lista 5 termodinamica aplicada

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Universidade Federal Fluminense - Escola de Engenharia – 
Departamento de Engenharia Química e de Petróleo 
Termodinâmica Aplicada TEQ00094 
Lista de Exercícios 5 – Efeitos Térmicos 
 
Exercícios selecionados do livro Smith Van Ness Abbott – Sétima Edição 
Capítulo 4 
(Resolvidos: 4.7, 4.8, 4.9) , Problemas: 4.1, 4.5, 4.17, 4.20, 4.26, 4.31 
Problemas extras 
Problema 1. 
Determinar o calor liberado na combustão de 1 m
3
 (medido a: 
0 C
 e 
1,01 bar
) 
de metano, a 
25 C
 e sob pressão total de 1 bar. São fornecidos os calores padrões de 
formação, 
,298Kfh

: do dióxido de carbono: 
-1393 kJ mol 
, de vapor de água: 
-1242 kJ mol 
 e do metano: 
-174,8 kJ mol 
. 
Resposta: 
3
298K 35,7 10 kJH  
. 
 
Problema 2. 
Os calores padrões de combustão do etileno, do etano e do butano valem, 
respectivamente: 
-11322 kJ mol 
, 
-11426 kJ mol 
 e 
-12656 kJ mol 
. O calor padrão 
de hidrogenação do etileno a etano é igual a 
-1137 kJ mol 
. Determinar o calor da 
seguinte reação, a 
25 C
 e 
1 bar
: 
     4 10 2 4 2C H 2C H Hg g g 
. 
Resposta: 
-1
298K 229 kJ molh  
. 
 
Problema 3. 
Quanto vale o calor padrão de combustão do hidrogênio? Qual será o valor do 
calor de reação de combustão do hidrogênio, a 
50 C
 e sob pressão de 
1 bar
? E a 
200 C
? O calor latente de vaporização da água vale 
-140,6 kJ mol
e a capacidade 
calorífica da água líquida pode ser tomada como constante e vale 
-175,2 J mol
. Adotar 
para as capacidades caloríficas dos gases a forma: 
2
pc a bT cT  
 com 
pc
 em 
1 1J mol K  
 e utilizar os dados da tabela: 
Substância 
 -1,298K kJ molfh 
 
a
 
310b 
 
610c 
 
2H
 0 29,0 -0,84 2,00 
2O
 0 25,5 13,6 -4,26 
 
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Lista de Exercícios 5 – Efeitos Térmicos 
 
 2H O
 -286 --- --- --- 
 2H O g
 -242 30,2 9,66 1,13 
 
Respostas: 
-1
298K 286 kJ molh   
, 
-1
323K 285 kJ molh   
, 
-1
473K 244 kJ molh   
. 
Problema 4. 
A oxidação do dióxido de enxofre ocorre em presença do ar atmosférico, a 
450 C
. Determinar a quantidade de calor liberada na reação de oxidação quando a 
conversão de um óxido em outro for igual a 93%. Calores padrões de formação: do 
 2 gSO : 297 kJ/mol
 e do 
 3 gSO : 395 kJ/mol
. As capacidades caloríficas dos 
participantes da reação têm a forma: 
2
pC T Ta b c  
 com 
pC
 em 
-1 -1J mol K 
, cujos 
coeficientes são dados na tabela seguinte: 
Substância 
a
 
310b 
 
610c 
 
 2O g
 28,3 2,55 0,54 
 2SO g
 32,2 22,15 -3,47 
 3O gS
 52,9 26,75 --- 
 
Solução: 
A reação de oxidação mencionada é: 
     2 2 3g g g
1SO + O SO
2

 
O calor padrão pode ser calculado por: 
   
3 2
298 ,298 ,298f fSO SO
h h h    
 
Com os valores fornecidos: 
298 395 297 98 kJ molH     
 
Para determinar o calor de reação em outra temperatura 
 450 C 723K
, 
utilizamos a relação: 
723
723 298
298
ph h c dT    
 
 
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Lista de Exercícios 5 – Efeitos Térmicos 
 
A variação da capacidade calorífica da reação, 
pc
, expressa-se por: 
3 2 2, , ,
1
2p p SO p SO p O
c c c c   
 
Onde as capacidades caloríficas do 
 3 gSO
, do 
 2 gSO
 e do 
 2 gO
, conforme o 
polinômio e a tabela fornecidos são representados pelas equações: 
3,p SO
c T   -326,75, 1052 9
 
2
2
, -p SOc T T  
-3 -632 3,47 10, 5 02 22,1 1
 
2
2
,p Oc T T    
-6-32,55 1 0,54 10 028,3
 
Calculando o 
pc
: 
   
 
2
21
2
pc T T T
T T
    




  
-3 -6
-
3
-3 6
- 3,26,75 10 22,15 10
2,
47 152,9 32,2
28,3
0
0,54 1055 10
 
 
2
pc T
T
        
 
  
 
 
 
2
2
2
-3
-
-6
-6
3 -3 2,55 1026,
0,
75 10 22,
54 10
28, 15 1352,9 32,2
3,
0
47 10
 
Logo: 
      2pc T T    - -633,32 10 3,2 106,55
 
-1 -1J mol K 
 
Integrando: 
 
723
723
2 3
298 298
32
K
p
K
c dT T T T
    
       
   




- -633,32 3,
6,55
1010 2 
      
723
2 2 3 3
298
723 298 723 298 723
3
298
2
pc dT
   
      

  
   


-3 -63,32 1
6,55
,0 3 2 10
      
723
3 6
298
425 433,9 10 351,46 1
3
0
2
pc dT
   
        
   


-3 -63,32 10
6,55
3,2 10
 
723
298
2783,75 720,31 374,89 3878,82pc dT    
 
-1 -1J mol K 
 = 
3,878
 
-1kJ mol
 
Logo: 
723 98 kJ mol 3,878 kJ mol 94,12 kJ molh     
 
Para conversão de 93%: 
 
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723 0,93 87,5 kJ molh h     
. 
 
