HIDROSTÁTICA E CALORIMETRIA

PLT: HALLIDAY, David; RESNICK, Robert. Fundamentos da física gravitação, ondas e termodinâmica. 8ª ed. Rio de Janeiro:LTC, 2012, v.2. cap.14

Prof. Ms. Valesca de Freitas

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• Resumo do Plano de Ensino e Aprendizagem (PEA)

• Conceitos Fundamentais e definição de fluido.

• Teorema de Stevin, Princípio de Pascal e Arquimedes.

• Conceito de Carga de Pressão

• Equação Manométrica

• Temperatura e Dilatação Térmica

• Calorimetria e Mecanismos de transferência de calor

• Termodinâmica: 1ª Lei e 2ª Lei

• Forma de Avaliação

• 1º bimestre

• Prova (0 a 8,0) Data:

• Relatórios de laboratório (0 a 2)

• 2º bimestre

• Prova (0 a 8,0) Data:

• Relatórios de laboratório (0 a 2)

NÃO É PERMITIDO GRAVAR AS AULAS

Conceitos e Definição de Fluidos

Fluido é uma substância que não tem forma própria, podem ser gases (ocupam todo o recipiente)

ou líquidos (superfície livre).

Hidrostática não é o estudo da água parada, líquidos em equilíbrio. O que é líquido e o que é fluido?Líquido: incompressível - Fluido: compressível, não tem forma própria.

Massa específica e peso específico

Massa específica (conhecida como densidade )

Peso específico

Peso específico relativo (líquidos)

Massa: ρ ou μ Diferença de massa (ρ) e densidade: Densidade: qualquer coisa; Massa: homogêneo (não é oco) ex: massa de ferro oca, lá dentro não é ferro tem massa e volume, mas não tem massa específica do ferro só densidade.Boiar e afundar: ideia de densidade. Navio com densidade menor que a água, pois tem volume muito grande. Formato de massa de modelar: bolinha afunda, formato de barco flutua.

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Pressão

PRESSÃO:

Onde: F = força (N)A = área (m2)Unidade: N/m2 = Pa (Pascal)

Massa concentrada aumenta a pressão, dá a sensação de ser mais pesado. Amolar uma faca é diminuir a área, para a mesma força maior pressão, fica mais fácil de cortar.

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Pressão atmosférica

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Variação de pressão e profundidade

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FLUIDOS EM REPOUSO

Forças em equilíbrio:

Trabalhando com pressões:

Como m= ρ.v e V= y1-y2 então:

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EXEMPLO (PLT):

(PLT, ex.14.1, pág 60) Uma sala de estar tem 4,2m de comprimento, 3,5m de largura e 2,4m de altura. a) Qual é o peso do ar na sala se a pressão do ar é 1,0 atm?b) Qual é o módulo da força que a atmosfera exerce sobre o alto da cabeça de uma pessoa, que tem

uma área de ordem de 0,040m2?

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Escalas de Pressão

Pressão Atmosférica – patm coluna de ar sobre o corpo, qto mais sobe menos ar, nível do mar pra cima, menor pressão, pra baixo, maior pressão (coluna de água).1. A magnitude da pressão atmosférica varia com a altitude e as condições climatológicas do lugar.É medida em relação ao vácuo perfeito por barômetros sendo registrada nas estações meteorológicas.2. A pressão atmosférica apresenta uma diminuição com a altitude de aproximadamente 85mm demercúrio por cada 1000m de altitude.3. A pressão atmosférica próxima da superfície terrestre varia normalmente na faixa de 95 kPa a105 kPa. Ao nível do mar a pressão atmosférica padrão é de 101,33kPa.• Equivalências de pressão atmosférica: 101,33kPa =1 atm =760mmHg =10,36mH20

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Escalas de Pressão

Pressão Relativa - pman

A pressão relativa (gauge) é medida em relação à pressão atmosférica. Representa a pressão medida pelos manômetros (pman). Pode ser dada em função da altura vertical de coluna de um fluido de massa específica.

Esta altura vertical é conhecida como altura de coluna de fluido. Se a pressão é expressa em altura, a massa específica do fluido deve ser fornecida.

Pressão Absoluta - pabs

A pressão medida em relação ao vácuo perfeito é conhecida como pressão absoluta.

