Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6ο εξάμηνο. Ισοζύγια Ενέργειας. 8 ο μάθημα

Transcript

1 Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6ο εξάμηνο Ισοζύγια Ενέργειας 8 ο μάθημα

2 Τι σκέπτεστε όταν ακούτε τη λέξη ενέργεια? ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών

3 Συμμετοχή / αξιοποίηση Μηχανικών Εναλλακτικές πηγές ενέργειας ποσόστωση Παραγωγή ενέργειας, Τεχνολογικά & Περιβαλλοντικά προβλήματα Ορθολογική χρήση ενέργειας Κατανόηση αρχών παραγωγής, χρήσης, μετατροπής σε διάφορες μορφές της ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3

4 Πόση ενέργεια θα χρειάζεται ο κόσμος σε 0, 50, 00 έτη από σήμερα? Ανοδικήτάσηκατανάλωσης ενέργειας συμβαδίζει με ΑΕΠ (διπλασιασμός / 9 έτη) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4

5 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

6 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6

7 Παραγωγή (%) πυρηνικής ενέργειας ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 7

8 Ενέργεια από καύσεις σε σύγκριση με την Πυρηνική ενέργεια ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 8

9 Αιολική ενέργεια ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 9

10 Υδροηλεκτρική ενέργεια ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 0

11 Ηλιακή ενέργεια Map of global solar energy resources. The colours show the average available solarenergyonthesurface. For comparison, the dark disks represent the land area required to supply the total primary energy demand using PVs with a conversion efficiency of 8%. Ποσότητα ηλιακής ενέργειας σε βδομάδες = ενέργεια όλων των παγκόσμιων αποθεμάτων των φυσικών υδρογονανθράκων Ηλιακή ενέργεια που φθάνει σε χρόνο στην εξωτερική ατμόσφαιρα = η ετήσια, παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας Ηλιακή σταθερά = 354 W/m (490 Btu/m) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών

12 Αιολική ενέργεια ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών

13 Παρακάτω θα εξεταστούν τα ισοζύγια ενέργειας μαζί με το αναγκαίο υπόβαθρο για την κατανόηση και τη σωστή εφαρμογή τους. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Συστήματα Τύποι θερμοδυναμικών συστημάτων Ιδιότητες θερμοδυναμικών συστημάτων Κατάσταση θερμοδυναμικών συστημάτων Ειδική θερμότητα Υπολογισμός Ειδικών θερμοτήτων Υπολογισμός μεταβολών ενθαλπίας χωρίς αλλαγή φάσης Μεταβολές ενθαλπίας για αλλαγές φάσεων Ο ος θερμοδυναμικός νόμος Γενικό ισοζύγιο ενέργειας Θερμοτονισμός αντίδρασης Πρότυπη θερμότητα καύσης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3

14 Ιδιότητες θερμοδυναμικών συστημάτων Σύστημα Όριο Περιβάλλον Είδη : Ανοικτά: δυνατή η μεταφορά μάζας και ενέργειας Κλειστά: δυνατήηεισροήήεκροήενέργειας Απομονωμένα: αδύνατη η ροή ενέργειας και μάζας Ιδιότητα : ένα χαρακτηριστικό που μπορεί να μετρηθεί (π.χ. πίεση, όγκος, θερμοκρασία) ή που μπορεί να υπολογισθεί αν δεν μετρείται άμεσα (π.χ. ορισμένες μορφές ενέργειας). Εκτατική (Extensive) ιδιότητα: Εντατική (Intensive) ιδιότητα: ημάζα, οόγκος, η ενέργεια κτλ. ηθερμοκρασία, ηπίεση, η πυκνότητα κλπ. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4

15 Κατάσταση θερμοδυναμικών συστημάτων Για την περιγραφή ενός θερμοδυναμικού συστήματος απαιτείται ο καθορισμός ενός περιορισμένου αριθμού εντατικών ή/και εκτατικών ιδιοτήτων (Denbigh). I i (i = 3,4,,n) = f(i,i ) Ε i (i = 3,4,,n) = f(i,i, E ), π.χ. ο νόμος των ιδανικών αερίων P (I) V (E) =n (E) RT (I) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

16 Ορολογία σχετικά με τα ενεργειακά ισοζύγια ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6

17 Ορολογία σχετικά με τα ενεργειακά ισοζύγια ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 7

18 Μονάδα cal ( cal = kcal = 000 cal) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 8

19 Α) Θερμότητα Β) Έργο Θερμότητα (Q) ορίζεται εκείνο το ποσό από την συνολικά ανταλλασσόμενη ενέργεια μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος, που οφείλεται στη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους. Έργο (W) ορίζεται η ενέργεια που ανταλλάσσεται μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος όταν από τη δράση κάποιας δύναμης προκαλείται ανυσματική μετατόπιση στα όρια του συστήματος W = F dl Ο ορισμός αυτός όμως δεν είναι ακριβής επειδή Η μετατόπιση μπορεί να μη είναι εύκολο να οριστεί, Tο γινόμενοf dl δεν καταλήγει πάντοτε σε ίσο ποσό έργου, Μπορεί να γίνει ανταλλαγή έργου χωρίς να ενεργεί κάποια δύναμη στα όρια του συστήματος (όπως από μαγνητικές ή ηλεκτρικές επιδράσεις). ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 9

20 Α) Θερμότητα Β) Έργο Αφού η θερμότητα και το έργο αποτελούν εξ ορισμού ανεξάρτητες μεταξύ τους ανταλλαγές ενέργειας ανάμεσα στο σύστημα και στο περιβάλλον, μπορούμε να χαρακτηρίσουμε: έργο την ενέργεια που μεταφέρεται προς ή από μια μηχανική κατάσταση (ή συντεταγμένη) του συστήματος και θερμότητα τη μεταφορά ενέργειας προς τις ατομικές ή μοριακές καταστάσεις (ή συντεταγμένες) που δεν είναι μακροσκοπικά παρατηρήσιμες. Η μέτρηση ή ο προσδιορισμός του έργου ποσοτικά με ένα μηχανικό όργανο είναι δύσκολος. Έτσι, αν δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα από τα ισοζύγια ενέργειας που περιγράφονται σε επόμενο κεφάλαιο, πρέπει σε πολλές περιπτώσεις, ητιμήτουέργουναείναιγνωστήαπόπριν. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 0

