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OPERAÇÕES UNITÁRIAS
� Objetivos:Ao final deste Capítulo o estudante serácapaz de:
� distinguir os diversos tipos de operações unitárias;distinguir soluções ideais e reais;
� efetuar balanços materiais e energéticos, fazendo transformações de bases de concentração e de unidades e aplicando as leis de mistura de gases, de gases ideais e de equilíbrio;
� representar o equilíbrio líquido-vapor e líquido-líquido e as mudanças de fases sobres estes diagramas;
� efetuar cálculos de composição e de quantidade de fases em equilíbrio.
� Pré-Requisitos Matemáticos:Nenhum.� Pré-Requisitos de Engenharia e Científicos:Balanço
Material.Termodinâmica Básica (I e II princípios, equilíbrio termodinâmico). Equilíbrio e Regra das Fases.
� Objetivos: � Identificar os tipos de operações e equipamentos de
transferência de massa, calor e de separação mecânica de fases gás-líquido-sólido, seus princípios de funcionamento e suas partes constituintes, distinguir o papel destas partes e dos parâmetros que afetam o funcionamento destes equipamentos.
� Selecionar e aplicar os mecanismos de transferência de massa, calor e quantidade de movimento que ocorrem nestes tipos de operações para a resolução de problemas em sistemas industriais.
� Avaliar e projetar equipamentos industriais tais como colunas de destilação, absorção, esgotamento e extração, de bandejas e recheadas utilizando os mecanismos de transferências de massa entre fases.
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
� Tipos: � Escoamento de fluidos: as quais envolvem transporte
de fluidos, bombeamento, compressão;� Transferência de calor: as quais envolvem
equipamentos como fornos, permutadores de calor, condensadores, refervedores;
� Transferência de massa e calor combinados: as quais envolvem destilação integral, fracionada, diferencial , evaporação, secagem, umidificação, cristalização.
� Transferência de massa: as quais envolvem absorção, esgotamento, extração, lixiviação;
� Operações com sólidos: as quais envolvem classificação, britagem, moagem manuseio de sólidos;
� Escoamento e separação de fluidos e sólidos: as quais envolvem filtração, decantação, ciclones e centrifugação;
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
Transferência de energia e/ou de matéria pela ação de um agente de separação, em uma velocidade ou taxa que é função da força motriz.
Força motriz depende do gradiente de energia ou concentração, de acordo com a operação específica.
Agentes de separação:� calor: nas operações unitárias de destilação, evaporação, cristalização;
� solvente: nas operações unitárias de absorção, extração;� gravidade: na operação unitária de decantação
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
� Tipos: � Escoamento de fluidos: as quais envolvem transporte
de fluidos, bombeamento, compressão;� Transferência de calor: as quais envolvem
equipamentos como fornos, permutadores de calor, condensadores, refervedores;
� Transferência de massa e calor combinados: as quais envolvem destilação integral, fracionada, diferencial , evaporação, secagem, umidificação, cristalização.
� Transferência de massa: as quais envolvem absorção, esgotamento, extração, lixiviação;
� Operações com sólidos: as quais envolvem classificação, britagem, moagem manuseio de sólidos;
� Escoamento e separação de fluidos e sólidos: as quais envolvem filtração, decantação, ciclones e centrifugação;
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Sistemas e UnidadesSão três as referências de medidas selecionadas,
independentes da mecânica, para se expressar qualquer grandeza:
Comprimento,Massa eTempo.
Existem diversos sistemas de medidas que adotam diferentes unidades para essas dimensões ou mesmo outras dimensões.
No entanto, o Sistema Internacional, SI, é adotado por lei no Brasil.A IUPAC, União Internaional de Química Pura e Aplicada o adotou em
todo o mundo.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Lei da Conservação das Massas: "Na Natureza Nada se Cria, Nada se Perde, Tudo se Transforma"
Por este princípio de Lavoisier, o balanço de material em torno de uma envoltória de um processo deve sempre ser
verificado.