Problema 5. 
 Um forno (ver Figura abaixo) é aquecido pela queima de monóxido de carbono 
com ar atmosférico com 90% em excesso. O monóxido de carbono é alimentado a 
200 C
 e o ar atmosférico a 
300 C
. Os gases de exaustão deixam o forno a 
1000 C
. 
Tudo sob pressão de 
1 bar
. Determinar a quantidade de calor útil, de que se dispõe o 
forno, por mol de 
CO
 consumido, admitindo a combustão completa e tomando o ar 
atmosférico como constituído de 80% de nitrogênio e 20% de oxigênio. São fornecidos: 
entalpias padrões de formação: do 
1CO : -110 kJ mol
, do 
1
2CO : -393 kJ mol

; 
capacidades caloríficas médias: do 
1 1CO: 29,3 J mol K  
, do 
1 1
2CO : 49,9 J mol K
  
, 
do 
1 1
2N :31,4 J mol K
  
, do 
1 1
2O :33,2 J mol K
  
. 
 
 
Figura. Ilustração de um forno industrial com CO como gás combustível. 
Resposta: 
-1 150 kJ molh   
. 
 
Problema 6. Etanol (C2H5OH) e ar atmosférico (4 moles de N2 para 1 mol de O2) 
alimentam a chama de um maçarico. A fim de obter combustão completa e melhorar a 
eficiência da chama, a mistura é preparada com excesso de 50% de ar e previamente 
aquecida a 
100 C
. Determinar a temperatura máxima de chama do maçarico. Dados: 
calores padrão de formação (a 298K e 1 bar), [kJ/mol] do vapor de etanol: -238, vapor 
forno
CO 
ar
Gases exaustão
queima
 
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de água, -242, dióxido de carbono: -393; capacidades caloríficas, [J/mol·K], do vapor de 
etanol: 73,2, vapor de água: 33,6, dióxido de carbono: 38,7, nitrogênio: 29,1, oxigênio: 
29,5, temperatura normal de ebulição do etanol 78,8 °C. 
 
Figura. Ilustração de maçarico com etanol. 
 
Dica: 
A combustão do etanol com ar atmosférico usando quantidades estequiométricas é a 
seguinte: 
           2 5 2 2 2 2 2C H OH +3O 12N 2CO +3H O +12Ng g g g g g 
 
Com 50 % a mais de ar atmosférico temos: 
             2 5 2 2 2 2 2 2C H OH +4,5O 18N 2CO +3H O +1,5O 18Ng g g g g g g  
 
Sabemos que o calor da reação (isotérmica) a 100 °C pode ser determinado pela
equação: 
373,15
373,15 298,15
298,15
pH H C dT    
 
Sendo que: 
     
2( ) ( ) 2 5 ( )
298,15 ,298,15 ,298,15 ,298,15CO H2O C H OH
2 3
g g g
o o o
f f fH H H H      
 
e 
2( ) ( ) 2 5 ( ) 2( ),CO ,H2O ,C H OH ,O
2 3 3
g g g gp p p p p
C C C C C    
 
A temperatura máxima de chama (também denominada temperatura de chama 
adiabática) é a maior temperatura alcançada pelos produtos de uma reação de 
combustão. Para determiná-la admite-se que o calor de reação de combustão é 
integralmente cedido aos produtos da reação, que se aquecerão desde a temperatura em 
 
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que os regentes se encontram até a temperatura máxima. Dessa maneira, o balanço de 
energia (em torno do maçarico) pode ser escrito como: 
e 0r ação aquecimentoH H  
 
onde 
 
373,15
 
máxT
aquecimento i pi
i
H n C dT  
 sendo 
in
 o coeficiente estequiométrico (número 
de moles) de um produto i. 
Resposta: 
2079 KmáxT 
. 
Problema 7. Em uma câmara de combustão queima-se uma mistura de propano e 
butano alimentada a 20 °C e pressão de 1 bar, com vazão de 1,3 L/min. Pela serpentina 
da câmara circula água com vazão de 1,8 L/min. A temperatura da água na entrada da 
serpentina é de 20 °C e na saída é de 35 °C. Os gases resultantes da combustão atingem 
a temperatura de 40 °C. Sabendo-se que o calor de combustão do propano e o do butano 
valem, respectivamente, -2,04·10
3
 kJ/mol e -2,65·10
3
 kJ/mol, determinar a proporção 
dos dois gases na mistura combustível .Dados: capacidades caloríficas do vapor de 
água: 33,5 J/mol·K, CO2 46,8 J/mol·K e da água líquida: 4,18 J/g·K. 
 
Dica: 
(i) Escolha como base de cálculo o tempo de 1 min, e calcule o número de mols notais 
que entram (butano + propano) e também a massa de água que circula pela câmara de 
combustão; 
(ii) Equacione o calor de combustão do propano e butano (que ficará em função do 
número de moles de cada componente: butano e propano); 
Propano + Butano
Gases exaustão
queima
água
câmara de 
combustão
 
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(iii) O balanço de energia pode ser equacionado como: 
e 0r ação aquecimento águaH H H   
 
(iv) 313
,
293
aquecimento i p i
i
H n C dT  
 sendo 
in
 o coeficiente estequiométrico (número de 
moles) de um produto i. 
Resposta: 
propano butano0,0498 mol, 0,0046 moln n 
.