Preparação para o exame FE Chemical: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 24 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Balanço de massa

Regime permanente
entrada = saída
Balanço total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balanço por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balanço de energia

Calor sensível
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mistura
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Água
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Lei dos gases ideais

Lei dos gases ideais
pV = nRT
Constante dos gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Lei geral dos gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mols
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometria

Mols
n = m/M
Concentração
c = n/V
Razão molar
use os coeficientes da equação balanceada
Reagente limitante
o que acaba primeiro
Rendimento percentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escreva e balanceie a equação química.
  2. Converta a massa dada em moles: n = m/M.
  3. Use os coeficientes como razão molar para encontrar os mols da substância desejada.
  4. Converta de volta para massa com m = n·M. Com dois reagentes, encontre primeiro o reagente limitante.

Equilíbrio químico

Constante de equilíbrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabela ICE
Inicial, Variação (×coeficiente), Equilíbrio
Equação do segundo grau
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escreva Kc com os produtos sobre os reagentes, cada um elevado ao seu coeficiente.
  2. Monte uma tabela ICE: Inicial, Variação (em passos de x vezes os coeficientes), Equilíbrio.
  3. Coloque as expressões de equilíbrio em Kc e resolva para x.
  4. Verifique se x é pequeno o bastante para uma aproximação; caso contrário, resolva a equação do segundo grau.

Calorimetria e entalpia

Calor
q = m·c·ΔT
Água
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor recebido
Entalpia de reação
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primeira ordem
ln(CA/CA0) = −kt
Meia-vida (primeira ordem)
t½ = ln 2/k
Segunda ordem
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Duas temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Tempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primeira ordem
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primeira ordem
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversão a partir do volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTRs iguais em série
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Trocadores de calor (LMTD)

Carga térmica
Q = U·A·ΔTlm
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balanço de uma corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Condução de calor

Lei de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistência de condução
R = L/(kA)
Resistência de convecção
R = 1/(hA)
Resistências em série
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitância U
U = 1/(ΣR·A)

Atrito em tubulações e perda de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime de escoamento
laminar abaixo de Re ≈ 2000, turbulento acima de Re ≈ 4000
Velocidade média
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, saída 1,0, curva de 90° ≈ 0,3
Queda de pressão
Δp = ρ·g·hf
Dois reservatórios abertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Saída livre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas e potência de bombas

Potência hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potência no eixo
Pshaft = Ph/ηpump
Potência elétrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura manométrica da bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdas do sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercícios

1.Balanço de massaMédia
MisturadorCorrente 1950 kg/h · 10% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% NaOHProduto15% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 15% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 10 %x2 = 40 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3300 kg/h · 5% açúcarProduto PP = ? · 55%Vapor W (água pura)0% açúcar

Um evaporador concentra uma solução de açúcar evaporando água pura. Encontre a vazão de produto P em kg/h.

F = 3300 kg/hxF = 5 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 170 °C110 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

etanol quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água tout.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C70 °Cágua · 15 °C30 °C · ṁ = ?10% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 15 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
440 g de HeV = 50 LT = 45 °CP = ?

Um tanque de 50 L contém 440 g de He a 45 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 440 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de CO₂ passa de 100 kPa, 20 L, 10 °C para 300 kPa e 150 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 10 °CP2 = 300 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

30 g de Na e 24 g de Cl2 reagem segundo 2Na + Cl2 → 2NaCl. Que massa m de NaCl se pode formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CO2​)

Na reação CaCO3 → CaO + CO2, 4 g de CaCO3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 1,49 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 1,49 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L de H₂ e 0,8 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 49. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,02 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 75 gT = 180 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 75 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 180 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 300 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g CH4​CH4​ + 2O₂reagentesCO₂ + 2H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) queimam completamente: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)C (mol/L)10 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,05 L/(mol·min) e começa em 2 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 10 min.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,00540 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,005 min⁻¹ a 30 °C e energia de ativação de 50 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 40 °C.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 40 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 20 L/minX = 60%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,25 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 20 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 60% de conversão de A.

