noções de termodinâmica(cleuber)

NOÇÕES DE TERMODINÂMICA

Autor: Cleuber Pozes Valadão

Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS.

Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS".

Órgão gestor: E&P-CORP/RH

Autor: Cleuber Pozes Valadão

Ao final desse estudo, o treinando poderá:

• Reconhecer os tipos de energia e as unidades de medida utilizadas;

• Aplicar as leis de Newton e as leis da Termodinâmica a partir da compreensão dos principais conceitos da Física.


Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais na Companhia.

É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo.

Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P.

Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia.

O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos.

Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é.

Programa Alta Competência

Programa Alta Competência

Agradecimentos

Agradeço a todos aqueles que, direta ou indiretamente, colaboraram para a realização deste trabalho.

Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso.

No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.

Autor

Ao fi nal desse estudo, o treinando poderá:

• Identifi car procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas;

• Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança;

• Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

ATERRAMENTO DE SEGURANÇA

Como utilizar esta apostila

Objetivo Geral

O material está dividido em capítulos.

No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específi cos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.

No fi nal de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem.

Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas

Cap

ítu

lo 1

Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Ao fi nal desse capítulo, o treinando poderá:

• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos;

• Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos;

• Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

20

Alta Competência

21

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

A gravidade dos efeitos fi siológicos no organismo está relacionada a quatro fatores fundamentais:

Tensão;•

Resistência elétrica do corpo; •

Área de contato;•

Duração do choque.•

Os riscos elétricos, independente do tipo de • instalação ou sistema, estão presentes durante toda a vida útil de um equipamento e na maioria das instalações. Por isso é fundamental mantê-los sob controle para evitar prejuízos pessoais, materiais ou de continuidade operacional.

Os • choques elétricos representam a maior fonte de lesões e fatalidades, sendo necessária, além das medidas de engenharia para seu controle, a obediência a padrões e procedimentos de segurança.

1.4. Exercícios

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?______________________________________________________________________________________________________________________________

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

A) Risco de incêndio e explosão B) Risco de contato

( ) “Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

( ) “Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

( ) “Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

( ) “Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certifi cação.”

24

Alta Competência

25


CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007.

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005.

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: <http://www.mte.gov.br/legislacao/normas_regulamentadoras/nr_10.pdf> - Acesso em: 14 mar. 2008.

NFPA 780. Standard for the Installation of Lightining Protection Systems. National Fire Protection Association, 2004.

Manuais de Cardiologia. Disponível em: <http://www.manuaisdecardiologia.med.br/Arritmia/Fibrilacaoatrial.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Educação. Disponível em: <http://mundoeducacao.uol.com.br/doencas/parada-cardiorespiratoria.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Ciência. Disponível em: <http://www.mundociencia.com.br/fi sica/eletricidade/choque.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.



( B ) “Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

( A ) “Nas instalações elétricas de áreas classifi cadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

( B ) “Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

( A ) “Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certifi cação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

( V ) O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

( F ) Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

( V ) Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

( V ) Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fi o terra”.

( F ) A queimadura é o principal efeito fi siológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

1.7. Gabarito1.6. Bibliografi a

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas defi nições estão disponíveis no glossário. Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente identifi cados, pois estão em destaque.

48

Alta Competência Capítulo 3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

49

3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

Todas as Unidades de Exploração e Produção possuem um plano de manutenção preventiva de equipamentos elétricos (motores, geradores, painéis elétricos, transformadores e outros).

A cada intervenção nestes equipamentos e dispositivos, os mantenedores avaliam a necessidade ou não da realização de inspeção nos sistemas de aterramento envolvidos nestes equipamentos.

Para que o aterramento de segurança possa cumprir corretamente o seu papel, precisa ser bem projetado e construído. Além disso, deve ser mantido em perfeitas condições de funcionamento.

Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.

3.1. Problemas operacionais

Os principais problemas operacionais verifi cados em qualquer tipo de aterramento são:

• Falta de continuidade; e

• Elevada resistência elétrica de contato.

É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 defi ne o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.

56

Alta Competência Capítulo 3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

57

Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica.

Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica.

Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.


COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade – Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.






3.5. Bibliografi a3.4. Glossário

Objetivo Específi co

Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografi a ao fi nal de cada capítulo.

Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos.

A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado de um determinado item do capítulo.

“Importante” é um lembrete das questões essenciais do conteúdo tratado no capítulo.

24

Alta Competência

25



COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.






Manuais de Cardiologia. Disponível em: <http://www.manuaisdecardiologia.med.br/Arritmia/Fibrilacaoatrial.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Educação. Disponível em: <http://mundoeducacao.uol.com.br/doencas/parada-cardiorespiratoria.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Ciência. Disponível em: <http://www.mundociencia.com.br/fi sica/eletricidade/choque.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.



( B ) “Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

( A ) “Nas instalações elétricas de áreas classifi cadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

( B ) “Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

( A ) “Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certifi cação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

( V ) O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

( F ) Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

( V ) Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

( V ) Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fi o terra”.

( F ) A queimadura é o principal efeito fi siológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

1.7. Gabarito1.6. Bibliografi a

14

Alta Competência

15


É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.

Os riscos elétricos de uma instalação são divididos em dois grupos principais:

1.1. Riscos de incêndio e explosão

Podemos defi nir os riscos de incêndio e explosão da seguinte forma:

Situações associadas à presença de sobretensões, sobrecorrentes, fogo no ambiente elétrico e possibilidade de ignição de atmosfera potencialmente explosiva por descarga descontrolada de eletricidade estática.

Os riscos de incêndio e explosão estão presentes em qualquer instalação e seu descontrole se traduz principalmente em danos pessoais, materiais e de continuidade operacional.

Trazendo este conhecimento para a realidade do E&P, podemos observar alguns pontos que garantirão o controle dos riscos de incêndio e explosão nos níveis defi nidos pelas normas de segurança durante o projeto da instalação, como por exemplo:

A escolha do tipo de • aterramento funcional mais adequado ao ambiente;

A seleção dos dispositivos de proteção e controle;•

A correta manutenção do sistema elétrico.•

O aterramento funcional do sistema elétrico tem como função permitir o funcionamento confi ável e efi ciente dos dispositivos de proteção, através da sensibilização dos relés de proteção, quando existe uma circulação de corrente para a terra, provocada por anormalidades no sistema elétrico.

Observe no diagrama a seguir os principais riscos elétricos associados à ocorrência de incêndio e explosão:

Já a caixa de destaque “Resumindo” é uma versão compacta dos principais pontos abordados no capítulo.

Em “Atenção” estão destacadas as informações que não devem ser esquecidas.

Todos os recursos didáticos presentes nesta apostila têm como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo.

Aproveite este material para o seu desenvolvimento profi ssional!

Uma das principais substâncias removidas em poços de petróleo pelo pig de limpeza é a parafi na. Devido às baixas temperaturas do oceano, a parafi na se acumula nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode vir a bloquear o fl uxo de óleo, em um processo similar ao da arteriosclerose.

VOCÊ SABIA??

É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

ImpOrtAnte!

AtenÇÃO

É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

Recomendações gerais

• Antes do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador;

• Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs;

• Lançadores e recebedores deverão ter suas

reSUmInDO...

NÍVEL DE RUÍDO DB (A) MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL

85 8 horas

86 7 horas

87 6 horas

88 5 horas

89 4 horas e 30 minutos

90 4 horas


92 3 horas



95 2 horas

96 1 hora e 45 minutos


100 1 hora

102 45 minutos

104 35 minutos

105 30 minutos

106 25 minutos

108 20 minutos

110 15 minutos

112 10 minutos

114 8 minutos

115 7 minutos


VOCÊ SABIA??


ImpOrtAnte!

AtenÇÃO






reSUmInDO...


85 8 horas

86 7 horas

87 6 horas

88 5 horas


90 4 horas


92 3 horas



95 2 horas



100 1 hora

102 45 minutos

104 35 minutos

105 30 minutos

106 25 minutos

108 20 minutos

110 15 minutos

112 10 minutos

114 8 minutos

115 7 minutos


VOCÊ SABIA??


ImpOrtAnte!

AtenÇÃO






reSUmInDO...


85 8 horas

86 7 horas

87 6 horas

88 5 horas


90 4 horas


92 3 horas



95 2 horas



100 1 hora

102 45 minutos

104 35 minutos

105 30 minutos

106 25 minutos

108 20 minutos

110 15 minutos

112 10 minutos

114 8 minutos

115 7 minutos

SumárioSumárioIntrodução 17

Capítulo 1 - Conceitos básicos Objetivos 191. Conceitos básicos 21

1.1. Grandezas físicas 211.1.1. Grandezas fundamentais 221.1.2. Grandezas derivadas 24

1.2. Leis de Newton 251.2.1. 1ª Lei de Newton ou Princípio da Inércia 251.2.2. 2ª Lei de Newton ou Princípio Fundamental da Mecânica 251.2.3. 3ª Lei de Newton ou Lei de Ação e Reação 27

1.3. Energia 271.3.1. Energias armazenadas 281.3.2. Energias em transição 29

1.4. Exercícios 311.5. Glossário 341.6. Bibliografia 351.7. Gabarito 36

Capítulo 2 - Estudo dos gases Objetivos 392. Estudo dos gases 41

2.1. Propriedades do gás 412.1.1. Massa específica 422.1.2. Viscosidade 422.1.3. Peso Molecular 432.1.4. Fator de compressibilidade 432.1.5. Calor específico 432.1.6. Coeficiente isoentrópico 45

2.2. Gás e vapor 452.3. Leis das transformações dos gases 48

2.3.1. Lei de Boyle-Mariotte 482.3.2. Lei de Gay-Lussac 512.3.3. Lei de Charles 54

2.4. Equação geral dos gases perfeitos 562.5. Equação de Clapeyron ou equação universal dos gases 57

2.6. Lei de Dalton 602.7. Exercícios 632.8. Glossário 662.9. Bibliografia 672.10. Gabarito 68

Capítulo 3 - Equação de continuidade Objetivo 733. Equação de continuidade 75


Capítulo 4 - Leis da Termodinâmica Objetivo 814. Leis da Termodinâmica 83

4.1. Lei Zero da Termodinâmica 834.2. Primeira Lei da Termodinâmica 834.3. Segunda Lei da Termodinâmica 844.4. Terceira Lei da Termodinâmica 854.5. Exercícios 864.6. Glossário 874.7. Bibliografia 884.8. Gabarito 89

Capítulo 5 - Efeito difusor e efeito bocal Objetivo 915. Efeito difusor e efeito bocal 93


Capítulo 6 - Processos de compressão Objetivo 1016. Processos de compressão 103


17

Introdução

Termodinâmica é a parte da Física que estuda os princípios que regem os processos contínuos de troca e conversão de uma forma de energia em outra. Esses processos existem porque a

energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. A Termodinâmica, então, aborda fenômenos que envolvem:

Energias armazenadas• : potencial, cinética, interna, entalpia e entropia;

Energias em trânsição:• calor e trabalho.