21 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών Γ) Εσωτερική ενέργεια Δ) Ενθαλπία (τέλεια διαφορικά, δηλαδή ανεξάρτητα της διαδρομής και εξαρτώμενα από την αρχική και τελική κατάσταση) Η εσωτερική ενέργεια (U) είναι ένα μακροσκοπικό μέτρο των μοριακών, ατομικών και υποατομικών ενεργειών. = = + = = ), ( T T v v T V dt C U U dt C d U d V V U dt T U d U V T U U Ενθαλπία (Η=U+pV): = = + = = ), ( T T p p T p d C H H dt C dh dp p H dt T H H d p T H H

22 Ε) Σημειακές ή Καταστατικές συναρτήσεις Σημειώνεται ότι για τέλεια αέρια, η Η και η U είναι συναρτήσεις μόνο της θερμοκρασίας και δεν επηρεάζονται από μεταβολές πίεσης ή όγκου. Δεν υπάρχουν απόλυτες τιμές ενθαλπίας και εσωτερικής ενέργειας, μόνο μεταβολές ενθαλπίας και εσωτερικής ενέργειας. Η μεταβολή της ενθαλπίας εξαρτάται μόνον από την αρχική και την τελική κατάσταση του συστήματος, ενώ η θερμότητα ή το έργο (συναρτήσεις «διαδρομής») μπορεί να διαφέρουν = 0 αφού εξαρτώνται από την διαδρομή που ακολουθήθηκε. ( d H ) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών

23 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3 Ειδικές θερμότητες: V V p p T U C T H C = = Φυσική έννοια: το ποσό της απαιτούμενης ενέργειας για την αύξηση της θερμοκρασίας μιας ουσίας κατά βαθμό. Παράδειγμα υπολογισμού της C p Δεδομένα από τους πίνακες ατμού, ενθαλπίες υδρατμού σε psia (0.068 atm) και στους 300 και 350 F (49 και 76.6 C). Η διαφορά θερμοκρασίας είναι προφανώς πολύ μεγάλη για να θεωρηθεί προσεγγιστικά σαν διαφορικό, αλλά θα επαρκούσε κάτω από τις επιλεγμένες συνθήκες για να δώσει την τιμή της C p με ακρίβεια δευτέρου δεκαδικού ψηφίου. H Δ = ( ) =.9 Btu/lb =.7 kcal/kg C) (g)( cal 0.46 F) (lb)( Btu o o Δ = Δ = = Δ Δ = p p p T H T H C

24 Ειδική Θερμότητα Η ειδική θερμότητα μπορεί να εκφραστεί σε μονάδες Btu (lb mole)( kcal cal F) = o o (kg mole)( C) (g mole)( C) ή o = Btu (lb)( F) o = cal o (g)( C) ή J (kg)( o K) Να σημειωθεί ότι: Btu 4.84 J = και ότι C o o p(ho) = 484 J/(kg)( Κ). (lb)( F) (g)( K) Τονίζεται ότι σε κάθε σύστημα μονάδων η ειδική θερμότητα εκφράζεται σαν ενέργεια διαιρεμένη με το γινόμενο της μάζας επί τη διαφορά της θερμοκρασίας. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4

25 Ειδική Θερμότητα Σχήμα. Η ειδική θερμότητα σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας για μια καθαρή ουσία Στους 0 ο Κ, η ειδική θερμότητα είναι 0. Καθώς η θερμοκρασία ανέρχεται, η ειδική θερμότητα επίσης αυξάνει. Ασυνεχής συνάρτηση στα σημεία που συμβαίνουν αλλαγές φάσεων. Επειδή μια εξίσωση ειδικής θερμότητας για μια ουσία δεν ισχύει από 0 ο Κ μέχρι οποιαδήποτε θερμοκρασία πειραματικός προσδιορισμός της ειδικής θερμότητας μεταξύ των θερμοκρασιών στις οποίες συμβαίνουν αλλαγές φάσεων ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

26 Ειδική Θερμότητα Για τέλεια μονοατομικά αέρια, η ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση είναι σταθερή ακόμη και αν η θερμοκρασία μεταβάλλεται Πίνακας. Ειδικές θερμότητες τελείων αερίων. Κατά προσέγγιση ειδική θερμότητα (C P ) Τύπος Μορίου Υψηλή Θερμοκρασία Θερμοκρασία Δωματίου Μονοατομικό (5/)R (5/)R Πολυατομικό, γραμμικό (3n-3/)R (7/)R Πολυατομικό, μη γραμμικό (3n-)R 4R n = αριθμός ατόμων ανά μόριο R = σταθερά των αερίων Για τέλεια μίγματα, οι ειδικές θερμότητες των μεμονωμένων συστατικών μπορούν να υπολογιστούν ξεχωριστά και να θεωρηθεί ότι κάθε συστατικό συμπεριφέρεται σαν να ήταν μόνο του. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6

27 Ειδική Θερμότητα Οι περισσότερες εξισώσεις για τις ειδικές θερμότητες στερεών, υγρών και αερίων είναι εμπειρικές. Η ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση, C p, εκφράζεται συνήθως σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας υπό μορφή σειράς, με σταθερές α, b, c, κλπ. Για παράδειγμα: C p = a + bτ ή C p = a + bτ + ct (Τ σε o C, o F, o R, o K) ή C p = a + bτ + c T (Τ σε o R, o K υποχρεωτικά) Σχετική ειδική θερμότητα = Ειδική θερμότητα μιας ουσίας Ειδική θερμότητα ουσίας αναφοράς (π.χ.c ( p Η 0) = ) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 7

