่!

ผลลัพธ์คือการแปลงไฟฟ้าเป็นความร้อนที่เกือบสมบูรณ์แบบ

ตัวอย่าง:

เครื่องขุดบิตคอยน์ 3000 W ปล่อยความร้อนประมาณ 3000 W.

กฎข้อที่ 2 (2nd Law)

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่า สำหรับการถ่ายเทพลังงานใดๆ เอนโทรปีรวม – ซึ่งเป็นมาตรวัดของความไม่เป็นระเบียบหรือความสุ่ม – ของระบบจะเพิ่มขึ้นเสมอ กฎนี้กำหนดลักษณะทิศทางของกระบวนการทั้งหมด โดยระบุว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานนั้นโดยเนื้อแท้แล้วไม่สามารถย้อนกลับได้ และไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างมีประสิทธิภาพสมบูรณ์แบบ มันต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมในการย้อนกลับสิ่งต่างๆ!

ลองพิจารณาการผสมเอทิลีนไกลคอลลงในน้ำเพื่อสร้างสารหล่อเย็นที่มีจุดเยือกแข็งต่ำลง กระบวนการแยกสารทั้งสองออกเป็นโมเลกุลๆ จะต้องใช้พลังงานในปริมาณที่ไม่สามารถทำได้และจะไม่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้ ซึ่งเอนโทรปีถูกสร้างขึ้นเมื่อสารทั้งสองผสมกัน

เมื่อเกี่ยวข้องกับการขุดบิตคอยน์ เอนโทรปีจะถูกสร้างขึ้นเมื่อไฟฟ้าถูกแปลงเป็นความร้อนตลอดการทำงานของแฮช การแปลงนี้เป็นกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้ ซึ่งพลังงานถ่ายโอนจากสถานะที่เป็นระเบียบไปสู่สถานะที่ไม่เป็นระเบียบมากขึ้น ผลรวมของพลังงานความร้อนทั้งหมดไม่สามารถถูกดักจับและแปลงกลับเป็นไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์แบบ

กฎข้อที่ 3 (3rd Law)

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์กำหนดว่าศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิที่การเคลื่อนที่จลน์ของอนุภาคเข้าใกล้ศูนย์ โปรดจำว่าอุณหภูมิเป็นตัววัดความเร็วเฉลี่ยของอนุภาคของสสาร การไม่มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคแสดงถึงอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ ศูนย์สัมบูรณ์ถูกกำหนดให้เป็น -459.67°F, -273.15°C, หรือ 0°K บนมาตรวัดเคลวิน (จึงเป็นวัตถุประสงค์ของมัน) ที่ศูนย์สัมบูรณ์ เอนโทรปีของสสารเข้าใกล้ศูนย์ ซึ่งไม่มีความไม่เป็นระเบียบหรือความสุ่ม

ตอนนี้เรามาเชื่อมโยงสิ่งนี้กับเครื่องขุดบิตคอยน์ ลองนึกภาพเครื่องขุดเป็นเครื่องจักรที่ทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อขุดบิตคอยน์ เมื่อเครื่องขุดเปิดทำงาน มันจะใช้ไฟฟ้าและร้อนขึ้น เหมือนกับอนุภาคในสสารที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเมื่อพวกมันอบอุ่น แต่ลองนึกภาพการค่อยๆ ลดกำลังไฟไปยังเครื่องขุดลง เมื่อคุณลดกำลังไฟ เครื่องจักรจะทำงานน้อยลงเรื่อยๆ เย็นลง และในที่สุดก็หยุดทำงานโดยสิ้นเชิง นี่เหมือนกับการไปถึงศูนย์สัมบูรณ์สำหรับเครื่องขุด – ไม่มี hashrate อีกต่อไป, ไม่มีการสร้างความร้อน, และทุกอย่างปิดตัวลงโดยสมบูรณ์ เช่นเดียวกับศูนย์สัมบูรณ์ที่หมายถึงการไม่มีการเคลื่อนที่หรือความร้อนในอนุภาค เครื่องขุดที่ปิดอยู่ก็แสดงถึงการไม่มีงาน, ไม่มีความร้อน, และการไม่เคลื่อนไหวโดยสมบูรณ์

ปริมาณ vs คุณภาพ (QUANTITY VS QUALITY)

วิธีที่สัมพันธ์กันมากขึ้นในการคิดเกี่ยวกับกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์คือด้วยแนวคิดของปริมาณและคุณภาพของพลังงาน สำหรับการดำเนินงานการขุดบิตคอยน์ เราสามารถแยกแยะสองสิ่งนี้ได้ดังนี้

ปริมาณพลังงานหมายถึงปริมาณพลังงานทั้งหมดในระบบ จากกฎข้อแรก เรารู้ว่าสิ่งนี้จะต้องถูกอนุรักษ์ไว้ มันไม่สามารถถูกสร้างหรือถูกทำลายได้ ปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่เครื่องขุดบิตคอยน์ใช้เท่ากับพลังงานความร้อนที่พวกมันปล่อยออกมา (โปรดจำไว้ว่าวงจรไฟฟ้ามีประสิทธิภาพเกือบ 100% ในการแปลงไฟฟ้าเป็นความร้อน) การขุดบิตคอยน์หนึ่งเมกะวัตต์จะต้องระบายความร้อนหนึ่งเมกะวัตต์ออกไป ปริมาณถูกอนุรักษ์ไว้

คุณภาพของพลังงาน อย่างไรก็ตาม ไม่ได้ถูกอนุรักษ์ไว้ และถูกควบคุมโดยกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ คุณภาพของพลังงานคือมาตรวัดของประโยชน์ในการทำงาน พลังงานคุณภาพสูงได้รับการจัดระเบียบ (เอนโทรปีต่ำ) และสามารถแปลงเพื่อทำงานได้อย่างง่ายดาย ไฟฟ้ามีคุณภาพสูง มันมีความหลากหลายมาก – ใช้ในการขุดบิตคอยน์, ขับมอเตอร์, จ่ายไฟให้แสงสว่าง, และทุกสิ่งในระหว่างนั้น ในทางกลับกัน พลังงานความร้อนมีคุณภาพต่ำกว่าพลังงานไฟฟ้ามาก พลังงานคุณภาพต่ำไม่เป็นระเบียบ (เอนโทรปีสูง) และยากที่จะแปลงไปเป็นงานที่เป็นประโยชน์

นี่คือจุดที่แนวคิดของ เอ็กเซอร์จี้ (exergy) เข้ามามีความสำคัญ เอ็กเซอร์จี้ระบุปริมาณส่วนของพลังงานที่สามารถแปลงเป็นงานที่เป็นประโยชน์ได้ โดยคำนึงถึงทั้งคุณภาพและสภาพแวดล้อมโดยรอบ ในขณะที่พลังงานความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมา (ปริมาณพลังงาน) จากเครื่องขุดบิตคอยน์นั้นคงที่และเท่ากับพลังงานไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป เอ็กเซอร์จี้ของความร้อนนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่สัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมโดยรอบ อุณหภูมิไอเสียที่สูงขึ้นสอดคล้องกับเอ็กเซอร์จี้ที่สูงขึ้น ซึ่งหมายความว่าความร้อนเหลือทิ้งมีศักยภาพมากขึ้นสำหรับการใช้งานที่เป็นประโยชน์ เช่น การทำความร้อน, การต้มน้ำ, หรือแม้แต่การขับเคลื่อนเครื่องยนต์ความร้อน

ผ่านการแปลงไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนภายในเครื่องขุดบิตคอยน์ เอนโทรปีจะเพิ่มขึ้นและเอ็กเซอร์จี้จะลดลงเมื่อคุณภาพของพลังงานลดลง ความสามารถในการทำงานที่เป็นประโยชน์บางส่วนถูกทำลายไป แต่เท่าไหร่กันแน่?

ความสามารถของพลังงานความร้อนในการทำงานนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ สิ่งนี้เป็นเพราะพลังงานความร้อนสามารถถ่ายเทได้ก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสสารสองชนิดเท่านั้น การผสมสสารที่มีอุณหภูมิสูงเข้ากับสสารที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจะเพิ่มเอนโทรปีเนื่องจากนำไปสู่สถานะที่ไม่เป็นระเบียบมากขึ้นและการกระจายพลังงานที่สม่ำเสมอมากขึ้น ลักษณะทิศทางของกฎข้อที่สองระบุว่าพลังงานความร้อนจะถ่ายเทจากร้อนไปเย็นก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิเท่านั้น

สำหรับการขุดบิตคอยน์ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวที่ระบายออก (อากาศ, น้ำมันสำหรับจุ่ม, น้ำ) และสภาพแวดล้อมโดยรอบจะเป็นตัวกำหนดความสามารถในการทำงาน ความแตกต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้นจะเพิ่มศักยภาพในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นงานเชิงกลหรือรูปแบบที่เป็นประโยชน์อื่นๆ ดังนั้น อุณหภูมิที่สูงขึ้นจึงมีพลังงานคุณภาพสูงกว่าและมีความสามารถในการทำงานที่เป็นประโยชน์มากกว่า (เอ็กเซอร์จี้สูงกว่า)

ระบบที่แปลงพลังงานความร้อนกลับเป็นงานที่เป็นประโยชน์เรียกว่า เครื่องยนต์ความร้อน (heat engine) ประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีของเครื่องยนต์ความร้อนถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของวัฏจักรคาร์โนต์ (Carnot efficiency):

η _max = 1 - (T_{cold, ambient temp} / T_{hot, fluid temp} )

ที่นี่คุณจะเห็นการพึ่งพาประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่อความแตกต่างของอุณหภูมิ

ความร้อนเกรดต่ำ (LOW GRADE HEAT)