O calor está associado a uma variação de energia interna e o trabalho está associado às energias potencial, cinética e entalpia. O deslocamento da massa ocorre ao ser promovido um desequilíbrio, através da diferença entre a somatória das energias armazenadas de cada ponto em observação.

A natureza caminha em busca do equilíbrio. Porém, para retirar trabalho ou calor, é necessário gerar o desequilíbrio. Para este ser gerado é necessário fornecer algum tipo de energia. A queda de um corpo, o aquecimento da água, a mudança de fase de uma substância, o bombeio de um líquido, a compressão ou expansão de um gás são exemplos de desequilíbrios de energia que estão presentes no nosso dia-a-dia e que nos auxiliam muito.

RESERVADO

RESERVADO

Cap

ítu

lo 1

Conceitos básicos

Ao final desse capítulo, o treinando poderá:

• Conceituar grandeza física distinguindo as fundamentais das derivadas;

• Reconhecer as leis de Newton aplicando-as em situações-problema;

• Distinguir os tipos de energia.

RESERVADO

20

Alta Competência

RESERVADO

21

Capítulo 1. Conceitos básicos

1. Conceitos básicosAntes de iniciarmos nosso estudo sobre Termodinâmica, vamos trabalhar alguns conceitos básicos sobre Física. Este estudo será dividido em três conceitos principais:

• Grandezas físicas;

Leis de Newton;•

Energia.•

1.1. Grandezas físicas

Grandeza física é tudo aquilo que é passível de medição. Medir uma grandeza física significa compará-la a outra grandeza de mesma espécie, que constitui um padrão ou unidade de medida.

Sistema de Unidades é um conjunto de unidades, em números necessários e suficientes para medir todas as grandezas de um determinado campo da Física.

As unidades definidas para compor um Sistema de Unidades são chamadas unidades fundamentais e as grandezas a que se referem tais unidades são as chamadas grandezas fundamentais. Inicialmente foram definidas as unidades e depois as grandezas.

A tabela a seguir apresenta algumas grandezas físicas e suas respectivas unidades de medida.

RESERVADO

22

Alta Competência

Grandezas físicas

Unidades de medida para as grandezas físicas:

comprimentometro (m)

decímetro (dm)

polegada (in)

milha (mi) pé (ft)

quilômetro (km)

força Newton (N)quilograma-força (kgf)

Dina

massa kilograma libra

volumemetro

cúbico (m3)litro (l) mililitro (ml)

centímetro cúbico (cm3)

potência Watt (W)horse power

(hp)

caloria por segundo (cal/s)

temperatura Kelvin (K) Celsius (C)Fahrenheit

(F)

As grandezas fundamentais, as leis e os teoremas da Física são o ponto de partida para a definição das demais grandezas físicas, ou seja, das grandezas derivadas. As unidades correspondentes às grandezas derivadas são denominadas unidades derivadas.

1.1.1. Grandezas fundamentais

Na Mecânica é usual tomar-se como grandezas fundamentais aquelas que não se pode dividir, separar. São elas: comprimento, massa, tempo e temperatura.

a) Comprimento - É a distância entre dois pontos.

Originalmente, o metro foi definido como a décima bilionésima parte da metade do meridiano terrestre ao nível do mar. Esta medida foi transferida para uma barra de platina iridiada, ainda hoje conservada na França. A partir daí, o metro-padrão passou a ser definido como a distância entre as duas marcas inscritas nesta barra quando à temperatura de zero grau Celsius. Atualmente, o metro é definido em função do comprimento da onda de radiação luminosa alaranjada, emitida por um isótopo do criptônio.

VOCÊ SABIA??

RESERVADO

23


b) Massa - É a grandeza associada à quantidade de matéria de um corpo. A massa de um corpo só se modifica quando a ele é acrescentada ou retirada matéria.

A unidade de massa no Sistema Internacional (SI) é o quilograma (Kg).O padrão internacional de referência para o quilograma é a massa do protótipo internacional que é um cilindro de platina iridiada, correspondente a um decímetro cúbico de água e guardado em Sèvres.

ImpOrtAnte!

c) Tempo - É a grandeza relacionada à duração, como intervalo de tempo, ou a um específico instante de tempo.

Originalmente, o segundo foi definido como o intervalo de tempo correspondente a 1/86.400 do dia solar médio.

VOCÊ SABIA??

d) Temperatura - A temperatura pode ser descrita como a sensação de quente ou frio. Do ponto de vista da Física, representa o grau de agitação das moléculas.

Quanto maior a temperatura, maior o grau de agitação das moléculas

RESERVADO

24

Alta Competência

1.1.2. Grandezas derivadas

São grandezas que surgem da combinação de duas ou mais grandezas fundamentais. São elas: velocidade (comprimento/tempo), aceleração, impulso e força.

a) Velocidade - É uma grandeza que corresponde à relação entre o espaço percorrido e o tempo gasto para percorrê-lo.

Escalar

Velocidade

Vetorial

A velocidade pode ser calculada da seguinte maneira:

ts

v

Onde:DS = espaço percorrido;

Dt = tempo gasto para percorrê-lo.

b) Aceleração - É a grandeza vetorial que corresponde à variação da velocidade no tempo. É assim calculada:

tv

a

Onde: Dv = variação da velocidade;

Dt = tempo gasto para variá-la.

c) Impulso - É a propriedade de um corpo em movimento que determina o período de tempo requerido para trazê-lo à condição de repouso sob ação de uma força constante. É o produto da massa pela velocidade.

d) Força - É um agente capaz de produzir ou cessar um movimento, ou causar alterações das dimensões e da forma de um corpo.

RESERVADO

25


A unidade de força no SI (Sistema Internacional) é o Newton (N).

ImpOrtAnte!

e) Pressão - É a relação entre uma força e a área na qual ela está atuando.

A pressão também pode ser definida como a freqüência de choques das moléculas de um fluido nas paredes de um recipiente por unidade de tempo.

1.2. Leis de Newton

As leis de Newton foram identificadas e verificadas através dos fenômenos dos movimentos dos corpos que são associados às forças e massas envolvidas nos estudos.

A observação da queda de um corpo, o movimento de um barco e o deslocamento de um automóvel são alguns dos exemplos onde se encontram presentes as leis de Newton.

1.2.1. 1ª Lei de Newton ou Princípio da Inércia

Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou movimento retilíneo e uniforme, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças impressas a ele.

A resultante de forças em um corpo é igual a zero quando o corpo estiver em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

1.2.2. 2ª Lei de Newton ou Princípio Fundamental da Mecânica

A força agindo sobre um corpo produz uma aceleração, cuja direção é a mesma da força aplicada. Sua amplitude é proporcional à força e inversamente proporcional à massa do corpo.

RESERVADO

26

Alta Competência

A 2ª. Lei de Newton pode ser assim enunciada:

A aceleração adquirida por um corpo é diretamente proporcional à intensidade da resultante das forças que atuam sobre o corpo, tem a direção e o sentido dessa força resultante e é inversamente proporcional à sua massa.

Observe as ilustrações a seguir:

Relação entre massa, força e aceleração - Lei Fundamental da Dinâmica

Supondo-se que a mão aplique uma força f (representada pelo vetor = seta) em uma caixa de massa m sofrerá uma aceleração a.

Se cada uma das mãos aplicar a força f na mesma caixa de massa m, a força resultante e a aceleração serão o dobro do exemplo anterior.

Se uma segunda caixa, também de massa m, for colocada próxima à primeira caixa, a massa total dobrará. Se as duas mãos, juntas, aplicarem o dobro da força do primeiro caso, a força resultante e a aceleração serão iguais à da primeira situação.

Os exemplos anteriores têm o objetivo de demonstrar que, segundo a Lei Fundamental da Dinâmica, os fenômenos de força e aceleração estão diretamente relacionados com a massa.

Isaac Newton deduziu que força e massa interferem na aceleração. O aumento da força atua diretamente no aumento da aceleração, enquanto o aumento da massa interfere inversamente, reduzindo a aceleração de um corpo.

mF

a

Onde:

F = força aplicada ao corpo;

m = massa do corpo.

RESERVADO

27


1.2.3. 3ª Lei de Newton ou Lei de Ação e Reação

Toda força de ação corresponde a uma força de reação de mesma intensidade e direção, porém com o sentido oposto.

Exemplos práticos:

Quando caminhamos, nós empurramos o chão para trás e • o chão nos empurra para frente com a mesma intensidade e direção, porém com sentido contrário;

Quando navegamos em um barco, o remo joga a água para • trás e a água joga o barco para frente com a mesma intensidade e direção, porém com sentido contrário.

O inglês Isaac Newton além de físico e matemático, como é mais conhecido, foi também astrônomo e alquimista. Na sua obra “Princípios Matemáticos da Filosofia Natural”, publicada em 1687, descreveu a lei da gravitação universal e as leis de Newton, que são fundamentos da mecânica clássica.

Nasceu no dia 4 de Janeiro de 1643 em Woolsthorpe, e faleceu no dia 31 de março de 1727, em Londres.

VOCÊ SABIA??

1.3. Energia

Energia é o potencial para executar trabalho ou realizar uma ação, ou seja, a capacidade de realizar trabalho. A unidade de trabalho é o Joule (J).

