Orientador: Luís Fernando Mercier Franco

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Fluidos confinados estão presentes em várias aplicações de interesse industrial e tecnológico. De reservatórios não convencionais de óleo e gás, passando por dispositivos como baterias lítio-ar, processos de adsorção, catálise heterogênea até sistemas biológicos, encontram-se fluidos...

Resumo: Fluidos confinados estão presentes em várias aplicações de interesse industrial e tecnológico. De reservatórios não convencionais de óleo e gás, passando por dispositivos como baterias lítio-ar, processos de adsorção, catálise heterogênea até sistemas biológicos, encontram-se fluidos confinados em escala nanométrica. Quando a distância entre as paredes do poro dista de poucos nanômetros, as interações entre as partículas do fluido e dos átomos que compõem o material confinante não podem ser desprezadas. Os efeitos de confinamento alteram de modo significativo tanto propriedades termodinâmicas quanto propriedades de transporte do fluido confinado. Embora haja na literatura corrente muitas abordagens propostas para a modelagem de fluidos confinados, muito pouco se sabe sobre o efeito do confinamento em propriedades derivadas como calor específico a volume constante, calor específico a pressão constante, compressibilidade isotérmica, coeficiente de expansão térmica, coeficiente de Joule-Thomson e velocidade do som. Nesta dissertação, propõe-se um estudo sistemático do efeito do tamanho de poro sobre o calor específico a volume constante de fluidos hipotéticos confinados em paredes planas de grafite através de simulações de Monte Carlo. Os fluidos hipotéticos estudados foram o gás ideal confinado e fluidos de esferas duras. Dois resultados principais foram obtidos. Em primeiro lugar, o calor específico residual a volume constante de um fluido confinado varia de forma não monotônica com a largura do poro, e depende fortemente de como o fluido está distribuído dentro do poro. Em segundo lugar, um fluido de esferas duras confinado com diâmetro independente da temperatura tem calor específico residual a volume constante diferente do de um gás ideal confinado nas mesmas condições. Isto mostra como o efeito do confinamento altera o comportamento termodinâmico do fluido em relação ao estado não confinado. Para um fluido de esferas duras não confinado com diâmetro independente da temperatura, a energia livre de Helmholtz residual é função linear da temperatura, e, portanto, não contribui para o valor do calor específico a volume constante. Assim, esta dissertação contribui com dois importantes resultados sobre a termodinâmica de fluidos confinados, que ainda resta bastante inexplorada. Qualquer esforço dedicado a entender melhor sistemas confinados terá um impacto bastante positivo sobre tecnologias nas quais fluidos estão confinados em escala nanométrica

Abstract: Confined fluids can be found in several applications of technological and industrial interest. From non-conventional oil and gas reservoirs, passing by devices such as lithium-air batteries, adsorption processes, heterogeneous catalysis to biological systems, one can find confined fluids...

Abstract: Confined fluids can be found in several applications of technological and industrial interest. From non-conventional oil and gas reservoirs, passing by devices such as lithium-air batteries, adsorption processes, heterogeneous catalysis to biological systems, one can find confined fluids at the nanometric scale. When the distance between the pore walls is only a few nanometers, the interactions between the fluid particles and the atoms that constitute the confining material cannot be neglected. The confinement effects significantly alter both thermodynamic and transport properties of confined fluids. Although in the current literature many approaches to model confined fluids have been proposed, very little is known on the confinement effect on derivative properties, such as isochoric heat capacity, isobaric heat capacity, isothermal compressibility, thermal expansion coefficient, Joule-Thomson coefficient, and the speed of sound. In this dissertation, a systematic study on the pore size effect on the isochoric heat capacity of hypothetical fluids confined by planar graphite walls is offered applying Monte Carlo simulations. The studied hypothetical fluids are the confined ideal gas and hard-sphere fluids. Two main results were obtained. In first place, the residual molar isochoric heat capacity varies nonmonotonically with the pore width, and strongly depends on how the fluid is distributed within the pore. In second place, a confined hard-sphere fluid with a temperature-independent diameter exhibits the same molar isochoric heat capacity of a confined ideal gas at the same conditions. This second result shows how the confinement effect alters the thermodynamic behavior of the fluid with respect to its unconfined state. For an unconfined, temperature-independent, hard-sphere fluid, the residual Helmholtz free energy is a linear function of temperature, and, hence, the hard-sphere potential does not contribute to the value of the isochoric heat capacity. Thus, this dissertation contributes with two important results on the thermodynamics of confined fluids, which remains unexplored at same extent. Any effort devoted to better understand confined systems will have a significant positive impact on the technologies, in which fluids are confined at nanoscale

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