fisica industrial

Física Industrial-FBT415 1

FÍSICA INDUSTRIALFBT 415

FBT/FCF/USP

Profa. Thereza Christina Vessoni Penna - [email protected]

Prof. Ronaldo Nogueira de Moraes Pitombo - [email protected]

Profa. Suzana Caetano da Silva Lannes - [email protected]

OBJETIVOS

A disciplina de Física Industrial tem por finalidade fornecer os elementosintrodutórios para as demais disciplinas tecnológicas, bem como os princípiosfísicos que regem algumas das operações unitárias envolvidas nos processos dasindústrias farmacêuticas e alimentícias. O conteúdo da disciplina engloba temasligados à área de fenômenos de transporte e relativos às operações unitárias.Alguns temas do conteúdo serão ministrados isoladamente outros serão estudadossimultaneamente de forma a integrar os novos conhecimentos, objetivando facilitare adequar o conteúdo no contexto do currículo da profissão Farmacêutica.

Estratégia de ensino: Aulas teóricas e práticas. Aulas teóricas expositivas, sendo oaluno freqüentemente motivado para uma participação ativa, através de exercícios equestões propostas. Estudos dirigidos, com o objetivo de reforçar o aprendizado emsala de aula, incentivar o aluno à pesquisa bibliográfica, como primeiro passo aodesenvolvimento de novas idéias e motivá-los para a utilização de recursos deinformática. Aulas práticas com aplicação de alguns aspectos apresentados nateoria.

EMENTA

Introdução à disciplina de Física Industrial

Introdução ao processo industrial


Razões para a produção em larga escala

Formulações e desenvolvimento

Estágio do desenvolvimento

Operação unitária

Bases das operações unitárias

Mecânica dos fluidos

Introdução, definição e propriedades dos fluidos

Estática dos fluidos

Dinâmica dos fluidos

Reologia

Mistura

Mistura de líquidos

Mistura de pós

Equipamentos industriais

Transmissão de calor

Condução

Secagem

Relações de equilíbrio

Mecanismo de secagem

Velocidade de secagem


Liofilização

Princípios físicos

Congelamento

Transferência de calor



Métodos gerais de esterilização

Mecanismos de destruição dos microrganismos

Métodos de esterilização

Cálculo de processos térmicos

Validação de processos de esterilização e industriais

Salas limpas

Tratamento de água

Tamisação

Tamises

Caracterização dos tamises e tamisado


Filtração

Teoria da filtração

Classificação dos filtros


Centrifugação

Tipos de centrífugas

Cálculo da força centrífuga


Concentração/Destilação

Equilíbrio líquido-vapor

Destilação binária


BIBLIOGRAFIA BÁSICA


BARNES, H.A. et al. - An introduction to rheology. Netherlands: Elsevier, 1989.

COOPER & GUNN - Tutorial pharmacy. 6 ed. Belfast, Pitman Medical, 1972.

EARLE, R.L. - Ingenieria de los Alimentos (Las operaciones básicas delprocessado de los alimentos). Zaragosa: Acribia, 1988.

FOUST, et al. - Princípios de operações unitárias. Rio de Janeiro:Guanabara Dois,1982.

GOLDBLITH, S.A , REY, L., ROTHMAYR, W.C. - Freeze drying and advanced foodtechnology. New York: Academic Press, 1975.

JEANNIN, C. et al. - Galenica 3 - Génie Pharmaceutique. Paris: Technique etDocumentation (Lavoisser), 1982.

LIMA, L.R. - Elementos básicos de engenharia química. São Paulo: MacGraw-Hill,1974.

McCABE, W.L. & SMITH, J.C. - Operaciones basicas de ingenieria química.Barcelona: Reverte, 1972.

MORRISEY, R.F. & PHILLIPS, G.B. - Sterilizationi tecnology: a practical guide formanufacturers and nairs of health care products. New York: Van Nostrand, 1993.

PRISTA, L.N. & CORREIA, A A - Técnica farmacêutica e farmácia galênica. Lisboa:Calouste Gulbenkian, 1968.

STEFFE, J.E. – Rheological methods in food process engineering. East Lansing:Freeman Press, 1996, 418 p.