RESERVADO

28

Alta Competência

Portanto, pode-se afirmar que:

F x dW

Onde:

W = trabalho;

F = força aplicada;d = deslocamento.

Um exemplo de energia transformada em trabalho: no reservatório de Paulo Afonso, a água represada tem uma energia potencial que se transforma em trabalho quando aciona as turbinas.

Através dos tempos, os homens aprenderam a utilizar a energia para tornar o seu dia-a-dia mais confortável. A utilização de energia limpa e renovável é um desafio dos dias de hoje. Por essa razão, muitos são os estudos voltados ao uso da energia eólica (do vento), da energia dos mares, da energia solar, entre outras.

VOCÊ SABIA??

A energia pode ser classificada em dois grupos:

Energias armazenadas;•

Energias em • transição.

1.3.1. Energias armazenadas

Energia armazenada, como o nome sugere, é uma energia potencial, “guardada” sob alguma forma.

Os tipos, a representação e a descrição das energias armazenadas serão a seguir descritas:

a) Energia cinética (Ev) - É a energia que um corpo possui quando em movimento.

RESERVADO

29


b) Energia potencial de altura (Eh) - É a energia que um corpo possui em função da altura em que ele se encontra.

c) Energia potencial de pressão (Ep) - É a energia que um fluido possui quando submetido a uma pressão.

d) Energia interna (u) - É a energia potencial do fluido associada à sua temperatura.

e) Entalpia (h) - É o nível energético em que um fluido se encontra.

Podemos dizer que entalpia (h) é a soma da energia de pressão com a energia interna.

AtenÇÃO

1.3.2. Energias em transição

A combustão em um fogão se processa a partir da transferência de parte da energia do gás para o ambiente à sua volta. Isso inclui a panela colocada na grelha sobre a chama e o próprio ar. Essa transferência de energia ocorre devido ao aumento da energia cinética das moléculas envolvidas. Essa forma de energia é denominada energia calorífera.

Ao utilizarmos um ventilador, a energia elétrica é transformada em energia de movimento, havendo, portanto, uma transferência de energia, ou seja, é realizado trabalho.

A quantidade de energia mantém-se constante, mas, em ambos os casos, houve a transformação de uma forma de energia em outra. Essa situação atende ao princípio da conservação da energia que determina que esta não pode ser criada ou destruída, apenas transformada.

Para realizar troca de calor é necessário que exista uma diferença de temperatura entre os corpos. Para realizar a troca de trabalho é necessário que se tenha um diferencial do somatório das energias armazenadas. Assim, pode-se dizer que:

RESERVADO

30

Alta Competência

a) Trabalho (W) - É a energia que passa de um corpo para o outro devido à ação de uma força.

b) Calor (Q) - É a energia térmica em trânsito, no sentido da maior para a menor temperatura.

Entropia (S) é uma grandeza termodinâmica que mede a parte da energia que não pode ser transfor-mada em trabalho. A entropia expressa as perdas dos processos e manifesta-se com o acréscimo de tempe-ratura e somente pode ser reduzida ao ser transferi-da a outro fluido. Em todos os processos a entropia aumenta, e apenas com a troca de calor é que se pode reduzi-la.A entropia constitui uma variável matemática que expressa o grau de afastamento da idealidade do processo.

ImpOrtAnte!

RESERVADO

31


1) Marque com X a afirmativa que melhor descreve o conceito de grandeza física:

( ) Um conjunto de símbolos e números que representam a classificação das substâncias físicas.

( ) Tudo o que pode ser medido, comparado a outra grandeza padrão ou unidade de medida.

( ) O parâmetro único, adotado em todos os países para medidas de temperatura.

( ) A expressão numérica do produto entre medidas de massa e de força.

2) Marque com F as grandezas fundamentais e com D as grandezas derivadas.

( ) Massa( ) Velocidade( ) Força( ) Comprimento( ) Aceleração( ) Temperatura( ) Tempo( ) Pressão

3) Assinale com F as afirmações falsas e com V as afirmações verdadeiras:

( ) Pressão é a relação entre uma força e a área na qual ela está atuando.

( ) Impulso é a sensação de quente ou frio.( ) Temperatura é o produto da massa pela velocidade.( ) Comprimento é a distância entre dois pontos.

1.4. Exercícios

RESERVADO

32

Alta Competência

4) Correlacione as leis de Newton com as afirmativas correspondentes:

a) 1ª Lei de Newtonb) 2ª Lei de Newtonc) 3ª Lei de Newton

( ) A aceleração adquirida por um corpo é diretamente proporcional à intensidade da resultante das forças que atuam sobre o corpo, tem direção e sentido dessa força resultante e é inversamente proporcional à sua massa.

( ) A resultante de forças em um corpo é igual a zero quando o corpo estiver em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

( ) Quando navegamos em um barco, o remo joga a água para trás e a água joga o barco para frente com a mesma intensidade e direção.

5) Resolva a situação e marque a resposta correta, levando em consi-deração as leis de Newton:

“Uma pessoa está empurrando um caixote. A força que essa pessoa exerce sobre o caixote é igual e contrária à força que o caixote exerce sobre ela”.

( ) A pessoa poderá mover o caixote porque aplica a força sobre o caixote antes que o mesmo possa anular essa força.

( ) A pessoa poderá mover o caixote porque as forças citadas não atuam no mesmo corpo.

( ) A pessoa poderá mover o caixote se tiver uma massa maior do que a massa do caixote.

( ) A pessoa terá grande dificuldade para mover o caixote, pois nunca consegue exercer uma força sobre ele maior do que a força que esse caixote exerce sobre ela.

6) O que é energia?

_______________________________________________________________

RESERVADO

33


7) Marque com “A” energias armazenadas e “T” energias em transição:

( ) Energia cinética( ) Energia potencial de altura( ) Trabalho( ) Energia interna( ) Calor( ) Entalpia

8) Escolha uma palavra e com ela complete cada frase adequadamente:

processo corpo fluido

a) Energia potencial de altura é a energia que um _______________ possui em função da altura em que ele se encontra.

b) Energia potencial de pressão é a energia que um _______________ possui quando submetido a uma pressão.

c) Entropia é uma variável matemática que expressa a energia relacionada ao grau de afastamento em que um ________________ se realiza em comparação à idealidade.

RESERVADO

34

Alta Competência

Amplitude - distância entre uma das extremidades da oscilação de um movimento vibratório ou oscilatório e o ponto de equilíbrio ou normal, por exemplo, da oscilação de uma corrente alternada, de uma onda de rádio, de uma onda sonora ou de um pêndulo; o maior valor de uma elongação.

Entropia - variável matemática que expressa a energia relacionada ao grau de afastamento em que um processo se realiza em comparação a idealidade. Expressa a irreversibilidade de um processo. Por exemplo: ao deixar cair uma bola de tênis de mesa (ping-pong), ela não retorna à altura original, pois uma parcela da energia gerou entropia em decorrência das perdas por atrito e por choque. A diferença entre as alturas inicial e final é a entropia do processo.

Grandeza - tudo que é passível de ser medido.

Idealidade - qualidade do que é ideal, em oposição ao que acontece no mundo real.

Isótopo - átomos que têm o mesmo número atômico e número de massa diferente.

Platina iridiada - liga metálica de platina com adição de e irídio.

Retilíneo - que está em linha reta; que segue a direção da reta.

Termodinâmica - parte da física que estuda os fenômenos relacionados a calor, energia, trabalho e entropia. Tem como base as leis que regem o processo de conversão de energia.

Transição - ato ou efeito de passar de um lugar para o outro, de um estado para o outro.

1.5. Glossário

RESERVADO

35


BRASIL, Nilo Índio do. Introdução à Engenharia Química. Rio de Janeiro: InterCiência, 2004.

VALADÃO, Cleuber Pozes. Compressores Industriais. Apostila. Petrobras. Macaé: 2007.

1.6. Bibliografia

RESERVADO

36

Alta Competência

1) Marque com X a afirmativa que melhor descreve o conceito de grandeza física:

( ) Um conjunto de símbolos e números que representam a classificação das substâncias físicas.

( X ) Tudo o que pode ser medido, comparado a outra grandeza padrão ou uni-dade de medida.

( ) O parâmetro único, adotado em todos os países para medidas de tempe-ratura.

( ) A expressão numérica do produto entre medidas de massa e de força.

2) Marque com F as grandezas fundamentais e com D as grandezas derivadas.

( F ) Massa

( D ) Velocidade

( D ) Força

( F ) Comprimento

( D ) Aceleração

( F ) Temperatura

( F ) Tempo

( D ) Pressão

3) Assinale com F as afirmações falsas e com V as afirmações verdadeiras:

( V ) Pressão é a relação entre uma força e a área na qual ela está atuando.

( F ) Impulso é a sensação de quente ou frio.

Justificativa: a temperatura é a sensação de quente ou frio.

( F ) Temperatura é o produto da massa pela velocidade.

Justificativa: o impulso é o produto da massa pela velocidade.

( V ) Comprimento é a distância entre dois pontos.

1.7. Gabarito

RESERVADO

37


4) Correlacione as leis de Newton com as afirmativas correspondentes:

a) 1ª Lei de Newton

b) 2ª Lei de Newton

c) 3ª Lei de Newton

( b ) A aceleração adquirida por um corpo é diretamente proporcional à intensidade da resultante das forças que atuam sobre o corpo, tem direção e sentido dessa força resultante e é inversamente proporcional à sua massa.

( a ) A resultante de forças em um corpo é igual a zero quando o corpo estiver em repouso ou em movimento retilíneo uniforme.

( c ) Quando navegamos em um barco, o remo joga a água para trás e a água joga o barco para frente com a mesma intensidade e direção.

5) Resolva a situação e marque a resposta correta, levando em consideração as leis de Newton:

“Uma pessoa está empurrando um caixote. A força que essa pessoa exerce sobre o caixote é igual e contrária à força que o caixote exerce sobre ela”.

( ) A pessoa poderá mover o caixote porque aplica a força sobre o caixote antes que o mesmo possa anular essa força.

( X ) A pessoa poderá mover o caixote porque as forças citadas não atuam no mesmo corpo.

( ) A pessoa poderá mover o caixote se tiver uma massa maior do que a massa do caixote.

