Introdução Balanço Geral de Energia Exercícios. Balanço de Energia. Prof. Marcus V. Americano da Costa F o

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1 Balanço de Energia Prof. Marcus V. Americano da Costa F o Departamento de Engenharia Química Universidade Federal da Bahia Salvador-BA, 13 de março de 2019.

2 Sumário 1 Introdução 2 Balanço Geral de Energia 3 Exercícios

3 Introdução Os balanços de massa e energia são essenciais para o projeto de equipamentos e de uma unidade industrial, de tal forma que a operação de um determinado processo seja realizada maneira mais econômica possível. O princípio fundamental do balanço de energia está na Primeira Lei da Termodinâmica, que afirma que a variação do conteúdo energético de um sistema fechado é a diferença entre o calor que lhe é fornecido e o seu trabalho realizado.

4 Conceitos fundamentais O balanço de energia sobre um sistema requer o conhecimento da natureza dos materiais envolvidos no processo. Uma propriedade apresentada por um material é uma característica sua que pode ser mensurável ou não. Propriedade Extensiva: volume, peso... Propriedade Intensiva: temperatura, densidade... O conjunto das propriedades de um material, contido em um sistema fechado, em um determinado instante de tempo, traduz o ESTADO do sistema. O estado de um sistema é determinado por suas propriedades intensivas.

5 Modalidades de energia CALOR (Q): é o fluxo de energia através das fronteiras do sistema, em virtude da diferença de temperatura entre o sistema e suas vizinhanças. A energia transferida por uma força através das fronteiras do sistema é denominada TRABALHO (W): W = Fdl F = Força dl = deslocamento infinitesimal

6 Modalidades de energia A energia de um sistema devido a sua velocidade em relação a vizinhança (ou referência) é chamada ENERGIA CINÉTICA (K): K = 1/2 mv 2 K = 1/2 Fv 2 ˆK = 1/2 v 2 m = massa F = Fluxo de massa (massa/tempo) v = Velocidade ˆK = energia cinética por unidade de massa

7 Modalidades de energia A energia de um sistema devido à ação gravitacional é denominada ENERGIA POTENCIAL (P). A energia potencial não pode ser medida absolutamente, e deve ser medida em relação a uma superfície de referência: P = mgh m = massa g = aceleração da gravidade h = altura em relação à referência

8 Modalidades de energia A ENERGIA INTERNA (U) é a representação do conteúdo balanceado das energias originárias das ligações químicas, das interações atômicas e subatômicas e das forças moleculares: dû = C vdt Û 2 Û1 = T2 T 1 C v dt Û = energia interna específica (por unidade de massa) C v = capacidade calorífica a volume constante

9 Modalidades de energia A ENTALPIA (H) é conceitualmente semelhante à Energia Interna, determinada por: H = U + pv U = energia interna; p = pressão V = volume Ĥ = entalpia específica Ĥ 2 Ĥ1 = T2 T 1 C p dt

10 Exemplo Determinar a variação de entalpia para a transição H 2 O (s) [0 o C] H 2 O (g) [120 o C] a 1 atm. DADOS:

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12 Balanço Geral de Energia E = (Ĥ + ˆK + ˆP)F + Q Ẇ

13 A energia pode ser transferida para o interior ou exterior de um sistema pelas seguintes fontes: Massa; Calor; Trabalho. Das modalidades mencionada anteriormente, pode-se realizar uma distinção entre as associadas às massas (K, P e U) a às transportáveis através das fronteiras do sistema (Q e W )

14 Balanço de Energia com Reação Química Em processos que envolvem reações químicas, deve ser considerada a quantidade de energia requerida/resultante da reação química. Essa energia é denominada entalpia de reação ou calor de reação. A entalpia de reação é a variação de energia entre a entalpia dos produtos e dos reagentes. Se a soma das entalpias dos produtos é maior que a soma das entalpias dos reagentes, tem-se uma reação endotérmica. Caso contrário, a reação é dita exotérmica.

15 F = fluxo de massa (massa/tempo) E = fluxo de energia; Q = fluxo de calor [energia/tempo] W = fluxo de trabalho (energia/tempo) H, K, P = fluxos de entalpia, energia cinética e potencial Balanço de Energia Transiente

16 Primeira Lei da Termodinâmica Dessa forma, de dt du dt = (H + K + P) + Q Ẇ de dt = d(u + K + P) dt = (H + K + P) + Q Ẇ Para sistemas fechados, de dt = Q Ẇ

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18 Exercício 1 Um compressor é utilizado para comprimir ar de 100 kpa a 255 K para 1000 kpa a 278 K. Determinar a potência de compressor para que 100 kg/h de ar sejam comprimidos. DADOS:

19 Exercício 2 Um tanque cilíndrico com 3 m de altura e 2 m de diâmetro é utilizado para estocar uma solução de material radioativo. A desintegração desse material libera energia aquecendo a solução. A taxa de liberação de energia é de 890 kcal.h 1.m 3. Sendo que a perda de calor para as vizinhanças, através das paredes, é dada pela expressão Q = UA T, na qual U é o coeficiente global de transferência de calor e A é a área térmica, determine: a) A temperatura da solução após 24 h; b) a máxima temperatura que pode ser atingida. DADOS: