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Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Química TERMODINÂMICA DE ENGENHARIA QUÍMICA II DISCIPLINA E CONCEITOS Professor: Edilson Marques Magalhães PLANEJAMENTO DA DISCIPLINA CARGA HORÁRIA: • Total: 51 horas (teóricas). PRÉ REQUISITO: • Disciplina(s): Introdução a Termodinâmica Química Termodinâmica de Engenharia Química I. NORMAS DA DISCIPLINA FAIXA DE CONCEITO: REGIME DE SERIADO INS [00, 50) REG [50, 70) BOM [70, 90) EXC [90, 100] CONCEITOS: • De acordo com o regimento da UFPA. FREQUÊNCIA: • Igual ou superior a 75% da CH. APROVAÇÃO NA DISCIPLINA META: • Estudar, estudar e estudar. DISCIPLINA EMENTA: Revisão de Conceitos. A Primeira Lei da Termodinâmica. Análise da Primeira Lei da Termodinâmica para um Volume de Controle. A Segunda Lei da Termodinâmica. Entropia. Análise da Segunda Lei da Termodinâmica para um Volume de Controle. Diagramas e tabelas de propriedades termodinâmicas. Aplicação da Termodinâmica em Processos com Escoamento. Sistemas de Potência a Vapor. Sistemas de Potência a Gás. Refrigeração. Liquefação. Análise Termodinâmica de Processos Contínuos: Irreversibilidade e Disponibilidade. DISCIPLINA EMENTA: Revisão de Conceitos. A Primeira Lei da Termodinâmica. Análise da Primeira Lei da Termodinâmica para um Volume de Controle. A Segunda Lei da Termodinâmica. Entropia. Análise da Segunda Lei da Termodinâmica para um Volume de Controle. Diagramas e tabelas de propriedades termodinâmicas. Aplicação da Termodinâmica em Processos com Escoamento. Sistemas de Potência a Vapor. Sistemas de Potência a Gás. Refrigeração. Liquefação. Análise Termodinâmica de Processos Contínuos: Irreversibilidade e Disponibilidade. BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA BÁSICA: 1-SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C., ABBOTT, M.M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química . 7a Ed., LTC, 2007. 2- SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.; VAN WYLEN, J. Fundamentos da Termodinâmica. LTC, 7a Ed., 2009. 3- KORETSKY, M. D. Termodinâmica para Engenharia Química. Ed. LTC 2007. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR: 1- SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Introdução à Termodinâmica para a Engenharia. LTC Ed., 2003. 2- MORAN, M. J. Fundamentos de Engenharia Termodinâmica. LTC, 7a Ed., 2009. 1 - INTRODUÇÃO Nascimento da Termodinâmica A ciência da termodinâmica nasceu no século dezenove com a necessidade de descrever a operação da máquina a vapor e de avaliar o limite de seu desempenho. As suas primeiras aplicações foram voltadas para as máquinas térmicas, das quais a máquina a vapor é um exemplo. Contudo os princípios observados para as máquinas foram rapidamente generalizados em postulados hoje conhecidos como a primeira e a segunda lei da termodinâmica. 1 .1- DEFINIÇÃO A Termodinâmica é a parte da Termologia (Física) que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia. 1 .2- PROBLEMAS Os problemas que a termodinâmica se propõe a resolver normalmente envolvem a determinação do valor do calor e/ou trabalho (formas de energias) necessários ou liberados num processo ou então as mudanças de estados de uma substância ou mistura provocadas pela transferência de calor ou pela realização de trabalho. 1 .3- Por que Estudar Termodinâmica Na engenharia, a Termodinâmica é utilizada para a análise de diversos processos que ocorrem em equipamentos industriais de grande importância, tais como centrais termoelétricas, refrigeradores por compressão de vapor, motores a reação (motores a jato e foguetes), equipamentos de decomposição de ar, e muitos outros. Desta forma, o domínio da termodinâmica é essencial para que o engenheiro possa projetar estes equipamentos e sistemas com o objetivo de construí-los dentro do menor custo razoável e obter destes, em operação, a maior eficiência energética possível. Introdução Introdução Introdução 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES 2.1- O Sistema Termodinâmico e o Volume de Controle Sistema termodinâmico: (sistema fechado) é uma quantidade de matéria, com massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é dirigida para o estudo. Tudo o que é externo ao sistema é denominado meio ou vizinhança. O sistema é separado da vizinhança pelas fronteiras do sistema e essas fronteiras podem ser móveis ou fixas. Calor e trabalho podem cruzar a fronteira. 