UNIFAR - União farmacêutica de São Paulo. Roteiro para montagem de laboratório emindústrias de insumos para uso farmacêutico, cosméticos, alimentos e afins. Qualifar -3ª ed., 1991.

VIAN, A & OCON, J. – Elementos de ingenieria química. Madri: Aguilar, 1967.


Apresentação de Relatórios

1. PRÉ-TEXTO

o CAPA

o SUMÁRIO

o LISTA DE FIGURAS

o LISTA DE QUADROS

2. TEXTO (CORPO DO TRABALHO)

2.1. INTRODUÇÃO

2.2. REVISÃO DA LITERATURA

2.3. MATERIAL E MÉTODOS

2.4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

2.5. CONCLUSÕES

3. PÓS-TEXTO

3.1. ANEXOS

3.2. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3.3. APÊNDICES


Sistemas Unitários: Análise Dimensional e Similaridades

1. Magnitude e sistemas unitários

O valor de qualquer magnitude física é expressa como o produto de dois fatores: ovalor da unidade e o número de unidades. As propriedades físicas de um sistema estãorelacionadas com uma série de leis mecânicas e físicas. Algumas magnitudes podem serconsideradas fundamentais e outras derivadas. Magnitudes fundamentais variam de um sistemapara outro.

Geralmente, tempo e comprimento são tidos como fundamentais. O sistema deunidades necessita uma terceira magnitude fundamental, que pode ser a massa ou força. Aquelessistemas que apresentam a massa como a terceira magnitude fundamental são conhecidos comosistemas de unidade absoluta, enquanto aqueles que tem a força como unidade fundamental sãochamados sistemas de unidade técnicos. Existem também sistemas unitários usados naengenharia que consideram comprimento, tempo, massa, e força como magnitudes fundamentais.

1.1. Sistemas de Unidade AbsolutoExistem três sistemas de unidade absoluto: o C.G.S. (CGS), o Giorgi (MKS), e o

inglês (FPS). De todos estes, as magnitudes fundamentais são comprimento, massa, e tempo. Asdiferentes unidades destes três sistemas são apresentados na Tabela 1. Nestes sistemas, força éuma unidade derivada das três unidades fundamentais. As unidades de força e energia sãodetalhadas na Tabela 2.

Quando as magnitudes de calor são usadas, é conveniente definir a unidade detemperatura. Para os sistemas CGS e MKS, a unidade de temperatura é definida em grauscentígrados (oC), enquanto que para o sistema Inglês é definido em graus Fahrenheit (oF).Unidades de calor são definidos independentemente do sistema de unidades.

Tabela 1.Sistema de Unidade Absoluto

Sistema c.g.s. Giorgi English

Magnitude CGS MKS FPSComprimento (L) 1 centímetro (cm) 1 metro (m) 1 pé (ft)

Massa (M) 1grama (g) 1 kilograma (kg) 1 libra (lb)Tempo (T) 1 segundo (s) 1 segundo (s) 1 segundo (s)

Tabela 2.Unidades Derivadas do Sistema Absoluto

Sistema


c.g.s. Giorgi EnglishMagnitude (CGS) (MKS) (FPS)

Força 1 dina 1 Newton (N) 1 poundalEnergia 1 erg 1 Joule (J) 1 libras por pé

Tabela 3.Unidades Derivadas do Sistema Absoluto

SistemaMagnitude Métrico Inglês

Comprimento (L) 1 metro (m) 1 pé (ft)Força (F) 1 quilograma força (kg ou kgf) 1 libra força (lbf)

Tempo (T) 1 segundo (s) 1 segundo (s)Temperatura (θ) 1 grau centígrado (oC) 1 grau Fahrenheit (oC)

1.2 Sistemas de Unidades TécnicosEntre os mais usados sistemas técnicos estão o métrico e o Inglês. Em ambos, as

magnitudes fundamentais são comprimento, força, e tempo. Com relação à temperatura, ounidade do sistema métrico é o grau centígrado, e no sistema Inglês é o Fahrenheit. A Tabela 3mostra as unidades fundamentais dos sistemas métrico e Inglês.

