HEAT EFFECTS
By. Dr. Gede Wibawa
HEAT EFFECTS Heat Transfer Operations: Sangat umum dijumpai di Industri Heat Effecs
Sensible Heat Phase Transition Chemical Reaction Mixing Processes
SENSIBLE HEAT EFFECTS Heat effects due to temperature change No phase transition
No chemical reaction No change in composition causing heat
transfer and the resulting the temperature change
General Expression for dU U U T ,V U U dU dT dV T V V T P dU CV dT T P dV T V
For dV=0 dU CV dT T2
U CV dT T1
• Untuk proses V konstan • Jika U tdk tgt V, pendekatan ini benar untuk gas ideal dan incompressible dan mendekati benar untuk gas bertekanan rendah
1st Law for Closed system with constant V T2
Q U CV dT T1
General Expression for dH H H T , P H H dH dT dP T P P T V dH CP dT V T dP T P
For dP=0
dH C P dT T2
H CP dT T1
• Untuk proses P konstan • Jika H tdk tgt p, pendekatan ini benar untuk gas idel dan incompressible dan mendekati benar untuk gas bertekanan rendah
For any constant P Process T2
Q H CP dT T1
Empirical Function of Heat Capacity Ideal gas heat capacity naik dengan naiknya suhu
CO2
H2O
CP A BT CT 2 DT 2 R CP : dimensionl ess R A, B, C and D depend on the material (App. C)
N2
Ar
Pada (App. C): untuk T dari 298 K sampai Tmax
Empirical Function of Heat Capacity for ideal gas ig
CP A BT CT 2 DT 2 R CVig CPig 1 R R A, B, C and D depend on the material (App. C)
CALCULATION METHOD Smith et al. (Textbook) used two step calculation for U and H: -1st Step calculation at ideal gas condition (P = 0) -2nd step correction of ideal gas value to real gas value
Two Step Calculations for U & H C igP R
A BT CT 2 DT 2
H(T,P)
P
0
Tref
Hypothetical gas ideal
T
V dH C P dT V T dP T P ig
EoS is needed
•Ideal Gas Mixture
CPMIXTURE yi CPi
Ideal gas: no-interaction
i
•Evaluation of sensible-heat integral
H CP CP R
H
T T 0 H
B C 2 2 D A T0 1 T0 1 2 2 3 T0
•Perhitungan T
T
H CP
T0 H
•Karena Cp tergantung T maka dilakukan perhitungan iteratif:
Tn 1
H
CP Tn
T0 H
Latent Heat of Pure Substances •Heat effect due to phase change •For phase change, T and P are constant •Consider a system containing 2 phase and
dG VdP SdT Since P & T are constant, dG = 0 The Gibbs energy for each phase:
dG V dP S dT dG V dP S dT dG 0 V dP S dT Perubahan dari fasa ke
Latent Heat of Pure Substances dP sat S dT V
Jika fasa cair dan uap, maka P=Psat (saturation pressure)
Hubungan S dan H
dH TdS VdP
H H T S S
S
H T
Sehingga persamaan diatas menjadi:
dP sat H dT TV
Latent heat of phase change Molar volume change of phase transition
Latent Heat of Pure Substances Claypeyron equation:
dP sat H TV dT
Psat = saturation pressure (vapor pressure)
•Vapor pressure dari suatu cairan umumnya sebagai fungsi T •Model yang umum digunakan adalah persamaan Antoine, Wagner Antoine eq.:
lnP
sat
B A T C
Constanta A, B dan C diketahui untuk berbagai zat (Table 10.2 p. 362)
dP sat B B H LV exp A 2 dT T C T C TV LV
Dapat dihitung jika konstanta Antoine diketahui
Heat effect from chemical reaction If reaction at constant P & no shaft work : Q H H Reactants
products
Enthalpy change going from reactants to products gives heat of reaction
The difinition of state and path variables should be konwn well !!
