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ENG 07024 - Introdução aos processos da Indústria Química Cáp. 3 - Área II Débora Jung Luvizetto Faccin debora@enq.ufrgs.br Sala 264 – Anexo I da saúde Ramal: 2851 1. Introdução 1.1 Engenharia Química 1.2 Processo Químico 1.3 Unidades e dimensões 1.4 Propriedades Físicas dos fluidos 1.5 Vazões volumétrica, mássica e molar 1.6 Caracterização de correntes de processo ou misturas 1.7 Base de Cálculo 2. Conservação da massa e balanços materiais 2.1 Balanços sem reação química e em Estado Estacionário 2.2 Balanços de massa envolvendo correntes de reciclo, purga e bypass 2.3 Balanços de massa de processos com reação química e em estado estacionário 3. Conservação de energia 3. Conservação de energia - introdução Problemas típicos que podem ser resolvidos usando balanço de energia: a)Qual a potência (energia / tempo) necessária para bombear 1250 gal/min de água a partir de um tanque para uma unidade de processo? A resposta determina o motor da bomba a ser usado. b) Quanto calor é necessário para converter 2000 lb de água a 30oC para vapor a 180oC? c) Qual a massa de carvão a ser queimada por dia para produzir eletricidade suficiente para uma população de 500.000 pessoas? Formas de energia m = massa v = velocidade zgmEp g = aceleração da gravidade z = altura em relação a um plano arbitrário Energia cinética (Ec): associada ao movimento (macroscópico) do sistema Energia potencial (Ep): associada à posição do sistema em relação a um campo de forças (em geral à gravidade). Energia Interna (U): associada a outras formas de energia. Ex.: movimento de moléculas em relação ao centro de massa, movimento vibracional, rotacional ou de interação eletromagnética de moléculas, interações atômicas e sub atômicas. 2 2vm Ec 3. Conservação de energia Transferência de energia Supondo um sistema fechado, significando que não existe transferência de massa através de seus limites enquanto o processo acontece. A energia pode ser transferida entre o sistema e as vizinhanças de duas formas: calor (Q): energia que flui em função de uma diferença de temperatura entre o sistema e sua vizinhança. A direção do fluxo é sempre da maior para a menor temperatura. O calor é definido como negativo quando é transferido do sistema para as vizinhanças. trabalho (W): energia que flui como resposta a qualquer força motriz (driving force) que não seja a diferença de temperatura, tais como força, torque ou tensão (volt). Por exemplo, se um gás em um cilindro expande e movimenta um pistão, o gás faz trabalho sobre o pistão (a energia é transferida como trabalho do gás para as vizinhanças, que inclui o pistão). O trabalho é definido como negativo quando é transferido do sistema para as vizinhanças. 3. Conservação de energia 3. Conservação de energia Unidades Energia e trabalho possuem unidades de força × comprimento Nm = J Muitas vezes, energia apresenta unidades definidas em termos de quantidade de calor que deve ser transferida para aumentar a temperatura (em um intervalo determinado) de uma determinada quantidade de massa de água. 1 quilocaloria = 4184 joules Unidade massa de água Intervalo T quilocaloria kcal 1kg 15°C para 16°C caloria (grama caloria) cal 1g 15°C para 16°C “british thermal unit” unidade térmica Britânica Btu 1lbm 60°F para 61°F 3. Conservação de energia - A primeira lei da termodinânica Princípio que fundamenta todos os balanços de energia é a lei da conservação da energia, que estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída. Essa lei é também chamada de 1º lei da termodinâmica! ACÚMULO = ENTRA – SAI Para sistema fechado, transfere-se apenas calor ou trabalho através da fronteira. O acúmulo é dado pela variação de energia, valor final menos o inicial. A energia inicial é dada por: Ui + Eci + Epi A energia final é dada por: Uf + Ecf + Epf A energia transferida: Q + W DU + DEc + DEp = Q + W para Sistemas Fechados a) A energia interna de um sistema depende quase completamente da composição química, estado de agregação (sólido, líquido, vapor) e temperatura dos materiais do sistema. U é independente da pressão para gases ideais, e praticamente independente da pressão para líquidos e sólidos. Portanto, se não houver mudanças de temperatura, de fase e composição química no processo, e se as variações de pressão são baixas, DU 0. b) Se um sistema e suas vizinhanças estão à mesma temperatura, ou se o sistema é perfeitamente isolado (adiabático) então Q = 0. c) Trabalho feito sobre ou pelo sistema fechado é acompanhado pelo movimento da fronteira contra uma força de resistência, ou por uma geração de corrente ou radiação elétrica além das fronteiras do sistema. Se não há partes em movimento, nem geração de corrente, então, no sistema fechado, W = 0. d) Se um sistema não está acelerando, DEc = 0. Se não está subindo, nem descendo, DEp = 0 Formas de energia- A primeira lei da termodinânica Transformação P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2 Estado 1 Estado 2 Transformação “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . Processos P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2 Processos Durante a transformação Isotérmico temperatura invariável Isobárico Pressão invariável Isovolumétrico volume constante Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança.
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