Introdução aengenharia quimica

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim

Fundamentos de Processos

ENERGIA E BALANÇOS DE ENERGIA
1 INTRODUÇÃO Problemas típicos que podem ser resolvidos usando balanço de energia: a) quanta potência (energia/tempo) é necessária para bombear 1250 gal/min de água a partir de um tanque para outra unidade de processo? A resposta determina as características dabomba a ser usada. b) Quanto calor é necessário para converter 200 kg de água a 300K para vapor a 450K? c) Uma mistura de hidrocarbonetos é destilada, produzindo uma corrente de líquido e uma de vapor, com vazões e composições conhecidas. O calor é fornecido pela condensação do vapor saturado a pressão de 15 bar. Em qual velocidade que o vapor deve ser fornecido para processar-se 2000,0 mol / h dealimentação? d) Quanto carvão deve ser queimado por dia para produzir calor suficiente para gerar vapor para movimentar as turbinas para produzir eletricidade suficiente para satisfazer as necessidades de uma população de 50000 habitantes? Nesta parte da matéria veremos como os balanços de energia são formulados e aplicados. 2 – FORMAS DE ENERGIA: A 1° Lei da Termodinâmica A energia total de umsistema tem 3 componentes: energia cinética; energia potencial e energia interna. Energia cinética (Ec) É a energia associada à velocidade (u) de um corpo (ou de um sistema) em relação à vizinhança. Usando SI, a energia cinética é calculada como: Ec = mv 2 m2 ∴ [Ec ] = kg 2 = J 2 s

A energia cinética específica (por unidade de massa) será dada por: Ec =
^

Ec u 2 J = ∴ [ec ] = m 2 kgEnergia potencial (Ep) É a energia associada à força de atração exercida por um campo gravitacional sobre a massa m de um corpo (ou de um sistema), situada em um nível h em relação a um nível de referência. Usando o SI, a energia potencial fica:

m E p = mgh ∴ E p = [mgh] = (kg ) 2 (h ) = kg.m 2 .s −2 = J s 
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Fundamentos de Processos

Nos balanços energéticos normalmente utiliza-se a energia específica ou energia mássica, ou seja, a razão entre a energia e a massa do corpo. Nestes casos, específica é representado com ^ acima.
Ep =
^

Ep

 J  m = gh ∴ e p = [gh] =  2 (m ) = m 2 .s − 2 =    kg  m s   

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Energia interna (U)

É a energia devido ao movimento demoléculas relativo ao centro de massa do sistema, ao movimento rotacional e vibracional ou de interação eletromagnética de moléculas, e ao movimento e interações de constituintes atômicos ou subatômicos das moléculas. Do ponto de vista microscópico, energia interna de um sistema é simplesmente a soma de todas as diferentes formas de energia possuídas pelas moléculas das substâncias que compõe o sistema,entre as quais estão incluídas as energias molecular, química e atômica. Em escala macroscópica, não se consegue quantificar a energia interna de uma forma absoluta, mas ela pode ser determinada relativamente a algum nível de estado ou referência, arbitrário e conveniente, em que a energia interna é tomada como zero. A energia interma (U) de uma substância depende da temperatura do sistema e dovolume: U = f(T, V) Tomando o diferencial de U:
 ∂U   ∂U  dU =   dT +   dT  ∂T v  ∂V T

Por definição, a capacidade calorífica específica a volume constante é dada por:
 ∂U  cv =    ∂T v  ∂U  Para a maioria das aplicações prática de engenharia, o termo   é tão pequeno que pode  ∂V T ser considerado desprezível. Para gases ideais, este termo também é nulo e aí temos:

dU =cv dT

⇒ U 2 − U1 = ∆U = ∫ c v dT
T1

T2

Sistemas Abetos e Sistemas fechados

Um sistema fechado é aquele em que não há matéria atravessando suas fronteiras, enquanto o processo ocorre. No sistema aberto, ocorre passagem de matéria através da fronteira. Os processos em batelada são sistemas fechados. Os processos contínuos e semicontínuos são sistemas abertos. Num sistema fechado, a...
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