Aula 11 - Prop das Subst Puras 2022 1

ZEA0466 - Termodinâmica PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS Profa Samantha C. Pinho Aulas 11 e 12 09/06 e 23/06 (D) 11/06 e 25/06 (N) Universidade de São Paulo Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos Departamento de Engenharia de Alimentos ZEA0361 - FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS 1º semestre - 2022 POR QUÊ????????? ENERGIA!!!!!! Qual a relação entre processos e energia? Fabricação A fórmula do êxito Cevada Malteada Armazenamento Silos Cevada malteada Moinho Hojuelas de maíz precocidas (sin moler) Panela de mistura Mistura Vapor Cubo de filtração Bagaco Água Tratada Panela de cozimento Extrato de Lúpulo Clarificação do mosto Rotapol Mosto Vapor Trub Decantador Resfriamento Recuperação de CO2 CO2 Ar Estéril Levedura Fermentação e maturação Tanque de cilindro cônico Filtro de Cerveja Cerveja Cerveja Cerveja pronta Tanque de pressão Engarrafamento Produção de cerveja TYPICAL TOMATO PASTE PROCESS FLOW Tomato Fruit Receiving Elevating Washing Sorting Crushing Pre-heating Peeling,pulping and refining Vacuum evaporating Sterilizing Tomato Paste in Aseptic Bag Aseptic filling Tomato Paste in Small Package Labeling, coding,casing Airdrying and conveying Post-pasteurizing Small packaging Produção de pasta de tomate COMO MEDIR OS GASTOS DE ENERGIA DE UM PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO? BALANÇOS DE ENERGIA START POR ONDE COMEÇAR? FASE: “é uma região homogênea que possui as mesmas propriedades físicas em todos os seus pontos e que é separada de outras regiões do sistema por meio de um fronteira” Quais características moleculares são típicas de cada fase? - Distância intermolecular - Velocidade molecular média https://cienciaemacao.com.br/o-que-e-uma-mudanca-de-estado-fisico-e- como-ela-ocorre/ Mudanças de fase: https://www.manualdaquimica.com/quimica-geral/diagrama-mudanca-estado-fisico.htm Qual o comportamento da temperatura ao longo do tempo? Água a 1 atm Líquido subresfriado T < Tvap Líquido saturado T = Tvap Líquido saturado T = Tvap Vapor saturado T = Tvap Vapor saturado T > Tvap Vapor superaquecido T T T T T T T T Analisando somente a vaporização/condensação: Conceito de SATURAÇÃO Como se pode representar as fases das substâncias puras? OPÇÃO 1: DIAGRAMAS Curva ELV (vaporização) Curva ESL (fusão) Diagrama P-T OU Diagrama de fases Onde se localizam a saturação, o superaquecimento e o subresfriamento? Curva ESV (sublimação) TC PC PC = pressão crítica TC = temperatura crítica TABLE 3–3 Triple-point temperatures and pressures of various substances Substance Formula Ttp, K Ptp, kPa Acetylene C2H2 192.4 120 Ammonia NH3 195.40 6.076 Argon A 83.81 68.9 Carbon (graphite) C 3900 10,100 Carbon dioxide CO2 216.55 517 Carbon monoxide CO 68.10 15.37 Deuterium D2 18.63 17.1 Ethane C2H6 89.89 8 x 10^-4 Ethylene C2H4 104.0 0.12 Helium 4 (λ point) He 2.19 5.1 Hydrogen H2 13.84 7.04 Hydrogen chloride HCl 158.96 13.9 Mercury Hg 234.2 1.65 x 10^-7 Methane CH4 90.68 11.7 Neon Ne 24.57 43.2 Nitric oxide NO 109.50 21.92 Nitrogen N2 63.18 12.6 Nitrous oxide N2O 182.34 87.85 Oxygen O2 54.36 0.152 Palladium Pd 1825 3.5 x 10^-3 Platinum Pt 2045 5.3 x 10^-3 Sulfur dioxide SO2 197.69 1.67 Titanium Ti 1941 0.61 Uranium hexafluoride UF6 337.17 151.7 Water H2O 273.16 0.61 Xenon Xe 161.3 81.5 Zinc Zn 692.65 0.065 Source: Data from National Bureau of Standards (U.S.) Circ., 500 (1952). Diagramas PV REGIÃO DE LÍQUIDO COMPRIMIDO Linha de líquido saturado REGIÃO DE LÍQUIDO-VAPOR SATURADOS Linha de vapor saturado REGIÃO DE VAPOR SUPERAQUECIDO Ponto crítico T2 = const. > T1 T1 = const. V (Volume específico) Adaptado de www.mhhe.com/smiththermo Isotermas são importantes!!!! Diagrama PV (CO2) Pressure (MPa) P = Pc v = vc T = 320 K Supercritical Fluid Liquid Liquid + Gas Gas Critical Point Tc = 304.1282 K T = 310 K T = 300 K T = 290 K Specific Volume (m3/kg) Diagrama T-V 40 MPa 10 MPa 1 MPa 0,1 MPa Ponto crítico Linha de líquido saturado Linha de vapor saturado V (Volume específico) T-v diagram for water Compressed Liquid Region Transcritical Region 22MPa Saturated Liquid Line Critical Point Saturated Vapor Line 10MPa Superheat Region 1MPa Quality Region 100kPa Temperature (deg C) Specific Volume (m3/kg) plot by java Isóbaras são importantes!!!! (ir para os slides de pressão de vapor!) Como se pode representar as fases das substâncias puras? OPÇÃO 2: TABELAS Lembrando: TIPOS DE SISTEMAS Fluxo energético Fluxo mássico Fluxo energético Fluxo mássico Fluxo energético Fluxo mássico Analisando a questão ENERGIA em um sistema qualquer.... Como podemos alterá-la? Energia potencial se transforma em energia cinética Novamente, a perda de energia potencial acelera o deslizamento de objeto Energia química (no carvão) Energia interna (água -> vapor) Força (expansão do vapor) -> trabalho Energia cinética O objeto acelera Desce Objeto acelera Trabalho adicionado ao objeto O peso sobe Este peso desce e perde energia, chamada de energia potencial Cilindro e pistão Peso O gás aquecido expande e empurra o peso para cima Adição de calor O que se pode falar sobre a ENERGIA em um sistema? Trabalho Calor Calor e trabalho são FLUXOS DE ENERGIA!!! Mas um sistema também CONTÉM diferentes formas de energia: Energia Interna (U): Essa energia é a responsável pela agitação de seus átomos ou moléculas e está diretamente associada à sua temperatura. É a soma das energias cinética e potencial das moléculas. ΔT > 0 ⇒ ΔU > 0 : a Energia interna aumenta ΔT < 0 ⇒ ΔU < 0 : a Energia interna diminui ΔT = 0 ⇒ ΔU = 0 : a Energia interna não varia Adicionar calor Agitar mais vigorosamente e remover o excesso de energia com água de resfriamento Cilindro e pistão Peso O gás aquecido expande e empurra o peso para cima Adição de calor Agitar vigorosamente equivale a adicionar trabalho mecânico Fria Morna Tabela B.1 — Propriedades termodinâmicas da água Tabela B.1.1 Água saturada: tabela em função da temperatura Volume específico (m³/kg) Energia interna (kJ/kg) Entalpia (kJ/kg) Entropia (kJ/kg K) Temp. °C Pressão kPa Líquido sat. Vapor sat. Líquido sat. Evap. Vapor sat. Líquido sat. Evap. Vapor sat. Líquido sat. Evap. Vapor sat. T P vf vg uf ufg ug hf hfg hg sf sfg sg 0,01 0,6113 0,001000 206,132 0 2375,33 2375,33 0,00 2501,35 2501,35 0,0000 9,1562 9,1562 5 0,8721 0,001000 147,118 20,97 2361,27 2382,24 20,09 2489,57 2510,64 0,0761 8,9496 9,0257 10 1,2276 0,001000 106,377 41,99 2347,16 2389,15 41,99 2477,75 2519,74 0,1510 8,7498 8,9007 15 1,7050 0,001000 77,927 62,98 2333,09 2396,04 62,98 2465,35 2528,91 0,2245 8,5569 8,7813 20 2,339 0,001002 57,7897 83,94 2318,98 2402,91 83,94 2454,12 2538,06 0,2966 8,3706 8,6671 25 3,169 0,001003 43,3593 104,86 2304,90 2409,76 104,87 2442,30 2547,17 0,3673 8,1905 8,5579 30 4,246 0,001004 32,8922 125,77 2290,81 2416,58 125,77 2430,48 2556,25 0,4369 8,0164 8,4533 Agora sim! Ainda não! Tabela B.1.2 Água saturada: tabela em função da pressão Volume específico (m³/kg) Energia interna (kJ/kg) Entalpia (kJ/kg) Entropia (kJ/kg K) Pressão kPa Temp. °C Líquido sat. Vapor sat. Líquido sat. Evap. Vapor sat. Líquido sat. Evap. Vapor sat. Líquido sat. Evap. Vapor sat. P T vf vg uf ufg ug hf hfg hg sf sfg sg 0,6113 0,01 0,001000 206,132 0 2375,3 2375,3 0,00 2501,30 2501,30 0,0000 9,1562 9,1562 1 6,98 0,001000 129,02082 29,29 2355,69 2384,98 29,29 2484,89 2514,18 0,1059 8,8697 8,9756 1,5 13,50 0,001001 87,98013 54,70 2338,63 2393,32 54,70 2470,59 2525,30 0,1956 8,6322 8,8278 2 17,50 0,001001 67,0385 73,47 2326,02 2399,48 73,47 2460,02 2533,49 0,2607 8,4629 8,7236 2,5 21,08 0,001002 54,2535 88,47 2315,94 2404,40 88,47 2451,56 2540,03 0,3120 8,3311 8,6431 3 24,08 0,001003 45,66502 101,03 2307,48 2408,51 101,03 2444,47 2545,50 0,3545 8,2231 8,5775 4 28,96 0,001004 34,80015 121,44 2293,74 2415,17 121,44 2432,93 2554,37 0,4226 8,0520 8,4746 5 32,88 0,001005 28,19251 137,79 2282,70 2420,49 137,79 2423,66 2561,45 0,4763 7,9187 8,3950 7,5 40,29 0,001009 19,3275 168,76 2261,74 2430,50 168,77 2406,02 2574,79 0,5763 7,6751 8,2514 10 45,81 0,001010 14,674355 191,79 2246,10 2437,89 191,81 2392,82 2584,63 0,6492 7,5010 8,1501 15 53,97 0,001014 10,02218 225,90 2222,83 2444,73 225,91 2373,14 2599,06 0,7548 7,2536 8,0084 20 60,06 0,001017 7,64937 251,35 2205,36 2456,71 251,35 2358,33 2609,70 0,8319 7,0766 7,9085 25 64,97 0,001020 6,20424 271,88 2191,21 2468,90 271,90 2346,29 2618,19 0,8930 6,9383 7,8313 30 69,10 0,001022 5,22918 289,18 2179,22 2476,18 289,18 2336,07 2625,28 0,9439 6,8274 7,7666 40 75,87 0,001026 3,99345 317,51 2159,49 2488,00 317,51 2319,19 2636,74 1,0528 6,6441 7,6970 50 81,33 0,001030 3,24034 340,47 2143,48 2495,85 340,47 2305,40 2645,87 1,0910 6,5029 7,5939 75 91,77 0,001037 2,21711 394,89 2112,39 2507,28 394,89 2278,59 2662,96 1,2129 6,2434 7,4563 Tabela B.1.3 Vapor d'água superaquecido T v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) P = 10 kPa (45,81) P = 50 kPa (81,33) P = 100 kPa (99,62) Sat. 14,67355 2437,89 