Apostila BALANÇO DE ENERGIA Engenharia Química Operações Unitárias

Conceitos de B. E. Formas de Energia 3. Balanço Macroscópico de Energia 4. Equação Geral do B. B. E. para sistemas Abertos Não-estacionários INTRODUÇÃO Quanta potência é necessária para bombear 1250 gal/min de água a partir de um tanque para outra unidade de processo? Quanto carvão deve ser queimado por dia para produzir calor suficiente para gerar vapor para movimentar as turbinas para produzir eletricidade suficiente para satisfazer as necessidades de uma população de 50. habitantes? Problemas como esses, e tantos outros presentes na indústria química podem ser solucionados a partir da formulação e aplicação de balanços de energia. Esses balanços são muito importantes na indústria, como no primeiro caso, em que a partir dele se encontra a potência a fim de se escolher o melhor equipamento a ser empregado no processo.

Estado Estacionário As vazões de entrada e saída do sistema são iguais, não havendo acúmulo de massa. As propriedades são invariantes. Estado Não-estacionário (ou Transiente) As vazões de entrada e saída são diferentes, e a massa dentro do sistema não permanece constante e as propriedades variam. Estado de Equilíbrio Quando o sistema atinge o equilíbrio suas propriedades são invariantes, ou seja, forças motrizes internas não são mais presentes. Os equilíbrios podem ser térmicos, mecânicos, de fase e químicos. Conservação de Energia Na interação de um sistema e suas vizinhanças a quantidade de energia recebida pelo sistema tem que ser igual à quantidade de energia perdida pelas vizinhanças.

Esta constatação foi feita a partir de medições experimentais muito bem fundamentadas. Formas de Energia 2. Trabalho (W) É a transferência de energia (de diversas naturezas) entre m sistema e suas vizinhanças. Quando as vizinhanças executam trabalho sobre o sistema, diz-se que o trabalho é positivo. a energia cinética é calculada como: 2. Energia Potencial (PE) É a energia relacionada com o trabalho exercido sobre a massa de um sistema para deslocá-lo, com relação a uma superfície de referência, num campo gravitacional ou eletromagnético. É calculada por: ,onde: h = distância medida a partir da superfície de referência 2. Energia Interna (U) Do ponto de vista macroscópico é a energia resultante da combinação de todas as energias que compõem um sistema (molecular, atômica e subatômica), seguindo regras de conservação definidas para sistemas dinâmicos de grande número de partículas microscópicas.

A energia interna é uma função do trabalho e do volume. Assim Q e W são constantes tanto para dentro como para fora do sistema. Aplicando isso na equação geral temos que: ∆E= Q + W, mas ∆E= 0  Q + W= 0  W= -Q Isto implica dizer que todo o trabalho realizado sobre este tipo de sistema é transferido para fora como calor. Porém o contrário não ocorre. O calor absorvido por esse sistema não é igual ao trabalho realizado por ele, já que esse calor é o calor total, formado pelo calor absorvido e pelo calor rejeitado. Caso W não fosse fornecido os valores de Qabsorvido e Qrejeitado seriam estimados a partir de relações empíricas. Para obter-se um resíduo de alcalóides essencialmente seco, toda a água do vaso (1 kg) teve que ser evaporada.

Admita que as propriedades da água podem ser usadas em substituição às propriedades da verdadeira solução. Quanto calor teve que ser transferido para o vaso se 1 kg de água líquida saturada, inicialmente a 10ºC, foi totalmente vaporizado, sendo levado às condições finais de 100ºC e 1 atm? Estado inicial (líquido) Estado final (gás) P 1 atm 1 atm T 10,0ºC 100ºC U 35 kJ/ kg 2506,0 kJ/ kg ∆E = ∆U + ∆PE + ∆K = Q + W Sistema em repouso (água)  ∆K = 0 Deslocamento mínimo do centro de massa do sistema  ∆PE = 0 W = 0 Base de cálculo  1 kg de H2O evaporado Q = m∆U = m(U2 – U1) Q = 1 kg H2O. – 35) kJ/ kg  Q= 2471 kJ 7. Balanço de Energia para Sistemas Abertos Estacionários Sistemas abertos estacionários são os mais comuns nos processos da indústria química.