Acest capitol este din carte

Acest capitol este din carte

Acest capitol este din cartea 

1.6 Unități de energie și căldură

1.6A Joule, Calorie și Btu

Într-o manieră similară cu cea utilizată la realizarea balanțelor de materiale pe procesele chimice și biologice, putem face, de asemenea, bilanțuri de energie pe un proces. Adesea, o mare parte din energia care intră sau iese dintr-un sistem este sub formă de căldură. Înainte de a se face astfel de balanțe de energie sau căldură, trebuie să înțelegem diferitele tipuri de unități de energie și căldură.

inginerești

În sistemul SI, energia este dată în jouli (J) sau kilojoule (kJ). Energia este exprimată și în BTU (unități termice britanice) sau cal (calorii). Caloria (prescurtată ca cal) este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1,0 g apă 1,0 ° C (de la 14,5 ° C la 15,5 ° C). De asemenea, 1 kcal (kilocalorie) = 1000 cal. BTU este definit ca cantitatea de căldură necesară pentru a ridica 1,0 lb apă 1 ° F. Prin urmare, din apendicele A.1,

1.6B Capacitate de căldură

Capacitatea de căldură a unei substanțe este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura cu 1 grad. Poate fi exprimat pentru 1 g, 1 lb, 1 g mol, 1 kg mol sau 1 lb mol din substanță. De exemplu, o capacitate termică este exprimată în unități SI ca J/kg mol · K; în alte unități ca cal/g · ° C, cal/g mol · ° C, kcal/kg mol · ° C, Btu/lbm · ° F sau btu/lb mol · ° F.

Se poate arăta că valoarea numerică efectivă a unei capacități de căldură este aceeași în unități de masă sau în unități molare. Acesta este,

De exemplu, pentru a demonstra acest lucru, să presupunem că o substanță are o capacitate termică de 0,8 btu/lbm · ° F. Conversia se face folosind 1,8 ° F pentru 1 ° C sau 1 K, 252,16 cal pentru 1 btu și 453,6 g pentru 1 lbm, după cum urmează:

Capacitățile de căldură ale gazelor (numite și căldură specifică) la presiune constantă cp sunt funcții ale temperaturii și, în scopuri tehnice, se poate presupune adesea că sunt independente de presiunea până la mai multe atmosfere. În majoritatea calculelor de inginerie de proces, unul este de obicei interesat de cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui gaz de la o temperatură t1 la alta la t2. Deoarece cp variază în funcție de temperatură, trebuie realizată o integrare sau trebuie utilizată o cpm medie adecvată. Aceste valori medii pentru gaze au fost obținute pentru T1 de 298 K sau 25 ° C (77 ° F) și diferite valori T2 și sunt prezentate în tabelul 1.6-1 la o presiune de 101,325 kPa sau mai mică ca cpm în kJ/kg mol · K la diferite valori ale T2 în K sau ° C.

Tabelul 1.6-1. Capacitățile medii de căldură molară ale gazelor între 298 și TK (25 și T ° C) la 101.325 kPa sau mai puțin (unități SI: cp = kJ/kg mol · K)

Capacitățile medii de căldură molară ale gazelor între 25 și T ° C la 1 atm presiune sau mai puțin (Unități engleze: cp = btu/lb mol · ° F)

Sursa: O. A. Hougen, K. W. Watson și R. A. Ragatz, Principiile proceselor chimice, Partea I, ediția a II-a. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1954.

