Termodinâmica básica

Departamento de Engenharia Química Centro de Tecnologia e Geociências

Termodinâmica Básica
Notas de Aula
Versão 0.4.2 MEQ-901 – Termodinâmica – Parte I Prof. Luiz Stragevitch E-mail: Luiz@ufpe.br

Recife, PE, Brasil Março de 2007

ii

Prefácio
Neste documento são apresentadas as notas de aula da disciplina MEQ-901 – Termodinâmica, do curso de Mestrado em Engenharia Química,Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Pernambuco. As notas de aula correspondem à parte I, Termodinâmica Básica, e reproduzem o conteúdo apresentado nas aulas sob a forma de transparências e material suplementar necessário para o curso. Este material deve ser usado como uma referência apenas. Sob hipótese alguma poderá ser usado como a única fonte de estudo no curso.

iii

ÍndicePrefácio Índice 1. Introdução 1.1. Motivação 1.2. Método Cient ífico 1.3. Termodinâmica como Ferramenta em Engenharia Química 1.4. Metodologia da Termodinâmica Aplicada 1.5. Problemas Resolvidos com o Auxílio da Termodinâmica Aplicada 2. Descrição e Caracterização de Sistemas Físicos 2.1. Conceitos Básicos 2.2. Conceito de Equilíbrio 2.3. Descrição do Estado de Equilíbrio 3. Conservação deMatéria e de Energia 3.1. Equação Geral de Balanço 3.2. Conservação da Matéria 3.3. Conservação da Energia 3.4. Propriedades Termodinâmicas da Matéria 3.5. Aplicação das Equações de Balanço 3.6. Conservação de Momentum 4. Entropia 4.1. Conceito de Entropia 4.2. Balanço de Entropia 4.3. Geração de Entropia 4.4. Conceito de Reversibilidade 4.5. Quantidades Máxima e Mínima de Trabalho 4.6. DissipaçãoViscosa 4.7. Equação Fundamental da Termodinâmica 4.8. Aplicação do Balanço de Entropia 5. Propriedades Termodinâmicas 5.1. Definições 5.2. Funções, Identidades, Relações e Equações de Estado Termodinâmicas 5.3. Propriedades Termodinâmicas a partir de Dados PVT e de Capacidade Calorífica 6. Equilíbrio e Estabilidade em Sistemas de Um Componente 6.1. Critérios de Equilíbrio 6.2. Estabilidade Intrínsecaem Sistemas Monofásicos 6.3. Estabilidade Mútua entre Fases 6.4. Fugacidade de um Componente Puro 6.5. Regra das Fases de Gibbs 6.6. Transições de Fase Referências ii iii 1 1 2 3 3 4 4 4 6 7 8 8 9 9 11 13 14 15 15 16 17 19 20 21 22 23 25 25 26 31 36 36 40 43 44 49 50 54

1

1. Introdução
1.1. Motivação
A Termodinâmica fornece as ferramentas necessárias para que o engenheiro químico possaefetuar a transformação e utilização econômica dos materiais. Por exemplo: Termodinâmica Aplicada ao equilíbrio de fases em cálculos de processos. As propriedades do equilíbrio são necessárias para o projeto, simulação e otimização de processos de separação por contato entre fases.
Produtos

Prima

(*) Reagentes não Consumidos

Reação

Matéria

Reagentes

Produtos

(*)

PurificaçãoPreparação

Sub Produtos

Resíduo

Resíduo

(*)

Tratamento Resíduo Tratado

Figura 1.1-1. Representação esquemática de uma planta química. (*) Processos de separação.

Em uma planta química de grande porte, 50% ou mais do investimento está em equipamentos de separação.
Tabela 1.1-1. Unidades de separação em processos químicos.

Processo TCC (Gasolina) HidrocarbonetosAromáticos (a partir do carvão) Etileno Butadieno Detergentes Acrilonitrila Metanol Desidrogenação Catalítica

No de Reatores 2 2 4 4 3 3 2 3

No de Unidades de Separação 5 10 8 15 3 11 4 7

2

Além do número de unidades de separação superar de longe o número de reatores, cada uma das unidades de separação pode ter mais de um equipamento de separação.
Tabela 1.1-2. Processos de separação porcontato entre fases.

Processo Flash Destilação Evaporação Arraste Absorção Extração LL† Extração SC‡ Adsorção Cristalização Lixiviação Secagem
† ‡

Alimentação§ L L e/ou V L L G L L+G L ou G L S S úmido

Agente de Separação Redução de pressão Energia térmica Energia térmica Gás supercrítico Líquido não volátil Líquido imiscível Energia térmica Adsorvente sólido Energia térmica Solvente...