Вступ до інженерних принципів та агрегатів

Ця глава з книги

Цей розділ з книги 

1.6 Енергетичні та теплові одиниці

1.6А Джоуль, Калорія та Бту

Подібно до того, що використовується для складання матеріальних балансів хімічних та біологічних процесів, ми також можемо робити енергетичні баланси процесу. Часто велика частина енергії, що надходить або виходить із системи, відбувається у вигляді тепла. Перш ніж скласти такий енергетичний або тепловий баланс, ми повинні зрозуміти різні типи енергетичних та теплових одиниць.

У системі СІ енергія дається в джоулях (Дж) або кілоджоулях (кДж). Енергія також виражається в btu (британські теплові одиниці) або кал (калорії). Калорія (скорочено кал) визначається як кількість тепла, необхідного для нагрівання 1,0 г води 1,0 ° C (від 14,5 ° C до 15,5 ° C). Також 1 ккал (кілокалорія) = 1000 кал. БТУ визначається як кількість тепла, необхідного для підняття 1,0 фунтів води на 1 ° F. Отже, з Додатка А.1,

Теплоємність 1,6 В

Теплоємність речовини визначається як кількість тепла, необхідного для підвищення температури на 1 градус. Це може бути виражено для 1 г, 1 фунт, 1 г моль, 1 кг моль або 1 фунт моль речовини. Наприклад, теплоємність виражається в одиницях СІ як Дж/кг моль · К; в інших одиницях, як кал/г · ° C, кал/г моль · ° C, ккал/кг моль · ° C, Btu/lbm · ° F, або btu/lb моль · ° F.

Можна показати, що фактичне числове значення теплоємності однакове в одиницях маси або в молярних одиницях. Це,

Наприклад, щоб довести це, припустимо, що речовина має теплоємність 0,8 btu/lbm · ° F. Перетворення проводиться з використанням 1,8 ° F для 1 ° C або 1 K, 252,16 кал для 1 btu і 453,6 г для 1 lbm, наступним чином:

Теплоємність газів (також звана питома теплоємність) при постійному тиску cp є функцією температури, і для технічних цілей часто можна вважати, що вона не залежить від тиску до декількох атмосфер. У більшості технологічних розрахунків зазвичай цікавить кількість тепла, необхідного для нагрівання газу від однієї температури t1 до іншої при t2. Оскільки cp змінюється залежно від температури, потрібно виконати інтегрування або використати відповідну середню cpm. Ці середні значення газів були отримані для Т1 298 K або 25 ° C (77 ° F) та різних значень T2, і представлені в таблиці 1.6-1 при тиску 101,325 кПа або менше, як cpm в кДж/кг моль · K при різних значеннях Т2 в К або ° С.

Таблиця 1.6-1. Середня мольна теплоємність газів між 298 і TK (25 і T ° C) при 101,325 кПа або менше (одиниці СІ: cp = кДж/кг моль · K)

Середня молярна теплоємність газів від 25 до T ° C при тиску 1 атм або менше (англійські одиниці виміру: cp = btu/lb mol · ° F)

Джерело: О. А. Хауген, К. В. Ватсон та Р. А. Рагац, Принципи хімічного процесу, частина I, друге видання. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1954.

Газ N2 при абсолютному тиску 1 атм нагрівається в теплообміннику. Обчисліть кількість теплоти, необхідної в Дж, щоб нагріти 3,0 г моль N2 у таких температурних діапазонах:

298–673 К (25–400 ° C)

298–1123 К (25–850 ° C)

673–1123 K (400–850 ° C)

Рішення: Для випадку (а) у таблиці 1.6-1 наведені значення cpm при тиску 1 атм або менше, які можна використовувати до кількох тисків атм. Для N2 при 673 K, cpm = 29,68 кДж/кг моль · K або 29,68 Дж/г моль · K. Це середня теплоємність для діапазону 298–673 K:

Підміняючи відомі значення,

необхідне тепло = (3,0) (29,68) (673 - 298) = 33 390 Дж

Для випадку (b), cpm при 1123 K (отриманий лінійною інтерполяцією між 1073 і 1173 K) становить 31,00 Дж/г моль · K:

необхідне тепло = (3,0) (31,00) (1123 - 298) = 76 725 Дж

Для випадку (с) середня теплоємність для інтервалу 673–1123 К. відсутня. Однак ми можемо використовувати тепло, необхідне для нагрівання газу від 298 до 673 К у випадку (а) і відняти його від випадку (б), що включає тепло, необхідне для переходу від 298 до 673 К плюс 673 до 1123 К:

Підставивши відповідні значення в рівняння (1,6-5),