Introduction aux processus de génie chimique
Rappelons l'équation d'équilibre général qui a été dérivé pour toute propriété du système:
I n - O u t + G e n e r a t i o n - C o u m u p t i o n de A = c c u m u l a t i o n
Lorsque nous avons calculé l'équilibre de masse, nous l'avons fait en citant la loi de conservation de la masse, ce qui indique que la production totale de la masse est 0, et donc A c c u m u l a t i o n = I n - O u t.
Il y a une autre loi de conservation importante qui fournit une équation supplémentaire, nous pouvons utiliser: la loi de conservation de l'énergie. Cela indique que si E désigne la quantité totale d'énergie dans le système,
Loi de la conservation de l'énergie
E i n - E o u t = E a c c u m u l a t e d -E_ = E_>
Pour écrire un bilan énergétique, nous devons savoir quels types d'énergie peuvent entrer ou sortir d'un système. Voici quelques exemples (ce n'est pas une liste exhaustive par tous les moyens) des types d'énergie qui peuvent être gagnés ou perdus.
- Un système pourrait gagner ou perdre de l'énergie cinétique. si nous analysons un système en mouvement.
- Encore une fois, si le système est en mouvement, il pourrait y avoir des changements d'énergie potentielle.
- La chaleur pourrait entrer dans le système par conduction, convection ou rayonnement.
- Les travaux (soit des travaux d'agrandissement ou de travail de l'arbre) pourrait se faire, soit par le système.
La quantité totale d'énergie entrant dans le système est la somme de tous les différents types entrent dans le système. Voici les expressions pour les différents types d'énergie:
- De la physique, de rappeler que K = 1 2 E m v 2> mv ^>. Si le système lui-même ne bouge pas, c'est égal à zéro.
- L'énergie potentielle gravitationnelle d'un système est G P E = m g h où g est la constante gravitationnelle, m est la masse en kg et h est la hauteur du centre de masse du système. Si le système ne change pas la hauteur, il n'y a pas de changement de GPE.
- La chaleur pénètre dans le système est désigné par Q, quel que soit le mécanisme par lequel il pénètre dans (les moyens de calcul de ce seront exposés en cours sur un phénomène de transport). Selon les conventions de ce livre, la chaleur entrant dans un système est positif et la chaleur en laissant un système est négatif. parce que le système en vigueur gagne de l'énergie lorsque la chaleur pénètre.
- Le travail effectué par ou sur le système est désigné par W. travail effectué par un système est négatif parce que le système doit « abandonner » l'énergie pour travailler sur son environnement. Par exemple, si un système se développe, il perd de l'énergie pour tenir compte de cette expansion. A l'inverse, le travail effectué sur un système est positve.
Les flux d'énergie en raison de flux de masse Modifier
L'accumulation de tout est 0 à l'état d'équilibre, et de l'énergie ne fait pas exception. Si, comme nous avons tout le temps, nous supposons que le système est à l'état d'équilibre, on obtient l'équation du bilan énergétique:
Ceci est le point de départ de tous les bilans énergétiques ci-dessous.
Considérons un système dans lequel une masse, tel que l'eau, pénètre dans un système, tel qu'une tasse, comme suit:
Le débit massique dans (ou sur) le système comporte une certaine quantité d'énergie, associée à la vitesse à laquelle il se déplace (énergie cinétique), la hauteur du sol, il est (l'énergie potentielle) et sa température (énergie interne). Il est possible pour elle d'avoir d'autres types d'énergie aussi bien, mais pour l'instant supposons que ce sont les trois seuls types d'énergie qui sont importants. Si cela est vrai, alors nous pouvons dire que l'énergie totale transportée dans le flux est lui-même:
Cependant, il y a un autre facteur qui doit être pris en compte. Quand un flux de courant de masse dans un système, il dilate ou se contracte et effectue donc fonctionner sur le système. Une expression de travail en raison de cette expansion est:
Étant donné que ce travail se fait sur le système, il entre dans le bilan énergétique en quantité positive. Par conséquent, le flux d'énergie totale dans le système en raison de débit massique est la suivante:
Maintenant, pour simplifier le calcul un peu, nous utilisons ne généralement pas l'énergie et le terme PV. Au lieu de cela, nous combinons ces termes et appelons le résultat de l'enthalpie du flux. Enthalpie est que la combinaison de l'énergie et des travaux d'agrandissement en raison de l'écoulement du flux, et est désigné par la lettre H:
Par conséquent, on obtient l'équation suivante importante pour le flux d'énergie portée par la masse:
Remarque:
L'énergie cinétique et l'énergie potentielle sont généralement très faible par rapport à l'enthalpie, sauf en cas d'écoulement très rapide ou quand il n'y a pas de changements de température importants survenus dans le système. Ils sont donc souvent négligés lors de l'exécution des bilans énergétiques.
D'autres flux d'énergie dans et hors du système Modifier
Les autres types de flux d'énergie qui pourraient se produire dans et hors d'un système sont la chaleur et le travail. La chaleur est défini comme le flux d'énergie due à un changement de température, et circule toujours de température supérieure à la température inférieure. Le travail est défini comme une énergie transférée par une force (voir ici pour plus de détails).
- S'il n'y a pas de flux de chaleur dans ou hors d'un système, il est appelé adiabatiques.
- S'il n'y a pas de pièces mécaniques reliées à un système, et le système ne parvient pas à se développer, alors le travail est essentiellement 0.
Certains systèmes qui ont des pièces mécaniques qui effectuent des travaux sont des turbines, des mélangeurs, des moteurs, des réacteurs agités, des agitateurs, et bien d'autres. Le type de travail exécuté par ces parties est appelé travail d'arbre pour le distinguer du travail en raison de l'expansion du système lui-même (que l'on appelle des travaux d'agrandissement).
Un « système isolé » est généralement interprété comme étant essentiellement adiabatiques, mais à quel point cette hypothèse est dépend de la qualité de l'isolation. Un système qui ne peut pas développer est parfois décrit comme « rigide ».
La notation de ces valeurs sont les suivantes:
Notez que qui précède implique qu'il n'y a pas de travail d'expansion à l'état d'équilibre, car rien à l'état d'équilibre sur le système, y compris le volume, change avec le temps, à savoir Δ V Δ t = 0 à l'état d'équilibre >>> = 0 >>.
Dans l'ensemble stable - bilan énergétique de l'Etat Modifier
Si nous combinons ensemble tous ces éléments, se souvenant que le flux de chaleur dans un système et le travail effectué sur un système sont positifs, nous obtenons les éléments suivants:
Quelques points importants: