Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
1
Introdução à Engenharia Química
Professor: Francisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília Vilani
Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia
Química - Princípios e Cálculos, 7a edição, Editora LTC, 2006.
Relembrando
A Engenharia de Química lida também com CÁLCULOS envolvendo
processos ou operações de uma indústria química
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
OBJETIVO: a transformação de matérias-primas em produtos.
Estes CÁLCULOS permitem relacionar parâmetros que descrevem a
quantidade e a qualidade de uma matéria-prima (entrada no processo)
com a quantidade e a qualidade do produto formado (saída do processo).
CÁLCULOS envolvem dados relativos às correntes de processo (elos de
ligação entre equipamentos e pontos de entrada e saída de substâncias
no processo) e aos equipamentos (tamanho, forma, tipo e condições de
operação). Assim, antes de mais nada, precisamos de saber como
representar de forma correta e coerente estes dados. Aparecem então os
2
conceitos de dimensão e unidades.
Relembrando - Unidades e dimensões
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
▌Dimensões: São os nossos conceitos básicos de medida, tais como:
comprimento, tempo, massa, temperatura, etc..
3
▌Unidades:
São os meios de expressar as dimensões, tais como:
metro (m) ou pé (ft) para comprimento, horas (h) ou
segundos (s) para tempo, etc.
▌Sistema de unidades
 Unidades múltiplas
tera (T)
1012
centi (c)
10-2
giga (G)
109
mili (m)
10-3
mega (M)
106
micro (m)
10-6
quilo (k)
103
nano (n)
10-9
Unidades e dimensões - cont.
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
 Unidades básicas
4
Dimensão
Unidade
Símbolo
comprimento
metro (SI)
centímetro (CGS)
pé (Sist. Inglês)
m
cm
ft
massa
quilograma (SI)
grama (CGS)
libra (Sist. Inglês)
kg
g
lb
moles
grama-mol (SI)
libra-mol (Sist. Inglês)
mol ou g-mol
lb-mol
tempo
segundo (SI)
s
temperatura
Kelvin (SI)
Celsius
Rankine (Sist. Inglês)
Fahrenheit
K
oC
oR
oF
corrente elétrica
Ampère
A
intensidade de luz
Candela
cd
Unidades e dimensões - cont.
 Unidades derivadas
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Dimensão Unidade
5
Símbolo Equivalente em termos de
unidades básicas
L ou l
0,001 m3
1000 cm3
Newton (SI)
dina (CGS)
N
1kg.m.s-2
1g.cm. s-2
Pascal (SI)
Pa
N.m-2 = 1kg.m.s-2.m-2 = 1kg.m-1.s-2
Energia e Joule (SI)
erg (CGS)
trabalho
caloria
J
erg
cal
1N.m = 1kg.m.s-2.m = 1kg.m2.s-2
1g.cm2.s-2
4,184 J = 4,184 kg.m2.s-2
Potência
W
1 J.s-1 = 1kg.m2.s-3
Volume
litro
Força
Pressão
Watt
 Conversão de unidades:
Converter 1
cm
s2
em
km
ano 2
cm (3600s)2 (24h)2 (365dias)2
1m
1km
9 km
1 2 





9
,
95

10
s
(1h)2
(1dia)2
(1ano)2 100cm 1000m
ano2
Convenções em métodos de análises e medidas
 Unidade molar
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Mol é a quantidade de uma substância que contém tantas espécies
elementares quanto existem de átomos em 12 gramas do 12C.
No SI e CGS: 1 mol (ou 1g-mol) = 6,02.1023 moléculas ou átomos.
No Sist. Inglês: 1 lb-mol = 454.6,02.1023 moléculas ou átomos.
Se uma amostra contém N espécies, então o mol será =
N
NA
n
m
M
..
Se a massa de uma amostra é m, então o seu mol será =
Ex.: Um recipiente contém 2 lb de NaOH (PM=23+16+1=40).
Em termos de lb-mol:
2 lb 
Em termos de mol (ou g-mol): 2 lb 
6
n
1lb  mol
 0,05 lb  mol
40 lb
1lb  mol 454 mol

 22,7 mol
40 lb 1lb  mol
Convenções em métodos de análises e medidas
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
 Densidade: É a razão da massa por unidade de volume (kg/m3, g/cm3
ou lb/ft3)
7
Obs.: Para sólidos e líquidos puros, a densidade é essencialmente
independente da pressão e varia ligeiramente com a temperatura.
Água(l)
0 oC
3,98oC
100oC
r (g/cm3)
0,999868
1,00000
0,9838
Obs.: Muitas vezes se encontra o termo "densidade verdadeira ou
absoluta", quando a medida é feita no vácuo, portanto eliminando
o efeito do empuxo do ar, e "densidade aparente" quando é feita
no ar. A diferença é desprezível.
Obs.: Cuidado com o termo "densidade aparente“! Se uma certa massa
de areia é colocada em uma proveta, a relação entre esta massa
e o volume lido também é chamada de densidade aparente. Não
é a densidade real da substância areia, pois se conta no volume
o ar contido nos espaços vazios entre os grãos de areia.
Convenções em métodos de análises e medidas
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
 Gravidade específica ou densidade relativa: É a relação entre a massa
da substância e a massa de igual volume de uma substância de
referência a uma temperatura padrão.
8
 1,000 cmg3
Para sólidos e líquidos: a densidade de referência a
da água a temperatura de 4oC
r
T
d4 
rref
 1000 mkg3
 62,43 lbm
ft3
Ex.: d4  0,6 È a densidade relativa da substância a 20oC com
relação a água a 4oC.
20
Para gases: costuma-se tomar como referência o ar a 0o C e a 1 atm
de pressão.
 Volume específico: É o inverso da densidade (m3/kg, cm3/g ou ft3/lb).
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Convenções em métodos de análises e medidas
9
Obs: Quando trabalhamos com misturas o conceito de concentração
torna-se importante.
 Concentração molar ou molaridade é o número moles do soluto “A”
por litro de solução.
M
nA mol
mol
1
3 

mol

L


mol

dm

V(L)  L
dm3

 Molalidade é o número de moles do soluto “A” por kg de solvente.
mA 
nA
msolv,kg
 mol 
 kg 


 Fração molar: É a razão estabelecida entre o número de moles da
espécie j (nj) e o número de moles da solução (n).
Yj 
nj
n
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Convenções em métodos de análises e medidas
10
 Fração mássica: É a razão estabelecida entre a massa da espécie j
(mj) e a massa da solução (m).
mj
Xj 
m
Ex: a composição química do ar é 21% de oxigênio e 79% de
nitrogênio (incluindo Ar, CO2, Kr, Ne, etc.) em base molar ou
volumétrica. Determinar a fração em massa.
 Base de cálculo é uma referência escolhida que facilita os cálculos
de um determinado problema.
Assim, a base de cálculo escolhida é igual a 100 moles de ar.
Componente
moles
Peso molecular
(g/mol)
g
% em peso
Oxigênio (O2)
21
32
672
23,3
Nitrogênio (N2)
79
28
2212
76,7
Total
100
-
2884
100
Convenções em métodos de análises e medidas
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
 Partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb) é uma forma de
expressar concentrações de soluções extremamente diluídas (traços
de espécies).
11
ppm ou ppb se refere a razão em massa (usual para sólidos e
líquidos) ou molar (usual para gases) e significa tantas partes
(gramas ou mols) da espécie j por milhão ou bilhão de partes
(gramas ou mols) da mistura.
Assim,
ppmj  Yj  106
ppbj  Yj  109
Onde Yj é a fração molar.
Ex: 15 ppm de SO2: são 15 mols (usual para gás) de SO2 por milhão
de mols de ar.
Em termos de fração molar:
YSO2  15  106
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Convenções em métodos de análises e medidas
 Temperatura
A temperatura de uma substância em um estado particular de
agregação (sólido, líquido e gasoso) é uma medida da energia
cinética média das espécies que a compõe. A temperatura é medida
indiretamente através da propriedade física de uma substância que
de alguma forma conhecida depende da temperatura.
 Medindo a temperatura
Termômetro de mercúrio: Variação da densidade do mercúrio com a
temperatura.
Termopar: A voltagem produzida pela junção de dois condutores
diferentes varia com a temperatura.
Pirômetro: Espectro da radiação emitida pelo corpo quente.
 