Observe-se que o mesmo não ocorre com o balanço em volume, salvo em situação em que as soluções possam
ser consideradas ideais e que os volumes sejam dados a mesma temperatura, sem que haja transformação
química.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicações da Lei da Conservação das Massas
V
F
L
LVF +=
Balanço material total:
aaa xLyVzF +=Balanço material parcial:
1=+ ba zz
1=+ ba xx
Relações estequiométricas:
1=+ ba yy
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Quantidade de Matéria
Um mol é a quantidade de matéria da substância que contém tantas entidades elementares quantos são os
átomos contidos em 0,012 kg de carbono 12 (NA = 6,02214 x 1023 átomos).
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicações da definição de Quantidade de Matéria
Calcular a massa molar média da mistura abaixo:
0,3%nC5H12:10,9%nC4H10:
11,30iC4H1029,0%C3H8:23,9%C2H6:
14,1%CH4:0,7%H2S:9.8%H2:
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Temperatura
É a medida do grau de aquecimento do sistema, medido através instrumentos específicos e expresso em escalas relativas e fixadas
arbitrariamente.
Estas escalas são: centesimal (Celsius); Fahrenheidt.
As chamadas unidades absolutas de temperaturas são expressas pela temperatura Kelvin na escala centesimal e pela Rankine na escala
Fahrenheidt, sendo que o zero absoluto das duas escalas coincidem.
∆T (R) = 1,8 ∆ T (K) 0 K = -273,15 oC = -459,67 oF = 0 R
R = 1,8 K
T C T Fo o( ) ( )5
329
= −
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Pressão
A pressão de uma substância é a medida da força realizada por esta substância, pela unidade de área em
que ela é aplicada.
Pode ser expressa em escala absoluta ou em relação a atmosfera.
No sistema SI a pressão atmosférica corresponde a 101,325 kPa, o que eqüivale a 760 mmHg ou 14,696
psia.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Lei dos GasesPela lei dos gases a relação (PV/T) é constante para qualquer gás, onde P,V e T
representam a pressão, o volume molar e a temperatura do gás.
Considerando-se P=1 atm, V0=22,414 .10-3 m3, T=273 K, para um gás ideal (z=1). Um kmol de um gás ideal (z=1) nas CNPT ocupa 22,414 .10-3 m3, a 0oC e 1 atm
ou um lb-mol ocupa 359 ft3 a 32oF e 29,92 in Hg.(P0V0/T0) = (PV/T)
PV = zn RTP, V, T: pressão, volume e temperatura da substância;
n: quantidade de matéria da substância em kmol ou lbmol;Z:fator compressibilidade da substância;
82,05(atm)(cm3)/(mol)(K)
10,73(psia)(ft3)/(lbmol)(R)
1,99(cal)/(gmol) (K)
8,31(kPa)(m3)/(kmol) (K)
VALORUNIDADES DE R
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicação da Lei dos Gases
O gás efluente de um tambor de topo de uma coluna de destilação tem a composição volumétrica dada abaixo:
4%butano
12%propano
19%etano
65%metano
% VOLCOMPOSTO
Qual o volume ocupado por este gás nas CNTP?
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Lei de Dalton
"A pressão total de uma mistura de gases ideais corresponde ao somatório das pressões parciais dos constituintes da mistura".
PT: pressão total da mistura;Pi: pressão parcial do constituinte i;yi:fração molar de i sua fase vapor.
iT
n
iiT yPPP ==∑
=1
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Lei de Amagat
“O volume total de uma mistura de gases ideais corresponde ao somatório dos volumes parciais dos constituintes da mistura".
VT: pressão total da mistura;Vi: pressão parcial do constituinte i;yi:fração molar de i sua fase vapor.
iT
n
iiT yVVV ==∑
=1
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicação da Lei de Dalton e de Amagat
O gás efluente de um tambor de topo de uma coluna de destilação tem a composição volumétrica dada abaixo:
4%butano
12%propano
19%etano
65%metano
% VOLCOMPOSTO
Calcular o volume e a pressão parcial de cada componente deste gás nas CNTP.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Propriedades Físico-Químicas e Termodinâmicas
Massa EspecíficaMassa da substância contida em uma unidade de volume dessa
substância.
A massa específica de líquidos e de gases diminui com a temperatura, pois o volume aumenta.
A massa específica de gases aumenta com a pressão, pois o volume diminui. No caso de líquidos, a massa específica pode ser considerada que não varia com a pressão.
A massa específica é expressa no SI em kg/m3.
