![Page 1: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/1.jpg)
Fenômenos de Transporte III
Prof. Dr. Gilberto Garcia Cortez
1
Aula 2
![Page 2: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/2.jpg)
Determinação do coeficiente de difusão
A primeira lei de Fick associa o coeficiente de difusão ao inverso da
resistência a ser vencida pelo soluto e que é governada pela
interação soluto/meio.
O coeficiente de difusão é função da temperatura e da pressão e a
mobilidade do soluto é influenciada por T e P do sistema. Essa
mobilidade é também dificultada pelo tamanho das moléculas:
1 motrizforça
transporteaoaresistêncimatériadamovimento
Portanto, o coeficiente de difusão é definido como a mobilidade do
soluto no meio governada pela interação soluto/meio.
![Page 3: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/3.jpg)
DIFUSÃO EM FASE GASOSA
1- Correlação para estimativa do coeficiente de difusão para
gases apolares
a) A equação de Chapman-Enskog
M
1
M
1
ΩPσ
T1,858x10D
BAD
2
AB
2
3
3
AB
DAB = coeficiente de difusão da espécie A na espécie B em cm2/s
MA e MB = massas moleculares das substâncias gasosas A e B.
P = pressão total em atm
i = diâmetro de colisão (Å) (i = A ou B)
AB = distância limite (Å)
T = temperatura em Kelvin
= integral de colisão (adimensional)
![Page 4: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/4.jpg)
Definições:
AB = É uma distância limite de colisão entre as moléculas
A e B, ou seja, quando uma molécula B em movimento vindo
ao encontro de uma molécula A parada, a molécula B
chegará a uma distância limite, na qual é repelida pela
primeira, conforme a figura abaixo.
B
AB
A
Moléculas detém cargas elétricas, que acarretam forças
atrativas/repulsivas entre o par soluto/solvente.
![Page 5: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/5.jpg)
V.18,1 , 2
3
1
b
iBA
AB
i = É um diâmetro característico da espécie química i (A ou B)
e diferente do seu diâmetro molecular ou atômico. É definido
como sendo o diâmetro de colisão.
Vb = Volume molar (cm3/gmol)
Tc = Temperatura crítica (K)
Pc = Pressão crítica (atm)
Vc = Volume crítico (cm3/gmol)
w = Fator acêntrico (adimensional)
Grupos i = i/k =
Condições à Tb 1,18Vb1/3 1,15Tb
Condições à Tc 0,84Vc1/3 0,77Tc
Fator acêntrico (2,3551 – 0,087w)(Tc/Pc)1/3 (0,7915 + 0,1693w)Tc
Referência: M.A. Cremasco, Tabela 1.2 a,b
![Page 6: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/6.jpg)
![Page 7: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/7.jpg)
![Page 8: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/8.jpg)
= Este parâmetro é conhecido como integral de colisão e está associada à
energia máxima de atração entre as moléculas A e B e é função da
temperatura. Este parâmetro expressa a dependência do diâmetro de
colisão com a temperatura, da qual é inversamente proporcional.
H.Texp
G
F.Texp
E
D.Texp
C
T
AΩ
BD
ε
k.TT
AB
(Temperatura reduzida)
A = 1,06036 E = 1,03587
B = 0,15610 F = 1,52996
C = 0,1930 G = 1,76474
D = 0,47635 H = 3,89411
![Page 9: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/9.jpg)
T.15,1 k
ε
b
i ( i = A ou B )
Tb = temperatura normal de ebulição em Kelvin
k = constante de Boltzmann
AB = Este parâmetro representa a energia máxima de atração
entre duas moléculas
k
ε
k
ε
k
ε BAAB
![Page 10: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/10.jpg)
b ) A equação de Wilke e Lee (moléculas apolares e não reagentes)
M
1
M
1
ΩPσ
Tbx10 D
BAD
2
AB
2
3
3
AB
M
1
M
1
2
12,17b
2
1
BA
A substituição do valor de b de Wilke e Lee fornece uma correlação para
a estimativa do coeficiente de difusão em gases para a situação em que
pelo menos uma das espécies da mistura apresente massa molecular
superior a 45 g/gmol (Papes Filho et al., 1995).
