HEAT EFFECTS. By. Dr. Gede Wibawa

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 TV 

Latent heat of phase change Molar volume change of phase transition

Latent Heat of Pure Substances Claypeyron equation:

dP sat H  TV 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  TV 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+2O2CO2+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 N2CO2(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