Gazul N2 la presiunea absolută de 1 atm este încălzit într-un schimbător de căldură. Calculați cantitatea de căldură necesară în J pentru a încălzi 3,0 g mol N2 în următoarele intervale de temperatură:

298–673 K (25–400 ° C)

298-1123 K (25-850 ° C)

673-1123 K (400-850 ° C)

Soluţie: Pentru cazul (a), Tabelul 1.6-1 oferă valori cpm la o presiune de 1 atm sau mai mică, care pot fi utilizate până la mai multe presiuni de atm. Pentru N2 la 673 K, cpm = 29,68 kJ/kg mol · K sau 29,68 J/g mol · K. Aceasta este capacitatea medie de căldură pentru intervalul 298-673 K:

Înlocuind valorile cunoscute,

căldură necesară = (3,0) (29,68) (673 - 298) = 33 390 J

Pentru cazul (b), cpm la 1123 K (obținut prin interpolare liniară între 1073 și 1173 K) este de 31,00 J/g mol · K:

căldură necesară = (3,0) (31,00) (1123 - 298) = 76 725 J

Pentru cazul (c), nu există o capacitate medie de căldură pentru intervalul 673-1123 K. Cu toate acestea, putem folosi căldura necesară pentru încălzirea gazului de la 298 la 673 K în cazul (a) și scăderea acestuia din cazul (b), care include căldura necesară pentru a trece de la 298 la 673 K plus 673 la 1123 K:

Înlocuirea valorilor corespunzătoare în ecuație. (1,6-5),

căldură necesară = 76 725 - 33 390 = 43 335 J

Când încălziți un amestec de gaze, căldura totală necesară este determinată mai întâi de calculul căldurii necesare pentru fiecare componentă individuală și apoi adăugând rezultatele pentru a obține totalul.

Capacitățile de căldură ale solidelor și lichidelor sunt, de asemenea, funcții de temperatură și independente de presiune. Datele sunt date în Anexa A.2, Proprietățile fizice ale apei; A.3, Proprietățile fizice ale compușilor anorganici și organici; și A.4, Proprietățile fizice ale alimentelor și materialelor biologice. Mai multe date sunt disponibile în (P1) în secțiunea Referințe de la sfârșitul acestui capitol.

EXEMPLUL 1.6-2. Încălzirea laptelui

Laptele de vacă bogat (4536 kg/h) la 4,4 ° C este încălzit într-un schimbător de căldură la 54,4 ° C cu apă fierbinte. Câtă căldură este necesară?

Soluţie: Din apendicele A.4, capacitatea medie de căldură a laptelui de vacă bogat este de 3,85 kJ/kg · K. Creșterea temperaturii este ΔT = (54,4 - 4,4) ° C = 50 K.

căldură necesară = (4536 kg/h) (3,85 kJ/kg · K) (1/3600 h/s) (50 K) = 242,5 kW

Entalpia, H, a unei substanțe în J/kg reprezintă suma energiei interne plus termenul presiune - volum. Pentru nicio reacție și un proces de presiune constantă cu o modificare a temperaturii, schimbarea căldurii calculată din ecuație. (1.6-4) este diferența de entalpie, ΔH, a substanței în raport cu o temperatură sau un punct de bază dat. În alte unități, H = btu/lbm sau cal/g.

Mese latente de căldură și abur 1.6C

Ori de câte ori o substanță suferă o schimbare de fază, cantități relativ mari de schimbare de căldură sunt implicate la o temperatură constantă. De exemplu, gheața la 0 ° C și 1 atm presiune poate absorbi 6013,4 kJ/kg mol. Această schimbare de entalpie se numește căldură latentă de fuziune. Datele pentru alți compuși sunt disponibile în diverse manuale (P1, W1).

Când o fază lichidă vaporizează la o fază de vapori sub presiunea sa de vapori la temperatură constantă, trebuie adăugată o cantitate de căldură numită căldură latentă de vaporizare. Pentru apă la 25 ° C și o presiune de 23,75 mmHg, căldura latentă este de 44,020 kJ/kg mol și la 25 ° C și 760 mmHg, 44,045 kJ/kg mol. Prin urmare, efectul presiunii poate fi neglijat în aceste tipuri de calcule tehnice. Cu toate acestea, există un efect mare al temperaturii asupra căldurii latente a apei. De asemenea, efectul presiunii asupra capacității de căldură a apei lichide este mic și poate fi neglijat.

Deoarece apa este o substanță chimică foarte obișnuită, proprietățile termodinamice ale acesteia au fost compilate în tabele cu aburi și sunt prezentate în apendicele A.2 în SI și în unitățile engleze.

