Aula Transferência de Calor

EQE 476 – Transferência de Massa Prof. Cristiano Borges Escola de Química - UFRJ Novembro / 2022 INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Previsão da transferência de energia que ocorre entre corpos devido a diferença de temperatura Transferência de Massa: Previsão da transferência de massa que ocorre entre regiões devido a diferença de potencial químico EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Condução: Energia térmica é transferida por colisão entre moléculas vizinhas. EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Condução: Energia térmica é transferida por colisão entre moléculas vizinhas. Sólido Líquido Gás EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Condução: Energia térmica é transferida por colisão entre moléculas vizinhas. k – Condutividade térmica do material (Fourier) EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Convecção: Energia térmica é transferida pelo movimento de fluidos. Natural: diferença na densidade Forçada: movimento por energia mecânica EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Convecção: Energia térmica é transferida pelo movimento de fluidos. h – coeficiente convectivo de T.C. EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Radiação: Energia térmica é transferida por ondas eletromagnéticas. Todo corpo com temperatura > 0 K emite Energia Quantidade de energia depende da T e da área do corpo EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Radiação: Energia térmica é transferida por ondas eletromagnéticas. Todo corpo com temperatura > 0 K emite Energia Quantidade de energia depende da T e das propriedade do corpo EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Radiação: Energia térmica é transferida por ondas eletromagnéticas. Todo corpo com temperatura > 0 K emite Energia Quantidade de energia depende da T e das propriedade do corpo EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Radiação: Energia térmica é transferida por ondas eletromagnéticas. Todo corpo com temperatura > 0 K emite Energia Quantidade de energia depende da T e das propriedade do corpo EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação Radiação: Energia térmica é transferida por ondas eletromagnéticas. Diferença de T ➔ Radiação Térmica (corpo negro) s - Constante de Stefan-Boltzmann EQE 476 – Transferência de Massa INTRODUÇÃO Transferência de Calor: Condução, Convecção e Radiação EQE 476 – Transferência de Massa Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Termodinâmica: determina a quantidade de energia (calor) para um sistema ir a outro estado de equilíbrio Transferência de calor: processo fora do equilíbrio (gradiente de T) extensão da termodinâmica Primeira lei: DEtot = Q – W (conservação de energia) DEtot Sistema fechado Etot= U + K + P EQE 476 – Transferência de Massa Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Termodinâmica: determina a quantidade de energia (calor) para um sistema ir a outro estado de equilíbrio Transferência de calor: processo fora do equilíbrio (gradiente de T) extensão da termodinâmica Primeira lei: DEtot = Q – W (conservação de energia) Sistema aberto: balanço em um elemento de volume fluxo mássico → transferência de energia (advecção) EQE 476 – Transferência de Massa Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Primeira lei: DEtot = Q – W (conservação de energia) Sistema aberto: O aumento da energia térmica e mecânica total em um elemento de volume é a quantidade de energia que entra menos a que sai deste elemento, mais a energia térmica e mecânica que é gerada (positiva/negativa) no elemento no intervalo de tempo considerado. EQE 476 – Transferência de Massa Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Primeira lei: DEtot = Q – W (conservação de energia) Energia mecânica: cinética (1/2 m.U2) + potencial (m.g.z) Energia interna: sensível + latente + química + nuclear térmica DE = cinética + potencial + sensível + latente DE ≅ sensível EQE 476 – Transferência de Massa Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Primeira lei: DEtot = Q – W (conservação de energia) Geração de Energia: conversão de Energia interna (química, elétrica, eletromagnética ou nuclear) em Energia térmica Entrada/Saída: dm dt (Et +U 2 2 + gz) Et – energia térmica por unidade de massa EQE 476 – Transferência de Massa Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Regime estabelecido dm dt (Et + pv+U 2 2 +gz)entra - dm dt (Et + pv+U 2 2 +gz)sai +Q-W = 0 Entalpia: Et + pv → gás ideal: Hentra- Hsai= cp(Tentra- Tsaida) (Et + pn + U2/2 + gz)entra (Et + pn + U2/2 + gz)sai EQE 476 – Transferência de Massa v – volume específico pv – trabalho escoamento Transferência de Calor: Relação com termodinâmica Regime estabelecido # variação na energia latente pequena e sem geração q =(dm/dt).cp.(Tentra – Tsaida) (Et + pn + U2/2 + gz)entra (Et + pn + U2/2 + gz)sai EQE 476 – Transferência de Massa Balanço de energia em superfícies Conservação da energia na superfície de um meio (regime estab. e transiente): (dE/dt)entra- (dE/dt)sai= 0 Na figura: Por unidade de área EQE 476 – Transferência de Massa EQE 476 – Transferência de Massa # Gradiente de temperatura: • ocasiona movimento molecular • ocasiona movimento do fluido (“bulk”) • influencia equilíbrio de fase e taxas de reação x y T E N x y T N x y T E N E evaporação secagem condensação TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR DT d E N Transporte → D H Mistura: EQE 476 – Transferência de Massa H i Entalpia parcial molar i puro Dxi • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR DT d E N H 0 To T gás líquido DHv Transporte → D H Gás: H = cp g (T – To) + DHv Líquido: H = cp l (T – To) EQE 476 – Transferência de Massa Dxi • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR EQE 476 – Transferência de Massa Reações químicas: N2 + 3H2 → 2 NH3 CpN2 = CpH2 = 29 J/mol.K CpNH3 = 41 J/mol.K H (J/mol) T (K) 298 DHref reação DH reação Hreagentes = (1 2 CpN2 + 3 2 CpH2 ).(T -Treferencia) H NH3 = DHref reação +CpNH3.(T -Treferencia) • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR EQE 476 – Transferência de Massa • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR Relação de Maxwell – Stefan EQE 476 – Transferência de Massa pequeno DT E N d Fluxo de energia através do filme: - Condução - Entalpia transportada pelo fluxo mássico - Movimento térmico (≈ 0) Dxi • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR Relação de Maxwell – Stefan EQE 476 – Transferência de Massa pequeno Força resistindo ao movimento Força motriz Fi = - dmi dz æ èç ö ø÷ T = - RT xi dxi dz = - RT xi Dxi d • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR EQE 476 – Transferência de Massa DT E N d Dxi l - condutividade térmica condução Acoplamento massa/energia • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR EQE 476 – Transferência de Massa DT E N d Dxi h – Coef. Transf. calor Líquidos: h ≈ 1000 W/m2.K Gases: h ≈ 10 W/m2.K condução Acoplamento massa/energia Temperatura média • TRANSFERÊNCIA DE MASSA E CALOR EQE 476 – Transferência de Massa DT E N d1 Dxi Dois filmes (duas fases) E E’ E = E’ Continuidade do fluxo térmico (condição de amarração) d2