( ) A pessoa terá grande dificuldade para mover o caixote, pois nunca consegue exercer uma força sobre ele maior do que a força que esse caixote exerce sobre ela.

6) O que é energia?

Energia é o potencial para executar trabalho ou realizar uma ação.

7) Marque com “A” energias armazenadas e “T” energias em transição:

( A ) Energia cinética

( A ) Energia potencial de altura

( T ) Trabalho

( A ) Energia interna

( T ) Calor

( A ) Entalpia

RESERVADO

38

Alta Competência

8) Escolha uma palavra e com ela complete cada frase adequadamente:

processo corpo fluido

a) Energia potencial de altura é a energia que um corpo possui em função da altura em que ele se encontra.

b) Energia potencial de pressão é a energia que um fluido possui quando submetido a uma pressão.

c) Entropia é uma variável matemática que expressa a energia relacionada ao grau de afastamento em que um processo se realiza em comparação à idealidade.

RESERVADO

Cap

ítu

lo 2

Estudo dos gases


• Correlacionar as propriedades do gás com suas respectivas definições;

• Diferenciar gás e vapor;

• Determinar a variação do volume do gás de acordo com a variação da temperatura e pressão.

RESERVADO

40

Alta Competência

RESERVADO

Capítulo 2. Estudo dos gases

41

2. Estudo dos gases

O gás tem forma e volume variáveis, onde as moléculas movimentam-se livremente e com alta velocidade, pois a força de interação, atração e de repulsão das moléculas é mínima.

O estudo dos gases baseia-se no comportamento de um gás ideal, a saber:

A pressão exercida pelo gás é igual em todos os pontos;•

Os choques entre as moléculas do gás e o recipiente são elásticos • (sem perda de energia);

A energia interna encontra-se na forma de energia de • translação das moléculas;

As moléculas se propagam em linha reta;•

O diâmetro da molécula é desprezível em comparação com a • distância média que percorre entre as colisões.

Os gases hélio e hidrogênio comportam-se como gases perfeitos e os demais gases quando submetidos a pressões baixas (<10 bar) também comportam-se como tal.

Nos gases as moléculas movimentam-se desordena-damente em todas as direções e sentidos.

ImpOrtAnte!

2.1. Propriedades do gás

As propriedades do gás são empregadas nos projetos e no acompanhamento operacional das máquinas e das plantas de processo. A seguir são apresentadas as propriedades do gás.

RESERVADO

42

Alta Competência

2.1.1. Massa específica

Massa especifica (ρ) é a relação entre a massa e o volume do gás. Para um mesmo gás, quando é alterada a pressão e/ou a temperatura, altera-se também a massa específica. Em outras palavras, dois gases distintos com o mesmo volume têm massas diferentes. Isso ocorre porque suas massas específicas são diferentes. Essa propriedade é muito importante para projetos de máquinas que trabalham com gases, sendo também empregada para o acompanhamento das suas operações.

A massa específica pode ser calculada da seguinte maneira:

mρ v

Onde:

m = massa do gás;

V = volume do gás.

2.1.2. Viscosidade

Viscosidade (µ) é a propriedade que determina o grau de resistência do fluido a uma força de cisalhamento. Representa a maior ou a menor facilidade do fluido em escoar.

RESERVADO


43

2.1.3. Peso Molecular

Peso Molecular (PM) é também conhecido como massa molar. É a massa de uma determinada quantidade de uma substância como, por exemplo, o mol (um mol equivale a 6,023 x 1023 moléculas).

Um mol de qualquer gás ocupa 22,4 litros nas Condi-ções Normais de Temperatura e Pressão (CNTP, que, neste caso, corresponde a 0 ºC e 1 atm).

ImpOrtAnte!

2.1.4. Fator de compressibilidade

Fator de compressibilidade (Z) é o fator empregado para corrigir o volume do gás real em relação ao volume do gás ideal, nas mesmas condições de pressão e temperatura.

O fator de compressibilidade pode ser calculado da seguinte maneira:

VrZVi

Onde:

Vr = volume do gás real;

Vi = volume do gás ideal.

2.1.5. Calor específico

Calor específico (c) é a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita trocar, para variar sua temperatura em 1 ºC. Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.

RESERVADO

44

Alta Competência

O calor específico depende da substância e não da quantidade da mesma, diferentemente da capacida-de térmica. É o calor necessário para que um grama de um fluido varie de 14,5 ºC para 15,5 ºC. Para a água, o calor específico é 1 cal/gºC.

ImpOrtAnte!

Para o gás, há dois tipos de calor específico, referentes ao volume e a pressão:

Calor específico a volume constante (c• v)

É o calor necessário para que um grama de um gás varie 1 °C, mantendo seu volume constante.

Exemplo: colocar um botijão de gás no sol de meio-dia no verão. O gás estará recebendo calor e esse gera o aumento da temperatura. Nesse caso, o gás está recebendo energia (calor) e transformando-se em energia armazenada (temperatura e pressão).

Calor específico a pressão constante (c• p)

É o calor necessário para que um grama de um gás varie 1 °C, mantendo sua pressão constante.

Exemplo: um cilindro contendo um gás com monitoramento e controle de pressão, feito através do deslocamento do pistão instalado na parte superior do cilindro. Dessa forma, basta que seja fornecido calor ao gás, para temperatura subir. A pressão tende a aumentar, mas é evitada através do deslocamento do pistão para cima.

Então, ao se aquecer um gás a volume constante, a temperatura sobe mais rápido do que a pressão constante, pois neste caso, além da temperatura subir, uma parte do calor cedido é transformado em trabalho no deslocamento do pistão para se manter a pressão constante.

RESERVADO


45

Exemplo comparativo:

Uma caixa d'água que está recebendo água e a saída de água está um pouco aberta. Nessa situação, uma parcela da água que está chegando está sendo drenada pela saída. Isso faz com que o nível da caixa suba mais lentamente do que se tivesse com a saída fechada. Comparativamente, a entrada de água é o calor; o nível da caixa é a temperatura; e saída de água é o deslocamento do pistão.

Com isso, a variação de temperatura é menor. Sendo assim, o calor necessário para aquecer um gás à pressão constante é maior do que para aquecê-lo a volume constante.

C Cp v

2.1.6. Coeficiente isoentrópico

Coeficiente isoentrópico (K) é a relação entre o Cp e o Cv.

Expressa a maior ou menor facilidade que um gás tem em ser comprimido. Quanto maior o K, mais trabalho é demandado para a compressão.

k Cp

Cv

Onde:

k = coeficiente isoentrópico;

Cp = calor específico a volume constante;Cv = calor específico a pressão constante.

2.2. Gás e vapor

Ao se aquecer a água isobaricamente (pressão constante), a mesma se transformará do estado líquido para o estado de vapor. Caso o processo de aquecimento continue, será atingida a temperatura crítica, acima da qual, para qualquer pressão, o gás não se condensa.

RESERVADO

46

Alta Competência

Assim, para uma temperatura maior que a temperatura crítica, a substância encontra-se sempre no estado gasoso, qualquer que seja o valor da pressão.

P (pressão)

vaporgás

C (ponto crítico)

t (temperatura)(temperatura crítica)

Através da temperatura crítica é possível estabelecer a diferença entre:

Gás Vapor

Substância na fase gasosa, onde encontra-se com a temperatura superior à sua temperatura crítica e que não pode ser liquefeita por compressão isotérmica (mesma temperatura).

Substância na fase gasosa, onde encontra-se com a temperatura abaixo de sua temperatura crítica e que pode ser liquefeita por compressão isotérmica.

O estado de um gás é caracterizado pelo valor de três grandezas físicas:

Volume (V);•

Pressão (P);•

Temperatura (T).•

Essas grandezas são denominadas variáveis de estado de um gás.

A pressão de um gás deve-se aos choques das suas moléculas contra as paredes do recipiente, e a sua temperatura mede o grau de agitação de suas moléculas.

RESERVADO


47

Essas três grandezas correlacionam-se de modo que a variação de uma delas proporciona mudança em pelo menos uma das outras duas. Nessa situação, diz-se que ocorreu uma transformação de estado, onde o estado final do gás torna-se diferente do estado inicial.

As transformações mais conhecidas são:

Isotérmica• : ocorre à temperatura constante;

Isobárica• : ocorre sob pressão constante;

Isovolumétrica, Isométrica ou Isocórica• : ocorre a volume constante;

Adiabática• : ocorre sem troca de calor com o meio externo.

Para expressar o volume de um gás é necessário definir a temperatura e pressão na qual o volume está sendo expresso, pois o mesmo volume pode ser muito ou pouco em massa de gás.

Exemplo: um litro de gás submetido a 13 bar e outro litro de gás a 100 bar, ambos na mesma temperatura. Qual dos dois litros de gás tem mais massa ou pesa mais?

Intuitivamente, diz-se que o litro de gás a 100 bar pesa mais que o litro de gás a 13 bar.

Devido a essa situação, foram padronizadas algumas condições de estado para facilitar os projetos, os acompanhamentos operacionais e a comercialização de gases.

Uma condição de estado conhecida é a CNTP (Condição Normal de Temperatura e Pressão) onde a temperatura é de 0 ºC (273,15 K) e pressão de 1 atm. Outra condição é a ISO, onde a temperatura é de 60 ºF (15,5 ºC) e pressão de 1 atm.

Dessa forma, quando for mencionado um determinado volume de gás, é necessário que seja informado em qual condição está sendo expresso.

RESERVADO

48

Alta Competência

Na Petrobras é usada a condição BR (T= 20 ºC ou 293,15 K, P= 1 atm).

2.3. Leis das transformações dos gases

As leis das transformações dos gases demonstram como as variáveis de estado correlacionam-se, como a variação de uma repercute na variação das outras e, dessa forma, proporcionam os cálculos envolvidos nessas transformações de estado.

Ao se trabalhar com as leis das transformações dos gases, as unidades de temperatura e pressão devem ser empregadas em valores absolutos.

ImpOrtAnte!

2.3.1. Lei de Boyle-Mariotte

A Lei de Boyle-Mariotte correlaciona a pressão e o volume quando a temperatura é constante.

Enunciado da Lei de Boyle–Mariotte:

Em uma transformação isotérmica, ou seja, à temperatura constante, o produto da pressão pelo volume da massa gasosa é constante. Portanto, a pressão de uma dada massa de gás é inversamente proporcional ao volume ocupado pelo gás.

RESERVADO


49

Observe as ilustrações atentamente:

Pressão

Volume

Temperatura Pressão

Pressão

Volume

Pressão

Volume



Sob temperatura constante, qualquer aumento de pressão provoca uma diminuição de volume; conseqüentemente, qualquer aumento de volume corresponde a uma diminuição de pressão.

RESERVADO

50

Alta Competência

Robert Boyle, renomado filósofo anglo-irlandês, cujos trabalhos no campo da Física e da Química foram fundamentais para o desenvolvimento destas ciências, nasceu em Lismore Castle, no ano de 1627, e faleceu em 1691.

O padre francês Edme Mariotte desenvolveu estudos sobre fisiologia vegetal, mas seu nome ressaltou-se graças a seus trabalhos no campo da Física. Mariotte nasceu em Dijon, em 1620, e faleceu em 1684.

VOCÊ SABIA??

Supõe-se que uma determinada massa gasosa contida em um recipiente de volume V é submetida à pressão P. Como já foi visto, esta pressão P acontece por causa dos choques das moléculas do gás contra as paredes do recipiente. Se o volume V for diminuído, a freqüência de choques aumenta e, portanto, a pressão também.

Se durante o processo a temperatura T for mantida constante, verifica-se que a pressão varia de forma inversamente proporcional ao volume.

cteP.V

Onde:

P = pressão do gás;

V = volume ocupado pelo gás;cte = constante.

Esta constante depende:

Da massa e da natureza do gás;•

Da temperatura;•

Das unidades usadas.•

RESERVADO


51

A representação gráfica da pressão em função do volume é uma hipérbole equilátera chamada isoterma.

P

V

P1

P2

P1

V2 V1

P2

P1V1= P2V2

Onde:P = pressão;n = número de mols;R = constante universal dos gases;T = temperatura do gás; V = volume do gás.

P

V

P1

P2

P1

V2 V1

P2

P1V1= P2V2

Onde:P = pressão;n = número de mols;R = constante universal dos gases;T = temperatura do gás; V = volume do gás.

Onde:

P = pressão do gás;

V = volume ocupado pelo gás.

Com o aumento da temperatura, o produto P.V. torna-se maior e as isotermas afastam-se da origem dos eixos.

PT2 > T1

V

T2

T1

T1 e T2 são as temperaturas dos processos (isotérmicas)

2.3.2. Lei de Gay-Lussac

A Lei de Gay-Lussac transcreve a relação entre a temperatura e o volume do gás, em um processo sob pressão constante.

Dessa forma, foi estabelecido que o volume que um gás ocupa é diretamente proporcional à temperatura, ou seja, quando a temperatura do gás aumenta, o volume aumenta proporcionalmente.

RESERVADO

52

Alta Competência

Enunciado da Lei de Gay-Lussac:

"Em uma transformação isobárica, o volume ocupado por uma dada massa gasosa é diretamente proporcional à temperatura."

cte

VT

Onde:

V = volume;

T = temperatura do gás;cte = constante.

AtenÇÃO

Nessa fórmula, a temperatura deve ser empregada em Kelvin (K).

Exemplo: ao se aquecer um balão de ar, o seu volume irá aumentar na mesma proporção, em valores absolutos.

O físico e químico francês Joseph Louis Gay-Lussac é conhecido na atualidade por sua contribuição às leis dos gases.

Nascido em Saint-Léonard-de-Noblat, em 6 de dezembro de 1778, faleceu em Paris, em 10 de Maio de 1850.

VOCÊ SABIA??

A ilustração a seguir representa um cilindro equipado com um pistão móvel, que contém uma determinada massa de gás, sujeita a uma pressão constante exercida pela atmosfera.

RESERVADO


53

V1T1

P

P

V2

T2

Representação esquemática da Lei de Gay-Lussac

Onde:P = pressão atmosférica; T1 = temperatura incial;V1 = volume inicial;T2 = temperatura final;V2 = volume final.

Com o aquecimento do sistema, as moléculas do gás agitam-se mais rapidamente, aumentando o número de choque contra as paredes do recipiente e deslocando o pistão móvel para cima, até que haja um equilíbrio entre a pressão interna e a externa.

Desta maneira, à medida que é aumentada a temperatura do gás, ocorre aumento do volume por ele ocupado no cilindro, enquanto a pressão permanece constante.

A representação gráfica de uma transformação isobárica é uma reta.

RESERVADO

54

Alta Competência

Observe a seguir:

V

V2

V1

V

V2

V1

T1

V2

T2

=V1

T1 T2 T (K)0

T1 T2 T (ºC)0-273

Onde:V = volume do gás; T = temperatura do gás.

2.3.3. Lei de Charles

A Lei de Charles transcreve a relação entre a temperatura e a pressão do gás, em um processo sob volume constante.

Dessa forma, foi estabelecido que a pressão de um gás é diretamente proporcional à temperatura, ou seja, quando a temperatura do gás aumenta, a pressão aumenta proporcionalmente.

Exemplo: ao se aquecer um botijão de gás, a pressão irá aumentar na mesma proporção do aumento da temperatura, em valores absolutos.

RESERVADO


55

A Lei de Charles refere-se às transformações que se processam a volume constante, ou seja, isocóricas ou isométricas.

Esta lei foi estabelecida pelo físico francês Jacques Alexandre César Charles, no ano de 1787, a partir de seus estudos sobre as variações de volume, em função das variações de temperatura, de amostras de gases e de ar.

VOCÊ SABIA??

Enunciado da Lei de Charles:

"A volume constante, a pressão de uma determinada massa de gás é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta."

TP cte

Onde:

P = pressão;

T = temperatura do gás;cte = constante.

Quando um gás contido em um recipiente de volume constante é aquecido, sofre o aumento de sua temperatura, o que provoca o aumento da pressão na mesma proporção em valores absolutos, temperatura em Kelvin e pressão em atm, ou outro valor absoluto.

Ao cessar a agitação térmica das moléculas, teoricamente, a pressão é nula e atinge-se o zero absoluto. Isso pode ser verificado no gráfico a seguir, que representa a transformação isométrica através de uma reta.

RESERVADO

56

Alta Competência

P

0

P2

P1

T1 T2 T(K)

P

-273

na escala Celsiusna escala Kelvin

P2

P1

T1 T2 T(ºC)P1

T1

= P2

T2

Onde:P1 = pressão inicial; T1 = temperatura inicial;P2 = pressão final; T2 = temperatura final.

2.4. Equação geral dos gases perfeitos

Ao se trabalhar com as três variáveis de estado de uma determinada massa de gás (pressão, volume e temperatura), utiliza-se a equação geral dos gases que engloba todas as transformações vistas anteriormente.

=P0.V0

T0

P1.V1

T1

Para corrigir o volume do gás real, emprega-se o Z (fator de compressibilidade do gás), uma vez que a equação geral dos gases foi desenvolvida para o gás ideal.

=P0.V0

T0.Z0

P1.V1

T1.Z1

P0, V0 e T0 são, respectivamente, pressão, volume e temperatura de uma determinada condição 0; P1, V1 e T1 são, respectivamente, pressão, volume e temperatura de uma determinada condição 1.

→

→

A representação gráfica desta transformação pode ser verificada no gráfico a seguir considerando-se um feixe de isotermas, cada uma delas correspondendo a uma temperatura.

RESERVADO


57

Onde:P1 = pressão inicial; V1 = volume inicial;T1 = temperatura inicial;P2 = pressão final; V2 = volume final; T2 = temperatura final.

2.5. Equação de Clapeyron ou equação universal dos gases

A equação universal dos gases correlaciona as variáveis de estado com a massa do gás, ou número de moléculas (moles).

Um dos fundadores da Termodinâmica, o engenheiro e físico francês Benoit Paul Émile Clapeyron foi o supervisor da construção do primeiro trilho da estrada de ferro, ligando Versailles e Saint-Germain.

Nascido em 26 de fevereiro de 1799, faleceu em 8 de janeiro de 1864.

VOCÊ SABIA??

A equação de Clapeyron relaciona as variáveis pressão, volume e temperatura, com a massa do gás, durante uma transformação.

Para se chegar à sua expressão analítica é necessário relembrar os seguintes conceitos:

P

P2

P1

V1

T1

T’

T2 T2 > T’ > T1

V2 V

1

2onde:

RESERVADO

58

Alta Competência

O mol de qualquer gás contém o mesmo número de moléculas, • chamado Número de Avogadro (N = 6,023 x 1023 moléculas);

Peso Molecular (PM)• é a massa em gramas de um mol, isto é, a massa em gramas de 6,023 . 1023 moléculas;

Volume molar• é o volume ocupado por um mol de gás, independente da natureza desse gás. Nas condições normais de pressão e temperatura, o volume de um mol de um gás perfeito vale 22,4 litros;

O • número de mols de uma determinada massa (m) de um gás pode ser expresso por:

n = m/PM

Onde:

n = número de mols;

m = massa do gás;

PM = Peso Molecular.

Considerando a transformação de uma massa m de gás, de um estado qualquer (p, V, T) para estado definido pelas condições normais de pressão e temperatura (p 0, V 0, T 0).

Aplicando a equação geral dos gases, temos:

VT

P cte então VT

P nR

Logo,

VP nRT

Onde:P = pressão na qual o gás está submetido;V = volume do gás;n = número de moléculas do gás;

R = constante universal dos gases;

T = temperatura do gás.

RESERVADO


59

A constante universal dos gases (R) tem valores estabelecidos e depende das unidades empregadas. Como por exemplo, quando se tem P = 1,0 atm; V = 22,4 l e T = 273K, o valor de R é:

VT

P nR , VP RTn

VPRTn

, 1atmR 1l273K 1mol

atmR lmol

0,082K

Para um gás real, utiliza-se o fator de compressibilidade (Z) para corrigir o seu volume. E dessa forma a equação fica expressa:

nPV

R T Z n R TP.V Z

Onde:P = pressão; n = número de mols;R = constante universal dos gases;T = temperatura do gás; Z = fator de compressibilidade;V = volume do gás.

AtenÇÃO

As unidades de pressão e temperatura utilizadas devem estar sempre em valores absolutos.

RESERVADO

60

Alta Competência

2.6. Lei de Dalton

A Lei de Dalton estabelece a relação entre a pressão total de uma mistura de gases e as pressões parciais de cada componente da mistura gasosa.

Enunciado da Lei de Dalton:

"A pressão parcial de um determinado componente de uma mistura gasosa é a pressão que esse componente teria se ocupasse sozinho todo o volume da mistura."

Em outras palavras, a pressão total de uma mistura gasosa é a somatória das pressões parciais de cada componente da mistura.

John Dalton, químico e físico inglês, foi o fundador da teoria atômica moderna. Nascido em Eaglesfield, Cumberland, em 6 de setembro de 1766, dedicou a vida ao ensino e à pesquisa. Seu nome está relacionado à Lei de Dalton e ao daltonismo, anomalia da visão das cores, pois foi ele quem a descobriu. Dalton faleceu em Manchester, a 27 de julho de 1844.

VOCÊ SABIA??

Consideremos uma mistura de gases contida em um recipiente rígido de volume V, sendo P a pressão exercida pela mistura:

P da mistura

Se deixarmos sair alguns dos componentes da mistura de forma que só fique no recipiente apenas as partículas de um dos gases, o gás que permaneceu ocupará sozinho todo o volume V do recipiente (propriedade dos gases) e exercerá uma pressão P1 menor que P0.

RESERVADO


61

P1 do gás 1

Essa pressão é denominada pressão parcial do gás 1 na mistura gasosa.

Pressão parcial de um determinado gás é a pressão que esse exerceria se ocupasse sozinho, na mesma temperatura, todo o volume do recipiente onde a mistura se encontrava.

ImpOrtAnte!

Dalton concluiu que a soma das pressões parciais dos gases componentes de uma mistura gasosa é igual à pressão total exercida pela mistura, desde que não ocorra reação entre os gases.

Cálculo da Pressão Total •

Em um mesmo recipiente, misturamos os gases 1, 2 e 3 em diferentes condições, conforme a ilustração a seguir:

GÁS 1 GÁS 3GÁS 2

p2 V2 T2n2

MISTURA p. V. T

n

p1 V1 T1n1

p3 V3 T3n3

Determinemos a pressão total P da mistura gasosa, admitindo que os gases não reajam entre si.

O número de mols total da mistura é: n = n1 + n2 + n3.

RESERVADO

62

Alta Competência

nPVRT

Onde:P = pressão;n = número de mols;R = constante universal dos gases;

T = temperatura do gás;

V = volume do gás.

Logo,

PV

(n1 + n2 + n3) RT

Onde:P = pressão;n = número de mols;R = constante universal dos gases;

T = temperatura do gás;

V = volume do gás.

RESERVADO


63

1) Correlacione as propriedades do gás com suas respectivas definições.

( 1 ) Massa específica

( ) É a massa de um mol de uma substância.

( 2 ) Peso Molecular

( ) É a relação entre a massa e o volume.

( 3 ) Fator de compressibi-lidade

( ) É o calor necessário para que um grama de um gás varie 1 oC , man-tendo-se a pressão constante.

( 4 ) Calor específico à pressão constante

( ) É a relação entre o volume do gás real e o volume do gás ideal.

( 5 ) Coeficiente isoentrópico

( ) É a relação entre o calor específico a pressão constante e calor especí-fico a volume constante.

( 6 ) Viscosidade ( ) É a propriedade que determina o grau da resistência do fluido a uma força de cisalhamento.

2) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas abaixo:

( ) Quanto maior o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.

( ) Quanto maior o K, mais trabalho é demandado para a compressão.

( ) O calor necessário para aquecer um gás a pressão constante é maior do que a volume constante.

3) Diferencie o que é gás do que é vapor.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.7. Exercícios

RESERVADO

64

Alta Competência

4) A partir do que foi estudado, resolva os problemas:

a) Os balões meteorológicos são utilizados para coletar dados a grandes altitudes. Supondo que um desses balões, contendo 900 l de gás, seja solto de um local onde a temperatura é 30 oC. Qual será o volume do balão ao atingir uma altura onde a pressão é 200 mmHg e a temperatura –35 oC?

Obs.: por não ter sido citada a pressão no local do lançamento, subentende-se que a pressão é de 1 atm = 760 mmHg.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

b) Um gás está sendo aspirado por um compressor centrífugo a uma pressão de 9 bar abs e 35 oC, onde se tem uma vazão de 15.000 m3/h. Qual é o valor dessa vazão nas condições Petrobras?

Obs.: O fator de compressibilidade do gás nas condições de operação é 0,94.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

RESERVADO


65

c) Uma certa massa de gás perfeito ocupa o volume de 49,2 l sob pressão de 3,0 atm e temperatura de 27 oC. Sendo R= 0,0082 atm.l /mol.K, determine:

• O número de mols do gás;

• A massa do gás, sendo o peso molecular de 28 kg/kmol.

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5) Marque a(s) alternativa(s) correta(s):

( ) A pressão parcial do gás é a pressão do gás nas condições normais de pressão e temperatura.

( ) Pressão parcial de um gás é a pressão que este exerceria se ocupasse sozinho, à mesma temperatura, todo o volume da mistura gasosa a qual pertence.

( ) A pressão total de uma mistura de gases é a soma das pres-sões parciais de cada gás.

( ) A pressão total do gás não depende das pressões parciais.

RESERVADO

66

Alta Competência

Cisalhamento - tensão que um corpo sofre em função de forças que nele são aplicadas. Essas formas provocam uma deformação, em geral tendem a causar um deslizamento de partes de um corpo, geralmente partes contíguas em direção paralela ao plano de contato.

CNTP - Condições Normais de Temperatura e Pressão.

Compressão - aumento da pressão de um gás, como por exemplo ar, vapor d’água, hidrogênio.

Fator de compressibilidade - fator que expressa a relação entre o volume do gás real e o volume do gás ideal na mesma condição de temperatura e pressão.

Gás ideal - modelo hipotético para o comportamento de um gás. Também conhecido como gás perfeito.

Gás perfeito - modelo hipotético para o comportamento de um gás. Também conhecido como gás ideal.

Grandeza - tudo que é passível de ser medido.

ISO - International Organization for Standardization - Organização Internacional para Padronização, congrega as associações de padronização/normalização de 158 países. Essa associação, fundada em 1947, aprova normas técnicas de diferentes campos.

Isobaricamente - ação realizada a pressão constante.

Isoentrópico - processo de compressão adiabática ideal, onde a entropia é constante.

Pistão - disco ou cilindro sólido que desliza dentro de um cilindro oco em seringas, bombas, cilindros de motores etc.; êmbolo.


2.8. Glossário

RESERVADO


67



2.9. Bibliografia

RESERVADO

68

Alta Competência

1) Correlacione as propriedades do gás com suas respectivas definições.

( 1 ) Massa específica ( 2 ) É a massa de um mol de uma substância.

( 2 ) Peso Molecular ( 1 ) É a relação entre a massa e o volume.

( 3 ) Fator de com-pressibilidade

( 4 ) É o calor necessário para que um grama de um gás varie 1 oC , mantendo-se a pressão constante.

( 4 ) Calor específico à pressão constante

( 3 ) É a relação entre o volume do gás real e o volume do gás ideal.

( 5 ) Coeficiente isoen-trópico

( 5 ) É a relação entre o calor específico a pressão constante e calor específico a volume constante.

( 6 ) Viscosidade ( 6 ) É a propriedade que determina o grau da resis-tência do fluido a uma força de cisalhamento.

2) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas abaixo:

( F ) Quanto maior o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.

Justificativa: falsa, pois quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.

( V ) Quanto maior o K, mais trabalho é demandado para a compressão.

( V ) O calor necessário para aquecer um gás a pressão constante é maior do que a volume constante.

3) Diferencie o que é gás do que é vapor.

Gás... Vapor...

...é a substância que, na fase gasosa, se encontra em temperatura superior à sua temperatura crítica e que não pode ser liquefeita por compressão isotérmica.

...é a substância que, na fase gasosa, se encontra em temperatura abaixo de sua temperatura crítica e que pode ser liquefeita por compressão isotérmica.

2.10. Gabarito

RESERVADO


69

4) A partir do que foi estudado, resolva os problemas:

a) Os balões meteorológicos são utilizados para coletar dados a grandes altitudes. Supondo que um desses balões, contendo 900 l de gás, seja solto de um local onde a temperatura é 30 oC. Qual será o volume do balão ao atingir uma altura onde a pressão é 200 mmHg e a temperatura –35 oC?

Obs.: por não ter sido citada a pressão no local do lançamento, subentende-se que a pressão é de 1 atm = 760 mmHg.

As pressões já se encontram em valores absolutos.

Devemos passar os valores das temperaturas para unidades absolutas, ou seja, de oC para K.

K = C + 273,15

P0 760,00 P1 200,00

T0 303,15 T1 238,15

V0 900,00 V1 2686,70

P0.V0 P1.V1

T0 T1 =

V1=(P0*V0*T1)/(T0*P1)

V2 = (760*900*238,15)/(303,15*200)

V2 = 2686,70 l

RESERVADO

70

Alta Competência

b) Um gás está sendo aspirado por um compressor centrífugo a uma pressão de 9 bar abs e 35 oC, onde se tem uma vazão de 15.000 m3/h. Qual é o valor dessa vazão nas condições Petrobras?

Obs.: O fator de compressibilidade do gás nas condições de operação é 0,94.

P2 1,01 bar

T2 293,15 K

P0 1,01 P1 9

T0 293,15 T1 308,15

V0 135273,36 V1 15000

Z0 1 Z1 0,94

P0.V0 P1.V1

T0.Z0 T1.Z1 =

V0= (P1*V1*T0*Z0)/(P0*T1*Z1)

V0= 135273, 36 m3/h

c) Uma certa massa de gás perfeito ocupa o volume de 49,2 l sob pressão de 3,0 atm e temperatura de 27 oC. Sendo R= 0,0082 atm.l /mol.K, determine:

• O número de mols do gás;

• A massa do gás, sendo o peso molecular de 28 kg/kmol.