1.3 Sistemas de Unidades de EngenhariaAté agora, somente sistemas que consideram apenas três magnitudes como

fundamentais foram descritos. Entretanto, em sistemas de engenharia, quatro magnitudes sãoconsideradas básicas: comprimento, tempo, massa, e força. A Tabela 4 apresenta as diferentesunidades para os sistemas de engenharia métrico e Inglês.

Tabela 4.Unidades do Sistema usado em Engenharia

SistemaMagnitude Métrico Inglês

Comprimento (L) 1 metro (m) 1 pé (ft)Massa (M) 1 quilograma (kg) 1 libra (lb)Força (F) 1 quilograma força (kp ou kgf) 1 libra força (lbf)

Tempo (T) 1 segundo (s) 1 segundo (s)Temperatura (θ) 1 grau centígrado (oC) 1 grau Fahrenheit (oC)

Quando se define massa e força como fundamentais, uma incongruência podeaparecer, visto que estas magnitudes estão relacionadas com princípios de dinâmica básica. Parase evitar esta incompatibilidade, uma correção ou fator de proporcionalidade (gc) deve serinserido. A equação deste princípio poderia ser:


gc x Força = Massa x Aceleração

Observe que gc tem unidades de massa (aceleração/força). O valor deste fator decorreção em sistemas de engenharia é:

Sistema Métrico: gc = 9,81 (quilograma)(metros) = 9,81 kg . m (quilograma força)(segundos)2 kg . s2

Sistema Inglês: gc = 32,17 (lbmassa)(pés) = 32,17 lb . ft (lbforça) (segundos)2 lbf . s2

1.4 Sistema internacional de unidades (SI)Foi muito conveniente se unificar o uso dos sistemas de unidades quando os países

Anglo-Saxãos incorporaram o sistema métrico decimal. Com este propósito, o MKS foi adotadocomo o sistema internacional e denominado como SI. Embora a obrigatoriedade do sistema sejareconhecida, outros sistemas ainda são utilizados, entretanto, atualmente muitos jornais deengenharia e livros são editados somente em SI, tornando este sistema o mais recomendável. ATabela 5 Apresenta as unidades fundamentais deste sistema com algumas unidadessuplementares e derivadas.

Tabela 5.Magnitude Unidade Abreviação Dimensão

Comprimento metro m LMassa quilograma kg MTempo segundo s TForça Newton N MLT2

Energia Joule J ML2T-2

Potência Watt W ML2T-3

Pressão Pascal Pa ML-1T-2

Freqüência Hertz Hz T-1

Às vezes a magnitude de uma determinada unidade é tão grande para se indicar osmúltiplos e submúltiplos das unidades fundamentais. Geralmente é aconselhável usar estesmúltiplos e submúltiplos na potência de 103. A seguir (Tabela 6) está a lista dos múltiplos esubmúltiplos mais freqüentemente utilizados, assim como seu respectivo nome e símbolo.

Tabela 6.Prefixo Fator de multiplicação Símbolo SI

tera 1012 Tgiga 109 Gmega 106 Mquilo 103 khecto 102 hdeca 101 dadeci 10-1 dcenti 10-2 c


mili 10-3 mmicro 10-6 µnano 10-9 npico 10-12 p

femto 10-15 fatto 10-18 a

É interessante que, em muitos problemas, a concentração é expressa por unidadesmolares. A unidade molar freqüentemente utilizada é o mole, definida como a quantidade desubstância na qual a massa em gramas é numericamente igual ao seu peso molecular.

1.5 Unidades TérmicasCalor é uma forma de energia; deste modo, a dimensão de ambos é ML2T-2.

Entretanto, em alguns sistemas a temperatura é tida como uma dimensão. Nestes casos, a energiado calor pode ser expressa como proporcional ao produto da massa com a temperatura. Aconstante de proporcionalidade é o calor específico, que depende do material e varia de um paraoutro. A quantidade de calor é definida como uma função do material, com água como umareferência e o calor específico é a unidade.