V
m=ρ
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Densidade de Líquidos
Relação entre a massa específica da substância a uma dada temperatura e a de um padrão a uma temperatura, que pode ser igual ou diferente da substância.
O SI adota as temperaturas de 20 oC para a substância e 4 oC para o padrão que é a água.
A densidade é adimensional. 4
20
4/20
Água
Sdρρ
=
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Densidade de Gases
Relação entre a massa específica do gas, a 0 oC e a pressão atmosférica, com a massa específica do ar nas mesmas condições de temperatura e pressão.
Ar
g
gdρρ
=
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicação do Conceito de Densidade
O gás efluente de um tambor de topo de uma coluna de destilação tem a composição volumétrica dada abaixo:
4%butano
12%propano
19%etano
65%metano
% VOLCOMPOSTO
Calcular a densidade deste gás nas CNTP.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Viscosidade Absoluta ou Dinâmica
O modelo de escoamento proposto por Newton estabelece que a
tensão de cisalhamento (ττττyx) é proporcional ao negativo do
gradiente local de velocidade ao longo do eixo perpendicular
à direção do movimento do fluido, sendo a constante de
proporcionalidade (µµµµ) denominada viscosidade absoluta ou
dinâmica, função da natureza, da pressão e da temperatura do
fluido. Válido para gases e para a maioria dos líquidos simples, que
tomam o nome de fluidos newtonianos.
dy
dv - x
yx µτ =
dy
dv - x
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Viscosidade Absoluta ou Dinâmica
A viscosidade absoluta pode ser entendida como a resistência da substância ao escoamento.
Quanto maior a viscosidade da substância maior a energia necessária para transportá-la.
Quanto maior a temperatura, menor é a viscosidade de líquidos. Assim, o aquecimento de um líquido favorece o seu bombeamento.
No sistema SI, a unidade da viscosidade absoluta é o pascal-segundo (Pa.s), sendo encontrada a unidade centipoise (cP), que corresponde a 1 mPa.s
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Viscosidade Cinemática
Em algumas fórmulas, aparece o quociente entre a
viscosidade absoluta e a massa específica (ρ), que é chamada
de viscosidade cinemática (ν).
A viscosidade cinemática é expressa no SI como m2/s, sendo
muito usada a unidade centistoke (cSt), que corresponde a 10-6
m2/s.
ρµν =
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Temperatura de Ebulição Normal
Temperatura em que a substância entra em ebulição a
pressão atmosférica (101 325 Pa).
Quanto menor a temperatura de ebulição mais volátil é
a substância.
Temperatura de Ebulição
Temperatura em que a substância entra em ebulição a
uma dada pressão.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Pressão de Vapor
A pressão de vapor de uma substância a uma dada temperatura corresponde a pressão mínima que deve ser exercida no sistema em que está contida esta substância, para evitar sua vaporização.
Quanto mais volátil for a substância, maior será sua pressão de vapor.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Pressão de Vapor
Variação da pressão de vapor com a temperatura:
A, B e C são constantes para cada substância t: temperatura (0C);
Pv: pressão de vapor da substância (Pa).
Pv
L
V
C••••
T
tC
BAPV +
−=log
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Pressão de Vapor
Pv
L
V
C••••
T
tC
BAPV +
−=log
2281668,217,96681Água
2241161,07,02447Acetona
2111416,77,18807Acido Acético
222,71554,38,04494Etanol
213,21424,266,95464Etilbenzeno
225,91152,976,865721-Hexeno
219,51344,86,95464Tolueno
220,81211,036,90565Benzeno
222,91203,536,84498Ciclohexano
224,41171,536,87776Hexano
248813,26,82973Propano
266656,46,80266Etano
CBASUBSTÂNCIA
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicação do Conceito de Pressão de Vapor
Calcular a pressão necessária para manter uma substância no estado líquido a uma dada temperatura.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Lei de Raoult
"Em uma mistura líquida ideal em equilíbrio termodinâmico, o número de moléculas dos constituintes na superfície éproporcional ao número de moléculas deste constituinte na fase líquida".
em que: Pi:pressão parcial de i.Pvi: pressão de vapor de i.xi: fração molar de i na fase líquida.
Pi = Pvi x i
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Soluções Ideais
Quando uma mistura forma uma solução ideal não ocorre variação de volume e da temperatura no ato da mistura.
