Termodinâmica Aplicada - Balanço de Energia em Sistemas Reacionais e Exercícios de Combustão

AULA 9 TERMODINÂMICA APLICADA BALANÇO DE ENERGIA SISTEMAS REACIONAIS Curso de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia2025 Profa Valéria C Rodrigues Sarnighausen SUMÁRIO 1 Revisão conceitos teóricos de estequiometria 2 Entalpia de formação e Entalpia de combustão 3 Poder calorífico 4 Primeira Lei para sistemas reativos 5 Exercícios Combustíveis e combustão 151C De que maneira a presença do N2 no ar afeta o resultado de um processo de combustão 152C De que maneira a presença de umidade no ar afeta o resultado de um processo de combustão 153C O número de átomos de cada elemento é conservado durante uma reação química E o número total de mols 154C O que é a razão arcombustível Qual a sua relação com a razão combustívelar 155C A razão arcombustível expressa em mols corresponde à mesma razão arcombustível expressa em massa 156C O que representa a temperatura de ponto de orvalho dos gases do produto Como é determinada 157 Traços de enxofre S no carvão são queimados na presença de oxigênio diatômico O2 para formar dióxido de enxofre SO2 Determine a massa mínima de oxigênio necessária nos reagentes e a massa de dióxido de enxofre nos produtos quando 1 kg de enxofre é queimado Processos teóricos e reais de combustão 159C O que representa 100 de ar teórico 1510C A combustão completa e a combustão teórica são idênticas Se não forem em que diferem 1511C Considere um combustível que é queimado com a 130 de ar teórico e b 70 de excesso de ar Em qual caso o combustível é queimado com mais ar 1512C Quais são as causas da combustão incompleta 1513C É mais provável encontrar CO ou OH nos produtos de uma combustão incompleta de um combustível de hidrocarboneto Por quê 1514 Combustível propano C3H8 é queimado na presença de ar Considerando que a combustão é teórica isto é apenas nitrogênio N2 vapor de água H2O e dióxido de carbono CO2 estão presentes no produto determine a a fração mássica do dióxido de carbono e b a fração molar e mássica do vapor de água nos produtos 1516 Em uma combustão nbutano C4H10 é queimado com quantidade estequiométrica de oxigênio Determine a fração molar de dióxido de carbono e água nos produtos Além disso calcule o número de mols de dióxido de carbono nos produtos por unidade de mol de combustível queimado 1519 O acetileno C2H2 é queimado com 10 de oxigênio em excesso em um maçarico de corte Determine a fração mássica de cada um dos produtos Calcule a massa de oxigênio utilizada por unidade de massa de acetileno queimado 1520 Em uma combustão nbutano C4H10 é queimado com um excesso de ar de 100 Determine as frações molares de cada um dos produtos e calcule também a massa de dióxido de carbono nos produtos por unidade de massa do combustível e a razão arcombustível 1522 Álcool etílico C2H5OH é queimado com 70 de excesso de ar Calcule as frações molares dos produtos formados e dos reagentes e determine a massa de água e de oxigênio contido nos produtos por unidade de massa de combustível queimado BALANÇO DE ENERGIA EM SISTEMAS REACIONAIS DE COMBUSTÃO ENTALPIA DO SISTEMA Se não houver mudança de estado 25C e 1 atm Elementos estáveis existentes em equilíbrio nas condições padrões de temperatura e pressão entalpia de formação zero OU entalpia padrão 0 ENTALPIA SENSÍVEL E LATENTE ENTALPIA PADRÃO E ENTALPIA DE FORMAÇÃO Entalpia sensível ou latente conhecemos tabelas de saturação de substâncias puras Entalpia Padrão h0 0 relacionada à condição padrão de referência 25C e 1 atm estado natural de substâncias estáveis monoatômicas N2 O2 C Entalpia de formação entalpia do produto de formação de uma substâncias Cs O2g CO2g condição padrão de referência Reação exotérmica liberação de 39352 kJ hc Q 393520 kJkmol C 1 kmol C 25 C 1 atm Processo de combustão 1 kmol O2 25 C 1 atm 1 kmol CO2 25 C 1 atm FIGURA 1517 A entalpia da combustão representa a quantidade de energia liberada à medida que o combustível é queimado durante um processo em regime permanente em um estado especificado PCI Qsai mhlvH2O Combustível 1 kg Câmara de combustão Ar Produtos vapor H2O Produtos líquido H2O PCS PCI mhlvH2O FIGURA 1519 O poder calorífico superior de um combustível é igual à soma do poder calorífico inferior do combustível e do calor latente de vaporização da H2O nos produtos FIGURA 1520 Esquema para o Exemplo 155 EXEMPLO 155 Avaliação da entalpia de combustão Determine a entalpia da combustão do octano líquido C8H18 a 25 C e 1 atm usando dados de entalpia de formação da Tab A26 Admita que a água dos produtos está na fase líquida SOLUÇÃO A entalpia da combustão de um combustível deve ser determinada usando dados de entalpia de formação Propriedades A entalpia de formação a 25 C e 1 atm é de 393520 kJkmol para o CO2 285830 kJkmol para a H2Oℓ e 249950 kJkmol para o C8H18ℓ Tab A26 Análise A combustão do C8H18 é ilustrada na Fig 1520 A equação estequiométrica dessa reação é C8H18 a1O2 376N2 8CO2 9H2Oℓ 376 a1N2 Os reagentes e os produtos estão no estado de referência padrão de 25 C e 1 atm Da mesma forma o N2 e o O2 são elementos estáveis assim sua entalpia de formação é zero Portanto a entalpia de combustão do C8H18 Eq 156 tornase hc Hprod Hreag hc Hprod Hreag ΣNphofp ΣNrhofr NhofCO2 NhofH2O NhofC8H18 Substituindo na equação temos hc 8 kmol393520 kJkmol 9 kmol285830 kJkmol 1 kmol249950 kJkmol 5471000 kJkmol C8H18 47891 kJkg C8H18 que é praticamente idêntica ao valor listado de 47890 kJkg da Tab A27 Como admitese que a água dos produtos está na fase líquida esse valor hc corresponde ao PCS do C8H18 líquido Discussão É possível mostrar que o resultado do octano gasoso é 5512200 kJkmol ou 48255 kJkg Balanço de energia 1ª Lei para sistemas reacionais Entalpia total é igual a 1 entalpia de formação potencial químico de liberação de energia 2 Entalpia do estado físico entalpia num dado estado menos a entalpia do estado de partida ou de referência Sistemas em regime permanente Qent Went Σnrhof h hor Qsai Wsai Σnphof h hop 158 Taxa líquida de entrada de energia transferida pelo calor trabalho e massa Taxa líquida de saída de energia transferida pelo calor trabalho e massa onde np e nr representam as taxas de fluxo molar do produto p e do reagente r respectivamente Qsai ΣNrhof h hor ΣNphof h hop Entrada de energia pela massa por mol de combustível Saída de energia pela massa por mol de combustível Se há reação química tem potencial de trabalho e portanto precisamos estabelecer as quantidades de entalpia de estado físico e também das reações químicas EXEMPLO 156 Análise de primeira lei da combustão com escoamento em regime permanente Propano líquido C3H8 entra em uma câmara de combustão a 25 C e a uma taxa de 005 kgmin onde ele é misturado e queimado com 50 de excesso de ar que entra na câmara de combustão a 7 C como mostra a Fig 1523 Uma análise dos gases de combustão revela que todo o hidrogênio do combustível queima resultando em H2O mas que apenas 90 do carbono queima formando CO2 com os 10 restantes formando CO Se a temperatura de saída dos gases de combustão é de 1500 K determine a a vazão mássica do ar e b a taxa de transferência de calor da câmara de combustão SOLUÇÃO O propano líquido é queimado de forma constante com o excesso de ar A vazão mássica do ar e a taxa de transferência de calor devem ser determinadas Hipóteses 1 Existem condições de operação em regime permanente 2 O ar e os gases de combustão são gases ideais 3 As energias cinética e potencial são desprezíveis Análise Observamos que todo o hidrogênio do combustível é queimado em H2O mas que 10 do carbono não é completamente queimado e forma o CO Da mesma forma o combustível é queimado com o excesso de ar portanto existe algum O2 livre nos gases do produto A quantidade teórica do ar é determinada pela reação estequiométrica C3H8l a1 O2 376N2 3CO2 4H2O 376a1 N2 Balanço de O2 a1 3 2 5 Assim a equação balanceada para o processo real de combustão com 50 de excesso de ar e parte do CO nos produtos tornase C3H8l 75 O2 376N2 27CO2 03CO 4H2O 265O2 282N2 a A razão arcombustível desse processo de combustão é AC marmcombustível 75 x 476 kmol29 kgkmol 3 kmol12 kgkmol 4 kmol2 kgkmol 2553 kg arkg combustível Assim mar ACmcombustível 2353 kg arkg combustível005 kg combustívelmin 118 kg armin b A transferência de calor para esse processo de combustão em regime permanente é determinada a partir do balanço de energia para regime permanente Es Ec aplicado à câmara de combustão por unidade de mol de combustível Qsai ΣNphfº h hºp ΣNrhfº h hºr ou Qsai ΣNrhfº h hºr ΣNphfº h hºp continua Considerando o ar e os produtos da combustão como gases ideais temos que h hT e formamos a seguinte minitabela usando dados das tabelas de propriedades Substância C3H8ℓ O2 N2 H2Og CO2 CO 118910 0 0 241820 393520 110530 8150 8141 8682 8669 9904 9364 8669 49292 47073 57999 71078 47517 A hiº do propano líquido é obtida pela subtração da entalpia de vaporização hv do propano a 25 C da hiº do propano gasoso Substituindo os valores temos Qsai 1 kmol C3H8118910 h298 h298 kJkmol C3H8 75 kmol O20 8150 8682 kJkmol O2 282 kmol N20 8141 8669 kJkmol N2 27 kmol CO2393520 71078 9364 kJkmol CO2 03 kmol CO110530 47517 8669 kJkmol CO 4 kmol H2O241820 57999 9904 kJkmol H2O 265 kmol O20 49292 8682 kJkmol O2 282 kmol N20 47073 8669 kJkmol N2 363880 kJkmol de C3H8 Assim 363880 kJ de calor são transferidos da câmara de combustão para cada kmol 44 kg de propano Isso corresponde a 36388044 8270 kJ de perda de calor por quilograma de propano Então a razão de transferência de calor para uma vazão mássica de 005 kgmin para o propano tornase Qsai mqsai 005 kgmin8270 kJkg 4135 kJmin 689 kW Entalpia de formação e entalpia de combustão 1540C O que é a entalpia de combustão Qual a diferença entre a entalpia de combustão e a entalpia de reação 1541C O que é a entalpia de formação Qual a diferença entre a entalpia de formação e a entalpia de combustão 1542C Quais são os poderes caloríficos superior e inferior de um combustível Qual é diferença entre eles Qual a relação do poder calorífico de um combustível e a entalpia da combustão daquele combustível 1543C Quando a entalpia de formação e a entalpia de combustão são idênticas 1544C A entalpia de formação de uma substância se altera com a temperatura 1545C A hf do N2 é listada como zero Isso significa que o N2 não contém energia química no estado de referência padrão 1546C O que contém mais energia química 1 kmol de H2 ou 1 kmol de H2O 1547 Determine a entalpia de combustão do metano CH4 a 25 C e 1 atm usando os dados de entalpia de formação da Tab A26 Considere que a água dos produtos esteja na forma líquida Compare seu resultado com o valor listado na Tab A27 1549 Etano C2H6 é queimado à pressão atmosférica com quantidade estequiométrica de ar como oxidante Determine o calor rejeitado em kJkmol de combustível considerando que os produtos e reagentes estão a 25 C e a água aparece nos produtos como vapor de água 1555C Considere um processo de combustão completa durante o qual os reagentes e os produtos são mantidos no mesmo estado A combustão é atingida com a 100 de ar teórico b 200 de ar teórico e c a quantidade quimicamente correta de oxigênio puro Em qual caso a quantidade de calor transferida será maior Explique 1556C Considere um processo de combustão completa durante o qual os reagentes entram na câmara de combustão a 20 C e os produtos saem a 700 C A combustão é atingida com a 100 de ar teórico b 200 de ar teórico e c a quantidade quimicamente correta de oxigênio puro Em qual caso a quantidade de calor transferida será menor Explique 1557 Combustível propano C3H8 é queimado com uma razão arcombustível de 25 em um forno aquecido à pressão atmosférica Determine a transferência de calor por quilograma de combustível queimado considerando que a temperatura dos produtos é tal que a água líquida só começa a se formar nos produtos ORIENTAÇÕES LEITURA DO CAPÍTULO 15 DO LIVRO TEXTO