eng07024 Cap3 - Professora Debora UFRGS

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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 
 
Nm = 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.