Diferença de pressão

Pressão Absoluta= Pressão Relativa+ Pressão Atmosférica

P = P0 - ρgh

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Escalas de Pressão

Obs: A pressão atmosférica (Patm) por definição é uma pressão absoluta já que é medida em relação ao vácuo perfeito.

1. Um vácuo perfeito é a pressão mais baixa possível. Desta forma uma pressão absoluta (pabs) será sempre positiva.2. Uma pressão (relativa) que está por cima da pressão atmosférica (patm) é positiva (+) sendo medida por manômetros (pman).3. Uma pressão (relativa) que está por baixo da pressão atmosférica (patm) é negativa (-) sendo medida por vacuômetros (pvac).4. Manômetros e vacuômetros medem pressões relativas.

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Unidades de Pressão

a) Unidade de pressão propriamente dita (F/A):

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EXEMPLO (PLT)

(PLT, ex.14.2, pág 62) Um mergulhador novato, praticando em uma piscina, inspira ar suficiente do tanque para expandir totalmente os pulmões antes de abandonar o tanque a uma profundidade L e nadar para a superfície. Ele ignora as instruções e não exala o ar durante a subida. Ao chegar à superfície, a diferença entre a pressão externa a que está submetido e a pressão do ar em seus pulmões é 9,3kPa. De que profundidade partiu? Que risco possivelmente fatal está correndo?

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EXEMPLO (PLT)

(PLT, ex.14.3, pág 63) O tubo em forma de U contém dois líquidos em equilíbrio estático: no lado direito existe água de massa específica ρa (=998kg/m3), e no lado esquerdo existe óleo de massa específica ρx. Os valores das distâncias indicadas na figura são l=135mm e d = 12,3mm. Qual é a massa específica do óleo?

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O Barômetro• A pressão atmosférica é medida pelo

barômetro;• A pressão em um mesmo nível é a

mesma, logo a coluna h formada é devido à pressão atmosférica.

p0 = ρgh

Fonte do gif animado: www.escoladavida.eng.br , acessado em 17/03/12,

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O Barômetro

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Manômetro de tubo abertoMede a pressão manométrica de um gás.

Pm = p – p0 = ρgh

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Princípio de Pascal

P = Pext + ρgh

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Princípio de Pascal e o macaco hidráulico

P1A1 = P2A2

P = F1 = F2

A1 A2

W = F.d

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Princípio Arquimedes

Módulo da força de empuxo:

FE = mf.g Onde: mf = massa do fluido deslocado pelo corpo

E= ρ.vdesloc.g

O líquido toca o corpo em todos os pontos. Todas as forças se anulam. A de cima pra baixo não anula a de baixo pra cima, por que a pressão na superfície é menor que de baixo, pois a coluna de pressão é menor. O líquido gera uma resultante pra cima (empuxo) que é igual ao peso do líquido deslocado. E= ρ.vdesloc.g Mdo liquido deslocado = ρ. Vdeslocado

Sentido do empuxo: pra cima ↑

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Princípio Arquimedes

FLUTUAÇÃO:

FE = Fg

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Princípio Arquimedes

Peso aparente de um fluido

pesoap = peso - FE

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EXEMPLOS (PLT)(PLT, ex.14.5, pág 69) Na figura, um bloco de massa específica ρ = 800kg/m3 flutua em um fluido de massa específica ρf = 1200 kg/m3. O bloco tem uma altura H = 6,0 cm.a) Qual é a altura h da parte submersa do bloco?

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.

1. The pressure increase is the applied force divided by the area: Dp = F/A = F/pr2, where r is the radius of the piston. Thus Dp = (42 N)/p(0.011 m)2 = 1.1 ´ 105 Pa.This is equivalent to 1.1 atm.

2. Note-se que o recipiente é cilíndrico, o aspecto importante disto é que ele tem uma secção transversal uniforme (como visto a partir de cima); isto permite-nos para relacionar a pressão na parte inferior simplesmente ao peso total dos líquidos. Usando o facto de 1L = 1000 cm3, encontramos o peso do primeiro líquido para ser

 

Na última etapa, nós convertemos gramas para quilogramas e centímetros para metros. Do mesmo modo, para o segundo e o terceiro líquidos, temos

 e 

A força total sobre o fundo do recipiente é, portanto, F = W1 + W2 W3 + = 18 N.

1) Determine o aumento de pressão do fluido em uma seringa quando uma enfermeira aplica uma força de 42N ao êmbolo circular da seringa, que tem um raio de 1,1cm.