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Ex.: Considere o gás contido no cilindro mostrado na figura abaixo como sistema. Se o conjunto é aquecido, a temperatura do gás aumentará e o êmbolo se elevará. Quando o êmbolo se eleva, a fronteira do sistema move. O calor e trabalho cruzam a fronteira do sistema durante esse processo, mas não a matéria que compõe o sistema. 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Volume de controle: (sistema aberto) é um volume que permite um fluxo de massa através de uma fronteira, assim como o calor e o trabalho. Assim, um sistema é definido quando se trata de uma quantidade fixa de massa e um volume de controle é especificado quando a análise envolve fluxos de massa. 2.2- Pontos de Vista Macroscópico e Microscópico Meio contínuo: Sob o ponto de vista macroscópico, nós sempre consideraremos volumes muito maiores que os moleculares e, desta forma, trataremos com sistemas que contém uma enormidade de moléculas. Uma vez que não estamos interessados nos comportamentos individuais das moléculas, desconsideraremos a ação de cada molécula e trataremos a substância como contínua. 2.3- Estado e Propriedades de uma Substância Fase: Definida como uma quantidade de matéria totalmente homogênea (fase líquida, sólida ou gasosa). Quando mais de uma fase coexistem, estas se separam, entre si, por meio das fronteiras das fases. Estado: Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas. O estado de uma fase pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis, algumas das mais familiares são: temperatura, pressão e massa específica. 2.3- Estado e Propriedades de uma Substância Propriedades: Cada uma das propriedades (temperatura, pressão, massa) de uma substância, num dado estado, apresenta somente um determinado valor e essas propriedades tem sempre o mesmo valor para um dado estado, independente da forma pela qual a substância chegou a ele, isto é, independente do caminho (história) pelo qual o sistema chegou à condição (estado) considerada. As propriedades termodinâmicas podem ser divididas em duas classes gerais, as intensivas e as extensivas. 2.3- Estado e Propriedades de uma Substância Propriedade intensiva: É independente da massa . Ex: temperatura, pressão. Propriedade extensiva: Seu valor varia diretamente com a massa. Ex.: massa, volume. Equilíbrio ►Quando um sistema é isolado, ele não interage com seus arredores; no entanto, seu estado pode mudar como consequência de eventos espontâneos que ocorrem internamente pois suas propriedades intensivas, como temperatura e pressão, tendem a valores uniformes. Quando todas essas mudanças cessam, o sistema está em estado de equilíbrio. ►Os estados de equilíbrio e processos de um estado de equilíbrio para outro estado de equilíbrio desempenham papéis importantes na análise termodinâmica. Unidades Nesses sistemas de unidades, massa, comprimento, e tempo são unidades básicas e força é uma unidade derivada delas: F = ma SI: 1 N = (1 kg)(1 m/s2) = 1 kg∙m/s2 Inglês: 1 lbf = (1 lb)(32.1740 ft/s2) = 32.1740 lb∙ft/s2 Unidades Massa específica (r) e Volume específico (v) ►De uma perspectiva macroscópica, a descrição da matéria é simplificada, considerando que ela é distribuída continuamente por uma região. ►Quando as substâncias são tratadas como contínuas, é possível falar de sua propriedades termodinâmicas intensivas “em um ponto” ►Em qualquer instante a massa específica (r ) em um ponto é definida: V m VV lim ' r Em que V ‘ é o menor volume no qual existe um valor definido para esta razão.Massa específica (r) e Volume específico (v) ►Massa