28 Υπολογισμός Ειδικών Θερμοτήτων Στερεά : Κανόνας Kopp (864), η ειδική θερμότητα μιας στερεάς ένωσης είναι κατά προσέγγιση ίση με το άθροισμα των ειδικών θερμοτήτων των μεμονωμένων στοιχείων που την απαρτίζουν. Υγρά Υδατικά διαλύματα. Χρήση της ειδικής θερμότητας του νερού. Παράδειγμα, η ειδική θερμότητα ενός διαλύματος.6% NaCl υπολογίζεται ίση με cal/(g) ( C), ενώ η πειραματική τιμή της στους 5 C είναι cal /(g) ( C) (σχετικά καλή συμφωνία). Οργανικά υγρά. Μια απλή και αρκετά ακριβής σχέση μεταξύ C p και μοριακού βάρους είναι η C p = km a, όπου Μ είναι το μοριακό βάρος και τα k και α είναι σταθερές. Αέρια και Ατμοί Ατμοί πετρελαίου. Η ειδική θερμότητα των ατμών πετρελαίου μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: ( 4.0 s)( T + 670) C p = 6450 όπου η C p είναι σε Btu/(lb) ( F), η Τ σε F, και s είναι το σχετικό ειδικό βάρος στους 60 F/60 F, με αέρα σαν αέριο αναφοράς. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 8

29 Υπολογισμός μεταβολών ενθαλπίας χωρίς αλλαγή φάσης Αν χρησιμοποιηθούν ειδικές θερμότητες για τον υπολογισμό μεταβολών ενθαλπίας H σύμφωνα με την εξίσωση d H = Δ H = C pdt, η ΔΗ αντιπροσωπεύει την H T επιφάνεια κάτω από την καμπύλη του Σχήματος: T Αν η ειδική θερμότητα εκφράζεται σαν C p = a + bτ + ct, τότε T b c Δ H = a + bt + ct dt = a T T + T T + T ( ) ( ) ( ) ( T T ) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 9

30 Υπολογισμός μεταβολών ενθαλπίας χωρίς αλλαγή φάσης H H Μέση ειδική θερμότητα: C pm = T T Τότε, γνωρίζοντας την C pm είναι δυνατό να υπολογιστεί μια μεταβολή ενθαλπίας, από τη σχέση Δ H = C pm ΔΤ = C pm (Τ Τ ) Αν η ειδική θερμότητα εκφράζεται από τη σχέση C p = a+ bτ + ct τότε η C pm είναι C pm = T T C T T p dt dt = T T ( a + bt + ct ) ( T T ) dt = = a b c 3 3 ( T T ) + ( T T ) + ( T T ) ( T T ) Οι εκφράσεις για την C pm μπορούν να απλοποιηθούν αν σαν θερμοκρασία αναφοράς (Τ ref ) εκλεγούν οι 0 C ή 0 F. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 30 3

31 Παράδειγμα Υπολογίστε τη μεταβολή της ενθαλπίας για kg mole αζώτου (Ν ) που θερμαίνεται υπό σταθερή πίεση ( atm) από τούς 8 C στους 00 C. Λύση: Η ειδική θερμότητα του Ν σε διάφορες θερμοκρασίες δίνεται σε Πίνακες Συνθήκες αναφοράς 0 C: C pm = 7.55 kcal/(kg mole) ( C) στους 00 C C pm = kcal/(kg mole) ( C) στους 8 C Βάση: kg mole Ν Δ H 00 8 = Δ H 00 Δ H 8 = 7.55 x (00-0 C) (8-0 C) = 88 kcal/kg mole Aν οι συνθήκες αναφοράς δεν είναι 0 C, 0 F κλπ., τότε θα ίσχυε: ( T T ) C ( T T ) Δ H 00 8 = Δ H 00 Δ H 8 = C pm,00 00 ref pm,8 8 ref ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3

32 Παράδειγμα Τα στερεά απόβλητα μπορούν να μετατραπούν σε ακίνδυνα για το περιβάλλον αέρια σε κλιβάνους αποτέφρωσης. Τα θερμά αέρια καύσης όμως πρέπει να ψυχθούν ή να αραιωθούν με αέρα. Μια μελέτη οικονομικής σκοπιμότητας έδειξε ότι η καύση στερεών αστικών αποβλήτων έδωσε αέριο με την παρακάτω σύσταση (επί ξηράς βάσεως) CO 9. CO.5 O 7.3 Ν 8.0 Ποια είναι η διαφορά ενθαλπίας για αυτό το αέριο μεταξύ της κορυφής και της βάσης μιας καπνοδόχου, αν η θερμοκρασία στη βάση είναι 90 C και στην κορυφή 90 C; Αγνοείστε τον υδρατμό στο αέριο. Επειδή πρόκειται για ιδανικά αέρια, οι ενεργειακές μεταβολές από την ανάμιξη των αερίων συστατικών μπορούν να αγνοηθούν. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3

33 Λύση Οι εξισώσεις της ειδικής θερμότητας είναι (Τ σε 0 C και C p = kcal/(kg mole) ( C) ) Ν : C p = x 0-3 Τ -.7 x 0-7 Τ Ο : C p = x 0-3 Τ -.79 x 0-7 Τ CO : C p = x 0-3 Τ x 0-7 Τ CO : C p = x 0-3 Τ x 0-7 Τ Βάση : kg mole αερίου Πολλαπλασιάζοντας αυτές τις εξισώσεις με το αντίστοιχο ποσοστό κατά mole κάθε συστατικού και προσθέτοντάς τες μειώνεται ο χρόνος υπολογισμού. Ν : 0.8 ( x 0-3 Τ -.7 x 0-7 Τ ) Ο : ( x 0-3 Τ -.79 x 0-7 Τ ) CO : 0.05 ( x 0-3 Τ x 0-7 Τ ) CO : 0.09 ( x 0-3 Τ x 0-7 Τ ) C p, ολικό = x 0-3 Τ x 0-7 Τ 90 Δ H = C p dt = -495 kcal/kg mole αερίου. 90 Η απλούστερη και ταχύτερη μέθοδος υπολογισμού είναι η χρησιμοποίηση βιβλιογραφικών δεδομένων ενθαλπίας. Αν δεν υπάρχουν δεδομένα για την ενθαλπία, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν οι ειδικές θερμότητες ή οι μέσες ειδικές θερμότητες. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 33

