Introdução a termodinâmica

Unidade 1

Termodinâmica aplicada: conceitos e definições

Apresenta a definição e revisão de alguns conceitos básicos sobre termodinâmica aplicada: sistema termodinâmico e volume de controle, exemplo de sistemas abertos, fechados, isolados e volume de controle; estado e propriedades de uma substância – fases (sólida, líquida ou gasosa), propriedades termodinâmicas extensivas e intensivas com apresentação de exemplos, definição de propriedade específica; Equilíbrio termodinâmico, processos e ciclos; energia potencial, cinética e interna; definições de calor e trabalho; lei da conservação da energia; definição e exemplo de cálculo de pressão; pressão manométrica, pressão absoluta, pressão manométrica; temperatura, lei zero da termodinâmica, equilíbrio térmico; descrição das unidades das grandezas físicas envolvidas nos processos – Sistema Internacional de Unidades (SI).

El método de análisis exergético en los edificios. Su aplicación en la caracterización en régimen dinámico de los cerramientos.

356 p.

Diseño y caracterización de sistemas nanoestructurados a partir de copolímeros SBM

215 p.

Estudo do equilíbrio líquido-líquido e da estabilidade de sistemas envolvendo biodiesel, álcoois e água

O estudo da estabilidade de emulsões de biocombustíveis destaca-se, dentre outros aspectos, pela necessidade de identificação das características destas. Esta necessidade reforça-se pela dificuldade de detecção de biodiesel e suas misturas quando estão fora de especificação, além de se aplicar aos processos de separação e purificação do biodiesel após a transesterificação. O entendimento deste problema poderá ser alcançado a partir de estudos de estabilidade associados aos modelos termodinâmicos de equilíbrio líquido-líquido (modelo NRTL) em sistemas ternários, que serão a base da modelagem proposta neste trabalho. O levantamento de dados envolve técnicas de observação direta em titulação, e ensaios de estabilidade e tensiometria, com algumas alterações das técnicas clássicas. Desta forma, o objetivo principal do trabalho é propor uma maneira de identificar e caracterizar as interfaces das emulsões formadas e estudar a estabilidade das fases envolvidas. Além disso, estuda-se a introdução de alcoóis como agentes tensoativos para viabilizar a utilização de misturas de combustíveis, mesmo na região de mais de uma fase. Para o desenvolvimento do trabalho, emulsões envolvendo os constituintes básicos serão combinadas entre si em diferentes proporções. A etapa inicial constitui-se de um mapeamento das misturas e proporções que formam as emulsões, baseadas nas curvas de equilíbrio. Em seguida, faz-se o estudo de caracterização e estabilidade destes sistemas. Com estas informações é possível mapear o sentido de incremento de tensão na interface e instabilidade da separação de fases das emulsões em relação aos diagramas ternários correspondentes. Por fim, propõe-se uma estratégia para estimar os parâmetros termodinâmicos do NRTL para as espécies presentes nos sistemas estudados e prever o comportamento dos mesmos e de sistemas similares. Este modelo matemático proposto tem como objetivo complementar a técnica experimental adotada para construção das curvas de equilíbrio, sendo bem sucedido

Efectos termodinámicos en el diseño de materiales multimedia.

