Introducere în principiile și unitățile inginerești

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.

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),