Introdução à termodinâmica da engenharia química

Visualizações: 764
Classificação: (0)

Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química é uma apresentação completa dos assuntos da termodinâmica vistos da perspectiva da engenharia química. O texto fornece uma cobertura completa dos princípios da termodinâmica e detalha as suas aplicações nos processos químicos. Os capítulos estão organizados em uma ordem lógica e incluem numerosas ilustrações reais e exemplos, além de problemas no final do texto. Para um bom entendimento do texto, o leitor necessitará de diligência e de uma razoável motivação, mas foi feito todo o esforço para facilitar seu processo de aprendizagem. Apesar de ter sido escrito basicamente para alunos de graduação, o conteúdo faz deste livro um recurso também para cursos de pós-graduação e uma referência para profissionais.

FORMATOS DISPONíVEIS

17 capítulos

Formato Comprar item avulso Adicionar à Pasta

Capítulo 1 - Introdução

PDF Criptografado

Capítulo 1

Introdução

1.1

O ESCOPO DA TERMODINÂMICA

A ciência da termodinâmica nasceu no século dezenove, com a necessidade de descrever a operação das máquinas a vapor e de avaliar o limite do seu desempenho. Por isso, o nome, por si próprio, denota potência desenvolvida a partir do calor, com óbvia aplicação em máquinas térmicas, das quais a máquina a vapor foi o primeiro exemplo. Contudo, os princípios observados válidos para as máquinas são facilmente generalizados, e são conhecidos como a primeira e a segunda leis da termodinâmica. Essas leis não têm prova do ponto de vista matemático; sua validade está fundamentada na ausência de experimentos contrários. Dessa forma, a termodinâmica compartilha com a mecânica e o eletromagnetismo o fato de estarem fundamentados em leis básicas.

Essas leis levam, através de deduções matemáticas, a um conjunto de equações que encontram aplicações em todos os campos da ciência e da engenharia. O engenheiro químico lida com uma grande variedade de problemas específicos. Entre eles estão o cálculo das necessidades de calor e de trabalho para processos físicos e químicos, e a determinação das condições de equilíbrio para as reações químicas e para a transferência de espécies químicas entre fases diferentes.

 

Capítulo 2 - A Primeira Lei e Outros Conceitos Básicos

PDF Criptografado

Capítulo 2

A Primeira Lei e Outros

Conceitos Básicos

2.1

EXPERIMENTOS DE JOULE

O conceito moderno de calor foi desenvolvido a partir de experimentos muito importantes realizados por James

P. Joule1 (1818–1889), no porão de sua casa perto de Manchester, Inglaterra, durante a década posterior a 1840.

Em seus elementos essenciais, os experimentos de Joule foram muito simples, porém ele tomou as devidas precauções para assegurar a sua precisão. Na sua mais famosa série de medidas, Joule colocou quantidades conhecidas de água, óleo e mercúrio em um recipiente isolado e agitou o fluido com um agitador rotativo. As quantidades de trabalho realizadas pelo agitador sobre o fluido foram medidas com precisão, e as variações na temperatura do fluido foram cuidadosamente anotadas. Ele descobriu que, para cada fluido, uma quantidade fixa de trabalho por unidade de massa era necessária para cada elevação de grau de temperatura causada pela agitação. Observou também que a temperatura original do fluido podia ser restabelecida pela transferência de calor através do simples contato com um corpo mais frio. Assim, Joule demonstrou a existência de uma relação quantitativa entre trabalho e calor e, conseqüentemente, que calor é uma forma de energia.

 

Capítulo 3 - Propriedades Volumétricas de Fluidos Puros

PDF Criptografado

Capítulo 3

Propriedades Volumétricas de

Fluidos Puros

As quantidades de calor e trabalho necessárias para realizar processos industriais são calculadas a partir do conhecimento de propriedades termodinâmicas como a energia interna e a entalpia. Para fluidos, essas propriedades são freqüentemente avaliadas a partir de medidas do volume molar como uma função da temperatura e da pressão, fornecendo relações pressão/volume/temperatura (PVT), as quais podem ser expressas matematicamente como equações de estado. A equação com menor grau de complexidade, PV ϭ RT, fornece o modelo mais simples do comportamento de fluidos, com aplicação prática. Equações de estado também servem para a medição de fluidos e o dimensionamento de vasos e tubulações.

