PQI 3103

Conservação de Massa e Energia

Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira

Centro de Engenharia de Sistemas Químicos

Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP

Edifício Semi-Industrial, bloco A, 3o andar

acscteix@usp.br

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Aula 6 – Balanço de Energia

Parte 1

Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados

Research in Advanced Oxidation Processes

exemplos de problemas que

envolvem balanços de energia (BE)

- Potência necessária para bombear 1250 m3/h de benzeno de um tanque

até uma unidade de processo;

- Energia necessária para converter 2000 kg de água a 20 ºC em vapor a

180 ºC e 5 bar;

- Taxa de energia a ser retirada de um reator para manter sua temperatura

constante, quando ocorre uma reação exotérmica;

- Temperatura de uma corrente obtida pela mistura de duas ou mais

correntes com vazões, composições e temperaturas diferentes;

- Dimensionar equipamentos de troca térmica (trocadores de calor);

- Máxima temperatura que um processo poderá atingir caso ocorra falha no

sistema de resfriamento de um reator (segurança);

- Carga térmica envolvida em refervedores e condensadores em colunas

de destilação;

- Energia a ser suprida a um reator que processa uma reação endotérmica;

.

.

.

terminologia, conceitos e unidades

SISTEMA ADIABÁTICO: um sistema que

não permite trocas de calor com suas

vizinhanças durante o processo

(termicamente isolado)

SISTEMA ISOTÉRMICO: um sistema em

que a temperatura é mantida constante

durante o processo

SISTEMA ISOBÁRICO: um sistema em que

a pressão é mantida constante durante o

processo

SISTEMA ISOCÓRICO: um sistema em

que o volume é mantido invariante durante

o processo

terminologia, conceitos e unidades

VARIÁVEL DE ESTADO (FUNÇÃO DE PONTO,

FUNÇÃO DE ESTADO): qualquer variável ou

função cujo valor depende apenas do estado

do sistema e não de sua história pregressa

(exemplo: energia interna)

VARIÁVEL (FUNÇÃO) DE TRAJETÓRIA OU

CAMINHO: qualquer variável ou função cujo

valor depende de como o processo ocorre,

podendo diferir para diferentes trajetórias

(exemplo: calor e trabalho)

terminologia, conceitos e unidades

terminologia, conceitos e unidades

• formas de energia associadas com a massa

energia cinética (Ek)

energia potencial (Ep)

energia interna (U)

• formas de energia em transição

calor (Q)

trabalho (W)

transferência de calor

T2 > T1

T2 < T1Q = UA(Tvizinhanças Tsistema).

trabalho

energia transferida como resposta a outra força

motriz que não a diferença de temperatura

(força, diferença de potencial elétrico, torque...)

trabalho de compressão, de expansão, de eixo

em rotação, elétrico...

pode ser entendido como força×deslocamento

convenção da máquina térmica para

calor e trabalho

exemplo 1 – trabalho de expansão de um gás

Suponha que uma certa quantidade de gás ideal a 300 K e 200 kPa esteja

confinada em um cilindro dotado de um pistão sem atrito. O gás empurra

lentamente o pistão, de tal forma que seu volume se expande de 0,1 a 0,2 m3.

Calcular o trabalho realizado pelo gás sobre o pistão, admitindo duas possíveis

trajetórias diferentes na evolução do estado inicial ao estado final do sistema:

Trajetória A: a expansão ocorre a pressão constante (isobárica) (P = 200 kPa)

Trajetória B: a expansão ocorre a temperatura constante (isotérmica) (T = 300 K)

relação entre calor e

trabalho mecânico,

J. P. Joule, 1843

balanço de energia para sistema fechado

(1ª Lei da Termodinâmica)

DE = E2-E1= Q − W

D(U + Ek + Ep) = Q − W

sistemas fechados em estado não-estacionário

(não-adiabático)

sistemas fechados em estado estacionário

balanço macroscópico de energia - sistema aberto

m1, m2 constantes. .

trabalho Ws

WQmg

v

g

gzUm

g

v

g

gzU

g

v

g

gzUm

dt

d K

k

kk

cc

J

j

jj

cccc

1

2

1

22

)21ˆ()

21ˆ()]21ˆ([

s

K

k

kk

cc

J

j

jj

cccc

WQmg

v

g

gzHm

g

v

g

gzH

g

v

g

gzUm

dt

d 1

2

1

22

)21ˆ()

21ˆ()]21ˆ([

balanço macroscópico de energia

j = 1, ..., J correntes de entrada

k = 1, ..., K correntes de saída

2s N.

kg.m 1cg

2s lbf.

lb.ft 1740,32cg

exercício 1 – escoamento de gás

exercício 2 – turbina a vapor

vapor, 500 kg/h, 60 m/s

44 atm, 450 oC1

2 vapor, 500 kg/h, 360 m/sQ < 0.

Ws > 0.

z = 0

turbina a vapor

http://www.youtube.com/watch?v=lFmwjxFCw6o

exercício 3 – bombeamento de etilenoglicol

1

2

.s

.