P.V = n.R.T

n = P.VR.T

n= (3*49,2)/(0,0082*300,15)

n= 59,97 mol

n = mPM

m = n* PM

m= (59,97mol) * 28 kg/kmol

m= 1679 g = 1,679 kg.

RESERVADO


71

5) Marque a(s) alternativa(s) correta(s):

( ) A pressão parcial do gás é a pressão do gás nas condições normais de pressão e temperatura.

( X ) Pressão parcial de um gás é a pressão que este exerceria se ocupasse sozinho, à mesma temperatura, todo o volume da mistura gasosa a qual pertence.

( X ) A pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões parciais de cada gás.

( ) A pressão total do gás não depende das pressões parciais.

RESERVADO

RESERVADO

Cap

ítu

lo 3

Equação de continuidade


• Relacionar as variáveis envolvidas no escoamento de fluidos.

RESERVADO

74

Alta Competência

RESERVADO

Capítulo 3. Equação de continuidade

75

3. Equação de continuidade

A equação da continuidade estabelece a relação entre as variáveis envolvidas no deslocamento dos fluidos.

Na ilustração a seguir, dois pontos distintos encontram-se no escoamento de um fluido através de uma tubulação de seção de passagem diferente. Considerando-se que toda massa de fluido que passa na seção 2 é igual a que passa na seção 1, e estabelecendo que não existe troca de calor ou trabalho entre os dois pontos analisados, podemos concluir que:

S1

S2

V2V1

A vazão (Q) de um fluido em escoamento é o produto da seção transversal (S) com a velocidade do fluido (v). Sendo o fluido um gás, deve-se levar em consideração a massa específica do gás (ρ), que é sensível a variação da pressão.

Portanto,

Q = ρ.S.vOnde:

Q = vazão;

ρ = massa específica do gás;S = seção transversal;v = velocidade do fluido.

Com base nesta equação, conclui-se que, para uma vazão constante, a velocidade aumenta se a seção transversal diminui e que a velocidade diminui se a seção transversal aumenta.

RESERVADO

76

Alta Competência

1) Marque V (verdadeiro) ou F (falso) para as afirmativas abaixo:

( ) Ao ser reduzida a seção transversal na passagem de um fluido, a velocidade é reduzida.

( ) Ao ser reduzida a seção transversal na passagem de um fluido, a velocidade é aumentada.

( ) Ao ser aumentada a seção transversal na passagem de um fluido, a velocidade é reduzida.

( ) A vazão de um fluido é diretamente proporcional à seção transversal e inversamente proporcional à velocidade.

3.1. Exercícios

RESERVADO


77

Seção transversal - corte transversal de um tubo ou barra.

3.2. Glossário

RESERVADO

78

Alta Competência



3.3. Bibliografia

RESERVADO


79

1) Marque V (verdadeiro) ou F (falso) para as afirmativas abaixo:

( F ) Ao ser reduzida a seção transversal na passagem de um fluido, a velocidade é reduzida.

Justificativa: falsa, pois a velocidade aumenta.

( V ) Ao ser reduzida a seção transversal na passagem de um fluido, a velocidade é aumentada.

( V ) Ao ser aumentada a seção transversal na passagem de um fluido, a velocidade é reduzida.

( F ) A vazão de um fluido é diretamente proporcional à seção transversal e inversamente proporcional à velocidade.

Justificativa: falsa, é diretamente proporcional à velocidade também.

3.4. Gabarito

RESERVADO

RESERVADO

Cap

ítu

lo 4

Leis da Termodinâmica


• Correlacionar as leis da Termodinâmica com seus respectivos enunciados.

RESERVADO

82

Alta Competência

RESERVADO

Capítulo 4. Leis da Termodinâmica

83

4. Leis da Termodinâmica

A Termodinâmica surgiu a partir da evolução da calorimetria em conseqüência dos estudos das relações entre os fenômenos mecânicos e os térmicos, em particular os

relativos às máquinas a vapor.

Considerado o pai da Termodinâmica, o físico francês Nicolas Léonard Sadi Carnot nasceu em 1791 e faleceu em 1832.

VOCÊ SABIA??

As leis da Termodinâmica são baseadas em observações experimentais.

4.1. Lei Zero da Termodinâmica

A Lei Zero da Termodinâmica define o zero absoluto de temperatura, onde foram estabelecidas as escalas absolutas Kelvin (K) e Rankine (R).

Essa lei determina que quando dois corpos têm a mesma temperatura que um terceiro corpo, eles têm a mesma temperatura entre si.

4.2. Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica foi proposta por Hermann Von Helmholtz da seguinte maneira: “a energia do universo é constante”.

Essa lei retrata a conservação da energia, esclarecendo que a energia total do fluido não se altera sem interação com o meio. O meio somente interage com o sistema (fluido) através da troca de calor e/ou trabalho.

Ao se aquecer um fluido e ao mesmo tempo extrair trabalho (está recebendo calor e cedendo trabalho), a diferença entre o calor recebido e o trabalho cedido é a variação da energia total do fluido.

RESERVADO

84

Alta Competência

± Q ± W = Et2 - Et1

Onde:Q = calor;W = trabalho;Et1 = energia total no tempo 1;Et2 = energia total no tempo 2.

Sendo:

Et = Ep + Ev + u + Eh

Onde:Et = energia total do fluido;Ep = energia de pressão;Ev = energia de velocidade;u = energia interna;Eh = energia de altura.

Ao se aquecer isobaricamente o gás em um cilindro, a temperatura irá aumentar e o gás irá expandir-se, realizando trabalho ao deslocar o êmbolo. A diferença entre o calor recebido e o trabalho realizado pelo gás é a variação da energia total do gás.

Ao se lançar um corpo para cima, no vácuo, a energia total do mesmo será constante durante toda a trajetória. Como, nesse caso, a energia total é a soma da energia de altura e energia de velocidade, no inicio do processo a energia de altura é zero (referencial) e a energia de velocidade é máxima. No decorrer da subida a energia de velocidade vai diminuindo, convertendo-se em energia de altura, até atingir a altura máxima, onde a velocidade é zero. Na descida, a energia de altura vai se convertendo em energia de velocidade até atingir a altura zero, onde a velocidade é máxima.

4.3. Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica foi enunciada por Clausius da seguinte maneira: “a entropia do Universo tende a um máximo”.

RESERVADO


85

Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) foi um físico e matemático alemão. Ele formulou os conceitos da Segunda Lei da Termodinâmica, introduzindo o conceito de entropia.

VOCÊ SABIA??

Isso significa que em todos os processos físicos a entropia aumenta e só pode ser reduzida através do processo de resfriamento, no qual a entropia é transferida para o fluido de resfriamento.

Como a base do resfriamento é o ar atmosférico e a água do mar, a entropia está sendo transferida para universo, o tempo todo. Exemplos disso são os motores dos automóveis que são resfriados pela água. E a água, por sua vez, é resfriada pelo radiador a ar.

Nas indústrias, o resfriamento dos sistemas é realizado por um sistema de água que, se for aberto, é despejado no meio ambiente e, se for fechado, é resfriado por outro sistema aberto (ar ou água).

Retrata a existência da máquina térmica, onde fica estabelecido que se pode extrair trabalho de uma máquina que possua uma fonte quente (alta temperatura) e uma fonte fria (baixa temperatura).

Quanto maior a diferença de temperatura entre as duas fontes, maior será o trabalho extraído durante a troca de calor entre a fonte quente e a fria.

4.4. Terceira Lei da Termodinâmica

“A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é igual a zero.”

A Terceira Lei da Termodinâmica estabelece o zero absoluto da entropia, representado pelo estado final de ordem molecular máxima e mínima energia.

Essa lei é útil na análise termodinâmica das reações químicas, como a combustão.

RESERVADO

86

Alta Competência

1) Correlacione as leis da Termodinâmica aos seus respectivos enunciados:

( A ) Lei Zero ( ) ± Q ± W = Et2 - Et1

( B ) 1ª Lei ( ) Determina que quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualdade de temperatura entre si.

( C ) 2ª Lei ( ) A entropia de uma substância cristalina pura na temperatura zero absoluto é zero.

( D ) 3ª Lei ( ) Em todos os processos físicos, a entropia aumenta e só pode ser reduzida através do processo de resfriamento, no qual a entropia é transferida para o fluido de resfriamento.

2) Responda:

a) Qual lei da Termodinâmica é extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas?

___________________________________________________________

b) Qual lei da Termodinâmica retrata a conservação da energia, esclarecendo que a energia total do fluido não se altera sem interação com o meio?

___________________________________________________________

c) Qual lei da Termodinâmica é a base para a medição de temperatura?

___________________________________________________________

4.5. Exercícios

RESERVADO


87

Êmbolo - disco ou cilindro sólido que desliza dentro de um cilindro oco em seringas, bombas, cilindros de motores etc.; pistão.


Isobaricamente - ação realizada a pressão constante.

Resfriamento - ação ou efeito de resfriar. Diminuição da temperatura do fluido alvo.


4.6. Glossário

RESERVADO

88

Alta Competência


NAUTILUS. Carnot - O pai da Termodinâmica. Disponível em: <http://nautilus.fis.uc.pt/molecularium/pt/histerm/04/4.htm>. Acesso em: 20 mai 2008.


4.7. Bibliografia

RESERVADO


89

1) Correlacione as leis da Termodinâmica aos seus respectivos enunciados:

( A ) Lei Zero ( B ) ± Q ± W = Et2 - Et1

( B ) 1ª Lei ( A ) Determina que quando dois corpos têm igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles têm igualda-de de temperatura entre si.

( C ) 2ª Lei ( D ) A entropia de uma substância cristalina pura na tem-peratura zero absoluto é zero.

( D ) 3ª Lei ( C ) Em todos os processos físicos, a entropia aumenta e só pode ser reduzida através do processo de resfriamen-to, no qual a entropia é transferida para o fluido de resfriamento.