Neste capítulo, primeiramente nós descrevemos a natureza geral do comportamento PVT de fluidos puros. A seguir, há um tratamento detalhado do gás ideal. A atenção então se volta para equações de estado mais realísticas, as quais fornecem a base para a descrição quantitativa do comportamento de fluidos reais. Finalmente, são apresentadas correlações generalizadas que permitem a predição do comportamento PVT de fluidos para os quais não há disponibilidade de dados experimentais.

 

Capítulo 4 - Efeitos Térmicos

PDF Criptografado

Capítulo 4

Efeitos Térmicos

A transferência de calor é uma operação usual na indústria química. Considere, por exemplo, o processo de fabricação do etileno glicol (um agente anticongelante) através da oxidação do etileno a óxido de etileno e sua subseqüente hidratação a glicol. A reação de oxidação catalítica é mais efetiva quando conduzida em temperaturas próximas a 250°C. Os reagentes, etileno e ar, são, por isso, aquecidos até essa temperatura antes de entrarem no reator. O projeto do preaquecedor depende da taxa de transferência de calor. As reações de combustão do etileno com o oxigênio no leito catalítico contribuem para o aumento da temperatura. Entretanto, calor é removido do reator, e a temperatura não ultrapassa os 250°C. Temperaturas superiores promovem a produção de CO2, um produto indesejável. O projeto do reator requer o conhecimento da taxa de transferência de calor, que por sua vez depende dos efeitos térmicos associados às reações químicas. O produto óxido de etileno é hidratado a glicol por absorção em água. Calor é desprendido não somente em função da mudança de fase e do processo de dissolução, mas também devido à reação de hidratação entre o óxido de etileno dissolvido e a água.

 

Capítulo 5 - A Segunda Lei da Termodinâmica

PDF Criptografado

Capítulo 5

A Segunda Lei da Termodinâmica

A termodinâmica tem o seu interesse voltado para as transformações de energia, e as leis da termodinâmica descrevem os limites nos quais observa-se a ocorrência dessas transformações. A primeira lei reflete a observação de que energia é conservada, mas não impõe restrições no que diz respeito ao sentido do processo. Entretanto, todos os experimentos indicam a existência de tal restrição, cujo enunciado conciso constitui a segunda lei.

As diferenças entre as duas formas de energia, o calor e o trabalho, possibilitam uma análise inicial da segunda lei. Em um balanço de energia, tanto o trabalho quanto o calor são incluídos como simples termos aditivos, implicando que uma unidade de calor, um joule, é equivalente à mesma unidade de trabalho. Embora isso seja verdade em relação a um balanço de energia, a experiência ensina que há uma diferença de qualidade entre o calor e o trabalho. Essa experiência é resumida pelos fatos a seguir.

 

Capítulo 6 - Propriedades Termodinâmicas de Fluidos

PDF Criptografado

Capítulo 6

Propriedades Termodinâmicas de Fluidos

A regra das fases (Seção 2.7) indica que a especificação de um certo número de propriedades intensivas de um sistema fixa também os valores de todas as outras propriedades intensivas. Entretanto, a regra das fases não fornece informações sobre como os valores dessas outras propriedades podem ser calculados.

Valores numéricos das propriedades termodinâmicas são essenciais para o cálculo das quantidades de calor e de trabalho em processos industriais. Por exemplo, considere a necessidade de trabalho em um compressor, operando em regime estacionário, projetado para operar adiabaticamente e elevar a pressão de um gás de P1 a

P2. Esse trabalho é dado pela Eq. (2.33), na qual as pequenas variações nas energias cinética e potencial do gás são desprezadas:

Assim, o trabalho de eixo é simplesmente ⌬H, a diferença entre os valores inicial e final da entalpia do gás.

Neste capítulo, nosso objetivo inicial é desenvolver, a partir da primeira e da segunda leis, as relações fundamentais entre propriedades, que suportam a estrutura matemática da termodinâmica. Delas, deduzimos equações que permitem o cálculo dos valores de entalpia e de entropia a partir de dados PVT e de capacidades caloríficas. Então, discutimos os diagramas e as tabelas nas quais os valores das propriedades são apresentados de forma conveniente para a sua utilização. Finalmente, desenvolvemos correlações generalizadas que fornecem estimativas de valores das propriedades na ausência de informações experimentais completas.