Ou seja, quando o volume da mistura corresponde ao somatório dos volumes dos constituintes da mesma, a qual não se expande nem se contrai, não sendo também acompanhado de variações de temperatura.
Idealidade Decrescente
Regra prática para limites da idealidade- Misturas de isômeros em geral.- Misturas de hidrocarbonetos alifáticos de pontos de ebulição próximos.- Misturas de substâncias de peso molecular e estruturas próximas. - Misturas de hidrocarbonetos simples normais com aromáticos. - Inertes com produtos de maior peso molecular.- Misturas de compostos polares e não polares.- Azeótropos.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Sistemas, Fases e Equilíbrio TermodinâmicoToda mudança espontânea, que ocorre nas fases de um sistema tem como direção o equilíbrio, estado do sistema em que nenhuma outra mudança ocorrerá espontaneamente.
Um sistema pode ser composto de diversas fases, as quais são porções homogêneas de um sistema e fisicamente distintas e independentes de sua forma e tamanho, podendo ser composta por vários constituintes.
Como exemplo podemos citar o caso da água pura, cujo ponto triplo é0,010oC e 0,006 atmosfera, a água coexiste nas três fases independente da quantidades de cada fase.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Sistemas, Fases e Equilíbrio Termodinâmico
Quando ocorre o equilíbrio termodinâmico todas as fases, com mais de um constituinte, têm a mesma temperatura e pressão, podendo ser diferente as concentrações dos constituintes individuais, os quais estão também em equilíbrio nas diversas fases.
Um componente deixa de se transferir, quando a sua distribuição entre as fases corresponde a do equilíbrio.
A velocidade ou taxa de transferência se reduz na proporção em que diminui a força motriz, que pode ser representada pela diferença de concentração entre as fases, de temperatura ou de energia.
TAXA = FORÇA MOTRIZ. COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Sistemas, Fases e Equilíbrio Termodinâmico
As transferências que ocorrem entre as fases de um sistema são do tipo:
- Transferência de massa: força motriz é a diferença de solubilidade.
- Transferência de calor: força motriz é a diferença de temperatura.
- Transferência de quantidade de movimento: força motriz é a diferença de energia.
Pode ocorrer dos tipos de transfer6encia combinados: exemplo é a destilação onde ocorre transferência de massa e calor.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Regra das FasesO modo como os constituintes das fases se distribuem nas mesmas no equilíbrio é
importante para se definir a operação adequada ao processo, as condições operacionais e avaliar e dimensionar os equipamentos.
As características de vaporização, solubilidade ou fusão das substâncias permitem avaliar o processo mais adequado, é complementado pelos dados de equilíbrio e econômicos e, também, por características de meio-ambiente e de segurança.
Regra das fases de Willard Gibbs em 1876, é muito útil na definição do equilíbrio. V = C + 2 - F
V: número de variáveis independentes ou de graus de liberdade dos sistema considerando-se apenas as variáveis intensivas que não dependem da massa e que são a temperatura, a pressão e as concentrações
C: número de componentes do sistemaF:número de fases do sistema.
Quando duas ou mais fases estão em equilíbrio, a temperatura e pressão destas fases é a mesma, o mesmo acontecendo com a grandeza termodinâmica denominada potencial químico.
Exemplos:Água líquida C = 1; F = 1; V = 2, ou seja, água líquida pode estar em qualquer T e P.Água vapor: C = 1; F = 2; V = 1, ou seja, definida T, P é fixo, ou vice-versa.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de Fases
Toda mudança espontânea, que ocorre nas fases de um sistema tem como direção o equilíbrio, estado do sistema em que nenhuma outra mudança ocorrerá espontaneamente.
O segundo princípio da termodinâmica estabelece que se um sistema está em equilíbrio a variação da entropia interna (∆Si ) éigual a zero em transformações reversíveis ou maior que zero em transformações irreversíveis.