![Page 11: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/11.jpg)
Exercício 01: Determine o coeficiente de difusão do H2 em N2 a 15C e 1
atm. Compare o valor obtido com o valor experimental DAB = 0,743 cm2/s,
utilizando a equação de Chapman e Enskog e a equação de Wilke e Lee.
Dados da Tabela 1.2a, pg. 50 (M.A. Cremasco).
Espécies Mi ( g/mol ) Vb (cm3/gmol) Tb ( K ) p (debyes)
H2 ( A ) 2,016 14,3 20,4 0
N2 ( B ) 28,013 31,2 77,4 0
Solução:
De posse dos valores presentes na tabela anterior e tendo como base as
equações para moléculas apolares, temos:
1,18.Vσ , 2
σσσ 3/1
biBA
AB
![Page 12: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/12.jpg)
A
A
01/33/1
bB
01/33/1
bA
3,715 )1,18x(31,2 1,18.Vσ
2,864 )1,18x(14,3 1,18.Vσ
2
3,715 2,864
2
σσσ BA
AB
A 3,289 σ 0
AB
K 89,01 1,15(77,4) 1,15.T k
ε
K 23,46 1,15(20,4) 1,15.T k
ε
k
ε.
k
ε
k
ε
bB
bA
BAAB
,01)(23,46)(89 k
ε.
k
ε
k
εBAAB K 45,70
k
ε AB
![Page 13: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/13.jpg)
45,70
273,15) (15
ε
k.TT
AB
6,305 T
A = 1,06036 E = 1,03587
B = 0,15610 F = 1,52996
C = 0,1930 G = 1,76474
D = 0,47635 H = 3,89411
)305,6)(8941,3(exp
1,76474
)305,6)(52996,1(exp
1,03587
)305,6)(47635,0(exp
0,1930
)305,6(
1,06036Ω
H.Texp
G
F.Texp
E
D.Texp
C
T
AΩ
15610,0D
BD
0,8052 Ω D
![Page 14: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/14.jpg)
Utilizando a equação de Chapman e Enskog, temos:
28,013
1
2,016
1
(0,8052)(1)(3,289)
(288,15)1,858x10D
M
1
M
1
ΩPσ
T1,858x10D
2
2
3
3
AB
BAD
2
AB
2
3
3
AB
/scm 0,761 D 2
AB
x100%0,743
0,743) (0,761 D.R
x100%alexperiment
al)experiment (calculado D.R
2,42% D.R
![Page 15: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/15.jpg)
Utilizando a equação de Wilke e Lee, temos:
1,805 b
28,013
1
2,016
1
2
1 2,17 b
M
1
M
1
2
12,17b
2
1
2
1
BA
28,013
1
2,016
1
(0,8052)(1)(3,289)
(288,15)1,805x10D
2
2
3
3
AB
/scm 0,740 D 2
AB
x100%0,743
0,743) (0,740 D.R
0,40% D.R
![Page 16: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/16.jpg)
Nos casos de não se encontrar o valor tabelado para o Vb,
sugere-se utilizar o cálculo do volume de Le Bas. Este volume é
obtido conhecendo-se os volumes atômicos das espécies químicas
que compõem a molécula em estudo.
Espécies
Volume atômico
( cm3/gmol )
Espécies
Volume atômico
( cm3/gmol )
Bromo 27,0 N2 em aminas secundárias 12,0
Carbono 14,8
Oxigênio,
Exceto como citado abaixo
7,4
Cloro 21,6 Oxigênio em éter e ésteres metílicos 9,1
Hidrogênio 3,7 Oxigênio em éter e ésteres etílicos 9,9
Iodo 37,0 Oxigênio em outros éteres e ésteres 11,0
N2 em dupla ligação 15,6 Oxigênio em ácidos 12,0
N2 em aminas primárias 10,5 Enxofre 25,6
Referência: Tabela 1.3, pg 51, M.A. Cremasco
![Page 17: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/17.jpg)
O Vb de Le Bas é obtido da soma das contribuições dos
átomos proporcionais ao número de vezes que aparecem na
fórmula molecular.
