PQI 3103 Conservação de Massa e Energia 3103... · oxigênio para produzir os produtos...
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PQI 3103
Conservação de Massa e Energia
Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira
Centro de Engenharia de Sistemas Químicos
Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP
Edifício Semi-Industrial, bloco A, 3o andar
http://sites.usp.br/adox
http://www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3103_PQI
Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados
Research in Advanced Oxidation Processes
Aula 10 – Balanço de Energia
Parte 5
entalpia de reação ou “calor” de reação
0~
RH
s = 1, ..., S espécies químicas
S
s
ssR PTHPTH
1
),(~
),(~
→ reação exotérmica
0~
RH → reação endotérmica
s < 0 para reagentes
s > 0 para produtos
s = 0 para inertes ou não participantes
s está associado ao
coeficiente
estequiométrico da
espécie s na reação
exemplo 1
progresso da reação progresso da reação
en
talp
ia
en
talp
ia0
~ RH
reação exotérmica
0~
RH
reação endotérmica
exemplo 1
Lei de Hess
R1: C(s) + ½ O2 (g) → CO (g)
R2: CO (g) + ½ O2 (g) → CO2 (g)
R3: C (s) + O2 (g) → CO2 (g)
231
~~~RRR HHH
Germain Henri Hess
(1802-1850)
entalpia padrão de formação da substância s
estado padrão: 25 oC, 1 atm, fase
normal para a espécie s nestas
condições
0~
, sfH
convenção: para elementos na forma
alotrópica mais estável a 25 oC e 1 atm:
sfH ,
~
reação de formação da substância s: reação química (real ou
hipotética) para produzir 1 mol da substância s no estado
padrão a partir de seus elementos constituintes na forma
alotrópica mais estável no estado padrão
para muitas substâncias: valores tabelados de
sfH ,
~
25 oC e 1 atmexemplo 2
Castellan, G.W. Físico- Química.
Livros Técnicos e Científicos
Editora S. A., Rio de Janeiro,
1984. 490 p.
−57,02 kcal/mol
−238,9 kJ/mol
Reklaitis, G.V. Introduction to Material and Energy Balances. J. Wiley, New York, 1983.
vapor
para H2O líquida: −68,32 kcal/mol
−48,08 kcal/mol
−201,5 kJ/mol
vapor
Felder, R.M., Rousseau, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3rd. Ed. 2005.
sf
S
s
sR HH ,
1
~~
cálculo de a partir de entalpias-padrão de formaçãoRH
~
exemplo 3
Felder, R.M., Rousseau, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3rd. Ed. 2005.
correção da entalpia de reação
de modo geral:
),,(~
),,(~
),,(~
),,(~
1
ssss
S
s
s
RR
PTHPTH
PTHPTH
To, Po, o : condição padrão
correção da entalpia de reação
T
Tps
S
s
sRR dTTCPTHPTH
)(~
),,(~
),,(~
1
- se T≠Tº, P=Pº e s=sº :
- se T≠Tº, P=Pº e s ≠ sº :
T
PTvappssLV
PT
Tliqps
S
s
s
RR
b
b
dTTCPHdTTC
PTHPTH
)(,,
)(
,
1
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[
),,(~
),,(~
- se P≠Pº : efeitos muito pequenos sobre RH~
correção da entalpia de reação para
T≠Tº, P=Pº e s=sº
T
Tps
S
s
sRR dTTCTHTH
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)(~
1
T
Tps
S
s
sRR dTTCTHTH
)(~
)(~
)(~
1
T
TpRR dTTCTHTH
)(~
)(~
)(~
exemplo
calcular a entalpia da reação a seguir a 920 oC e 1 atm:
4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g)
mas: reação com as espécies nas condições padrão
(25 oC e 1 atm)
4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(l)
entalpia padrão de combustão
ou calor padrão de combustão
energia envolvida na combustão de uma substância com
oxigênio para produzir os produtos específicos (por exemplo,
CO2 (g), H2O (l), SO2 (g), N2 (g)), estando os reagentes e produtos
a 25 oC e 1 atm (estado arbitrário de referência convencional)
exemplo 4
Felder, R.M., Rousseau, R.W. Elementary Principles of Chemical Processes. 3rd. Ed. 2005.
medida do “calor” de combustão
Mello, H.G. Apostila de Laboratório de Química Tecnológica (PQI 3110). EPUSP, 2016.
cálculo de a partir de entalpias de combustão RH
~
sc
S
s
sR HH ,
1
~~
entalpia padrão de combustão
ou calor padrão de combustão
exemplo 5
exemplo 6
balanço de energia com reação(ões) química(s)
hipóteses simplificadoras
- operação do sistema no estado estacionário;
- variações de energia cinética e de energia potencial desprezíveis;
- entalpia considerada função somente da temperatura;
- efeitos da pressão sobre a entalpia admitidos nulos ou desprezíveis.
balanço de energia com reações químicas
sistema aberto, estado estacionário
sistema aberto, estado estacionário,
EP e EK desprezíveis
j = 1, ..., J correntes de entrada
k = 1, ..., K correntes de saída
s = 1, ..., S espécies químicas
s
S
s
J
j
jsjs
K
k
ksks WQHFHF 1 1
,,
1
,, ]~~
[
01
,
1
,
1
,
Q
q
qqs
K
k
ks
J
j
js rFF
balanço molar com reações químicas
sistema aberto, estado estacionário
j = 1, ..., J correntes de entrada
k = 1, ..., K correntes de saída
s = 1, ..., S espécies químicas
q = 1, ..., Q reações
balanço de energia com reações químicas
sistema aberto, estado estacionário
0~~~~~
1 1
,,,,,,,,
S
s
s
Q
q
refqRq
j k
refsksksrefsjsjs WQHrHHFHHF
j = 1, ..., J correntes de entrada
k = 1, ..., K correntes de saída
s = 1, ..., S espécies químicas
q = 1, ..., Q reações
refsH ,
~ entalpia em
uma condição
de referência
balanço de energia com reações químicas
sistema aberto, estado estacionário
j = 1, ..., J correntes de entrada
k = 1, ..., K correntes de saída
s = 1, ..., S espécies químicas
q = 1, ..., Q reações
)(~~
, refsrefs THH entalpia em uma
temperatura
de referência
0)(~
)(~
)(~
)(~
)(~
1 1
,,,
S
s
s
Q
q
refqRq
j k
refsksksrefsjsjs WQTHrTHTHFTHTHF
)(~~
THH ss de caso no
0~~~~~
1 1
,,,,,,,,
S
s
s
Q
q
refqRq
j k
refsksksrefsjsjs WQHrHHFHHF
exercício 1
reator
1 2
90% C2H5OH (g)
10% CH3CHO (g)
150 mol/s, 300 oC
253 oC
2440 kW
C2H5OH (g) → CH3CHO (g) + H2 (g)
X C2H5OH = ?
C2H5OH (g)
CH3CHO (g)
H2 (g)
0)(~
)(~
)(~
)(~
)(~
1 1
,,,
S
s
s
Q
q
refqRq
j k
refsksksrefsjsjs WQTHrTHTHFTHTHF