34 Παράδειγμα 3 Επαναλάβετε το Παράδειγμα χρησιμοποιώντας τούς πίνακες ενθαλπίας. Για την ίδια μεταβολή όπως στο Παράδειγμα, έχουμε τις παρακάτω τιμές: Στούς 00 C ή 373 Κ: Δ H 00 = 897 kcal/kg mole (Τ ref = 0 o C) Στούς 8 C ή 9 Κ: Δ H 8 = 5.3 kcal/kg mole (Τ ref = 0 o C) Επομένως: Δ H 00 8 = Δ H 00 Δ H 8 = = 87 kcal/kg mole ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 34

35 Μεταβολές Ενθαλπίας για αλλαγές φάσεων Η μεταβολή ενθαλπίας που παρατηρείται στις αλλαγές φάσεων ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα (ή λανθάνουσα ενθαλπία ), με την έννοια ότι η ουσία (για παράδειγμα νερό) μπορεί να απορροφήσει ένα μεγάλο ποσό θερμότητας χωρίς να παρατηρηθεί αύξηση της θερμοκρασίας. Θερμότητα τήξης, η μεταβολή ενθαλπίας κατά τη μετατροπή ενός στερεού σε υγρό (για το νερό είναι 80 cal/g, δηλ. ο πάγος στους 0 C μπορεί να απορροφήσει ποσό ενέργειας 80 cal/g χωρίς να υποστεί ανύψωση θερμοκρασίας ή μεταβολή πίεσης). Θερμότητα εξάτμισης, η μεταβολή ενθαλπίας για την αλλαγή από υγρή σε αέρια φάση, Θερμότητα εξάχνωσης, η μεταβολή ενθαλπίας για την μετατροπή από στερεά σε αέρια φάση, Θερμότητα συμπύκνωσης, η μεταβολή ενθαλπίας για την αλλαγή φάσης από αέριο σε υγρό, Αν δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα για τις λανθάνουσες θερμότητες, υπάρχουν οι παρακάτω προσεγγιστικές μέθοδοι που δίνουν μια εκτίμηση των λανθανουσών θερμοτήτων: ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 35

36 Προσεγγιστικές μέθοδοι Θερμότητα τήξης Η θερμότητα τήξης για πολλά στοιχεία και ενώσεις μπορεί να εκφραστεί σαν: 3 για στοιχε ία Δ H f = σταθερ ά = 5 7 για ανόργανες ενώσεις T f 9 για οργανικ ές ενώσεις όπου Δ f είναι η μοριακή θερμότητα τήξης σε cal/g mole Τ f η θερμοκρασία τήξης σε ο K H Θερμότητα εξάτμισης. Εξίσωση Kistyakowsky O Kistyakowsky πρότεινε μια εξίσωση για μη πολικά υγρά που δίνει αρκετά ακριβείς τιμές για τις μοριακές θερμότητες εξάτμισης αυτών των υγρών: όπου Δ H T b ub = log Δ H ub = μοριακή θερμότητα εξάτμισης στην θερμοκρασία T b, σε cal/g mole T b = κανονικό σημείο βρασμού, ο Κ. Εξίσωση Clausius Clapeyron H εξίσωση Clapeyron είναι μια ακριβής θερμοδυναμική σχέση ανάμεσα στην κλίση της καμπύλης της τάσης ατμών και στη μοριακή θερμότητα εξάτμισης, καθώς και τις άλλες μεταβλητές που αναφέρονται παρακάτω: dp dt * Δ H = T V υ g V l 0 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 36 T b

37 Ο ος Θερμοδυναμικός νόμος Γενικό ισοζύγιο ενέργειας Ο ος νόμος της θερμοδυναμικής ασχολείται με τις μεταβολές ενέργειας μέσα σε ένα σύστημα. Όταν ένα υγρό μεταπίπτει σε στερεή κατάσταση απελευθερώνεται θερμότητα, ενώ για την μετατροπή ενός υγρού σε αέριο απαιτείται η λήψη θερμότητας. Οι μεταβολές ενέργειας μπορεί να συνοδεύονται ή όχι από μεταβολές της μάζας του συστήματος. Επειδή δεν υπάρχει η δυνατότητα άμεσης μέτρησης της ενέργειας, οι μεταβολές ενέργειας μετρούνται με βάση τις μεταβολές των ιδιοτήτων του συστήματος Ο ος θερμοδυναμικός νόμος αποτελεί το μέσο για τον υπολογισμό των μεταβολών ενέργειας και για την ανάπτυξη σχέσεων μεταξύ των μεταβολών ενέργειας και των ιδιοτήτων ενός συστήματος. Η απλούστερη διατύπωση του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου είναι ότι η ενέργεια διατηρείται. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 37

38 Η μαθηματική του διατύπωση για οποιοδήποτε σύστημα μπορεί να είναι η παρακάτω σχέση που αποτελεί και το γενικευμένο ισοζύγιο ενέργειας ενός συστήματος: Εισροή ενέργειας = Εκροή ενέργειας + Συσσώρευση ενέργειας ή λεπτομερώς συσσώ ρευση στο σύστημα είσοδος δια μέσου των ορίων του συστήματος έξοδος δια μέσου των ορίων του συστήματος παραγωγή μέσα στο σύστημα κατανάλωση μέσα στο σύστημα Η συνολική ενέργεια ενός συστήματος Ε είναι μια εκτατική ιδιότητα του συστήματος. Αν η μάζα του είναι m τότε η ολική ενέργεια δίδεται από τον τύπο: Ε = U + Κ + P όπου U είναι η εσωτερική ενέργεια, Κ και P η κινητική και η δυναμική ενέργεια. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 38

