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

http://sites.usp.br/adox

http://www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3103_PQI

Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados

Research in Advanced Oxidation Processes

Aula 10 – Balanço de Energia

Parte 5

entalpia de reação ou “calor” de reação

0~

RH

s = 1, ..., S espécies químicas

S

s

ssR PTHPTH

1

),(~

),(~

→ reação exotérmica

0~

RH → reação endotérmica

s < 0 para reagentes

s > 0 para produtos

s = 0 para inertes ou não participantes

s está associado ao

coeficiente

estequiométrico da

espécie s na reação

exemplo 1

progresso da reação progresso da reação

en

talp

ia

en

talp

ia0

~ RH

reação exotérmica

0~

RH

reação endotérmica

exemplo 1

Lei de Hess

R1: C(s) + ½ O2 (g) → CO (g)

R2: CO (g) + ½ O2 (g) → CO2 (g)

R3: C (s) + O2 (g) → CO2 (g)

231

~~~RRR HHH

Germain Henri Hess

(1802-1850)

entalpia padrão de formação da substância s

estado padrão: 25 oC, 1 atm, fase

normal para a espécie s nestas

condições

0~

, sfH

convenção: para elementos na forma

alotrópica mais estável a 25 oC e 1 atm:

sfH ,

~

reação de formação da substância s: reação química (real ou

hipotética) para produzir 1 mol da substância s no estado

padrão a partir de seus elementos constituintes na forma

alotrópica mais estável no estado padrão

para muitas substâncias: valores tabelados de

sfH ,

~

25 oC e 1 atmexemplo 2

Castellan, G.W. Físico- Química.

Livros Técnicos e Científicos

Editora S. A., Rio de Janeiro,

1984. 490 p.

−57,02 kcal/mol

−238,9 kJ/mol

Reklaitis, G.V. Introduction to Material and Energy Balances. J. Wiley, New York, 1983.

vapor

para H2O líquida: −68,32 kcal/mol

−48,08 kcal/mol

−201,5 kJ/mol

vapor

Felder, R.M., Rousseau, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3rd. Ed. 2005.

sf

S

s

sR HH ,

1

~~

cálculo de a partir de entalpias-padrão de formaçãoRH

~

exemplo 3

Felder, R.M., Rousseau, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3rd. Ed. 2005.

correção da entalpia de reação

de modo geral:

),,(~

),,(~

),,(~

),,(~

1

ssss

S

s

s

RR

PTHPTH

PTHPTH

To, Po, o : condição padrão

correção da entalpia de reação

T

Tps

S

s

sRR dTTCPTHPTH

)(~

),,(~

),,(~

1

- se T≠Tº, P=Pº e s=sº :

- se T≠Tº, P=Pº e s ≠ sº :

T

PTvappssLV

PT

Tliqps

S

s

s

RR

b

b

dTTCPHdTTC

PTHPTH

)(,,

)(

,

1

])(~

)(~

)(~

[

),,(~

),,(~

- se P≠Pº : efeitos muito pequenos sobre RH~

correção da entalpia de reação para

T≠Tº, P=Pº e s=sº

T

Tps

S

s

sRR dTTCTHTH

)(~

)(~

)(~

1

T

Tps

S

s

sRR dTTCTHTH

)(~

)(~

)(~

1

T

TpRR dTTCTHTH

)(~

)(~

)(~

exemplo

calcular a entalpia da reação a seguir a 920 oC e 1 atm:

4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g)

mas: reação com as espécies nas condições padrão

(25 oC e 1 atm)

4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(l)

entalpia padrão de combustão

ou calor padrão de combustão

energia envolvida na combustão de uma substância com

oxigênio para produzir os produtos específicos (por exemplo,

CO2 (g), H2O (l), SO2 (g), N2 (g)), estando os reagentes e produtos

a 25 oC e 1 atm (estado arbitrário de referência convencional)

exemplo 4

Felder, R.M., Rousseau, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3rd. Ed. 2005.

medida do “calor” de combustão

Mello, H.G. Apostila de Laboratório de Química Tecnológica (PQI 3110). EPUSP, 2016.

cálculo de a partir de entalpias de combustão RH

~

sc

S

s

sR HH ,

1

~~

entalpia padrão de combustão

ou calor padrão de combustão

exemplo 5

exemplo 6

balanço de energia com reação(ões) química(s)

hipóteses simplificadoras

- operação do sistema no estado estacionário;

- variações de energia cinética e de energia potencial desprezíveis;

- entalpia considerada função somente da temperatura;

- efeitos da pressão sobre a entalpia admitidos nulos ou desprezíveis.

balanço de energia com reações químicas

sistema aberto, estado estacionário

sistema aberto, estado estacionário,

EP e EK desprezíveis

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

k = 1, ..., K correntes de saída

s = 1, ..., S espécies químicas

s

S

s

J

j

jsjs

K

k

ksks WQHFHF 1 1

,,

1

,, ]~~

[

01

,

1

,

1

,

Q

q

qqs

K

k

ks

J

j

js rFF

balanço molar com reações químicas

sistema aberto, estado estacionário

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

k = 1, ..., K correntes de saída

s = 1, ..., S espécies químicas

q = 1, ..., Q reações

balanço de energia com reações químicas

sistema aberto, estado estacionário

0~~~~~

1 1

,,,,,,,,

S

s

s

Q

q

refqRq

j k

refsksksrefsjsjs WQHrHHFHHF

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

k = 1, ..., K correntes de saída

s = 1, ..., S espécies químicas

q = 1, ..., Q reações

refsH ,

~ entalpia em

uma condição

de referência

balanço de energia com reações químicas

sistema aberto, estado estacionário

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

k = 1, ..., K correntes de saída

s = 1, ..., S espécies químicas

q = 1, ..., Q reações

)(~~

, refsrefs THH entalpia em uma

temperatura

de referência

0)(~

)(~

)(~

)(~

)(~

1 1

,,,

S

s

s

Q

q

refqRq

j k

refsksksrefsjsjs WQTHrTHTHFTHTHF

)(~~

THH ss de caso no

0~~~~~

1 1

,,,,,,,,

S

s

s

Q

q

refqRq

j k

refsksksrefsjsjs WQHrHHFHHF

exercício 1

reator

1 2

90% C2H5OH (g)

10% CH3CHO (g)

150 mol/s, 300 oC

253 oC

2440 kW

C2H5OH (g) → CH3CHO (g) + H2 (g)

X C2H5OH = ?

C2H5OH (g)

CH3CHO (g)

H2 (g)

0)(~

)(~

)(~

)(~

)(~

1 1

,,,

S

s

s

Q

q

refqRq

j k

refsksksrefsjsjs WQTHrTHTHFTHTHF