Hittewaarde

Die hitte van verbranding of hittewaarde of kaloriewaarde ($\Delta _{c}H^{\circ }$) is die energie wat vrygestel word wanneer 'n stof volledig met suurstof (O₂) verbrand onder normale kondisies. Dit word gemeet in die energie vrygestel per hoeveelheid van die stof, bv kJ/kg, kJ/kmol, MJ/m³_n, kal/kg, ens.

Die chemiese reaksie is tipies die koolwaterstof wat reageer met suurstof om koolsuurgas (koolstofdioksied – CO₂), waterdamp (H₂O_(g)) en hitte te vorm. Indien byvoorbeeld metaan verbrand word, is die reaksie dus:

${\text{CH}}_{4}+2{\text{O}}_{2}\rightarrow {\text{CO}}_{2}+2{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\text{Hitte}}$

Bepaling van hittewaarde

Die hittewaarde van 'n stof word bepaal deur dit fisies te verbrand en die verhoging in temperatuur te bepaal.

As voorbeeld word metaan gebruik.

Wanneer metaan verbrand, reageer dit met suurstof om koolstofdioksied en water te vorm. Die verbrandingsreaksie van metaan kan soos volg geskryf wordː

${\text{CH}}_{4}+2{\text{O}}_{2}\rightarrow {\text{CO}}_{2}+2{\text{H}}_{2}{\text{O}}+{\text{Hitte}}$

'n Mengsel van 1 kmol metaan en 10 kmol lug (21% suurstof en 79% stikstof) sal soos volg reageer:

	CH4	O2	N2	CO2	H2O	Totaal
Molmassa (kg/kmol)	16	32	28	44	18	-
Balanseringskoeffisient	-1	-2	0	1	2	-
Voor reaksie	1	2.1	7.9	0	0	11
Reageer	-1	-2	0	+1	+2	-
Na reaksie	0	0.1	7.9	1	2	11
Molfraksie (x) voor	9.09%	19.09%	71.82%	0	0	100%
Molfraksie (x) ná	0%	0.91%	71.82%	9.09%	18.18%	100%

Die molmassa van die mengsel voor die reaksie is 16 × 9.09% + 32 × 19.09% + 28 × 71.82% = 27.67 kg/kmol Volgens die ideale gaswet is die hoeveelheid gas 200 × 0.001 / (8.314 × (25+273.15))/1000 = 0.08068 mol. Die massa van die gas is 0.08068 × 27.67 = 2.23 gram.

'n Mengsel van dieselfde samestelling word nou in 'n geslote 1 liter houer (bom) geplaas by 25 °C en 200 kPa(a). Hierdie houer word in 'n bad water geplaas. Die bom het 'n elektriese ontsteker aan die binnekant wat die gasmengsel aan die brand steek. Die temperatuur in die bom bereik 'n temperatuur van meer as 1000 °C en begin om die bom se wand en die water te begin verhit. Die temperatuur van die water begin daarom te styg. Die maksimum temperatuur wat gemeet word is die temperatuur waar die gas, bom en water ongeveer dieselfde is en word gebruik om te bepaal hoeveel hitte die reaksie opgewek het. Dit word soos volg bepaal:

$Q_{totaal}=Q_{gas}+Q_{water}+Q_{bom}$

$Q_{totaal}=\left[m.C_{p}\Delta T\right]_{gas}+\left[m.C_{p}\Delta T\right]_{water}+\left[m.C_{p}\Delta T\right]_{bom}$

Omdat die massa van die gas baie klein is in vergelyking met die massa van die water en die bom; kan dit dus weggelaat word.

$\Delta T$ = maksimum temperatuur gemeet minus 25 °C. Omdat die gas se massa so min is, is die maksimum temperatuur waarskynlik naby aan 30 °C.

Dus kan $Q_{totaal}$ bereken word.

Die hoeveelheid metaan wat reageer het is 0.08068 mol × 1/11 = 0.007335 mol

Die hittewaarde van metaan is dus $\Delta _{c}H^{\circ }={\frac {Q_{totaal}}{0.007335}}$

Hoë hittewaarde

Die hittewaarde bereken soos hierbo, is egter die hoë hittewaarde van metaan.

Onthou dat die temperatuur van die gas ná verbranding meer as 1000 °C in die bom was. By hierdie toestande was die water in die produkgas in die dampfase. Omdat die gas se massa so min in in vergelyking met die massa van die bom en die afkoelingswater, gaan die maksimum gemete temperatuur slegs ongeveer 30 °C wees. By hierdie toestande gaan die water in die produkgas 'n vloeistof wees. Dus, bevat $Q_{totaal}$ ook die hitte van die water wat gekondenseer het.

Lae hittewaarde

Wanneer gas in 'n oond gebrand word, verlaat die skoorsteengas (O₂, N₂, CO₂ en H₂O) die oond warm genoeg sodat die water in die dampfase is. Dus kry 'n mens nie die hittevoordeel van die water wat kondenseer nie. Daarom is die effektiewe hittewaarde laer as die hittewaarde wat bereken is volgens die eksperiment hierbo genoem. Die latente energie van die water moet dus afgetrek word.

Berekening van lae hittewaarde vanaf hoë hittewaarde

Die verskil tussen die lae hittewaarde (LHW) en hoë hittewaarde (HHW) is bloot die latente warmte van die stoigiometriese hoeveelheid stoom wat as produk gevorm word by verbranding.

Die stoigiometriese hoeveelheid stoom in die produk word bepaal deur die hoeveelheid waterstof in die komponent. Byvoorbeeld:

• CH₄ + 2O₂ ==> CO₂ + 2H₂O
• C₂H₆ + 3.5O₂ ==> 2CO₂ + 3H₂O
• C₃H₈ + 5O₂ ==> 3CO₂ + 4H₂O
• C₄H₁₀ + 6.5O₂ ==> 4CO₂ + 5H₂O

Dus, vir elke mol waterstof in die reagense is daar die helfte water in die produk.

Om die LHW dus uit te werk van 'n komponent, kan die volgende formule gebruik wordː

$LHW=HHW-{\frac {x}{2}}\cdot \lambda$

Waar:

• $x$ = aantal mol waterstof (H) in reagense (x/2 is die aantal mol water wat vorm per mol koolwaterstof wat reageer met suurstof)
• $\lambda$ = latente hitte van stoom = 2441 kJ/kg = 2441 kJ/kg × 18.02 kg/kmol × 1 MJ/1000 kJ = 43.987 MJ/kmol

Voorbeeld

Beskou metaan:

Die verbrandingsreaksie vir metaan is: CH₄ + 2O₂ ==> CO₂ + 2H₂O

Die hoër hittewaarde vir metaan is 891.63 MJ/kmol

Die laer hittewaarde is dus: 892 - 4/2*43.987 = 803.66 MJ/kmol

Kyk ook

• Verbranding