39 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 39 Γενικό ισοζύγιο ενέργειας Ας θεωρηθεί ένα γενικό σύστημα στο οποίο εισέρχεται μάζα m μιας ουσίας την χρονική στιγμή t και εξέρχεται μάζα m την χρονική στιγμή t. Τότε: ( ) m V p p V m W Q m P K U m P K U P K U m P K U m t t t t = συσσώρευση = είσοδος - έξοδος + παραγωγή στο σύστημα κατανάλωση στο σύστημα m V p p V m W Q m P K U m P K U P K U m P K U m t t t t = ή απλούστερα W Q m P K H E E E t t = Δ = Δ όπου Δ το σύμβολο διαφοράς (έξοδος μείον είσοδος, εκροή μείον εισροή, ή τελικός χρόνος μείον αρχικός χρόνος) H η ενθαλπία Q η θερμότητα την οποία απορροφά το σύστημα από το περιβάλλον (είναι θετικό όταν η θερμότητα εισέρχεται στο σύστημα) W Μηχανικό έργο που παράγεται από το σύστημα (είναι θετικό όταν το έργο παράγεται ή αποδίδεται από το σύστημα στο περιβάλλον)

40 Θερμοτονισμός αντίδρασης (ΔΗ rxn ) η μεταβολή ενέργειας που παρατηρείται σαν αποτέλεσμα μιας αντίδρασης η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται εξαιτίας της αντίδρασης (σαν θερμότητα σε ορισμένα πειράματα ή και σαν εσωτερική ενέργεια ή άλλη μορφή ενέργειας) Η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης προέρχεται από τη λύση ή το σχηματισμό δεσμών μεταξύ των ατόμων των αντιδρώντων μορίων. Σε μια εξώθερμη αντίδραση, η ενέργεια δεσμών των προϊόντων της αντίδρασης είναι μικρότερη από εκείνη των αντιδρώντων, με αποτέλεσμα να υπάρχει πλεόνασμα ενέργειας που απελευθερώνεται. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 40

41 Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού Πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού μιας ένωσης είναι η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται από ένα σύστημα για τον σχηματισμό ενός mole της ένωσης στη θερμοκρασία αναφοράς (5 o C) και σε πίεση atm από τα καθαρά στοιχεία που την συνθέτουν τα οποία βρίσκονται στην πιο σταθερή τους μορφή στις ίδιες συνθήκες. Για μια απλή ουσία Α υπό σταθερή πίεση και χωρίς αλλαγή φάσεων λαμβάνεται: Δ H Α = Δ H Για μείγματα περισσοτέρων του ενός συστατικού, με αμελητέα ενεργειακή μεταβολή κατά την ανάμειξη ΔH με ίγμα = s i= O fa n Δ H i ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4 + fi T Tref + C s p A T i= Tref όπου i παριστάνει κάθε συστατικό του μείγματος, n i είναι ο αριθμός των mole του συστατικού i και s είναι ο συνολικός αριθμός των συστατικών. O dt n C i p i dt

42 Αισθητή θερμότητα Αν ένα μείγμα διέρχεται μέσα από ένα σύστημα χωρίς να λάβει χώρα αντίδραση, τα συστατικά στην είσοδο και στην έξοδο θα είναι τα ίδια. Για ένα μείγμα δύο συστατικών ισχύει: Tεισ. O O Ενθαλπία εισόδου: ΔH = n Δ H f + n Δ H f + ( n C n C ) εισ. p + Tεξόδ. O O Ενθαλπία εξόδου: ΔH = n Δ H f + n Δ H f + ( n C n C ) εξόδ. Tref p + Επομένως, η διαφορά ΔH εξόδ -ΔΗ εισ. περιλαμβάνει μόνον τους όρους της «αισθητής θερμότητας». Ως αισθητή θερμότητα ορίζεται η διαφορά ενθαλπίας μεταξύ κάποιας θερμοκρασίας αναφοράς και της θερμοκρασίας του υπό εξέταση υλικού αποκλείοντας οποιεσδήποτε μεταβολές ενθαλπίας για αλλαγή φάσεων (λανθάνουσες θερμότητες). Tref p p dt dt ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4

43 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 43 Υπολογισμός Πρότυπης ενθαλπίας σχηματισμού Στην περίπτωση που υπάρχει χημική αντίδραση, (π.χ. τα συστατικά και εισέρχονται σε ένα σύστημα και αντιδρώντας δίδουν τα συστατικά 3 και 4 τα οποία και εξέρχονται) τότε ισχύει: + Δ + Δ Δ + Δ = Δ Δ O O O O f f f f ό H n H n H n H n H H δ. εισ. εξ ( ) ( ) εισ δ εξ T Tref p p ό T Tref p p dt C n C n dt C n C n Από την τελευταία εξίσωση και με θερμιδόμετρα συνεχούς ροής ή κλειστά θερμιδόμετρα-οβίδες υπολογίζονται οι πρότυπες θερμότητες (ενθαλπίες) σχηματισμού.

44 Υπολογισμός Πρότυπης ενθαλπίας σχηματισμού Για μέτρηση: σε συσκευή συνεχούς ροής, χωρίς έργο (W=0), της οποίας η θερμοκρασία κρατείται σταθερή ίση προς τη θερμοκρασία αναφοράς (T εις = Τ εξοδ = Τ ref ), με αποτέλεσμα: οι αισθητές θερμότητες (τα ολοκληρώματα) είναι ίσες με μηδέν, στην οποία η συσσώρευση ενέργειας είναι μηδενική (ΔΕ=0), η εξίσωση ενέργειας ΔE = Et Et = Δ H + K + Pm + Q W γίνεται: Q = Δ H m = ΔH rxn Q = Δ H m = ΔH rxn O O O και Δ H rxn = niδ H fi niδ H fi προϊόντων αντιδρώντων Η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού αναφέρεται σε μια συγκεκριμένη αντίδραση σχηματισμού όχι απαραίτητα πραγματική, αλλά μπορεί και υποθετική για τον σχηματισμό ενός mole μιας ένωσης από τα στοιχεία που την αποτελούν. Αν αυθαίρετα ορισθεί ότι η ενθαλπία σχηματισμού κάθε στοιχείου στην πρότυπη κατάσταση έχει μηδενική τιμή, τότε είναι δυνατόν να εκφρασθούν οι θερμότητες σχηματισμού των ενώσεων στους 5 ο C και atm. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 44