 

Capítulo 7 - Aplicação da Termodinâmica em Processos com Escoamento

PDF Criptografado

Capítulo 7

Aplicação da Termodinâmica em

Processos com Escoamento

A termodinâmica do escoamento está baseada em balanços de massa, de energia e de entropia, que foram desenvolvidos nos Capítulos 2 e 5. A utilização desses balanços em processos específicos é mostrada no presente capítulo. A disciplina voltada para o estudo do escoamento é a mecânica dos fluidos,1 que engloba não somente os balanços da termodinâmica, mas também o princípio do momento linear (segunda lei de Newton). Isso faz da mecânica dos fluidos um campo mais amplo de estudos. A distinção entre problemas da termodinâmica e problemas da mecânica dos fluidos depende de esse princípio ser necessário em sua solução. Aqueles problemas cujas soluções dependem somente da conservação da massa e das leis da termodinâmica são normalmente deixados de lado no estudo da mecânica dos fluidos e são tratados nos cursos de termodinâmica. Dessa forma, a mecânica dos fluidos lida com o amplo espectro de problemas que requerem a utilização do princípio do momento. Essa divisão é arbitrária, porém ela é tradicional e conveniente.

 

Capítulo 8 - Produção de Potência a Partir de Calor

PDF Criptografado

Capítulo 8

Produção de Potência a

Partir de Calor

Com exceção da energia nuclear, o Sol é a maior fonte de toda a energia mecânica utilizada pelo homem. A quantidade total de energia vinda do Sol que atinge a Terra é surpreendente, porém a quantidade que incide sobre um metro quadrado da superfície é pequena. A coleta de energia em uma grande área é necessária para tornar viável o seu uso na produção de trabalho em grande escala. Todavia, células solares fotovoltaicas são usadas para energia elétrica em aplicações especiais em pequena escala. A radiação solar também encontra aplicação direta no aquecimento de água e de edificações, na geração de altas temperaturas para aplicações metalúrgicas (fornos solares) e na evaporação de água para a produção de sal.

A energia cinética associada aos ventos atmosféricos é crescentemente usada, em locais favoráveis, na produção de potência em grandes moinhos de vento. A energia potencial das marés é outra possível fonte de potência, porém a produção a partir dessas fontes permanece pequena em comparação com a demanda mundial por energia. Tais alternativas se tornarão importantes e necessárias daqui a algum tempo.

 

Capítulo 9 - Refrigeração e Liquefação

PDF Criptografado

Capítulo 9

Refrigeração e Liquefação

A refrigeração é bem conhecida, em função da sua utilização no condicionamento do ar em edificações e no tratamento, no transporte e na preservação de alimentos e bebidas. Ela também encontra utilização industrial em larga escala, por exemplo, na produção de gelo e na desidratação de gases. Aplicações na indústria do petróleo incluem a purificação de óleos lubrificantes, reações a baixas temperaturas e a separação de hidrocarbonetos voláteis.

Um processo relacionado com os já citados e com importantes aplicações comerciais é a liquefação de gases.

O propósito deste capítulo é apresentar uma análise termodinâmica dos processos de refrigeração e liquefação. Contudo, os detalhes do projeto dos equipamentos são deixados para livros especializados.1

A palavra refrigeração implica a manutenção de uma temperatura inferior à temperatura da vizinhança. Isso requer a contínua absorção de calor em um nível baixo de temperatura, usualmente efetuada através da evaporação de um líquido em um processo contínuo (com escoamento), em estado estacionário. O vapor formado pode ser retornado ao seu estado líquido original para nova evaporação, de duas maneiras. Com maior freqüência, ele é simplesmente comprimido e então condensado. Alternativamente, ele pode ser absorvido por um líquido de baixa volatilidade, a partir do qual ele é posteriormente evaporado a uma pressão superior. Antes de tratar esses ciclos de refrigeração com utilização na prática, analisamos o refrigerador de Carnot, que fornece um padrão para comparação.