Por exemplo:
C2H6 (etano)
Vb(etano) = 2.VbCarbono + 6VbHidrogênio
Vb(etano) =2.(14,8) + 6(3,7) = 51,8 cm3/gmol
(etano) = 1,18.V b1/3 = 1,18.(51,8)1/3 = 4,4 Å
![Page 18: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/18.jpg)
Quando certas estruturas cíclicas estão presentes no composto estudado,
algumas correções são feitas na “soma” das contribuições dos componentes
presentes na fórmula molecular do composto em análise. Tais correções são
realizadas levando-se em conta a configuração específica do anel.
- para um anel constituído de 3 membros, como o óxido de etileno subtraia 6;
- para um anel constituído de 4 membros, como o cilclobutano, subtraia 8,5;
- para um anel constituído de 5 membros, como o ciclopentano, subtraia 11,5;
- para a piridina ,subtraia 15;
- para um anel benzêncio, subtraia 15;
- para um anel naftalênico, subtraia 30;
- para um anel antraceno, subtraia 47,5.
Exemplo:
Vb(tolueno) = 7.VbC + 8.VbH – 15
Vb(tolueno) = 7. (14,8) + 8. (3,7) - 15 = 118,2 cm3/gmol
![Page 19: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/19.jpg)
c ) A correlação de Fuller, Schetter e Giddings (1966)
- Utilizado para moléculas apolares e baixas pressões
- Não utiliza a integral de colisão, AB
M
1
M
1
Pd
T1,0x10 D
2
1
BA
2
AB
1,753
AB
O diâmetro dAB (Å) é definido tal como se segue:
Na definição de dAB a grandeza (v)i , para i = A ou B, é um volume associado
à difusão da molécula A. O volume de difusão, que aqui será identificado ao
“volume de Fuller, Sechtter e Giddings”, para diversas moléculas simples está
apresentado na Tabela a seguir.
v v d 1/3
B
1/3
AAB
![Page 20: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/20.jpg)
Referência: Tabela 1.4, pg. 58, M.A. Cremasco
Moléculas(v)i
( cm3/gmol )Moléculas
(v)i
( cm3/gmol )
H2 7,07 CO2 26,9
He 2,88 N2O 35,9
N2 17,9 NH3 14,9
O2 16,6 H2O 12,7
Ar 20,1 Cℓ2 37,7
Ar (argônio) 16,1 Br2 67,2
CO 18,9 SO2 41,1
D2 6,70 CCIF2 114,8
Kr 22,8 SF6 69,7
![Page 21: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/21.jpg)
Para moléculas complexas, o procedimento para a determinação do volume de
Fuller, Schetter e Giddings é semelhante àquele proposto por Le Bas. Os volumes
atômicos estão apresentados na Tabela a seguir. Estão presentes nessa última
Tabela, as correlações quanto à presença de estruturas cíclicas. O sinal (-) indica
que se deve diminuir o valor indicado depois de somar as contribuições de cada
átomo, proporcionando à sua presença, na fórmula do composto desejado.
Moléculasv
( cm3/gmol )Moléculas
v
( cm3/gmol )
C 16,5 Cℓ 19,5
H 1,98 S 17,0
O 5,48 anel aromático -20,2
N 5,69 anel heterocíclico -20,2
Exemplo: Determine o volume de Fuller, Schetter e Giddings para a molécula de
tolueno.
Da Tabela anterior, temos os seguintes volumes atômicos para o tolueno:
(v)Tolueno = (7)vC + (8)vH – 20,2 = (7)(16,5) + (8)(1,98) – 20,2 = 111,14 cm3/gmol
Referência: Tabela 1.5, pg. 58, M.A. Cremasco
![Page 22: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Exemplos de anéis heterocíclicos
![Page 23: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/23.jpg)
Exercício 02: Determine o coeficiente de difusão do H2 em N2 a 15C
e 1 atm. Compare o valor obtido com o valor experimental DAB =
0,743 cm2/s, utilizando a correlação de Fuller, Schetter e Giddings.
Dados da Tabela 1.2a, pg. 50 (M.A. Cremasco).