45 Πρότυπος θερμοτονισμός αντίδρασης Από τις πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού των ενώσεων που είναι ταξινομημένες σε πίνακες μπορεί να υπολογιστεί ο πρότυπος θερμοτονισμός κάθε δυνατής αντίδρασης χρησιμοποιώντας την ιδιότητα ότι η ενθαλπία είναι καταστατική ιδιότητα. Στους θερμοχημικούς υπολογισμούς χρησιμοποιούνται ορισμένες συμβάσεις:. Τα αντιδρώντα γράφονται στο αριστερό και τα προϊόντα στο δεξιό μέρος.. Πρέπει να καθορίζονται οι συνθήκες, δηλαδή οι φάση, η θερμοκρασία και οι πίεση εκτός αν οι δύο τελευταίες είναι οι πρότυπες συνθήκες. 3. Οι θερμοτονισμοί των αντιδράσεων, οι μεταβολές ενθαλπίας και όλα τα συστατικά υποτίθενται ότι βρίσκονται στις πρότυπες συνθήκες ( ο ), εκτός αν καθορίζεται διαφορετικά. 4. Αν δεν καθορίζονται τα ποσά των αντιδρώντων υλικών, θεωρείται ότι τα αντιδρώντα βρίσκονται στη στοιχειομετρική αναλογία. Τα δεδομένα για τον υπολογισμό των προτύπων θερμοτονισμών αντιδράσεων έχουν ταξινομηθεί σε πίνακες με δύο διαφορετικές αλλά ουσιαστικές ισοδύναμες μορφές: Πρότυπες θερμότητες ή ενθαλπίες σχηματισμού Πρότυπες θερμότητες ή ενθαλπίες καύσης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 45

46 Παράδειγμα Να προσδιορισθεί η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του CO, εάν είναι γνωστός ο πρότυπος θερμοτονισμός των αντιδράσεων καύσεων του C και του CO προς CO. Λύση Αντιδράσεις : Δ H Βάση g mole CO O Δ H rxn (πειραματική) A: C(β) + Ο (g) CO (g) kcal/g mole B: CO(g) + ½ O (g) CO (g) kcal/g mole A-B: C(β) + ½ Ο (g) CO (g) O rxn A B = (-94.04) ( ) = Δ H O f = kcal/g mole ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 46

47 Παράδειγμα Υπολογίστε το Λύση: O Δ H rxn της παρακάτω αντίδρασης για 5 mole ΝΗ 3 : 4ΝΗ 3 (g) + 5O (g) 4NO(g) + 6H O(g) Βάση: 4 g mole ΝΗ 3 Από πίνακες λαμβάνεται ότι: Ένωση O Δ H f (kcal/g mole) H O(g) NO(g) +.60 ΝΗ 3 (g) -.04 O (g) 0 Iσχύει: O O O Δ H rxn = niδ H fi niδ H fi = προϊόντων αντιδρώντων {[4(.60)+6(-57.80)]-[5(0)+4(-.04)]}/4= = kcal/g mole NH 3. Άρα για τα 5 g mole ΝΗ 3 ισχύει: O Δ H rxn = (-54)(5) = - 70 kcal ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 47

48 Παράδειγμα Αν η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού του H O(l) είναι kcal/g mole και η θερμότητα εξάτμισης είναι kcal/g mole στους 5 ο C και atm, ποια είναι η πρότυπη ενθαλπία σχηματισμού για το H O(g); Λύση: Βάση: g mole Η Ο Ισχύει για την αντίδραση Α: O O O Δ H rxn = niδ H fi niδ H fi = kcal/g mole προϊόντων αντιδρώντων mole οπότε O H f H O Δ = A: Η (g) + ½Ο (g) H O(l) B: H O(l) H O(g) A+B: Η (g) + ½Ο (g) H O(g) O Δ H rxn + O Δ H vap = kcal/g mole Δ H O rxn Δ H = kcal/g mole O vap = kcal/g ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 48

49 Πρότυπη Θερμότητα καύσης Οι πρότυπες θερμότητες καύσης αποτελούν ένα δεύτερο τρόπο έκφρασης θερμοχημικών δεδομένων που είναι χρήσιμα για θερμοχημικούς υπολογισμούς. Για τις πρότυπες θερμότητες καύσεις δεν χρησιμοποιούνται οι ίδιες συμβάσεις με τις πρότυπες ενθαλπίες σχηματισμού. Oι συμβάσεις που χρησιμοποιούνται για τις πρότυπες θερμότητες καύσεις είναι:. Η ένωση οξειδώνεται με το Ο ή κάποια άλλη ουσία και δίνει προϊόντα CO (g), H O(l), κλπ.. Οι συνθήκες αναφοράς εξακολουθούν να είναι 5 ο C και atm. 3. Ορίζονται μηδενικές τιμές της Δ παράδειγμα CO (g), H O(l), κλπ. H O C για ορισμένα προϊόντα οξείδωσης όπως για 4. Αν υπάρχουν άλλες ουσίες που οξειδώνονται όπως S ή Ν ή αν υπάρχει Cl, είναι ανάγκη να ορίζονται προσεκτικά οι καταστάσεις των προϊόντων και να είναι οι ίδιες με τις τελικές συνθήκες που ορίζουν την πρότυπη κατάσταση στους πίνακες δεδομένων. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 49

50 Πρότυπη Θερμότητα καύσης Η πρότυπη θερμότητα καύσης δεν μπορεί να είναι ποτέ θετική και είναι πάντοτε αρνητική. Θετική τιμή θα σήμαινε ότι η ουσία δεν καίγεται ούτε οξειδώνεται. Στην αναζήτηση καλύτερων καυσίμων υψηλού ενεργειακού περιεχομένου ενδιαφέρει ιδιαίτερα η θερμότητα καύσης κάθε στοιχείου εκφρασμένη σαν ενέργεια/ μονάδα μάζας. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 50

51 Θερμαντική δύναμη Για καύσιμα όπως το κάρβουνα ή το πετρέλαιο, η πρότυπη θερμότητα καύσης ονομάζεται θερμαντική δύναμη του καυσίμου. Η θερμαντική δύναμη προσδιορίζεται πειραματικά με καύση μιας ποσότητας του καυσίμου σε μια θερμιδομετρική οβίδα. Επειδή κατά τη διεργασία μέτρησης το νερό που προκύπτει από την καύση υγροποιείται, ενώ σε διεργασία καύσης π.χ. σε έναν λέβητα παραμένει υπό τη μορφή του υδρατμού και απάγεται με τα καυσαέρια, προέκυψε η ανάγκη υιοθέτησης δύο θερμαντικές δυνάμεις καυσίμων: την ανώτερη θερμαντική δύναμη (ΑΘΔ) όπου όλο το παραγόμενο νερό συμπυκνώνεται στην υγρή κατάσταση και την κατώτερη θερμαντική δύναμη (ΚΘΔ) όπου όλο το παραγόμενο νερό παραμένει στην αέρια κατάσταση. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

52 Θερμαντική δύναμη Η τιμή που προσδιορίζεται στο θερμιδόμετρο είναι η ανώτερη θερμαντική δύναμη του καυσίμου και είναι αυτή που συνήθως αναφέρεται στις αναλύσεις καυσίμων. Η θερμαντική δύναμη των ανθράκων μπορεί να υπολογισθεί με σφάλμα μικρότερο του 3% από την εξίσωση Dulong: ΑΘΔ = 800 C (H O/8) + 50 S (kcal/kg) όπου C, S, H και Ο τα ολικά ποσοστά του C, S, Η και Ο (υπολογίζονται με ανάλυση είτε του καυσίμου είτε των αερίων καύσης). Η σχέση μεταξύ ΚΘΔ και ΑΘΔ δίνεται από την εμπειρική σχέση: ΚΘΔ (kcal/kg άνθρακα) = ΑΘΔ (kcal/kg άνθρακα) 50,5 (% συνολικό Η κ.β.) Προσοχή Ένα συνηθισμένο λάθος σε θερμοχημικούς υπολογισμούς είναι να μη ληφθεί υπόψη ότι μια από τις συνθήκες αναφοράς για τον υπολογισμό των θερμοτήτων καύσης είναι το νερό να βρίσκεται σε υγρή μορφή και ότι αν υπάρχουν υδρατμοί πρέπει να συμπεριληφθεί στους υπολογισμούς μια μεταβολή φάσης. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

53 Ατελείς αντιδράσεις Για μια ατελή αντίδραση ο πρότυπος θερμοτονισμός της πρέπει να υπολογιστεί με βάση ΜΟΝΟ τα προϊόντα που πραγματικά σχηματίζονται και τα αντιδρώντα που πραγματικά αντιδρούν. Υλικά που δεν αντέδρασαν δεν πρέπει να συμπεριλαμβάνονται στους υπολογισμούς προτύπων θερμοτονισμών αντίδρασης. Βλ. αντιπροσωπευτικό παράδειγμα ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 53

54 Υπολογισμός πρότυπων θερμοτονισμών αντιδράσεων από τις πρότυπες θερμότητες καύσης Από την εξίσωση ενέργειας : ΔE = E t E t = Δ H + K + Pm + Q W για Κ, P, W=0, ΔΕ=0 (όχι συσσώρευση ενέργειας) προκύπτει Q ΔH = 0 Και επειδή Q αρνητικό (η καύση δίνει θερμότητα) Q O O = ΔΗ = Δ H rxn = niδ H ci niδ H προϊόντων αντιδρώντων O ci Έτσι ένας άλλος ορισμός της εξώθερμης αντίδρασης (ΔΗ rxn <0) είναι ότι οι θερμότητες καύσης των προϊόντων είναι > από τις θερμότητες καύσης των αντιδρώντων σε αντιδιαστολή με το ότι η ενέργεια σχηματισμού των δεσμών των προϊόντων είναι < μικρότερη από την ενέργεια σχηματισμού των δεσμών των αντιδρώντων που υπονοεί η εξίσωση O O O Δ H = n Δ H n Δ H rxn ΔΠΘ-ΜΠΔ i fi Συστήματα i fi Βιομηχανικών Διεργασιών 54 προϊόντων αντιδρώντων

55 Παράδειγμα υπολογισμού πρότυπων θερμοτονισμών αντιδράσεων από τις πρότυπες θερμότητες καύσης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 55

56 Το ισοζύγιο ενέργειας όταν τα προϊόντα & τα αντιδρώντα δεν είναι στους 5 0 C Τυπικά ερωτήματα: Ποιος ο θερμοτονισμός αντίδρασης σε συνθήκες 5 0 C και atm? Ποια η θερμοκρασία ενός ρεύματος εισόδου / εξόδου? Πόσο υλικό πρέπει να τροφοδοτηθεί για να δώσει ορισμένο ποσό θερμότητας? ΔE = Δ H + K + Pm + Q W O O Δ H rxn = niδ H fi niδ H προϊόντων αντιδρώντων Δ H O rxn = i προϊόντων n Δ H O ci i αντιδρώντων O fi n Δ H O ci ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 56

57 Το ισοζύγιο ενέργειας όταν τα προϊόντα & τα αντιδρώντα δεν είναι στους 5 0 C Αντιδρώντα και προϊόντα στην ίδια θερμοκρασία Τ 5 0 C Διεργασίες σε μόνιμη κατάσταση, ΔΕ=0, K, P, W = 0 Q = ΔΗ ΔΗ R + ΔΗ rxn (T) - ΔΗ P - ΔΗ rxn (T ref ) = 0 ΔΗ rxn (T) = ΔΗ rxn (T ref ) +ΔΗ P - ΔΗ R ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 57