Resumen basado en el de la publicación

Rede de modelos termodinâmicos locais

A simulação computacional de processos é uma ferramenta valiosa em diversas etapas da operação de uma planta química, tais como o projeto, a análise operacional, o estudo da estratégia de controle e a otimização, entre outras. Um programa simulador requer, freqüentemente, o cálculo das propriedades termofísicas que fazem parte das equações correspondentes aos balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Algumas dessas quantidades, típicas de operações baseadas no equilíbrio de fases (tais como a destilação fracionada e a separação flash), são as fugacidades e entalpias das fases líquida e vapor em equilíbrio. Contudo, o uso de modelos e correlações cada vez mais sofisticadas para representar acuradamente as propriedades termofísicas dos sistemas reais fez com que grande parte do tempo gasto numa simulação de processos seja devida à avaliação destas propriedades. Muitas estratégias têm sido propostas na literaturas a fim de se reduzir a carga computacional envolvida na simulação, estática e dinâmica, dos problemas de Engenharia Química. Esta diminuição do tempo de processamento pode muitas vezes ser determinante na aplicação ou não da simulação de processos na prática industrial, como, por exemplo, no controle automático. Esta dissertação aborda uma das alternativas para a redução do tempo computacional gasto na simulação de processos: a aproximação das funções que descrevem as propriedades termofísicas através de funções mais simples, porém de fácil avaliação. Estas funções, a fim de se garantir uma aproximação adequada, devem ser corrigidas ou atualizadas de alguma forma, visto que se tratam de modelos estritamente válidos em uma pequena região do espaço das variáveis, sendo, por isto, chamados de modelos locais. Partindo-se do estado atual desta técnica, é proposta nesta dissertação uma nova metodologia para se efetuar esta aproximação, através da representação global da propriedade mediante múltiplas funções simples, constituindo, desse modo, uma rede de modelos locais. Algumas possibilidades para a geração efetiva destas redes são também discutidas, e o resultado da metodologia é testado em alguns problemas típicos de separação por equilíbrio de fases.

Determinação experimental e modelagem termodinâmica do ponto de turbidez de sistemas aquosos com tensoativos nonilfenolpolietoxilados

The nonionic surfactants are composed of substances whose molecules in solution, does not ionize. The solubility of these surfactants in water due to the presence of functional groups that have strong affinity for water. When these surfactants are heated is the formation of two liquid phases, evidenced by the phenomenon of turbidity. This study was aimed to determine the experimental temperature and turbidity nonilfenolpoliethoxyled subsequently perform a thermodynamic modeling, considering the models of Flory-Huggins and the empirical solid-liquid equilibrium (SLE). The method used for determining the turbidity point was the visual method (Inoue et al., 2008). The experimental methodology consisted of preparing synthetic solutions of 0,25%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 12,5%, 15%, 17% and 20% by weight of surfactant. The nonionic surfactants used according to their degree of ethoxylation (9.5, 10, 11, 12 and 13). During the experiments the solutions were homogenized and the bath temperature was gradually increased while the turbidity of the solution temperature was checked visually Inoue et al. (2003). These temperature data of turbidity were used to feed the models evaluated and obtain thermodynamic parameters for systems of surfactants nonilfenolpoliethoxyled. Then the models can be used in phase separation processes, facilitating the extraction of organic solvents, therefore serve as quantitative and qualitative parameters. It was observed that the solidliquid equilibrium model (ESL) was best represented the experimental data.

Determinação de Dados de Equilíbrio Líquido-Vapor para Sistemas Hidrocarbonetos e Desenvolvimento de uma Nova Célula Dinâmica

In the present work are established initially the fundamental relationships of thermodynamics that govern the equilibrium between phases, the models used for the description of the behavior non ideal of the liquid and vapor phases in conditions of low pressures. This work seeks the determination of vapor-liquid equilibrium (VLE) data for a series of multicomponents mixtures of saturated aliphatic hydrocarbons, prepared synthetically starting from substances with analytical degree and the development of a new dynamic cell with circulation of the vapor phase. The apparatus and experimental procedures developed are described and applied for the determination of VLE data. VLE isobarics data were obtained through a Fischer's ebulliometer of circulation of both phases, for the systems pentane + dodecane, heptane + dodecane and decane + dodecane. Using the two new dynamic cells especially projected, of easy operation and low cost, with circulation of the vapor phase, data for the systems heptane + decane + dodecane, acetone + water, tween 20 + dodecane, phenol + water and distillation curves of a gasoline without addictive were measured. Compositions of the equilibrium phases were found by densimetry, chromatography, and total organic carbon analyzer. Calibration curves of density versus composition were prepared from synthetic mixtures and the behavior excess volumes were evaluated. The VLE data obtained experimentally for the hydrocarbon and aqueous systems were submitted to the test of thermodynamic consistency, as well as the obtained from the literature data for another binary systems, mainly in the bank DDB (Dortmund Data Bank), where the Gibbs-Duhem equation is used obtaining a satisfactory data base. The results of the thermodynamic consistency tests for the binary and ternary systems were evaluated in terms of deviations for applications such as model development. Later, those groups of data (tested and approved) were used in the KijPoly program for the determination of the binary kij parameters of the cubic equations of state original Peng-Robinson and with the expanded alpha function. These obtained parameters can be applied for simulation of the reservoirs petroleum conditions and of the several distillation processes found in the petrochemistry industry, through simulators. The two designed dynamic cells used equipments of national technology for the determination Humberto Neves Maia de Oliveira Tese de Doutorado PPGEQ/PRH-ANP 14/UFRN of VLE data were well succeed, demonstrating efficiency and low cost. Multicomponents systems, mixtures of components of different molecular weights and also diluted solutions may be studied in these developed VLE cells

Análise termodinâmica e termoeconômica do aproveitamento do gás natural em sistemas de cogeração de energia de usinas de açúcar e álcool

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Equilíbrio líquido-líquido dos sistemas biodiesel de castanha do Brasil + metanol + (glicerina ou água): determinação experimental e modelagem termodinâmica

O biodiesel é definido como sendo uma mistura de monoésteres de ácidos graxos derivados de gorduras animal ou óleos vegetais, obtido por meio do processo de transesterificação com alcoóis de cadeia curta. Durante a sua produção é utilizada uma quantidade em excesso de álcool e um catalisador para favorecer a reação de formação dos ésteres; desta forma a corrente de saída do reator contém o catalisador, o álcool que não reagiu e os produtos da transesterificação, biodiesel e glicerina, formando um sistema bifásico; dependendo do grau de solubilidade desses compostos, pode haver quantidades de biodiesel na fase rica em glicerina e quantidades de glicerina na fase rica em biodiesel. Durante o processo de purificação do biodiesel é necessário executar uma lavagem com água, para promover a retirada do catalisador e impurezas do produto de interesse. Devido à quantidade de compostos envolvidos na produção e purificação é essencial conhecer os dados de equilíbrio líquido-líquido para poder predizer as proporções em que os compostos coexistem e, posteriormente, proceder com a purificação sob condições adequadas para obtenção do biodiesel com maior rendimento e auxiliar no projeto do reator e sistemas de separação. Os objetivos desse trabalho foram produzir o biodiesel a partir de uma planta oleaginosa nativa da região, a castanha do Brasil (Bertholletia excelsa H. B. K.) e, determinar dados de equilíbrio líquido-líquido (ELL) para os sistemas ternários: biodiesel de castanha do Brasil + metanol + glicerina e biodiesel de castanha do Brasil + metanol + água nas temperaturas de 30°C e 50°C. O biodiesel produzido foi inicialmente caracterizado segundo as normas da Agência Nacional de Petróleo (ANP) utilizando métodos físico-químicos. Os dados obtidos foram posteriormente correlacionados com os modelos termodinâmicos NRTL e UNIQUAC para o calculo do coeficiente de atividade de cada componente na fase liquida, com estimativa de novos parâmetros de interação energética. Os resultados obtidos com a modelagem foram satisfatórios, e foi observado que o modelo NRTL representou melhor os dados experimentais.

Modelagem e simulação de sistemas de geração de energia para o setor de petróleo e gás

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudios termodinámicos de los procesos de vitrificación en la crioconservación de germoplasma vegetal=Thermodynamic studies of vitrification processes in plant germplasm cryopreservation

En la actualidad, las técnicas de crioconservación poseen una importancia creciente para el almacenamiento a largo plazo de germoplasma vegetal. En las dos últimas décadas, estos métodos experimentaron un gran desarrollo y se han elaborado protocolos adecuados a diferentes sistemas vegetales, utilizando diversas estrategias como la vitrificación, la encapsulación-desecación con cuentas de alginato y el método de “droplet”-vitrificación. La presente tesis doctoral tiene como objetivo aumentar el conocimiento sobre los procesos implicados en los distintos pasos de un protocolo de crioconservación, en relación con el estado del agua presente en los tejidos y sus cambios, abordado mediante diversas técnicas biofísicas, principalmente calorimetría diferencial de barrido (DSC) y microscopía electrónica de barrido a baja temperatura (crio-SEM). En un primer estudio sobre estos métodos de crioconservación, se describen las fases de enfriamiento hasta la temperatura del nitrógeno líquido y de calentamiento hasta temperatura ambiente, al final del periodo de almacenamiento, que son críticas para la supervivencia del material crioconservado. Tanto enfriamiento como calentamiento deben ser realizados lo más rápidamente posible pues, aunque los bajos contenidos en agua logrados en etapas previas de los protocolos reducen significativamente las probabilidades de formación de hielo, éstas no son del todo nulas. En ese contexto, se analiza también la influencia de las velocidades de enfriamiento y calentamiento de las soluciones de crioconservación de plantas en sus parámetros termofísicos referente a la vitrificación, en relación su composición y concentración de compuestos. Estas soluciones son empleadas en la mayor parte de los protocolos actualmente utilizados para la crioconservación de material vegetal. Además, se estudia la influencia de otros factores que pueden determinar la estabilidad del material vitrificado, tales como en envejecimiento del vidrio. Se ha llevado a cabo una investigación experimental en el empleo del crio-SEM como una herramienta para visualizar el estado vítreo de las células y tejidos sometidos a los procesos de crioconservación. Se ha comparado con la más conocida técnica de calorimetría diferencial de barrido, obteniéndose resultados muy concordantes y complementarios. Se exploró también por estas técnicas el efecto sobre tejidos vegetales de la adaptación a bajas temperaturas y de la deshidratación inducida por los diferentes tratamientos utilizados en los protocolos. Este estudio permite observar la evolución biofísica de los sistemas en el proceso de crioconservación. Por último, se estudió la aplicación de películas de quitosano en las cuentas de alginato utilizadas en el protocolo de encapsulación. No se observaron cambios significativos en su comportamiento frente a la deshidratación, en sus parámetros calorimétricos y en la superficie de las cuentas. Su aplicación puede conferir propiedades adicionales prometedoras. ABSTRACT Currently, cryopreservation techniques have a growing importance for long term plant germplasm storage. These methods have undergone great progress during the last two decades, and adequate protocols for different plant systems have been developed, making use of diverse strategies, such as vitrification, encapsulation-dehydration with alginate beads and the dropletvitrification method. This PhD thesis has the goal of increasing the knowledge on the processes underlying the different steps of cryopreservation protocols, in relation with the state of water on tissues and its changes, approached through diverse biophysical techniques, especially differential scanning calorimetry (DSC) and low-temperature scanning electron microscopy (cryo-SEM). The processes of cooling to liquid nitrogen temperature and warming to room temperature, at the end of the storage period, critical for the survival of the cryopreserved material, are described in a first study on these cryopreservation methods. Both cooling and warming must be carried out as quickly as possible because, although the low water content achieved during previous protocol steps significantly reduces ice formation probability, it does not completely disappear. Within this context, the influence of plant vitrification solutions cooling and warming rate on their vitrification related thermophysical parameters is also analyzed, in relation to its composition and component concentration. These solutions are used in most of the currently employed plant material cryopreservation protocols. Additionally, the influence of other factors determining the stability of vitrified material is studied, such as glass aging. An experimental research work has been carried out on the use of cryo-SEM as a tool for visualizing the glassy state in cells and tissues, submitted to cryopreservation processes. It has been compared with the better known differential scanning calorimetry technique, and results in good agreement and complementary have been obtained. The effect on plant tissues of adaptation to low temperature and of the dehydration induced by the different treatments used in the protocols was explored also by these techniques. This study allows observation of the system biophysical evolution in the cryopreservation process. Lastly, the potential use of an additional chitosan film over the alginate beads used in encapsulation protocols was examined. No significant changes could be observed in its dehydration and calorimetric behavior, as well as in its surface aspect; its application for conferring additional properties to gel beads is promising.

Entornos termodinámicos. Una cartografía crítica en torno a la energía y la arquitectura

En los últimos años, y a la luz de los retos a los que se enfrenta la sociedad, algunas voces están urgiendo a dejar atrás los paradigmas modernos —eficiencia y rendimiento— que sustentan a las llamadas prácticas sostenibles, y están alentando a repensar, en el contexto de los cambios científicos y culturales, una agenda termodinámica y ecológica para la arquitectura. La cartografía que presenta esta tesis doctoral se debe de entender en este contexto. Alineándose con esta necesidad, se esfuerza por dar a este empeño la profundidad histórica de la que carece. De este modo, el esfuerzo por dotar a la arquitectura de una agenda de base científica, se refuerza con una discusión cultural sobre el progresivo empoderamiento de las ideas termodinámicas en la arquitectura. Esta cartografía explora la historia de las ideas termodinámicas en la arquitectura desde el principio del siglo XX hasta la actualidad. Estudia, con el paso de los sistemas en equilibrio a los alejados del equilibrio como trasfondo, como las ideas termodinámicas han ido infiltrándose gradualmente en la arquitectura. Este esfuerzo se ha planteado desde un doble objetivo. Primero, adquirir una distancia crítica respecto de las prácticas modernas, de modo que se refuerce y recalibre el armazón intelectual y las herramientas sobre las que se está apoyando esta proyecto termodinámico. Y segundo, desarrollar una aproximación proyectual sobre la que se pueda fundamentar una agenda termodinámica para la arquitectura, asunto que se aborda desde la firme creencia de que es posible una re-descripción crítica de la realidad. De acuerdo con intercambios de energía que se dan alrededor y a través de un edificio, esta cartografía se ha estructurado en tres entornos termodinámicos, que sintetizan mediante un corte transversal la variedad de intercambios de energía que se dan en la arquitectura: -Cualquier edificio, como constructo espacial y material inmerso en el medio, intercambia energía mediante un flujo bidireccional con su contexto, definiendo un primer entorno termodinámico al que se denomina atmósferas territoriales. -En el interior de los edificios, los flujos termodinámicos entre la arquitectura y su ambiente interior definen un segundo entorno termodinámico, atmósferas materiales, que explora las interacciones entre los sistemas materiales y la atmósfera interior. -El tercer entorno termodinámico, atmosferas fisiológicas, explora los intercambios de energía que se dan entre el cuerpo humano y el ambiente invisible que lo envuelve, desplazando el objeto de la arquitectura desde el marco físico hacia la interacción entre la atmósfera y los procesos somáticos y percepciones neurobiológicas de los usuarios. A través de estos tres entornos termodinámicos, esta cartografía mapea aquellos patrones climáticos que son relevantes para la arquitectura, definiendo tres situaciones espaciales y temporales sobre las que los arquitectos deben actuar. Estudiando las conexiones entre la atmósfera, la energía y la arquitectura, este mapa presenta un conjunto de ideas termodinámicas disponibles —desde los parámetros de confort definidos por la industria del aire acondicionado hasta las técnicas de acondicionamiento pasivo— que, para ser efectivas, necesitan ser evaluadas, sintetizadas y recombinadas a la luz de los retos de nuestro tiempo. El resultado es un manual que, mediando entre la arquitectura y la ciencia, y a través de este relato histórico, acorta la distancia entre la arquitectura y la termodinámica, preparando el terreno para la definición de una agenda termodinámica para el proyecto de arquitectura. A este respecto, este mapa se entiende como uno de los pasos necesarios para que la arquitectura recupere la capacidad de intervenir en la acuciante realidad a la que se enfrenta. ABSTRACT During the last five years, in the light of current challenges, several voices are urging to leave behind the modern energy paradigms —efficiency and performance— on which the so called sustainable practices are relying, and are posing the need to rethink, in the light of the scientific and cultural shifts, the thermodynamic and ecological models for architecture. The historical