(∆S ) = (∆Se ) + (∆Si ) = (∆Q/T) + (∆Si )
Como (∆Si ) ≥ 0 tem-se que: (∆S ) ≥ (∆Q/T)
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de Fases
Pelo primeiro princípio da termodinâmica para uma transformação reversível:
dU = ∆Q - W = TdS - P dV
TdS = dU + P dV
dS = (dU/T) + (P/T) dV
Sistema fechado: dV = 0 dVA = - dVb No equilíbrio: dS = 0
dU = dUA+dUB =0 dUA = - dUB
dS = dSA+dSB =0 dSA = - dSB
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de Fases
[(1/TA) - (1/TB) ] dUA + [(P/TA) - (P/TB)] dVA = 0
Esta equação deve ser verificada para qualquer valor de dUA e dVA, o que acarreta:
TA = TB e PA = PB
Generalizando, em um sistema de N fases em equilíbrio termodinâmico, as temperaturas e pressões das fases em equilíbrio são iguais:
TA = TB= TC= .........= TN
PA = PB = PC=........= PN
Esta é a primeira condição, necessária, porém não suficiente para que haja equilíbrio termodinâmico de N fases.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de FasesO Potencial Químico
Esta é a também uma condição para que um sistema de N fases esteja em equilíbrio termodinâmico. Se o sistema é reversível:
(dG)T,P = 0
Em sistemas constituídos por n componentes, que se transferem ou se transformam quimicamente entre as N fases, a energia livre do sistema éo resultado da contribuição ponderada em base molar dos diversos constituintes do sistema transferidos ou transformados, também chamada de energia livre molar g*i:
g*i = (∂ G / ∂ ni)T,P,nj
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de FasesO Potencial Químico
dG = Σ µi dni
( (dGA)T,P = - (dGB)T,P
(dGA)T,P = µiAdni (dGB)T,P = µiBdni
µiAdni = - µiBdni (µiA - µiB) dni = 0
µiA = µiB
Generalizando para N fases: µiA = µiB = µiC = ..... = µiN
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de FasesA Fugacidade
dµ = dG = VdP
Para gás ideal: V = ( RT / P)
dµ = RT (dP / P)
µ = RT ln P + C
À pressões baixas, entre 0 e 1, o potencial químico decresce rapidamente, podendo atingir valores negativos, em valores de pressão próximo à zero. Substituição do potencial químico pela fugacidade:
µ = RT ln f + θ onde θ = f (T)
f* = p*
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de FasesA Fugacidade
Assim, alternativamente ao potencial químico, a fugacidade pode ser utilizada como critério para o equilíbrio termodinâmico de fases:
fiA = fiB = fiC = ..... = fiN
Para misturas de gases ideais, a fugacidade de um componente i na mistura corresponde à sua pressão parcial, tal como para gases ideais puros ela corresponde à pressão total:
fiV = pi = P yi onde: pi é a pressão parcial de i.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de FasesGás Real e Solução Real
fiV = fiL
fiV = ϕi P yi = fiL= γi fi0 xi
ϕi P yi = γi fi0 xi
ki = (yi / xi) = (γi fi0 /ϕi P)
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Termodinâmico de FasesGás Ideal e Solução Ideal
fiV = fiL
fiV = ϕi P yi = fiL= γi fi0 xi
ϕi =1 γi =1
ki = (yi / xi) = (Pvi /P)
fiV =pi fi0 = Pvi
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Líquido-Vapor Ábaco de DePriester Baixa T
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Equilíbrio Líquido-Vapor Ábaco de DePriester Alta T
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Diagrama de Equilíbrio T- x- y
Diagrama de equilíbrio líquido-vapor: distribuição da concentração dos componentes nas duas fases em função da temperatura ou pressão do sistema. Obtido a partir de dados práticos experimentais ou por cálculos, seja para soluções ideais ou para soluções reais.
SOLUÇÕES IDEAISki = (yi / xi) = (Pvi /P)
Construção do diagrama feita a partir do conhecimento da pressão de vapor (solução ideal) dos componentes da mistura.
Arbitra-se a uma dada P (ou T), valores de T (ou P), e determina-se por equações, gráficos ou tabelas os valores de pressão de vapor ou da constante de equilíbrio, calculando-se xa e ya.
b
bTa PvPv
PvPx
a−−
=P
xPvy aa
a =
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Diagrama de Equilíbrio T- x- y Diagrama de equilíbrio líquido-vapor: distribuição da concentração dos
componentes nas duas fases em função da temperatura ou pressão do sistema. Obtido a partir de dados práticos experimentais ou por
cálculos, seja para soluções ideais ou para soluções reais.