Q = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 400 LV = 400 LQ = 40 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 400 L. A vazão de alimentação é 40 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 400 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT135 °C70 °C70 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 230 kW. Sua área de troca térmica é 25 m². O fluido quente esfria de 135 para 70 °C e o fluido frio aquece de 25 para 70 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 230 kWA = 25 m²Th: 135 → 70 °CTc: 25 → 70 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT90 °C55 °C25 °C?ΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Em um trocador de calor de tubo duplo de correntes paralelas, óleo quente (0,2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 90 para 55 °C. Água (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 25 °C. O tubo interno tem diâmetro de 50 mm, e U = 300 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 90 → 55 °Cṁc = 0,5 kg/sTc,in = 25 °CD = 50 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
19.Condução de calorMédia
Poliestireno expandido, k = 0,035250 mmTijolo, k = 0,7275 mm16 °C2 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 250 mm de poliestireno expandido e 75 mm de tijolo, com área de 4 m². As faces externas estão a 16 °C e 2 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 16 °CT3 = 2 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Madeira, k = 0,17200 mmLã mineral, k = 0,04150 mmambiente 21 °Cexterior -1 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 200 mm madeira e 150 mm lã mineral separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -1 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -1 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,4 m/sD = 250 mmL = 100 mf = 0,022

Água escoa com velocidade média de 2,4 m/s em uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

V = 2,4 m/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10saída livreH = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0252× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,025) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 10). Use g = 9,81 m/s². A que altura H a superfície do reservatório deve estar acima da saída da tubulação para uma vazão de 25 L/s?

Q = 25 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 10 L/sH = 72 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 10 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 72 m enquanto seu eixo absorve 11,8 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 10 L/sH = 72 mPshaft = 11,8 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 10 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Uma bomba transporta 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 10 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 65%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 60 L/sΔz = 10 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 8η = 65%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 190 kg/h

Balanço de massa em regime permanente: entrada = saída para o total e para cada componente. Problemas de mistura combinam os dois.

Balanços

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 950·(10 − 15)/(15 − 40) = 190 kg/h

Resposta

ṁ2 = 190 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 300 kg/h

Componente de amarração: um componente que passa inalterado em uma só corrente (aqui o soluto) liga as vazões diretamente. Depois o balanço total dá o resto.

Balanço do soluto

F·xF = P·xP → P = 3300·5/55 = 300 kg/h

Resposta

P = 300 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 102,6 °C

Balanço de energia do trocador: sem perdas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,44·(170 − 110) = 366 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 366/(1·4,18) = 102,6 °C

Resposta

tout = 102,6 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 9,301 kg/s

Balanço de energia com perdas: calor liberado = calor absorvido + calor perdido.

Calor liberado

Qh = 2·3,6·(160 − 70) = 648 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·648 = 583,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 583,2/(4,18·15) = 9,301 kg/s

Resposta

ṁc = 9,301 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 5815 kPa

Lei dos gases ideais: PV = nRT, com n = m/M.

Mols

n = m/M = 440/4,003 = 109,9 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Pressão

P = nRT/V = 109,9·8,314·318,1/0,05 = 5815 kPa

Resposta

P = 5815 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 9,963 L

Lei geral dos gases: para uma quantidade fixa de gás ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperaturas absolutas

T1 = 283,1 K, T2 = 423,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/300)·(423,1/283,1) = 9,963 L

Resposta

V2 = 9,963 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 39,56 g

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Moles de cada reagente

n(Na) = 30/22,99 = 1,305 mol
n(Cl2) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Reagente limitante

1,305/2 = 0,6525, 0,3385/1 = 0,3385 → Cl2

Massa de produto

n(NaCl) = 0,3385·2 = 0,677 mol
m = 0,677·58,44 = 39,56 g

Resposta

m = 39,56 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 84,72 %

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Rendimento teórico

n(CaCO3) = 4/100,09 = 0,03996 mol
m = 0,03996·1/1·44,01 = 1,759 g

Rendimento percentual

Y = 1,49/1,759·100 = 84,72%

Resposta

Y = 84,72%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,1778 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

49 = (2x)²/(0,8 − x)²

Tire a raiz quadrada

7 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7/(2 + 7) = 0,6222 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,8 − x = 0,1778 mol/L

Resposta

[H2] = 0,1778 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 1,337 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

0,02 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,03 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,03))/2 = 0,1635 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,1635 = 1,337 mol/L

Resposta

[PCl5] = 1,337 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 20,7 °C

Calor e entalpia: aquecer uma substância exige q = m·c·ΔT. Em um calorímetro, o calor cedido pelo corpo quente é igual ao calor recebido pelo frio. A variação de entalpia de uma reação vem das entalpias de formação: ΔH° = ΣΔH°f(produtos) − ΣΔH°f(reagentes), cada uma multiplicada pelo seu coeficiente.