 

Capítulo 10 - Equilíbrio Líquido/Vapor: Introdução

PDF Criptografado

Capítulo 10

Equilíbrio Líquido/Vapor:

Introdução

Os capítulos anteriores trataram principalmente de substâncias puras ou de misturas com composição constante; por exemplo, o ar. Entretanto, mudanças de composição são o resultado esperado, não somente de reações químicas, mas de um número de operações industriais de transferência de massa. Assim, a composição se torna a variável principal nos capítulos restantes deste texto. Processos como destilação, absorção e extração colocam fases com diferentes composições em contato, e, quando as fases não estão em equilíbrio, transferência de massa entre fases altera as suas composições. Tanto a extensão da mudança como a taxa de transferência dependem do afastamento do sistema do equilíbrio. Dessa forma, para o tratamento quantitativo da transferência de massa, T, P e composições das fases no equilíbrio têm que ser conhecidas.

Na prática industrial, as fases coexistentes mais comuns são o líquido e o vapor, embora sistemas líquido/ líquido, vapor/sólido e líquido/sólido também sejam encontrados. Neste capítulo, discutimos inicialmente a natureza do equilíbrio, e então consideramos duas regras que fornecem o número de variáveis independentes que é necessário para determinar estados de equilíbrio. Segue, na Seção 10.3, uma discussão qualitativa do comportamento das fases líquido/vapor. Na Seção 10.4 introduzimos as duas formulações mais simples que permitem o cálculo de temperaturas, pressões e composições das fases para sistemas no equilíbrio líquido/vapor. A primeira, conhecida como lei de Raoult, é válida somente para sistemas com pressões baixas a moderadas e, em geral, para sistemas compostos por espécies quimicamente similares. A segunda, conhecida como lei de Henry, é válida para qualquer espécie presente em baixa concentração; mas, como aqui apresentada, é também limitada a sistemas com pressões baixas ou moderadas. Uma modificação da lei de Raoult que remove a restrição de espécies quimicamente similares é tratada na Seção 10.5. Finalmente, na Seção 10.6, cálculos baseados em razões de equilíbrio ou valores de K são analisados. O tratamento do equilíbrio líquido/vapor é desenvolvido mais adiante, nos Capítulos 12 e 14.

 

Capítulo 11 - Termodinâmica de Soluções: Teoria

PDF Criptografado

Capítulo 11

Termodinâmica de Soluções:

Teoria

Neste capítulo, nosso propósito é ordenar os fundamentos teóricos para a aplicação da termodinâmica em misturas gasosas e em soluções líquidas. Nas indústrias químicas, do petróleo e farmacêutica, líquidos e gases multicomponentes usualmente passam por mudanças de composição causadas por processos de mistura e de separação, pela transferência de espécies de uma fase para outra e por reações químicas. Dessa forma, as composições se tornam variáveis essenciais, assim como a temperatura e a pressão, as variáveis consideradas em detalhes no Capítulo 6.

Desenvolvemos, em primeiro lugar, uma relação fundamental entre propriedades mais completa do que a

Eq. (6.10), na qual o seu escopo se estende para fases abertas de composição variável. Nesse ponto a conveniência leva à definição do potencial químico, uma propriedade fundamental nova que facilita o tratamento dos equilíbrios de fases e em reações químicas. Isso provoca a apresentação de uma classe inteira de propriedades termodinâmicas conhecidas como propriedades parciais, definidas matematicamente de forma a sugerir sua interpretação como propriedades de espécies individuais como elas estão presentes em solução. Elas são dependentes da composição e diferentes das propriedades molares de espécies puras.

 

Capítulo 12 - Termodinâmica de Soluções: Aplicações

PDF Criptografado

Capítulo 12

Termodinâmica de Soluções:

Aplicações

Todas as equações fundamentais e definições necessárias da termodinâmica de soluções foram fornecidas no capítulo anterior. No presente capítulo examinamos o que pode ser aprendido a partir de experimentos. Em primeiro lugar, consideramos as medições de dados do equilíbrio líquido/vapor (ELV), dos quais as correlações para coeficientes de atividade são derivadas. Em segundo lugar, tratamos experimentos de mistura, que fornecem dados para variações das propriedades de mistura. Em particular, aplicações práticas da variação da entalpia de mistura, chamada de calor de mistura, são apresentadas em detalhes na Seção 12.4.