58 Θερμοκρασία αδιαβατικής αντίδρασης Η θερμοκρασία που προκύπτει όταν: Η αντίδραση γίνεται αδιαβατικά, δηλ. χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον Δεν υπάρχουν άλλες επιδράσεις (ηλεκτρικά φαινόμενα, έργο, ιονισμός, κτλ.) και Προϋποθέτει τέλεια καύση (έστω και αν η καύση είναι ατελής) Δίνει τη μέγιστη δυνατή θερμοκρασία μιας διεργασίας Βοηθά στην εκλογή υλικών και προδιαγραφών για το δοχείο της αντίδρασης π.χ. καύση CH 4 Θερμοκρασία αδιαβατικής αντίδρασης 00 0 C Θερμοκρασία ατελούς καύσης 90 0 C Παρατηρούμενη θερμότητα C ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 58

59 Θερμοκρασία αδιαβατικής αντίδρασης Επειδή για διεργασίες σε μόνιμη κατάσταση, ΔΕ=0, K, P, W = 0 Q = ΔΗ () και ΔΗ rxn (T) = ΔΗ rxn (T ref ) +ΔΗ P - ΔΗ R () ισχύει : Q = ΔΗ rxn (T ref ) +ΔΗ P - ΔΗ R Επίσης επειδή στον υπολογισμό της ΘΑΑ υποτίθεται ότι: όλη η ενέργεια που απελευθερώνεται από την αντίδραση σε κάποια θερμοκρασία, καθώς και η ενέργεια που περιέχουν τα ρεύματα στην είσοδο χρησιμοποιούνται για την ανύψωση της θερμοκρασίας των προϊόντων (T προϊόντων = Τ αντίδρασης ) Q=0 (γιατί πηγαίνει για την ανύψωση της θερμοκρασίας των προϊόντων) Q = ΔΗ rxn (T ref ) +ΔΗ P - ΔΗ R = 0 ΔΗ P = ΔΗ R - ΔΗ rxn (T ref ) (ενεργειακή πηγή) Q=0 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 59

60 Ενθαλπίες διάλυσης και ανάμιξης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 60

61 Ενθαλπίες διάλυσης και ανάμιξης Η διάλυση CaCl σε νερό είναι εξώθερμη, προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας του νερού από την αρχική τιμή των 5 0 C, ενώ η διάλυση του NH 4 NO 3 στο νερό είναι ενδόθερμη προκαλώντας μείωση της αρχικής θερμοκρασίας του νερού. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6

62 Ενθαλπίες διάλυσης και ανάμιξης Όταν καθαρές ουσίες αναμιγνύονται για να σχηματίσουν αέριο ή υγρό διάλυμα παρατηρείται μεταβολή ενέργειας (απορρόφηση ή έκλυση που οφείλεται σε διαφορές ελκτικών δυνάμεων ανάμεσα στα μόρια του διαλύτη και της διαλυμένης ουσίας) : Ενθαλπία Διάλυσης (ΔΗ soln ) όταν μια ουσία διαλύεται σε μια άλλη, Ενθαλπία Διαχωρισμού όταν μια ουσία διαχωρίζεται από ένα διάλυμα (αντίθετη τιμή από την Ενθαλπία Διάλυσης). Οι θερμότητες διάλυσης και ανάμιξης ενσωματώνονται εύκολα στο ισοζύγιο ενέργειας όπως ακριβώς και οι θερμοτονισμοί των αντιδράσεων ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6

63 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 63

64 Ενθαλπίες διάλυσης και ανάμιξης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 64

65 Θέματα ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 65

66 Θέματα Η βασική αντίδραση για την παραγωγή ασβέστη είναι η παρακάτω: CaCO 3 (s) CaO (s) + CO (g) A. η αντίδραση είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη; B. να υπολογιστεί ο θερμοτονισμός της. ( μονάδες) Το ακετυλένιο (C H ) χρησιμοποιείται κατά την καύση του σε συγκολλήσεις. Επειδήηπαραγωγήτουείναιακριβήπροτάθηκεηχρήση αιθυλενίου (C H 4 ). Τεκμηριώστε ποιο από τα δύο αέρια υπερτερεί για τη συγκεκριμένη χρήση. ( μονάδες) Ημεθανόλη(CH 3 OH) χρησιμοποιείται ως εναλλακτικό καύσιμο σε μηχανές εσωτερικής καύσης. Υποθέτοντας ότι η βενζίνη είναι καθαρό υγρό οκτάνιο (C 8 H 8 ) τεκμηριώστε ποιο από τα δύο καύσιμα υπερτερεί. Δίνονται: ΔΗ f 98 (CH 3 OH) (l) = - 39 KJ/g-mole ΔΗ f 98 (C 8 H 8 ) (l) = - 69 KJ/g-mole ( μονάδες) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 66

67 Θέματα Η ζύμωση της ζάχαρης των σταφυλιών παράγει αιθυλική αλκοόλη σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: C 6 Η Ο 6 (s) C Η 5 ΟΗ (l) + CO (g) A. η αντίδραση είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη; B. να υπολογιστεί ο θερμοτονισμός της. Δίνεται : ΔΗ f 98 (C 6 H O 6 ) = - 60 KJ/g-mole Στην αντίδραση 4 HCl (g) + O (g) H O (g) + Cl (g) α) παράγεται θερμότητα 50 KJ/g-mole β) παράγεται θερμότητα 80 KJ/g-mole γ) παράγεται θερμότητα 0 KJ/g-mole δ) απαιτείται θερμότητα 80 KJ/g-mole ε) απαιτείται θερμότητα 0 KJ/g-mole (Σημείωση. Να χρησιμοποιηθούν μόνο τα παρακάτω δεδομένα: ΔΗ f 98 HCl(g) = -90 KJ/g-mole, ΔΗ f 98 H 0(g) = -40 KJ/g-mole) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 67

68 Θέματα Με βάση το διπλανό διάγραμμα φάσης, απαντήστε και αιτιολογείστε ποιο είναι κατά προσέγγιση το κανονικό σημείο α)τήξης, και β) βρασμού για τη συγκεκριμένη ουσία; ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 68