Espécies Mi ( g/mol )
H2 ( A ) 2,016
N2 ( B ) 28,013
Solução:
Aplicação imediata da correlação de Fuller, Schetter e Giddings:
M
1
M
1
Pd
T1,0x10 D
2
1
BA2
AB
1,753
AB
![Page 24: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/24.jpg)
Da definição de dAB, temos:
Como se trata de moléculas simples, temos a Tabela (1.4) do
M.A.Cremasco .
v v d 1/3
B
1/3
AAB
(v)Hidrogênio = 7,07 ; (v)Nitrogênio = 17,9
0
AB
3/13/11/3
N
1/3
HAB
A 4,535 d
17,9 7,07 v v d22
/scm 0,715 D
28,013
1
2,016
1
535,41
288,151,0x10 D
2AB
2
1
2
1,753
AB
![Page 25: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/25.jpg)
3,8% D.R
x100%0,743
0,743) (0,715 D.R
x100%alexperiment
al)experiment (calculado D.R
Apesar de a correlação de Fuller, Schetter e Giddings (1966), no
exemplo estudado, conduzir a um desvio relativo maior se
comparado ao da correlação de Wilke e Lee, ela é quem apresenta
um menor desvio relativo para diversos pares soluto/solvente, como
apontado por Reid et al. (1988). Neste caso, é uma correlação
recomendada para a estimativa do coeficiente de difusão de um par
apolar de gases.
![Page 26: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/26.jpg)
2- Correlação para a estimativa do coeficiente de difusão para
gases polares.
Para uma mistura de gases que contenha componentes polares, Brokaw
(1969) sugeriu a seguinte correlação na integral de colisão (D):
T
δ.196,0
2
AB*
DD
H.Texp
G
F.Texp
E
D.Texp
C
T
AΩ BD
![Page 27: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/27.jpg)
K
ε.
K
ε
K
ε
Brokaw) de atração de máxima (energia )Tb1,3δ1,18(1K
ε
.σσσ
Brokaw) de colisão de (diâmetro 1,3δ1
1,585.Vσ
Cremasco) (M.A. 1.2 Tabela - (debyes)dipolar momento μ
B)ou A (i .TbVb
.μ1,94x10δ
)polaridade a relativo (termo .δδδ
BAAB
i
2
ii
BAAB
3
1
2
i
bii
p
ii
2
ip
3
i
BAAB
i
![Page 28: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/28.jpg)
Exercício 03: Estime o coeficiente de difusão do vapor d’água
em ar seco a 25C e 1 atm. Compare o resultado com o valor
experimental que é 0,26 cm2/s.
Solução:
Espécie Mi ( g/mol ) Vb (cm3/gmol) Tb ( K ) p (debyes)
Vapor de água ( A ) 18,015 18,7 373,2 1,8
Dados ( Tabela 1.2a, pg. 50, M.A. CREMASCO)
(apolar) 0 μ ,A 3,711 σ ), B ( secoAr P
0
B
Cálculo do parâmetro de polaridade (A):
3,2)(18,7).(37
1,8.1,94x10
.TbVb
.μ1,94x10 δ
23
AA
2
Ap
3
A
0,9 δ A
g/mol 28,85 M ;K 78,6 k
BB
![Page 29: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/29.jpg)
Cálculo do diâmetro de colisão do vapor de água (A):
3
1
3
1
2
A
bA
A1,3(0,9)1
)1,585(18,7
1,3δ1
1,585.V σ
A 2,435 σ 0
A
711)(2,435)(3, .σσσ BAAB
A 3,006 σ 0
AB
Cálculo da energia máxima de atração entre A e B:
)2,373)(1,3(0,9) 1 1,18( )Tb1,3δ1,18(1K
ε 2
A
2
AA
K 903,97 K
ε A
![Page 30: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/30.jpg)
8,6)(903,97)(7 K
ε.