12.1

PROPRIEDADES DA FASE LÍQUIDA A PARTIR DE DADOS DO ELV

A Figura 12.1 mostra um vaso, no interior do qual uma mistura vapor e uma solução líquida coexistem em equilíbrio líquido/vapor. A temperatura T e a pressão P são uniformes em todo o vaso, e podem ser medidas com instrumentos apropriados. Amostras das fases vapor e líquida podem ser retiradas para análise, o que permite a obtenção de valores experimentais para as frações molares no vapor {yi} e as frações molares no líquido {xi}.

 

Capítulo 13 - Equilíbrios em Reações Químicas

PDF Criptografado

Capítulo 13

Equilíbrios em Reações Químicas

A transformação de matérias-primas em produtos de maior valor através de reações químicas é uma indústria importante. Um vasto conjunto de produtos comerciais é obtido por síntese química. Ácido sulfúrico, amônia, etileno, propileno, ácido fosfórico, cloro, ácido nítrico, uréia, benzeno, metanol, etanol e etileno glicol são exemplos de especialidades químicas, das quais são produzidos bilhões de quilogramas a cada ano nos Estados Unidos. Por sua vez, essas especialidades químicas são utilizadas na produção, em grande escala, de fibras, tintas, detergentes, plásticos, borrachas, papel, fertilizantes, inseticidas, etc. Obviamente, o engenheiro químico deve estar familiarizado com o projeto de reatores químicos e com sua operação.

A taxa e a conversão no equilíbrio de uma reação química dependem da temperatura, da pressão e da composição dos reagentes. Freqüentemente, uma taxa de reação aceitável é atingida somente com um catalisador adequado. Por exemplo, a taxa da oxidação do dióxido de enxofre em trióxido de enxofre, conduzida com um catalisador de pentóxido de vanádio, se torna relevante a aproximadamente 300°C e aumenta em temperaturas superiores. Com base somente na taxa, o reator seria operado na mais alta temperatura possível em termos práticos. Entretanto, a conversão no equilíbrio para trióxido de enxofre cai com o aumento da temperatura, diminuindo de aproximadamente 90% a 520°C para 50% por volta de 680°C. Esses valores representam as conversões máximas possíveis, quaisquer que sejam o catalisador e a taxa de reação. A conclusão evidente é de que tanto o equilíbrio quanto a taxa devem ser levados em conta no uso de reações químicas com objetivos comerciais. Embora as taxas de reação não sejam passíveis de tratamento termodinâmico, as conversões no equilíbrio o são. Conseqüentemente, o objetivo deste capítulo é determinar o efeito da temperatura, da pressão e da composição inicial nas conversões no equilíbrio de reações químicas.

 

Capítulo 14 - Tópicos em Equilíbrios de Fases

PDF Criptografado

Capítulo 14

Tópicos em Equilíbrios de Fases

O Capítulo 10 apresenta os modelos mais simples para o equilíbrio líquido/vapor, baseados nas leis de Raoult e de Henry, a partir de um ponto de vista empírico. Os cálculos usando a lei de Raoult modificada, descritos na

Seção 10.5, são adequados para muitos objetivos, mas estão limitados às baixas pressões. Conseqüentemente, as seções iniciais do presente capítulo apresentam dois procedimentos de cálculo gerais para o ELV, o primeiro através de uma extensão da lei de Raoult modificada e o segundo através de equações de estado. O fundamento teórico de ambos os procedimentos é apresentado no Capítulo 11. O restante desse capítulo lida, de uma forma mais geral, com equilíbrio de fases, com considerações feitas em seções separadas sobre equilíbrios líquido/ vapor, líquido/líquido/vapor, sólido/líquido, sólido/vapor, equilíbrio na adsorção e equilíbrio osmótico.

14.1

A FORMULAÇÃO GAMMA/PHI DO ELV

A lei de Raoult modificada inclui o coeficiente de atividade para levar em conta as não-idealidades na fase líquida, mas é limitada pela consideração de fase vapor ideal. Isso é superado pela introdução do coeficiente de fugacidade da fase vapor. Para a espécie i em uma mistura vapor, a Eq. (11.52) é escrita:

 

Capítulo 15 - Análise Termodinâmica de Processos

PDF Criptografado

Capítulo 15

Análise Termodinâmica de

Processos

O objetivo deste capítulo é apresentar um procedimento para a análise de processos práticos do ponto de vista da Termodinâmica. O capítulo é uma extensão dos conceitos de trabalho ideal e de trabalho perdido apresentados no Capítulo 5, Seções 5.8 e 5.9.