SOLUÇÕES REAISArbitra-se a uma dada P (ou T), valores de T (ou P), e determina-se por equações, gráficos ou tabelas os valores de pressão de vapor ou da constante de equilíbrio, calculando-se xa e ya:
Arbitra-se a uma dada P (ou T), valores de T (ou P), e determina-se por equações, gráficos ou tabelas os valores da constante de equilíbrio, calculando-se xa e ya:
aaa xKy = bbb xKy =
b
b
a KK
Kx
a−−= 1
aaa xKy =
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Diagrama de Equilíbrio T- x- y
0.1 0.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
110o
120o
100o
90o
80o
70o
80
90
100
110
120 SISTEMA
BENZENO-TOLUENO
P = 1 atm
DIAGRAMA T-x-y
T(x)
FRAÇÃO MOLAR DE BENZENO
Líquido
Vapor
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Diagrama de Equilíbrio T- x- y
Efeito da Pressão Total
P2 > P1
P2
P1
0,0 xa xa za ya ya 1,0
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Diagrama de Equilíbrio P- x- y
Po
Po'
PB
0,0 zA = m' z A = m
VAPOR
R
O'
O
LÍQUIDO
t = CONSTANTE
PA
0,0
L V
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Diagrama de Equilíbrio y - x
10
0
SISTEMA BENZENO-TOLUENO
P = 1 atmDIAGRAMA y-x
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0.10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 09 1.0
x (FRAÇÃO MOLAR DE BENZENO NO LÍQUIDO
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Calor Específico ou Capacidade Calorífica
Quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 quilograma da substancia de 1 K.
Unidade do calor específico no SI é kJ/kg.K
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Aplicação do Conceito de Calor Específico
Calcular a quantidade de calor a ser fornecida por fluido de aquecimento para elevar a temperatura de uma substância de 1 K.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Calor Latente
Quantidade de calor necessária para levar uma substância de um estado físico a outro.
A variação de estado físico pode ser:
Solidificação: de líquido para sólido.Fusão: de sólido para líquido.Liquefação: de gás para líquido.Vaporização: de líquido para gás.
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Primeiro Princípio da Termodinâmica
Energia, na forma de calor ou de trabalho, não pode ser criada ou destruída, ela é tão somente transformada de uma forma em outra, ou ser trocada entre o sistema e o exterior.
Como formas de produzir trabalho ( ) pode-se listar:-Energia Potencial.-Energia Cinética.-Trabalho de Eixo – expansão ou compressão.-Energia Elétrica.
Como formas de produzir calor ( ) pode-se listar:-Energia Térmica.-Energia Elétrica.-Energia Química.
W
Q
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Primeiro Princípio da Termodinâmica
Energia Interna ( )
Energia da substância absorvida em trocas energéticas, calor e trabalho em sistema fechados, que é associada a movimentos internos e interações entre átomos e moléculas.
WQU −=∆
U∆
ConceitosConceitos BBáásicossicos de de EngenhariaEngenharia QuQuíímicamica
Entalpia ( )
Em sistemas abertos, as trocas energéticas podem envolver expansão ou contração de volume, sendo necessário levar em conta essas variações.
Para isso, define-se uma outra grandeza, a Entalpia, que leva em conta essas trocas energéticas, além da variação de energia interna, a pressão constante.
H∆
)(PVUH ∆+∆=∆
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Aplicação do Primeiro Princípio da Termodinâmica
LVRF HLHVQHF ∆+∆=+∆
Balanço Energético:
V
F
L
QR
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Segundo Princípio da Termodinâmica
Entropia ( )
Propriedade termodinâmica que traduz o grau de desorganização do sistema.
O segundo princípio da termodinâmica estabelece que se um sistema está em equilíbrio a variação da entropia interna (∆Si ) é igual a zero em transformações reversíveis ou maior que zero em transformações irreversíveis, ou seja para um grau de maior desordem ou de maior entropia.
A variação de entropia do sistema é dada pela soma da variação da entropia externa (∆Se ) = (Q/T) com a variação da entropia interna (∆Si ).
0=∆ IS
S∆
0=∆+∆ EI SS
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Aplicação do Segundo Princípio da Termodinâmica
Cálculo do trabalho produzido pela expansão dos gases de combustão de querosene através de uma turbina aeronáutica, de forma reversível ou irreversível.