2) Três líquidos imiscíveis são despejados em um recipiente cilíndrico. Os volumes e massas específicas dos líquidos são: 0,5L, 2,6g/cm3; 0,25L, 1,0g/cm3; 0,40L, 0,80 g/cm3. Qual é a força total exercida pelos líquidos sobre o fundo do recipiente? Um litro = 1L = 1000cm3. (Ignore a contribuição da atmosfera).

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.

3. The air inside pushes outward with a force given by piA, where pi is the pressure inside the room and A is the area of the

window. Similarly, the air on the outside pushes inward with a force given by poA, where po is the pressure outside. The

magnitude of the net force is F = (pi – po)A. Since 1 atm = 1.013 ´ 105 Pa,5 4(1.0 atm 0.96 atm)(1.013 10 Pa/atm)(3.4 m)(2.1 m) = 2.9 10 N.F

3) Uma janela de escritório 3,4m de largura por 2,1m de altura. Como resultado da passagem de uma tempestade, a pressão do ar do lado de fora do edifício cai para 0,96 atm, mas no interior do edifício permanece em 1,0atm. Qual é o módulo da força que empurra a janela para fora por causa dessa diferença de pressão?

4) Você calibra os pneus do carro com 28 psi. mais tarde, mede a pressão arterial, obtendo uma leitura de 12/8 em cm Hg. No SI, as pressões são expressas em pascal ou seus múltiplos, como o quilopascal (Kpa). Quais são, em Kpa

a) a pressão dos pneus de seu carro eb) sua pressão arterial?

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.5) Calcule a diferença hidrostática entre a pressão arterial no cérebro e no pé de uma pessoa com 1,83m

de altura. A massa específica do sangue é 1,06x103kg/m3.

6) Alguns membros da tripulação tentam escapar de um submarino avariado 100m abaixo da superfície. Que força deve ser aplicada a uma escotilha de emergência de 1,2m por 0,60m, para abri-la para fora nessa profundidade? Suponha que a massa específica da água do oceano é 1024 kg/m3 e que a pressão do ar no interior do submarino é 1,00atm.

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.7) Dois recipientes cilíndricos iguais, com as bases no mesmo nível, contêm um líquido de massa

específica 1,30x103kg/m3. A área de cada base é 4cm2, mas em um dos recipientes a altura do líquido é 0,854m e no outro é 1,560m. Determine o trabalho realizado pela força gravitacional para igualar os níveis quando os recipientes são ligados por um tubo.

8) Para sugar limonada, com uma massa específica de 1000kg/m3, usando um canudo para fazer o líquido subir 4,0cm, que pressão manométrica mínima (em atmosferas) deve ser produ\ida pelos pulmões?

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.9) Um êmbolo com uma seção reta a é usada em uma prensa hidráulica para exercer uma pequena força

de módulo f sobre um líquido que está em contato, através de um tubo de ligação, com um êmbolo maior de seção reta A.

a) Qual é o módulo F da força que deve ser aplicada ao êmbolo maior para que o sistema fique em equilíbrio?

b) Se os diâmetros dos êmbolos são 3,80 cm, qual é o módulo da força que deve ser aplicada ao êmbolo menor para equilibrar uma força de 20,0kN aplicada ao êmbolo maior?

10) Uma âncora de ferro de massa específica 7870 kg/m3 parece ser 200N mais leve na água que no ar.c) Qual é o volume da âncora?d) Quanto ela pesa no ar?

(a) According to Pascal’s principle F/A = f/a

F = (A/a)f.

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.11) Na figura (a), um bloco retangular é gradualmente empurrado para dentro de um líquido. O bloco tem

uma altura d; a área das faces superior e inferior é A = 5,67cm2. A figura (b) mostra o peso aparente Pap do bloco em função da profundidade h da face inferior. A escala do eixo vertical é definida por Ps = 0,20N. Qual é a massa específica do líquido?

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PROBLEMAS, PLT, pág 78.12) A figura mostra uma bola de ferro suspensa por uma corda de massa desprezível presa em um

cilindro que flutua, parcialmente submerso, com as bases paralelas à superfície da água. O cilindro tem uma altura de 6cm, um área das bases de 12cm2, uma massa específica de 0,30g/cm3 e 2cm de sua altura estão acima da superfície da água. Qual é o raio da bola de ferro?