específica é massa por unidade de volume. ►Massa específica é uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto. ►No SI a unidade é (kg/m3). ►No sistema inglês a unidade é (lb/ft3). Massa específica (r) e Volume específico (v) ►O volume específico é o inverso da massa específica : v = 1/r . ►Ele é o volume por unidade de massa. ►É uma propriedade intensiva que pode variar de ponto a ponto. ►No SI a unidade é (m3/kg). ►No sistema inglês a unidade é (ft3/lb). O volume específico é geralmente preferido para análises termodinâmicas ao trabalhar com gases que normalmente possuem pequenos valores de densidade. Massa específica (r) e Volume específico (v) Massa específica (r) e Volume específico (v) Pressão (p) ►Considere uma pequena área A associada a um ponto em um fluido em repouso. ►O fluido em um lado dessa área exerce uma força compressível que é normal à área, Fnormal. Uma força igual, mas em sentido contrário, é exercida sobre a área pelo fluido situado no outro lado. ►A pressão (p) no ponto específico é definida como o limite A normal 'AA lim F p Em que A’ é a área no “ponto” com a mesma percepção de limite usada na definição de massa específica. Unidades de Pressão ►No SI a unidade de pressão é pascal: 1 pascal = 1 N/m2 ►Unidades múltiplas do pascal são frequentemente usadas : ►1 kPa = 103 N/m2 ►1 bar = 105 N/m2 ►1 MPa = 106 N/m2 ►No Sistema inglês a unidade é: ►libras força por pé quadrado, lbf/ft2 ►libras força por polegada quadrada, lbf/in.2 Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Química TERMODINÂMICA DE ENGENHARIA QUÍMICA II Professor: Edilson Marques Magalhães Diagramas e Tabelas de Propriedades Termodinâmicas 1 - INTRODUÇÃO PROCESSOS INDUSTRIAIS CALOR TRABALHO ENERGIA INTERNA ENTALPIA FLUIDOS v=f(T,P) (PVT) EQUAÇÕES DE ESTADO PROPRIEDADES VOLUMÉTRICAS DOS FLUIDOS PUROS BASE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DOS FLUIDOS 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES 2.1- EQUILÍBRIO DE FASE (LÍQUIDO-VAPOR) CONSIDERAÇÕES Sistema1kg de água; Pressão do sistema-1,014 bar; Temperatura inicial da água-15 °C. 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES T,v P=cte T=100°C T,P=cte v T=100°C T,P=cte v T=100°C 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Temperatura de saturação Este termo designa a temperatura na qual se dá a vaporização de uma substância pura a uma dada pressão. “essa pressão é chamada de pressão de saturação” 100satT C 1,014satP bar 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Líquido Saturado Se uma substância se encontra como líquido à temperatura e pressão de saturação diz-se que ela está no estado de líquido Saturado. 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Líquido Sub-resfriado Se a temperatura do líquido é menor que a temperatura de saturação para a pressão existente, (significa que a temperatura é mais baixa que a temperatura de saturação para a pressão dada), ou líquido comprimido, (significando ser a pressão maior que a pressão de saturação para a temperatura dada). 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Título (x) Quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor, vapor úmido, a relação entre a massa de vapor pela massa total, isto é, massa de líquido mais a massa de vapor, é chamada título. Matematicamente: v v l m x m m 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Vapor Saturado Se uma substância se encontra completamente como vapor na temperatura de saturação, é chamada “vapor saturado”, e este caso o título é igual a 1 ou 100% pois a massa total (mt) é igual à massa de vapor (mv), (frequentemente usa-se o termo “vapor saturado seco”) 2- CONCEITOS E DEFINIÇÕES Vapor Superaquecido Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação é chamado “vapor superaquecido”. A pressão e a temperatura do vapor superaquecido são propriedades independentes, e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para uma pressão constante. Em verdade, as substâncias que chamamos de gases são vapores altamente superaquecidos. 3- CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES Quanto maior a pressão na qual ocorre a mudança de Fase líquido-vapor maior será a temperatura. Aumentando-se a pressão observa-se no diagrama que as linhas de líquido saturado e vapor saturado se encontram. O ponto de encontro dessas duas linhas define o chamado "Ponto Crítico". Pressões mais elevadas que a pressão do ponto crítico resultam em mudança de fase de líquido para vapor superaquecido sem a formação de vapor úmido. A linha de líquido saturado é levemente inclinada em relação à vertical pelo efeito da dilatação volumétrica (quanto maior a temperatura maior o volume ocupado pelo líquido), enquanto a linha de vapor saturado é fortemente inclinada em sentido contrário devido à compressibilidade do vapor 3- CONSIDERAÇÕES IMPORTANTES Ponto Triplo Corresponde ao estado no qual as três fases (sólido, líquido e gasosa) se encontram em equilíbrio. 4- TABELAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS OBTENÇÃO: EQUAÇÕES DE ESTADO DIVISÃO LÍQUIDO COMPRIMIDO LÍQUIDO SATURADO VAPOR SATURADO VAPOR SUPERAQUECIDO f(P) f(T,P) f(T) PARA A REGIÃO DE LÍQUIDO-VAPOR 4- TABELAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 4- TABELAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 4- TABELAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 4- TABELAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 5 – DIAGRAMAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS FORMAS DOS DIAGRAMAS ; ; ;T v P h T s h s Mollier h s VANTAGEM DO USO DESTES DIAGRAMAS Uma das vantagens do uso destes diagramas de propriedades é que eles apresentam numa só figura as propriedades de líquido comprimido, do vapor úmido e do vapor superaquecido. 5 – DIAGRAMAS E PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS Esses diagramas são úteis tanto como meio de apresentar a relação entre as propriedades termodinâmicas e possibilitam a visualização dos processos que ocorrem em parte do equipamento sob análise ou no todo. 6- ANÁLISE DO VOLUME ESPECÍFICO O volume específico de uma substância é definido como o volume ocupado pela unidade de massa e é designado pelo símbolo / 1/volume massa v r A massa específica é definida como a massa associada a unidade de volume: m a ssa vo lum e r 7- VOLUME TOTAL DE UMA MISTURA BIFÁSICA LÍQUIDO-VAPOR 8- O VOLUME ESPECÍFICO MÉDIO PARA A MISTURA (1) liq vapV V V (1.1)+ liq vapV VV v m m m Mas sabemos que: liq liq f vap gV m v m v 7- VOLUME TOTAL DE UMA MISTURA BIFÁSICA LÍQUIDO-VAPOR +l iq v a p f g m m v v v m m Então temos que: Utilizando a definição de título: vap vap liq m x m m m m Notando que: 1liqm x m Temos que: 1 (2) f g f g fv x v x v v x v v f g v v o l u m e e s p e c í f i c o d o l í q u i d o s a t u r a d o v v o l u m e e s p e c í f i c o d o v a p o r s a t u r a d o (3) vap fg g fV v v v Tabelas de Vapor ►Tabelas de propriedades para diferentes substâncias são frequentemente configuradas em um mesmo formato geral. ►As tabelas para água, chamadas tabelas de vapor, fornecem um exemplo desse formato. As tabelas de vapor são encontradas, em geral, nos apêndices dos livros. Regiões Monofásicas ► Como pressão e temperatura são propriedades independentes nas regiões monofásicas de líquido e vapor, elas podem ser usadas para fixar o estado nessas regiões. ► As tabelas de vapor d’água superaquecido e água líquida comprimida fornecem várias propriedades em função da pressão e temperatura, conforme considerado a seguir. Tabelas Tabelas ► Temperatura (T) ► Pressão (p) ► Volume específico (v) ► Energia interna específica (u) ► Entalpia específica (h), que é uma soma de termos que geralmente aparece na análise termodinâmica : h = u + pv Tabelas Tabelas ► Entropia específica (s), uma propriedade intensiva que será estudadaadiante. Propriedades tabeladas incluem: Regiões Monofásicas T oC v m3/kg u kJ/kg h kJ/kg s kJ/kg∙K v m3/kg u kJ/kg h kJ/kg s kJ/kg∙K p = 80 bar = 8.0 MPa (Tsat = 295.06oC) p = 100 bar = 10.0 MPa (Tsat = 311.06oC) Sat. 0.02352 2569.8 2758.0 5.7432 0.01803 2544.4 2724.7 5.6141 320 0.02682 2662.7 2877.2 5.9489 0.01925 2588.8 2781.3 5.7103 360 0.03089 2772.7 3019.8 6.1819 0.02331 2729.1 2962.1 6.0060 400 0.03432 2863.8 3138.3 6.3634 0.02641 2832.4 3096.5 6.2120 440 0.03742 2946.7 3246.1 6.5190 0.02911 2922.1 3213.2 6.3805 480 0.04034 3025.7 3348.4 6.6586 0.03160 3005.4 3321.4 6.5282 ►Exemplo: Encontrar as propriedades associadas ao vapor de água superaquecido a 10 MPa e 400oC. ►v = 0,02641 m3/kg ►u = 2832,4 kJ/kg ►h = 3096,5 kJ/kg ►s = 6,2120 kJ/kg∙K Regiões Monofásicas Interpolação Linear ► Quando um estado não cai exatamente na faixa de valores fornecidos pelas tabelas de propriedades, é usada a interpolação linear entre os valores adjacentes. ► Exemplo: O volume específico (v) associado ao vapor de água superaquecido a 10 bar e 215ºC é encontrado por interpolação linear entre os valores adjacentes. T oC v m3/kg u kJ/kg h kJ/kg s kJ/kg∙K p = 10 bar = 1.0 MPa (Tsat = 179.91oC) Sat. 0.1944 2583.6 2778.1 6.5865 200 0.2060 2621.9 2827.9 6.6940 240 0.2275 2692.9 2920.4 6.8817 (0,2275 – 0,2060) m3/kg (v – 0,2060) m3/kg (240 – 200)oC (215 – 200)oC inclinação = = → v = 0,2141 m3/kg Região Bifásica Líquido-Vapor ► As Tabelas de Temperatura e Pressão fornecem ►Dados do líquido saturado (f) ►Dados do vapor saturado (g) Specific Volume m3/kg Internal Energy kJ/kg Enthalpy kJ/kg Entropy kJ/kg∙K Temp oC Press. bar Sat. Liquid vf×103 Sat. Vapor vg Sat. Liquid uf Sat. Vapor ug Sat. Liquid hf Evap. hfg Sat. Vapor hg Sat. Liquid sf Sat. Vapor sg Temp oC .01 0.00611 1.0002 206.136 0.00 2375.3 0.01 2501.3 2501.4 0.0000 9.1562 .01 4 0.00813 1.0001 157.232 16.77 2380.9 16.78 2491.9 2508.7 0.0610 9.0514 4 5 0.00872 1.0001 147.120 20.97 2382.3 20.98 2489.6 2510.6 0.0761 9.0257 5 6 0.00935 1.0001 137.734 25.19 2383.6 25.20 2487.2 2512.4 0.0912 9.0003 6 8 0.01072 1.0002 120.917 33.59 2386.4 33.60 2482.5 2516.1 0.1212 8.9501 8 Nota da Tabela: Para o volume específico de um líquido saturado, a tabela pode fornecer como: vf×103. Á 8oC, vf × 103 = 1,002 → vf = 1,002/103 = 1,002 × 10–3. ►O volume específico de uma mistura bifásica líquido-vapor pode ser determinado usando as tabelas de saturação e título, x. ►O volume total da mistura é a soma dos volumes das fases líquida e vapor: V = Vliq + Vvap ►Dividindo pela massa total da mistura, m, um volume específico médio para a mistura é: m V m V m V vapliq v ►Com Vliq = mliqvf , Vvap = mvapvg , mvap/m = x , e mliq/m = 1 – x : v = (1 – x)vf + xvg = vf + x(vg – vf) Região Bifásica Líquido-Vapor ►Como pressão e temperatura NÃO são propriedades independentes na região bifásica líquido-vapor, elas não podem ser usadas para fixar o estado nessa região. ►Uma propriedade, título (x), definida apenas na região bifásica líquido-vapor, e temperatura ou pressão podem ser usadas para fixar o estado nessa região. v = (1 – x)vf + xvg = vf + x(vg – vf) u = (1 – x)uf + xug = uf + x(ug – uf) h = (1 – x)hf + xhg = hf + x(hg – hf) Região Bifásica Líquido-Vapor ► Exemplo: Um sistema consiste em uma mistura bifásica líquido- vapor de água à 6oC e um título de 0,4. Determine o volume específico, em m3/kg, da mistura. ► Solução: Da equação, v = vf + x(vg – vf) Specific Volume m3/kg Internal Energy kJ/kg Enthalpy kJ/kg Entropy kJ/kg∙K Temp oC Press. bar Sat. Liquid vf×103 Sat. Vapor vg Sat. Liquid uf Sat. Vapor ug Sat. Liquid hf Evap. hfg Sat. Vapor hg Sat. Liquid sf Sat. Vapor sg Temp oC .01 0.00611 1.0002 206.136 0.00 2375.3 0.01 2501.3 2501.4 0.0000 9.1562 .01 4 0.00813 1.0001 157.232 16.77 2380.9 16.78 2491.9 2508.7 0.0610 9.0514 4 5 0.00872 1.0001 147.120 20.97 2382.3 20.98 2489.6 2510.6 0.0761 9.0257 5 6 0.00935 1.0001 137.734 25.19 2383.6 25.20 2487.2 2512.4 0.0912 9.0003 6 8 0.01072 1.0002 120.917 33.59 2386.4 33.60 2482.5 2516.1 0.1212 8.9501 8 Substituindo os valores da Tabela: vf = 1,001×10–3 m3/kg e vg = 137,734 m3/kg: v = 1,0001×10–3 m3/kg + 0,4(137,734 – 1,0001×10–3) m3/kg v = 55,094 m3/kg Região Bifásica Líquido-Vapor