2584,63 8,1501 3,24034 2483,85 2645,87 7,5939 1,69400 2506,06 2675,46 7,3593 50 14,86920 2443,87 2592,56 8,1749 - - - - - - - - 100 17,19561 2515,50 2687,46 8,4479 3,41833 2511,61 2682,52 7,6947 - - - - 150 19,51251 2587,86 2782,99 8,6881 3,88937 2585,61 2780,08 7,9400 1,93636 2582,75 2776,38 7,6133 200 21,82507 2661,27 2879,52 8,9037 4,35595 2659,85 2877,64 8,1579 2,17226 2658,05 2875,27 7,8342 250 24,13559 2735,95 2977,31 9,1002 4,82045 2734,97 2975,99 8,3555 2,40604 2733,73 2974,33 8,0332 300 26,44508 2812,06 3076,51 9,2812 5,28391 2811,33 3075,52 8,5372 2,63876 2810,41 3074,28 8,2157 400 31,06252 2968,89 3279,51 9,6076 6,20299 2968,43 3278,89 8,8641 3,10263 2967,85 3278,11 8,5434 500 35,67986 3132,26 3489,05 9,8977 7,13364 3131,94 3488,62 9,1545 3,56547 3131,54 3488,09 8,8341 600 40,29488 3302,45 3705,40 10,1608 8,05748 3302,22 3705,10 9,4177 4,02781 3301,94 3704,72 9,0975 700 44,91052 3479,63 3928,73 10,4028 8,98104 3479,45 3928,51 9,6599 4,48986 3479,24 3928,23 9,3398 800 49,52599 3663,84 4159,10 10,6281 9,90044 3663,70 4158,92 9,8852 4,95174 3663,53 4158,71 9,5652 900 54,14137 3855,03 4396,44 10,8395 10,82773 3854,91 4396,30 10,0967 5,41353 3854,77 4396,12 9,7767 1000 58,75669 4053,01 4640,58 11,0392 11,75097 4052,91 4640,46 10,2964 5,87526 4052,78 4640,31 9,9764 1100 63,37198 4257,47 4891,19 11,2287 12,67418 4257,37 4891,08 10,4858 6,33696 4257,25 4890,95 10,1658 1200 67,98724 4467,91 5147,78 11,4090 13,59737 4467,82 5147,69 10,6662 6,79863 4467,70 5147,56 10,3462 1300 72,60250 4683,68 5409,70 14,5810 14,52054 4683,58 5409,61 10,8382 7,26030 4683,47 5409,49 10,5182 Tabela B.1.4 Água líquida comprimida T °C v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) v (m³/kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) P = 500 kPa (151,86) P = 2000 kPa (212,42) P = 5000 kPa (263,99) Sat. 0,0009999 639,66 640,21 1,8606 0,001177 906,42 908,77 2,4473 0,001286 1147,78 1154,21 2,9201 0 - - - - 0,0009999 0,03 5,02 0,0001 - - - - 20 0,001002 83,91 84,41 0,2965 0,001001 83,82 85,82 0,2962 0,001000 83,64 88,64 0,2955 40 0,001008 167,47 167,98 0,5722 0,001007 167,29 169,30 0,5716 0,001006 166,93 171,95 0,5705 60 0,001017 251,00 251,51 0,8308 0,001015 250,73 252,77 0,8300 0,001015 250,21 255,28 0,8284 80 0,001029 334,73 335,24 1,0749 0,001028 334,48 336,44 1,0739 0,001027 333,69 338,83 1,0719 100 0,001043 418,80 419,32 1,3065 0,001043 418,36 420,45 1,3053 0,001041 417,50 422,71 1,3030 120 0,001060 503,37 503,90 1,5273 0,001059 503,08 504,96 1,5259 0,001058 501,79 507,07 1,5232 140 0,001080 588,66 589,20 1,7389 0,001079 588,02 590,18 1,7373 0,001077 586,74 592,13 1,7342 160 - - - - 0,001101 676,34 676,34 1,9410 0,001099 672,61 678,10 1,9374 180 - - - - 0,001127 763,71 763,71 2,1382 0,001124 759,62 765,24 2,1341 200 - - - - 0,001156 852,61 852,61 2,3301 0,001153 848,08 853,85 2,3254 220 - - - - - - - - 0,001187 938,43 944,36 2,5128 240 - - - - - - - - 0,001226 1031,34 1037,47 2,6978 260 - - - - - - - - 0,001275 1127,92 1134,30 2,8829