Standard heat of reaction Standard conditions: •Gases : gas ideal at 1 bar •Liquids and solids: real solid/liquid at 1 bar
Reactants (standard state)
H 0
Products Standard state
Since enthalpy is state function, it is independent of path Reactants (standard state)
H 0
H1(Re actan s ) Elements (standard state)
Products Standard state
H 2( products)
H 0 H1 H 2
Standard heat of formation, H 0 f
Tabulasi untuk panas reaksi standar terhadap semua kemungkinan reaksi tidak praktis, sehingga digunakan metode standard heat of formation
H 0f
Adalah panas yang diperlukan untuk membentuk 1 mol senyawa dari dari elemen, panas pembentukan dari senyawa dapat dijumlahkan untuk mendapatkan panas reaksi standar
H 0
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
H 0f Catatan: Panas pembentukan untuk 1 mol senyawa terbentuk
elements
H 0f
CO2(g)C(s)+O2(g) 3H2(g)element 2H2(g)+C(s)+0.5O2(g)CH3OH(g) H2(g)+0.5O2(g)H2O(g)
H 0f
H 0
+393,509 J/mol 0 -200,660 -241,818 - 48,969 J/mol
Bagaimana jika reaksi terjadi pada suhu berbeda dari 298 K, tapi tekanan tetap 1 bar? Reaktan Pada T K
H1 Reaktan pada 298 K
H ?
Produk Pada T K
H 2
H is state function
Produk pada 298 K
o H 298
elements
H H1 H 2 H
0 298
Perhitungan panas reaksi secara stochiometri v1 A1 v2 A2 ......... v2 A2 v3 A3 .......... Dimana: A = reaktan atau produk v = koefisien stochiometri, positif untuk produk dan negatif untuk reaktan Perhitungan panas reaksi pada suhu T dan tekanan 1 bar adalah: T
H T H R 0 T0
C p0 vi C pi0
T0
H 0 vi H 0f
C p0 R
dT
Reactants (standard state)
H 0
Products Standard state
H f (Re actan s ) H f ( products) Elements v () v () (standard state)
Tentukan panas reaksi standar dari sintesa methanol berikut: Reaksi : CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g) at 800 deg. C i
vi
CO
-1
H2
-2
CH3OH
+1
REAKSI DI INDUSTRI Kondisi tidak standar Tidak sesuai stochiometri (ada excess
salah satu reaktan) Adanya inert Temperature awal berbeda dengan temperatur produk Dll. DASAR PERHITUNGAN MENGACU PERHITUNGAN STANDAR
Contoh Hitung temperatur maksimum yang dicapai pada pembakaran methane berikut: Flue gas…. T?
Methane (CH4), 298.15K
Udara 20% excess, 298.15K
Maksimum temperature yang dicapai =theoritical flame temperature Products T ? K
CH4+2O2CO2+2H2O
reactants,298.15K
H P0
H
o 298
products,298.15K
Jika ada ekses reaktan atau reaksi tidak sempurna Contoh 1: methane dibakar dengan 20% ekses udara CH4(g)+2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) Hf
vi x Hf, J
i
vi
CH4
-1
-74.520
74.520
O2
-2
0
0
CO2
1
-393.509
-393.509
H2O
2
-241.818
-483.636
o H 298
-802.625
Jika ada inert dalam reaksi Reaksi pembakaran methane dengan 20% ekses udara (21%O2 dan 79%N2) Mole O2 (20% ekses O2 )= 1.2 * 2 = 2.4 Mole N2 = 2.4 *(79/21) = 9.03 CH4(g)+2.4O2(g) +9.03 N2CO2(g) + 2H2O(g)+0.4O2+9.03N2 Reaktan
Produk
Stochiometri diatas dapat digunakan untuk menghitung H Theoretical flame temperature = Reaksi pembakaran berlangsung secara adiabatis sempurna (Q=0)
HK I flow process
H Q Ws
Jika Q dan Ws adalah nol, maka
H 0 0 H 298 H P0 0
H P0 C P0
C P0
H
H
T 298.15
0 n C i Pi i
H
Dari persamaan tersebut diperoleh T = 2066 K
Reaksi paralel (competing reaction)
(A)CH4 + H2O CO + 3H2 (B)CH4 + H2O CO2 + 4H2
0 H 298 0 H 298
= 205,813 J = 164,647 J
Jika 87% CH4 bereaksi melalui reaksi (A) maka:
H
0 298
0.87 205,818 0.13 164,647 J 200,460 J
HHV (Higher Heating Value) & LHV (Lower Heating Value) Heating Value: panas pembakaran dari zat
organik dengan oksigen dimana hasil pembakaran berupa CO2 dan H2O HHV, produk H2O liquid LHV, produk H2O gas H2O liquid H2O gas H=44.012 J/mol