Processos irreversíveis reais são passíveis de análise termodinâmica. O objetivo de tal análise é determinar o quanto eficientemente a energia é usada ou produzida e mostrar quantitativamente o efeito das ineficiências em cada etapa de um processo. O custo da energia é uma preocupação em qualquer operação produtiva, e o primeiro passo em qualquer tentativa de reduzir as necessidades energéticas é a determinação de onde e com qual intensidade a energia é desperdiçada através das irreversibilidades do processo. Aqui, o tratamento é limitado aos processos contínuos em regime estacionário, em função de sua predominância na prática industrial.

15.1

ANÁLISE TERMODINÂMICA DE PROCESSOS CONTÍNUOS

 

Capítulo 16 - Introdução à Termodinâmica Molecular

PDF Criptografado

Capítulo 16

Introdução à Termodinâmica

Molecular

A Termodinâmica clássica é uma ciência dedutiva, na qual as características gerais do comportamento de sistemas macroscópicos seguem um pequeno número de leis e postulados. Contudo, a aplicação prática da Termodinâmica requer valores para as propriedades das espécies químicas individuais e de suas misturas. Estas podem ser apresentadas como dados numéricos (por exemplo, as tabelas de vapor para a água) ou como equações de correlação (por exemplo, uma equação de estado PVT e expressões para a dependência com a temperatura das capacidades caloríficas de gás ideal).

A fonte usual de valores de propriedades é o experimento. Por exemplo, a equação de estado do gás ideal originou-se como uma descrição do comportamento volumétrico observado de gases a baixas pressões. Analogamente, a regra prática CP Ϸ 29 J molϪ1 KϪ1 para gases diatômicos em temperaturas normais está baseada em observações experimentais. Entretanto, experimentos macroscópicos não fornecem informações sobre o porquê de as substâncias exibirem os valores observados de suas propriedades. A base para essa informação é uma visão microscópica da matéria.

 

Apêndices

PDF Criptografado

Apêndice A

Fatores de Conversão e Valores da Constante dos Gases

Como os livros de referência padrões apresentam os dados em diversas unidades, incluímos as Tabelas A.1 e

A.2 para auxiliar a conversão dos valores de um conjunto de unidades para outro. As unidades que não apresentam associação com o sistema SI são apresentadas entre parênteses. As seguintes definições são registradas:

(ft) ϵ

(in) ϵ

(gal) ϵ

(lbm) ϵ

ϵ

(lbf) ϵ

(atm) ϵ

(psia) ϵ

(torr) ϵ

(cal) ϵ

(Btu) ϵ

(lb mol) ϵ

(R) ϵ

pé definido nos EUA ϵ 3,048 ϫ 10Ϫ1 m polegada definida nos EUA ϵ 2,54 ϫ 10Ϫ2 m galão de líquido nos EUA ϵ 231 (in)3 libra massa definida nos EUA (avoirdupois)

4,5359237 ϫ 10Ϫ1 kg força para acelerar 1(lbm) em 32,1740(ft)s-2 pressão atmosférica padrão ϵ 101.325 Pa pressão absoluta em libras-força por polegada quadrada pressão exercida por 1 mm de mercúrio a 0°C e na gravidade padrão caloria termoquímica unidade térmica britânica — tabela de vapor internacional massa em libras-massa com valor numérico igual à massa molar temperatura absoluta em Rankines

 

Detalhes do Produto

Livro Impresso
Book
Capítulos

Formato
PDF
Criptografado
Sim
SKU
BPP0000223275
ISBN
9788521621997
Tamanho do arquivo
26 MB
Impressão
Desabilitada
Cópia
Desabilitada
Vocalização de texto
Não
Formato
PDF
Criptografado
Sim
Impressão
Desabilitada
Cópia
Desabilitada
Vocalização de texto
Não
SKU
Em metadados
ISBN
Em metadados
Tamanho do arquivo
Em metadados