(Para todas as questões, as hipóteses adotadas devem ser mencionadas)
Em processos industriais, muitas vezes ocorrem simultaneamente transferência de calor e de massa. Cite dois exemplos de um processo em que ambos os fenômenos acontecem e explique como eles interagem.
Em processos industriais, muitas vezes ocorrem simultaneamente transferência de calor e de massa. Cite dois exemplos de um processo em que ambos os fenômenos acontecem e explique como eles interagem.
Passo 1
Beleza, vamos recapitular o que o exercício pede. A matéria aqui é “transferência simultânea de calor e de massa” em processos industriais. Precisamos:
- Dar dois exemplos de processos onde calor e massa fluem ao mesmo tempo.
- Explicar como esses dois fenômenos se entrelaçam em cada exemplo.
Para resolver, vamos precisar lembrar de:
- Como o calor se move (condução, convecção, calor latente) – Lei de Fourier, balanço de energia.
- Como a massa (por exemplo, vapor d’água) se move (difusão, convecção) – Lei de Fick.
- Noções de interface líquido-gás e de entalpia de vaporização (calor latente).
E a gente vai adotar hipóteses comuns: fluxo estacionário, propriedades do fluido constantes, processo unidimensional na região da interface.
Passo 2
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O que rola no spray dryer?
- Você pulveriza um líquido (por exemplo, leite) em gotinhas pequenas.
- Essas gotinhas encontram um gás quente que circula ao redor.
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Como o calor entra?
- O ar quente esbarra na superfície da gota, transfere energia por convecção e condução.
- Pela Lei de Fourier (ou pelo coeficiente de convecção
), o fluxo de calor por área é
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E como a massa sai?
- Quando essa energia aquece a gota, parte vira vapor – faz evaporação.
- O vapor gerado se difunde e é levado pelo ar (Lei de Fick):
onde é a concentração de vapor no ar junto à gota.
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Interação calor-massa
- O calor de convecção aquece a gota até a temperatura de ebulição local.
- Para evaporar 1 kg de água, o sistema precisa de calor latente
. - Assim, a taxa de massa evaporada
e a taxa de calor fornecido relacionam-se: - Ou seja, sem calor não tem massa saindo; sem saída de massa, o calor não “some”, esquenta mais o líquido.
Passo 3
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O que é?
- Numa coluna você separa uma mistura líquida (ex.: etanol + água) por diferença de volatilidade.
- No fundo tem um reboiler que aquece a mistura; no topo, há um condensador que refrigera parte do vapor.
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Transferência de calor
- No reboiler, calor é fornecido para vaporizar o líquido.
- Na superfície de ebulição de cada bandeja (ou prato), há diferença de temperatura entre o líquido e o vapor.
- Fluxo de calor por convecção/condução:
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Transferência de massa
- O calor faz parte da mistura virar vapor; esse vapor carrega proporções diferentes de etanol e água.
- A concentração de cada componente no vapor difere da do líquido segundo a Lei de Raoult, mas o transporte em si segue Fick e convecção.
- Fluxo molar de etanol, por exemplo:
onde é a velocidade do vapor.
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Como interagem
- O calor promove a vaporização seletiva (mais etanol sai se for mais volátil).
- A massa que sai no vapor “leva” energia (calor latente).
- No condensador, o vapor perde calor e parte vira líquido (mass transfer & heat transfer inversos).
- Então, calor e massa estão casados–saem juntos na vaporização e voltam juntos na condensação.
Resposta
Dois exemplos clássicos de processos onde calor e massa transferem simultaneamente são:
- Spray drying (secagem por pulverização), onde o calor do ar quente faz água evaporar (massa saindo) e o calor latente está diretamente ligado à quantidade de água removida.
- Coluna de destilação, em que o calor do reboiler vaporiza componentes (massa) e no condensador o vapor cede calor ao ambiente enquanto parte da massa volta ao líquido.