K
ε
K
εBAAB
K 266,56 K
ε AB
Cálculo da temperatura reduzida e da integral de colisão:
266,56
273,15) (25
ε
k.TT
AB
1,1185 T
T
δ0,196.ΩΩ
2
AB*
DD
,1185)(3,8941)(1exp
1,76474
1,1185)(1,52996)(exp
1,03587
1,1185)(0,47635)(exp
0,1930
)1185,1(
1,06036Ω
0,15610D
1,368 Ω D
![Page 31: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/31.jpg)
.δδδ BAAB
0 δ 0 δ 0,9 δ ABBA
1,368 ΩΩ *
DD
Cálculo do coeficiente de difusão:
28,85
1
18,015
1
(1,368)(1)(3,006)
(298,15)1,858x10D
M
1
M
1
ΩPσ
T1,858x10D
2
2
3
3
AB
BAD
2
AB
2
3
3
AB
/cm 0,232 D 2
AB s
Cálculo do desvio relativo:
x100%0,26
0,26) (0,23 D.R
x100%alexperiment
al)experiment (calculado D.R
%50,11 D.R
![Page 32: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/32.jpg)
3- Estimativa do DAB a partir de um DAB conhecido em outra
temperatura e pressão.
D
D
)(
)(2
3
1
2
2
1
)P,AB(T
)P,AB(T
2
1
11
22
TD
TD
T
T
P
P
D
D
75,1
1
2
2
1
)P,AB(T
)P,AB(T
11
22
T
T
P
P
( 1 )
( 2 )
(Chapman)
(Fuller)
![Page 33: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/33.jpg)
Exercício 04: Estime o coeficiente de difusão do vapor de água em ar seco a
40C e 1 atm por intermédio das equações 1 e 2. Compare os resultados
obtidos com o valor experimental 0,288 cm2/s.
Solução:
a) Utilizando a equação 1:
Ω
Ω
T
T
P
P
D
D
)D(T
)D(T2
3
1
2
2
1
)P,AB(T
)P,AB(T
2
1
11
22
No exemplo anterior calculamos, para T = 25C e 1 atm, DAB é 0,232 cm2/s,
D = 1,368. A equação 1 fica para P2 = 1,0 atm e T2 = 40C:
( 1 )
D(313,15)
3/2
2
)P,AB(T
Ω
1,368
298,15
15,313
1
1
/scm 0,232
D22
![Page 34: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/34.jpg)
Cálculo da integral de colisão:
Do exemplo anterior: AB/k = 266,56. Visto que T = 40C + 273,15 =
313,15K, a temperatura reduzida é calculada por:
K 266,56
K 313,15
ε
k.TT
AB
1,1748 T
,1748)(3,8941)(1exp
1,76474
1,1748)(1,52996)(exp
1,03587
1,1748)(0,47635)(exp
0,1930
)1748,1(
1,06036Ω
0,15610D
1,3342 Ω D
Portanto:
1,3342
1,368
298,15
15,313
1
1 /scm 0,232 D
1,3342
1,368
298,15
15,313
1
1
/scm 0,232
D
3/2
2)P,AB(T
3/2
2
)P,AB(T
22
22
/scm 0,256 D 2)P,AB(T 22
![Page 35: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/35.jpg)
a) Utilizando a equação 2:
Cujo desvio relativo é:
x100%0,288
0,288) (0,256 D.R
11,11% D.R
T
T
P
P
D
D
1,75
1
2
2
1
)P,AB(T
)P,AB(T
11
22
1,75
2)P,AB(T
1,75
2
)P,AB(T
298,15
313,15
1
1/scm 0,232 D
298,15
313,15
1
1
/scm 0,232
D
22
22
/s0,253cm D 2)P,AB(T 22
Cujo desvio relativo é:
x100%0,288
0,288) (0,253 D.R
12,15% D.R
![Page 36: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/36.jpg)
4- Coeficiente de difusão de um soluto em uma mistura
estagnada de multicomponentes.
Estudou-se, até então, a difusão de uma determinada espécie química “A”
através de um meio constituído por outra (espécie B) ou pela mesma espécie
química, compondo um sistema binário. No entanto, a espécie pode difundir
em um meio composto de “n espécies químicas”, caracterizando a difusão de
A numa mistura gasosa.
Nesse caso utiliza-se, com boa aproximação, a relação proposta por Wilke
(1950) para um meio estagnado.