Calor = Massa x Calor específico x Temperatura

A unidade de calor específico depende do sistema de unidades a ser adotado. Assim:

Sistema Métrico:Caloria: calor necessário para aumentar a temperatura de um grama de água

de 14,5 a 15,5oCSistema Inglês:

Btu (British thermal unit): quantidade de calor necessária para se elevar atemperatura de uma libra de água um grau Fahrenheit ( de 60 para 61oF)

Chu (Centigrade heat unit or pound calorie): quantidade de calor necessáriapara se elevar a temperatura de uma libra de água um grau centígrado

Sistema InternacionalCaloria: visto que calor é uma forma de energia, sua unidade é o Joule. A

caloria pode ser definida como uma função do Joule: 1 caloria = 4,185Joules

Visto que calor e trabalho são duas formas de energia, é necessário definir um fatorque as relaciona. Por esta razão, o equivalente mecânico de calor (Q) é definido como:

Q x energia de calor = Energia Mecânica

Assim:

Q = Energia Mecânica = MLT-2L = L2T-2 θ -1

Energia de calor Mθ


1.6 Conversão de UnidadesA conversão de unidades de um sistema para outro é feita facilmente se as

quantidades são expressas como uma função das unidades fundamentais de massa, comprimento,tempo e temperatura. A conversão de fatores são usados para converter diferentes unidades. Ofator de conversão é o número de unidades de um certo sistema contido em uma unidade demagnitude correspondente em outro sistema. Os fatores de conversão mais comuns para asdiferentes magnitudes são apresentados na Tabela 7.

Ao se converter unidades, é necessário distinguir os casos nos quais somente osvalores numéricos são convertidos daqueles em que a fórmula pode ser convertida. Quando énecessário converter valores numéricos de uma unidade para outra, as equivalências entre elas, ofator de conversão é usado diretamente.

Tabela 7. Fatores de conversão

Massa:1 lb 0,1536 kg

(1/32,2) slugComprimento:

1 polegada 2,54 cm1 pé 0,3048 m

1 milha 1609 mSuperfície:

1 polegada quadrada 645,2 mm2

1 pé quadrado 0,09290 m2

Volume e Capacidade:1 pé cúbico 0,02832 m3

1 galão (imperial) 4,546 l1 galão (EUA) 3,786 l

1 barril 159,241 lTempo:

1 min 60 s1 h 3600 s

1 dia 86.400 sDiferença detemperatura:

1oC = 1K 1,8 oFForça:

1 poundal (pdl) 0,138 N1 lbf 4,44 N

4,44 x 105 dina32,2 pdl

1 dina 10-5 NPressão:


1 atmosfera técnica (at) 1kgf / cm2

14,22 psi1 bar 100 kPa

1 mmHg (tor) 133 Pa13,59kgf / cm2

1 psi (lb/in2) 703 kgf / m2

Energia, calor epotência:

1 kilocaloria (kcal) 4.185 J426,7 kgfm

1 erg 10-7 J1 Btu 1055 J1 Chu 0,454 kcal

1,8 Btu1 cavalo vapor (CV) 0,736 kW

75 kgm / s1 cavalo vapor (HP) 0,746 kW

33.000 ft lb / min76,04kgm / s

1 quilowatt (kW) 1000 J / s1,359 CV

1 quilowatt hora (kW.h) 3,6 x 106 J860kcal

1 atm. litro 0,0242 kcal10,333 kgm

Viscosidade:1 poise (P) 0,1 Pa . s

1 libra/(ft.h) 0,414m Pa . s1 stoke (St) 10-4 m2 / s

Vazão:1 lb/h 0,126 g / s1ton/h 0,282 kg / s

1 lb/ (ft2.h) 1,356 g / s . m2

Magnitudes térmicas:1 Btu / (h.ft2) 3,155 W / m2

1 Btu / (h.ft2 oF) 5,678 W / (m2K)


1 Btu / lb 2,326 kJ / kg1 Btu / (lb.oF) 4,187kJ / (kg . K)

1 Btu / (h.ft. oF) 1,731 W / (m.K)

Nos casos de conversão de unidades de uma fórmula, a constante que aparece nafórmula geralmente tem dimensões. Para aplicar a fórmula nas diferentes unidades daquelas queforam dadas, somente a constante das fórmulas deverão ser convertidas. Nos casos em que aconstante é adimensional, a fórmula pode ser diretamente aplicada usando qualquer sistema deunidades.

fisica industrial

Documents