2) Responda:

a) Qual lei da Termodinâmica é extremamente útil na análise termodinâmica das reações químicas?

3ª Lei.

b) Qual lei da Termodinâmica retrata a conservação da energia, esclarecendo que a energia total do fluido não se altera sem interação com o meio?

1ª Lei.

c) Qual lei da Termodinâmica é a base para a medição de temperatura?

Lei Zero.

4.8. Gabarito

RESERVADO

RESERVADO

Cap

ítu

lo 5

Efeito difusor e efeito bocal


• Diferenciar efeito difusor de efeito bocal.

RESERVADO

92

Alta Competência

RESERVADO

Capítulo 5. Efeito difusor e efeito bocal

93

5. Efeito difusor e efeito bocal

Para um fluxo subsônico, ao se analisar o escoamento de um fluido em uma tubulação, verifica-se que onde a seção transversal é aumentada, a velocidade é reduzida, e vice-versa

(“equação da continuidade”).

Nestas situações, ao se analisar as energias do fluido, verifica-se que, se a energia de velocidade é aumentada, outro tipo de energia tem que ser reduzida. Isto porque a soma das parcelas de energia de velocidade, pressão, altura e temperatura não se alteram, com base na 1ª Lei da Termodinâmica.

Desta forma, associando a equação da continuidade e a 1ª Lei da Termodinâmica podemos deduzir que:

A redução ou ampliação da seção transversal da tubulação, na qual o fluido escoa, não sofre nenhuma troca de calor ou trabalho, mantendo-se constante a energia total.

Observe um exemplo:

Análise do escoamento de um líquido em uma tubulação no mesmo plano horizontal, onde há uma redução da seção transversal.

S1

S2

V2V1

RESERVADO

94

Alta Competência

Neste caso:

Q = ρ.S.v

Onde:Q = vazão de um fluido em escoamento;

ρ = massa específica do gás;S = seção transversal;v = velocidade do fluido.

A Lei de Charles refere-se às transformações isocóricas ou isométricas, isto é, aquelas que se processam a volume constante. Para líquidos, ρ varia pouco e, como S foi reduzida, a velocidade é aumentada, pois a vazão é constante.

Analisando a equação de conservação de energia, temos:

Et = Ep + Ev + u Eh

Onde:Et = energia total - permanece inalterada e considerando que:u = energia interna - é constante, pois não há alteração da temperatura;Eh = energia de altura - é constante, pois não há alteração da altura;Ev = energia de velocidade - aumenta, pois a velocidade aumentou.

Concluímos que Ep diminui, ou seja, a pressão cai.

Bocal Difusor

V2V2 V1V1V1

RESERVADO


95

Efeito bocal Efeito difusorVelocidadePressão

pressãodiminui

00

velocidadeaumenta

velocidadediminui

pressãoaumenta

RESERVADO

96

Alta Competência

1) Preencha as lacunas abaixo diferenciando efeito difusor e efeito bocal:

a) No efeito difusor, há _________________ da seção transversal de passagem do gás em um trecho horizontal, enquanto que no efeito bocal há _________________ desta mesma seção.

b) No efeito difusor, pela equação da continuidade (vazão constante), se a seção transversal _________________, a velocidade _________________; no efeito bocal, se a seção transversal _________________, a velocidade _________________.

c) No efeito difusor, a energia total é constante, portanto, se a parcela de energia de velocidade _________________, e como as parcelas de energia interna e de altura são constantes, a energia de pressão _________________. No efeito bocal, a energia total também é constante, mas se a parcela de energia de velocidade _________________, e como as parcelas de energia interna e de altura são constantes, a energia de pressão _________________.

5.1. Exercícios

RESERVADO


97

Seção transversal - corte transversal de um tubo ou barra.


Transformação isocórica - também conhecida como transformação isométrica, é a transformação que se processa a volume constante.

5.2. Glossário

RESERVADO

98

Alta Competência



5.3. Bibliografia

RESERVADO


99

1) Preencha as lacunas abaixo diferenciando efeito difusor e efeito bocal:

a) No efeito difusor, há aumento da seção transversal de passagem do gás em um trecho horizontal, enquanto que no efeito bocal há redução desta mesma seção.

b) No efeito difusor, pela equação da continuidade (vazão constante), se a seção transversal aumenta, a velocidade diminui; no efeito bocal, se a seção transversal diminui, a velocidade aumenta.

c) No efeito difusor, a energia total é constante, portanto se a parcela de energia de velocidade diminui, e como as parcelas de energia interna e de altura são constantes, a energia de pressão aumenta. No efeito bocal, a energia total também é constante, mas se a parcela de energia de velocidade aumenta, e como as parcelas de energia interna e de altura são constantes, a energia de pressão diminui.

5.4. Gabarito

RESERVADO

RESERVADO

Cap

ítu

lo 6

Processos de compressão


• Identificar as características dos processos de compressão.

RESERVADO

102

Alta Competência

RESERVADO

Capítulo 6. Processos de compressão

103

6. Processos de compressão

Os processos de compressão de gás e vapor são as bases dos projetos dos compressores.

Existem várias formas para se aumentar a pressão de um gás (compressão):

Isotérmica;•

Com • resfriamento;

Adiabática;•

Politrópica• .

Vamos proceder à análise desses processos com auxílio dos gráficos P x V e T x S a seguir:

P T

P22 3 4 5

1

V S

2

1

34

5

P1

P2

P1

Gráficos P x V e T x S

Observe a ilustração anterior. As curvas do gráfico P x V são assim definidas:

P.Vn = cte

Onde:P = pressão do gás;V = volume específico;T = temperatura;S = entropia;n = coeficiente politrópico.cte = constante

RESERVADO

104

Alta Competência

No gráfico P x V, verifica-se o aumento da pressão com a queda do volume específico.

No gráfico T x S, verifica-se a compressão com o aumento da temperatura.

Representação das curvas no gráfico P x VP.Vn = cte

Processo 1-2(n=1)

Representa a compressão isotérmica. No gráfico T x S, verifica-se que a temperatura é constante.

Este processo só é possível em laboratório, efetuando-se uma compressão lenta.

É o processo que demanda menor trabalho para ser realizado, pois somente a energia de pressão é aumentada.

Processo 1-3(n<k)

É um processo de compressão com resfriamento simultâneo.

É empregado nos compressores alternativos onde, por meio de resfriamento dos cilindros, consegue-se reduzir o trabalho necessário para compressão.

Processo 1-4(n=k)

É uma compressão adiabática ou isentrópica, sem troca de calor.

Teoricamente, é uma compressão empregada para as bases de projetos dos compressores dinâmicos (centrífugos e axiais).

Processo 1-5(n>k)

Na prática nos compressores dinâmicos, o processo é politrópico, pois a entropia, inevitavelmente é aumentada devido às perdas por atrito e por choques.

Acarreta, dessa forma, um incremento da temperatura de descarga devido ao aumento da entropia.

RESERVADO


105

1) Dados os gráficos, correlacione os processos de compressão com suas respectivas características:

P T

P22 3 4 5

1

V S

2

1

34

5

P1

P2

P1

( a ) Teoricamente, é uma compressão adiabática ou isentrópica (n=k), sem troca de calor. É empregada para as bases de projetos dos compressores dinâmicos (centrífugos e axiais).

1-2 ( )

( b ) Representa a compressão isotérmica (n=1), onde no gráfico T x S verifica-se que a temperatura é constante. Este processo só é possível em laboratório, efetuando-se uma compressão lenta. É o processo que demanda menor trabalho para ser realizado, pois somente a energia de pressão é aumentada.

1-3 ( )

( c ) É um processo de compressão com resfriamento simultâneo (n<k). É empregada nos compressores alternativos, onde por meio de resfriamento dos cilindros se consegue reduzir o trabalho necessário para compressão.

1-4 ( )

( d ) Na prática nos compressores dinâmicos, o processo é politrópico (n>k), pois, inevitavelmente, a entropia é aumentada devido às perdas por atrito e por choques. Acarreta, dessa forma, um incremento da temperatura de descarga devido ao aumento da entropia.

1-5 ( )

6.1. Exercícios

RESERVADO

106

Alta Competência

Compressão - aumento da pressão de um gás, como por exemplo, ar, vapor d’água, hidrogênio.


Politrópico - processo de expansão e compressão de gases no qual a entropia aumenta.

Resfriamento - ação ou efeito de resfriar. Diminuição da temperatura do fluido alvo.

6.2. Glossário

RESERVADO


107



6.3. Bibliografia

CORPORATIVA

108

Alta Competência

1) Dados os gráficos, correlacione os processos de compressão com suas respectivas características:

P T

P22 3 4 5

1

V S

2

1

34

5

P1

P2

P1

( a ) Teoricamente, é uma compressão adiabática ou isentrópica (n=k), sem troca de calor. É empregada para as bases de proje-tos dos compressores dinâmicos (centrífugos e axiais).

1-2 ( b )

( b ) Representa a compressão isotérmica (n=1), onde no gráfico T x S verifica-se que a temperatura é constante. Este processo só é possível em laboratório, efetuando-se uma compressão lenta. É o processo que demanda menor trabalho para ser realizado, pois somente a energia de pressão é aumentada.

1-3 ( c )

( c ) É um processo de compressão com resfriamento simultâneo (n<k). É empregada nos compressores alternativos, onde por meio de resfriamento dos cilindros se consegue reduzir o tra-balho necessário para compressão.

1-4 ( a )

( d ) Na prática nos compressores dinâmicos, o processo é politró-pico (n>k), pois, inevitavelmente, a entropia é aumentada de-vido às perdas por atrito e por choques. Acarreta, dessa for-ma, um incremento da temperatura de descarga devido ao aumento da entropia.

1-5 ( d )

6.4. Gabarito

CORPORATIVA

Anotações

109

Anotações

110

Anotações

Anotações

111

Anotações

112

Anotações

Anotações

113

Anotações

114

Anotações

Anotações

115

Anotações

116

Anotações

Anotações

117

Anotações

118

Anotações

noções de termodinâmica(cleuber)

Documents