D
y
)y (1 D
n
1 i2 i 1,i
i
1M1,
D1,M = Coeficiente de difusão do componente 1 na mistura gasosa (cm2/s)
D1,i = Coeficiente de difusão do componente 1 através do componente i na
mistura gasosa (cm2/s)
![Page 37: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/37.jpg)
Exercício 05: Estime o coeficiente de difusão do vapor d’água a 25oC e 1
atm em ar seco e estagnado, considerando-o uma mistura binária contendo
79% (em mols) de nitrogênio e 21% (em mols) de oxigênio. Compare com
o resultado obtido com o valor experimental que é 0,26 cm2/s.
Solução:
1 H2O (vapor)
2 N2 (79%) y2 = 0,79
3 O2 (21%) y3 = 0,21
Para o ar seco y1 = 0 (não tem vapor d’água!).
1,31,2
M1,
1,3
3
1,2
2M1,
n
1 i2 i
i1,
i
1M1,
D
0,21
D
0,79
1D
D
y
D
y
1D
D
y
)y (1 D
![Page 38: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/38.jpg)
,2)(18,7)(373
1,81,94x10
.TV
.μ1,94x10 δ
23
1b1b
2
1p
3
1
0,9 δ 1
Cálculo do termo relacionado a poalridade do vapor de água (1):
Visto que o vapor de água é uma molécula polar, utilizaremos o modelo
de Brokaw.
Estimativa do coeficiente de difusão do vapor de água em nitrogênio, D1,2
Cálculo do diâmetro de colisão do vapor de água (1):
3/1
2
1/3
2
1
b11
1,3(0,9)1
)1,585(18,7
1,3δ1
1,585.V σ
A 2,435 σ 0
1
![Page 39: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/39.jpg)
Cálculo do diâmetro de colisão do nitrogênio (2):
O valor do volume molar à temperatura normal de ebulição do
nitrogênio presente na Tabela 1.2a (M.A. Cremasco) é Vb = 31,2
cm3/gmol, que depois de lembrar que se trata de uma molécula apolar
(p2 = 0 2 = 0), substituindo na equação a seguir, fornece:
1/3
1/31/3
2
2
b22 )1,585(31,2
1,3(0)1
)1,585(31,2
1,3δ1
1,585.V σ
A3,67 σ 0
2
67)(2,435)(3, .σσσ 2112
A 2,989 σ 0
12
Portanto:
![Page 40: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/40.jpg)
)2,373)(1,3(0,9) 1 1,18( )Tb1,3δ1,18(1K
ε 2
1
2
11
Cálculo da energia máxima de atração de Brokaw do vapor de água (1):
K 903,97 K
ε 1
A temperatura normal de ebulição do nitrogênio (apolar) presente na
Tabela 1.2a é Tb2 = 77,4K, o qual substituindo na equação a seguir, fornece:
Cálculo da energia máxima de atração de Brokaw do nitrogênio (2):
)4,77)(1,3(0) 1 1,18( )T1,3δ1,18(1K
ε 2
b2
2
2
2
K 91,332 K
ε 2
Portanto:
1,332)(903,97)(9 K
ε.
K
ε
K
ε2112
K 287,33 K
ε 12
![Page 41: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/41.jpg)
Cálculo da temperatura reduzida e da integral de colisão:
287,33
273,15) (25
ε
k.TT
12
1,0377 T
T
δ0,196.ΩΩ
2
12*
DD
,0377)(3,8941)(1exp
1,76474
1,0377)(1,52996)(exp
1,03587
1,0377)(0,47635)(exp
0,1930
)0377,1(
1,06036Ω
0,15610D
1,4147 Ω D
.δδδ2112
0 δ 0 δ 0,9 δ 1221
1,4147 ΩΩ *
DD
![Page 42: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/42.jpg)
Cálculo do coeficiente de difusão do vapor de água em nitrogênio, D1,2:
Como as massas molares de vapor de água e do nitrogênio são, 18,015 e
28,013 g/gmol, respectivamente, temos pela equação de Chapman e
Enskog:
28,85
1
18,015
1
(1,4147)(1)(2,989)
(298,15)1,858x10D
M
1
M
1
ΩPσ
T1,858x10D
2
3/2
3
1,2
21D
2
12
3/2
3
1,2
/scm 0,228 D 2
1,2
![Page 43: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/43.jpg)
Estimativa do coeficiente de difusão do vapor de água em oxigênio, D1,3
Cálculo do diâmetro de colisão do oxigênio (3):
Da Tabela 1.2a: Tb3 = 90,2 K e Vb3 = 25,6 cm3/gmol
Como a molécula do oxigênio é apolar ( p = 0 3 = 0), o procedimento é
análogo ao descrito anteriormente, fornecendo-se:
1/3
1/31/3
2
3
b33 )1,585(25,6
1,3(0)1
)1,585(25,6
1,3δ1
1,585.V σ
0
3 A3,44 σ
44)(2,435)(3, .σσσ3113
A 2,894 σ 0
13
![Page 44: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/44.jpg)
Cálculo da energia máxima de atração entre as espécies químicas 1 e 3:
)2,90)(1,3(0) 1 1,18( )T1,3δ1,18(1K
ε 2
b3
2
3
3
K 106,436 K
ε 3
06,436)(903,97)(1 K
ε.