Balanço de calor

75·0,388·(180 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 17)

Isole a temperatura final

Tf = (29,1·180 + 1254·17)/(29,1 + 1254) = 20,7 °C

Resposta

Tf = 20,7 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 1110 kJ

Calor e entalpia: aquecer uma substância exige q = m·c·ΔT. Em um calorímetro, o calor cedido pelo corpo quente é igual ao calor recebido pelo frio. A variação de entalpia de uma reação vem das entalpias de formação: ΔH° = ΣΔH°f(produtos) − ΣΔH°f(reagentes), cada uma multiplicada pelo seu coeficiente.

Entalpia de reação

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Calor para a massa dada

n = 20/16,04 = 1,247 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,247·890,3 = 1110 kJ

Resposta

q = 1110 kJ
13.Cinética química

Resposta: CA = 1 mol/L

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Lei integrada de segunda ordem

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,05·10 = 1 L/mol
CA = 1/1 = 1 mol/L

Resposta

CA = 1 mol/L
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,009421 min⁻¹

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 313,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(50000/8,314)·(1/313,1 − 1/303,1) = 0,6335
k2 = 0,005·e0,6335 = 0,009421 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,009421 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 73,3 L

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = ln(1/(1 − 0,6))/0,25 = 0,9163/0,25 = 3,665 min

Volume

V = Q·τ = 20·3,665 = 73,3 L

Resposta

V = 73,3 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 69,14 %

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = V/Q = 400/40 = 10 min, kτ = 0,08·10 = 0,8

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,8) = 0,5556
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3086
X = 1 − 0,3086 = 69,14%

Resposta

X = 69,14%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: U = 169,2 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Diferenças de temperatura nas extremidades

Em contracorrente a entrada quente fica de frente para a saída fria, e a saída quente de frente para a entrada fria.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 70 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 25 = 45 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 45)/ln(65/45) = 54,39 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 230000/(25·54,39) = 169,2 W/(m²·K)

Resposta

U = 169,2 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: L = 7,721 m

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Carga térmica e temperatura de saída da água

Q̇ = 0,2·2,1·(90 − 55) = 14,7 kW
Tc,out = 25 + 14,7/(0,5·4,18) = 32,03 °C

Diferenças de temperatura nas extremidades

Em correntes paralelas as duas entradas ficam na mesma extremidade, e as duas saídas na outra.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 90 − 25 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 55 − 32,03 = 22,97 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 22,97)/ln(65/22,97) = 40,4 K

Área e comprimento

A = 14700/(300·40,4) = 1,213 m²
L = A/(πD) = 1,213/(π·0,05) = 7,721 m

Resposta

L = 7,721 m
19.Condução de calor

Resposta: Ti = 2,201 °C

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,035·4) = 1,786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·4) = 0,02604 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/1,812 = 7,727 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 7,727·1,786 = 2,201 °C

Resposta

Ti = 2,201 °C
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 20,57 °C

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·6) = 0,1961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,04·6) = 0,625 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,8461 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-1))/0,8461 = 26 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 26·0,01667 = 20,57 °C

Resposta

Ts = 20,57 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 2,583 m

Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.

Carga cinética

V²/(2g) = 2,4²/(2·9,81) = 0,2936 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(100/0,25)·2,4²/(2·9,81) = 2,583 m

Resposta

hf = 2,583 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 3,785 m

Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.

Velocidade

V = Q/A = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,025·150/0,15 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 = 11,1

Equação da energia

O jato na saída ainda carrega sua carga cinética; ela não é uma perda, mas precisa ser fornecida.

H = (1 + 25 + 11,1)·0,102 = 3,785 m

Resposta

H = 3,785 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 59,86 %

Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.

Potência hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,01·72 = 7,063 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 7,063/11,8 = 59,86%

Resposta

η = 59,86%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 10,82 kW

Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.

Velocidade

V = Q/A = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (17,6 + 8)·0,07615 = 1,949 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 10 + 1,949 = 11,95 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·11,95/0,65 = 10,82 kW

Resposta

Pshaft = 10,82 kW

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