Balanços de Massa e Energia e Termodinâmica Aplicada
Núcleo conceitual
O balanço material em regime permanente para um volume de controle é Σentradas − Σsaídas + geração − consumo = 0. Em regime transiente, acrescenta-se o termo de acúmulo dM/dt. O balanço de energia em sistema aberto inclui entalpia, energia cinética e potencial e calor/trabalho: Q − W = Σ saídas m(h + v²/2 + gz) − Σ entradas m(h + v²/2 + gz).
Conceitos exigidos
- Grau de liberdade: nº de incógnitas − nº de equações independentes; se zero, sistema solúvel.
- Base de cálculo, reciclo, purga e by-pass.
- Conversão, seletividade e rendimento.
- Primeira e segunda leis, entalpia, entropia, exergia, coeficiente de Joule-Thomson.
- Equilíbrio de fases: Lei de Raoult, volatilidade relativa, diagramas T-xy.
Armadilhas típicas
- Esquecer o termo de acúmulo em tanques e partidas.
- Usar vazão mássica e molar indiscriminadamente.
- Ignorar a purga: sem ela, inertes acumulam em reciclo.
- Aplicar Lei de Raoult em pressões altas (necessário coeficiente de fugacidade).
- Confundir entalpia com energia interna em processos a pressão constante.
Regra de ouro e exemplo
Regra: sempre escreva o balanço por componente e verifique o balanço global como teste.
Exemplo: uma coluna recebe 100 kmol/h de mistura 40% A e 60% B; o destilado tem 90% A e o fundo 5% A. Balanço global: D + F = 100. Balanço de A: 0,90D + 0,05F = 40. Substituindo F = 100 − D: 0,90D + 5 − 0,05D = 40 → 0,85D = 35 → D ≈ 41,2 kmol/h e F ≈ 58,8 kmol/h. Verifique o balanço de B: 0,10(41,2) + 0,95(58,8) ≈ 4,1 + 55,9 = 60 ✓.