K
ε
K
ε3113
K 310,19 K
ε 13
Cálculo da temperatura reduzida e da integral de colisão:
310,19
273,15) (25
ε
k.TT
13
0,9612 T
![Page 45: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/45.jpg)
T
δ0,196.ΩΩ
2
13*
DD
)9612,0(3,8941)(exp
1,76474
)9612,0(1,52996)(exp
1,03587
)9612,0(0,47635)(exp
0,1930
)9612,0(
1,06036Ω
0,15610D
1,4643 Ω D
.δδδ3113
0 δ 0 δ 0,9 δ1331
1,4643 ΩΩ *
DD
Cálculo do coeficiente de difusão do vapor de água em oxigênio, D1,3
31,999
1
18,015
1
(1,4643)(1)(2,894)
(298,15)1,858x10D
M
1
M
1
ΩPσ
T1,858x10D
2
3/23
1,3
31D
2
13
3/23
1,3
/scm 0,230 D 2
1,3
![Page 46: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/46.jpg)
Cálculo do coeficiente de difusão do vapor de água no ar seco:
0,230
0,21
0,228
0,79
1D
D
y
D
y
1D
M1,
1,3
3
1,2
2M1,
/scm 0,228 D 2
M1,
Cujo desvio relativo é:
x100%0,26
0,26) (0,23 D.R
11,5% D.R
![Page 47: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/47.jpg)
Exercício de classe: Calcule o coeficiente de difusão do etanol (1) no ar seco ( 21% de
O2(2) e 79% de N2(3) ) a 25 0C e 1 atm utilizando as seguintes equações:
D
y
D
y
1 D
1,3
3
1,2
2M1,
M
1
M
1
ΩPσ
T1,858x10 D
i1D2
1,i
2
3
31,i
A = 1,06036 C = 0,1930 E = 1,03587 G = 1,76474
B = 0,15610 D = 0,47635 F = 1,52996 H = 3,89411
.15,1 bii T
k
. 1,1
kkk
ii
.
,1 i
TkT
.exp.exp.exp
TH
G
TF
E
TD
C
T
A
BD
.18,1 , 2
3
1
1,1 bii
ii V
Moléculas Apolares
![Page 48: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/48.jpg)
K
ε.
K
ε
K
ε
Brokaw) de atração de máxima (energia )Tb1,3δ1,18(1K
ε
.σσσ
Brokaw) de colisão de (diâmetro 1,3δ1
1,585.Vσ
Cremasco) (M.A. 1.2 Tabela - (debyes)dipolar momento μ
B)ou A (i .TbVb
.μ1,94x10δ
)polaridade a relativo (termo .δδδ
BAAB
i2i
i
BAAB
3
1
2i
bii
ip
ii
2
ip3
i
BAAB
Moléculas Polares
![Page 49: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/49.jpg)
![Page 50: Fenômenos de Transporte III - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840841/LOQ4054/Fenomenos de... · Fenômenos de Transporte III ... Portanto, o coeficiente](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052309/5bedac8c09d3f26e698bef08/html5/thumbnails/50.jpg)