T R   T  F  459,67
T R   1,8  TK 
T F  1,8  T C  32
TK   T o C  273,15
o
o
o
12
o
o
Convenções em métodos de análises e medidas
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
 Pressão
A força exercida por um gás sobre uma superfície é devido a
seqüência incessante de colisões das partículas que o constituem
sobre esta superfície.
13
Muitas colisões  Fconstante  pconstante p 
F
N
 1 Pa  1 2
A
m
 Medindo a pressão
Barômetro: Instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica.
É um tubo cheio de mercúrio (Hg), selado numa
extremidade, mergulhado com a outra extremidade
aberta numa cuba cheia de Hg. (Torricelli, discípulo de
Galileu).
pbase da coluna  patm (equilíbrio mecânico)
1atm  101325Pa  760 mmHg ( torr)(0o C)  14,7 inlb2f (psi) 
 29,921 inHg (0o C)  33,91ftH2O( 4o C)  1,01325 bar
Convenções em métodos de análises e medidas
Manômetros: Instrumento utilizado para medir a pressão de uma
amostra de gás no interior de um recipiente (vaso).
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Manômetro de tubo em U
14
Manômetro de Manômetro de
tubo fechado
tubo aberto
pabs  r  g  h  patm
pabs  r  g  h
Manômetro de Bourdon
Ex: O manômetro marca 87psi e a pressão
barométrica local é de 28 inHg. Qual é a
pressão absoluta.
14,7 psi
 13,78psia
29,92inHg
 87  13,78  100,78psia
patm  28inHg 
pabs
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
Convenções em métodos de análises e medidas
15
 Vazão mássica (massa/tempo) e volumétrica (volume/tempo)
Os medidores de vazão se classificam de acordo com o método de
medição:
- Diferença da pressão: Placa de orifício, Tubo de Venturi, etc.
- Medidores de área variável: Rotâmetros
- Deslocamento positivo: palhetas rotativas, engrenagem, disco, etc.
- Velocidade: vórtice, eletromagnéticos, ultra-sônicos, etc.
- Medidores de massa: Coriolis, térmicos
Obs.: A densidade pode ser usada para converter vazão mássica em
volumétrica e vice-versa.
Placa de orifício
Rotâmetro
Convenções em métodos de análises e medidas
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
 Equação química e estequiometria
C7H16
+
11O2
=
7CO2
+
8H2O
Heptano
Reage
com
Oxigênio
Para
formar
dióxido de
carbono
e
água
1 molécula de
C7H16
11 moléculas de O2
7 moléculas de CO2
8 moléculas de água
1 mol de C7H16
11 moles de O2
7 moles de CO2
8 moles de água
1 Nm3 de C7H16
11 *Nm3 de O2
7 Nm3 de CO2
8 Nm3 de água
6.1023 moléculas
de C7H16
11. 6.1023 moléculas
de O2
7. 6.1023 moléculas de
CO2
8. 6.1023 moléculas de
água
(7.12+16.1) = 100
gramas de C7H16
11.(2.16) = 352
gramas de O2
7.(12+2.16) = 308
gramas de CO2
8.(2.1+16) = 144
gramas de água
452 gramas
*medidos
16
452 kg
452 gramas
452 kg
452 libras
452 libras
452 toneladas
452 toneladas
na CNTP
Propriedades Físico-químicas de Compostos
J. H. Perry, Chemical Engineer´Handbook, McGraw-Hill
Departamento de Ciência
dos Materiais e Metalurgia
N. A. Lange, Handbook of Chemistry, McGraw-Hill
17
R. C. Reid e J. K. Sherwood, The Properties of Gases and Liquids
HSC Chemistry® programa de Cálculos Termodinâmicos da Outotec
Research.
NIST - National Institute of Standards and Technology
(http://www.nist.gov)