cartography this PhD dissertation presents aligns with this effort, providing the cultural background that this endeavor requires. The drive to ground architecture on a scientific basis needs to be complemented with a cultural discussion of the history of thermodynamic ideas in architecture. This cartography explores the history of thermodynamic ideas in architecture, from the turn of the 20th century until present day, focusing on the energy interactions between architecture and atmosphere. It surveys the evolution of thermodynamic ideas —the passage from equilibrium to far from equilibrium thermodynamics— and how these have gradually empowered within design and building practices. In doing so, it has posed a double-objective: first, to acquire a critical distance with modern practices which strengthens and recalibrates the intellectual framework and the tools in which contemporary architectural endeavors are unfolding; and second, to develop a projective approach for the development a thermodynamic agenda for architecture and atmosphere, with the firm belief that a critical re-imagination of reality is possible. According to the different systems which exchange energy across a building, the cartography has been structured in three particular thermodynamic environments, providing a synthetic cross-section of the range of thermodynamic exchanges which take place in architecture: -Buildings, as spatial and material constructs immersed in the environment, are subject to a contiuous bidirectional flow of energy with its context, defining a the first thermodynamic environment called territorial atmospheres. -Inside buildings, the thermodynamic flow between architecture and its indoor ambient defines a second thermodynamic environment, material atmospheres, which explores the energy interactions between the indoor atmosphere and its material systems. -The third thermodynamic environment, physiological atmospheres, explores the energy exchanges between the human body and the invisible environment which envelopes it, shifting design drivers from building to the interaction between the atmosphere and the somatic processes and neurobiological perceptions of users. Through these three thermodynamic environments, this cartography maps those climatic patterns which pertain to architecture, providing three situations on which designers need to take stock. Studying the connections between atmosphere, energy and architecture this map presents, not a historical paradigm shift from mechanical climate control to bioclimatic passive techniques, but a range of available thermodynamic ideas which need to be assessed, synthesized and recombined in the light of the emerging challenges of our time. The result is a manual which, mediating between architecture and science, and through this particular historical account, bridges the gap between architecture and thermodynamics, paving the way to a renewed approach to atmosphere, energy and architecture. In this regard this cartography is understood as one of the necessary steps to recuperate architecture’s lost capacity to intervene in the pressing reality of contemporary societies.

Caracterização físico-química de sistemas micelares

The process of adsorption and micellization of the surfactants sodium dodecyl sulfate, dodecylammonium chloride and hexaethylene glycol mono-n-dodecyl ether in water-air interface has been studied using measurements of surface tension in aqueous media and NaCl 0.1 mol/L in temperatures of 25, 33 and 40 °C. From these data, critical micelle concentrations and thermodynamic parameters of micellization and adsorption were determined in order to elucidate the behaviors of micellization and adsorption for these surfactants in the proposed medium. For the determination of the thermodynamic parameters of adsorption we utilized the equations of isotherms of Langmuir and Gibbs. Γmáx values determined by the different equations were correlated to the explanation of results. Temperature and salinity were analyzed in terms of their influence on the micellization and adsorption process, and the results were explained based on intermolecular interactions. The values of Gmic have confirmed that the micelle formation for the surfactants studied occurs spontaneously