อุณหภูมิของของเหลวที่ปล่อยออกมาจากเครื่องขุดบิตคอยน์โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 40-70°C ช่วงนี้มักเรียกว่า ความร้อนเกรดต่ำ เนื่องจากพลังงานความร้อนค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับความร้อนเกรดสูงจากแหล่งต่างๆ เช่น ไอแก๊ส, หม้อไอน้ำ, การเผาไหม้ และกระบวนการทางอุตสาหกรรมอื่นๆ โดยทั่วไปแล้ว อุณหภูมิที่ต่ำกว่า 150°C (302°F) จัดว่าเป็นเกรดต่ำ ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องขุดบิตคอยน์จัดอยู่ในประเภท ความร้อนเกรดต่ำมาก (ultra low-grade heat) โดยมีอุณหภูมิต่ำกว่า 100°C (212°F) – ซึ่งเป็นจุดเดือดของน้ำ

พลังงานความร้อนคุณภาพสูงมักใช้ในกระบวนการต่างๆ เช่น เครื่องยนต์ความร้อนหรือวัฏจักรอุณหพลศาสตร์อื่นๆ ซึ่งถูกแปลงเป็นงานที่เป็นประโยชน์ เช่น การเคลื่อนที่หรือไฟฟ้า แต่เรารู้ว่าการใช้งานเหล่านี้ถูกจำกัดด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนและสภาพแวดล้อม โชคไม่ดีสำหรับเครื่องขุดบิตคอยน์ ความร้อนเกรดต่ำมีประสิทธิภาพต่ำมากในการแปลงเป็นงานเมื่อเทียบกับการถ่ายเทพลังงานจากแหล่งความร้อนที่มีคุณภาพ (อุณหภูมิ) สูงกว่า

ผลก็คือ เครื่องขุดบิตคอยน์โดยทั่วไปไม่เหมาะสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่พลังงานความร้อนถูกแปลงกลับเป็นงานที่เป็นประโยชน์ อย่างไรก็ตาม พวกมันสามารถมีประสิทธิภาพสำหรับการทำความร้อนเบื้องต้น (pre-heating) หากมีการจ่ายความร้อนเพิ่มเติมจากแหล่งภายนอก เช่น การผลิตไฟฟ้าจากก๊าซธรรมชาติ หรือยังคงสมเหตุสมผลสำหรับการใช้งานที่ต้องการงานที่มีประสิทธิภาพการแปลงต่ำ หากพลังงานมีมากและโดยพื้นฐานแล้วฟรี เช่น จากพลังงานความร้อนใต้พิภพหรือแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ

ความร้อนเพื่อการทำความร้อน (HEAT FOR HEATING)

แล้วคุณจะทำอะไรกับพลังงานความร้อนเหลือทิ้งได้บ้าง? เนื่องจากมันไม่สามารถถูกทำลายได้และต้องได้รับการจัดการ มันก็ควรถูกนำไปใช้! เนื่องจากความร้อนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องขุดบิตคอยน์มีคุณภาพต่ำ การประยุกต์ใช้ความร้อน hashrate ที่ดีที่สุดคือการใช้พลังงานเหลือทิ้งนี้โดยตรงสำหรับการทำความร้อนระบบ แทนที่จะแปลงความร้อนกลับเป็นงาน

โปรดจำไว้ว่า เราสูญเสียประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแต่ละขั้นตอน การใช้พลังงานความร้อนโดยตรงสำหรับการใช้งานด้านความร้อน เช่น การทำความร้อนพื้นที่หรือการอุ่นของเหลวเบื้องต้น จะใช้ประโยชน์จากรูปแบบที่มีอยู่โดยไม่มีการสูญเสียประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับการแปลงกลับเป็นรูปแบบพลังงานคุณภาพสูงขึ้น เช่น ไฟฟ้า ผลก็คือการนำความร้อนจากการขุดบิตคอยน์กลับมาใช้ใหม่จึงเหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานทำความร้อนโดยตรง

เครื่องขุดบิตคอยน์ลดของเสียอยู่แล้วด้วยการแปลงพลังงานราคาถูกและส่วนเกินให้เป็นมูลค่าทางเศรษฐกิจ ตอนนี้ ในการใช้งานที่นำความร้อนกลับมาใช้ใหม่ เครื่องขุดมีวัตถุประสงค์เพิ่มเติมในการให้ความร้อน การขุดบิตคอยน์เป็นวิธีการทำความร้อนที่ถูกต้องตามหลักอุณหพลศาสตร์ที่สุด พลังงานแม้เพียงจูลเดียวก็ไม่ถูกทิ้งไป แต่ละจูลกลับมีวัตถุประสงค์สองประการ

Previousพื้นที่แห่งนวัตกรรมและอนาคตที่จะเกิดขึ้น Nextภาคผนวก ข: เครื่องขุด Bitcoin เคลื่อนย้ายความร้อนอย่างไร

Last updated 17 days ago