EXEMPLUL 1.6-3. Utilizarea meselor Steam

Găsiți modificarea entalpiei (adică cantitatea de căldură care trebuie adăugată) pentru fiecare dintre următoarele cazuri folosind unități SI și engleză:

Încălzire 1 kg (lbm) apă de la 21,11 ° C (70 ° F) la 60 ° C (140 ° F) la 101,325 kPa (1 atm) presiune

Încălzire 1 kg (lbm) apă de la 21,11 ° C (70 ° F) la 115,6 ° C (240 ° F) și vaporizare la 172,2 kPa (24,97 psia)

Vaporizare 1 kg (lbm) apă la 115,6 ° C (240 ° F) și 172,2 kPa (24,97 psia)

Soluţie: Pentru partea (a), efectul presiunii asupra entalpiei apei lichide este neglijabil. Din apendicele A.2,

În partea (b), entalpia la 115,6 ° C (240 ° F) și 172,2 kPa (24,97 psia) de vapori saturați este de 2699,9 kJ/kg sau 1160,7 btu/lbm.

Căldura latentă a apei la 115,6 ° C (240 ° F) în partea (c) este

1.6D Căldura de reacție

Când apar reacții chimice, efectele de căldură însoțesc întotdeauna aceste reacții. Această zonă în care apar schimbări de energie este adesea numită termochimie. De exemplu, atunci când HCl este neutralizat cu NaOH, se degajă căldură și reacția este exotermă. Căldura este absorbită într-o reacție endotermă. Această căldură de reacție este dependentă de natura chimică a fiecărui material și produs care reacționează și de stările lor fizice.

În scopul organizării datelor, definim o căldură de reacție standard ΔH 0 ca schimbarea entalpiei atunci când 1 kg mol reacționează sub o presiune de 101.325 kPa la o temperatură de 298 K (25 ° C). De exemplu, pentru reacție

ΔH 0 este –285.840 × 10 3 kJ/kg mol sau –68.317 kcal/g mol. Reacția este exotermă și valoarea este negativă, deoarece reacția pierde entalpia. În acest caz, gazul H2 reacționează cu gazul O2 pentru a da apă lichidă, totul la 298 K (25 ° C).

Numele speciale sunt date lui ΔH 0 în funcție de tipul de reacție. Când produsul este format din elemente, ca în ecuație. (1.6-6), numim ΔH 0 căldura de formare a apei produsului. Pentru ca arderea CH4 să formeze CO2 și H2O, o numim căldură de ardere. Datele sunt date în apendicele A.3 pentru diferite valori ale .

EXEMPLUL 1.6-4. Arderea carbonului

Un total de 10,0 g mol de grafit de carbon a fost ars într-un calorimetru menținut la 298 K și 1 atm. Arderea este incompletă și 90% din C ajunge la CO2 și 10% la CO. Care este modificarea entalpiei totale în kJ și kcal?

Soluţie: Din apendicele A.3, pentru carbonul care trece la CO2 este –393.513 × 10 3 kJ/kg mol sau –94.0518 kcal/g mol, iar pentru carbonul care trece la CO este –110.523 × 10 3 kJ/kg mol sau –26.4157 kcal/g mol. Deoarece se formează 9 mol CO2 și 1 mol CO,

Dacă este disponibil un tabel cu călduri de formare, de compuși, căldura standard de reacție, ΔH 0, poate fi calculată prin

În Anexa A.3, este prezentat un scurt tabel cu unele valori ale ΔHf. Sunt disponibile și alte date (H1, P1, S1).

EXEMPLUL 1.6-5. Reacția metanului

Pentru următoarea reacție de 1 kg mol de CH4 la 101,32 kPa și 298 K,

calculați căldura standard a reacției ΔH 0 la 298 K în kJ.

Soluţie: Din apendicele A.3, se obțin următoarele călduri standard de formare la 298 K:

(kJ/kg mol)