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SENAI - CETIND GRANDEZAS FÍSICAS SENAI - CETIND Lauro de Freitas 2006 GRANDEZAS FÍSICAS Copyright 2006 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados TECNOLOGIA DE PROCESSOS (TEP) Elaboração: Paulo Mânio de Abreu Moreira Revisão Técnica: José Sérgio Pereira Brito Revisão Pedagógica: Kátia Francisca Nunes Santos Ambrozi. Normalização: Talita Batista de Brito Catalogação na Fonte (NIT - Núcleo de Informação Tecnológica) ______________________________________________________________ SENAI- DR BA. Grandezas físicas. – Lauro de Freitas: CETIND, 2006. 27 p., il. (Rev.00) 1. Grandezas Físicas I. Título CDD 530 _______________________________________________________________ SENAI - SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIA CETIND - CENTRO DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL PEDRO RIBE IRO Av. Luis Tarquínio Pontes, 938 - Aracuí - Lauro de Freitas - Bahia Tel: (71)3379-8200 Fax. (71) 3379-8299/ 49 www.cetind.fieb.org.br SUMÁRIO APRESENTAÇÃO 1 O SISTEMA MÉTRICO ................................................................................................ 5 1.1 BREVE HISTÓRIA .......................................................................................................... 5 1.2 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE MEDIÇÃO ................................................................. 6 1.3 MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DAS UNIDADES SI ............................................. 10 2 PRESSÃO ....................................................................................................................... 11 2.1 PRESSÃO ATMOSFÉRICA .......................................................................................... 11 2.2 PRESSÃO MANOMÉTRICA ........................................................................................ 11 2.3 PRESSÃO ABSOLUTA ................................................................................................. 12 2.4 PRESSÃO ESTÁTICA ................................................................................................... 12 2.5 PRESSÃO DINÂMICA .................................................................................................. 12 3 CALOR E TEMPERATURA ....................................................................................... 13 3.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR .............................................................. 16 3.2 CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE ................................................................... 16 3.3 CALOR ESPECÍFICO .................................................................................................... 17 3.4 UNIDADES DE TEMPERATURA ................................................................................ 17 4 VAPOR ........................................................................................................................... 18 4.1 VAPOR SATURADO ..................................................................................................... 18 4.2 VAPOR SUPERAQUECIDO ......................................................................................... 18 5 VAZÃO ........................................................................................................................... 19 5.1 VAZÃO VOLUMÉTRICA ............................................................................................. 19 5.2 VAZÃO MÁSSICA OU FLUXO DE MASSA .............................................................. 19 6 GRANDEZAS ELÉTRICAS ........................................................................................ 20 6.1 TENSÃO ......................................................................................................................... 20 6.2 CORRENTE .................................................................................................................... 20 6.3 POTÊNCIA ..................................................................................................................... 20 6.4 RESISTÊNCIA ................................................................................................................ 21 6.5 INDUTÂNCIA ................................................................................................................ 21 6.6 CAPACITÂNCIA ........................................................................................................... 22 6.7 IMPEDÂNCIA ................................................................................................................ 22 6.8 CIRCUITOS EM CC ....................................................................................................... 22 7 CONVERSÃO DE UNIDADES ................................................................................... 24 REFERÊNCIAS.............................................................................................................27 APRESENTAÇÃO Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contínua do padrão de qualidade e produtividade da indústria, o SENAI BA desenvolve programas de educação profissional e superior, além de prestar serviços técnicos e tecnológicos. Essas atividades, com conteúdos tecnológicos, são direcionadas para indústrias nos diversos segmentos, através de programas de educação profissional, consultorias e informação tecnológica, para profissionais da área industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho. Este material didático foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui informações que são aplicáveis de forma prática no dia-a-dia do profissional, e apresenta uma linguagem simples e de fácil assimilação. É um meio que possibilita, de forma eficiente, o aperfeiçoamento do aluno através do estudo do conteúdo apresentado no módulo. 5 1 O SISTEMA MÉTRICO 1.1 BREVE HISTÓRIA A necessidade de medir é muito antiga e remonta à origem das civilizações. Por longo tempo cada país, cada região, teve seu próprio sistema de medidas. Essas unidades de medidas, entretanto, eram geralmente arbitrárias e imprecisas, como por exemplo, aquelas baseadas no corpo humano: palmo, pé, polegada, braça, côvado. Isso criava muitos problemas para o comércio, porque as pessoas de uma região não estavam familiarizadas com o sistema de medir das outras regiões, e também porque os padrões adotados eram, muitas vezes, subjetivos. As quantidades eram expressas em unidades de medir pouco confiáveis, diferentes umas das outras e que não tinham correspondência entre si. A necessidade de converter uma medida em outra era tão importante quanto a necessidade de converter uma moeda em outra. Na verdade, em muitos países, inclusive no Brasil dos tempos do Império, a instituição que cuidava da moeda também cuidava do sistema de medidas. O Sistema Métrico Decimal Em 1789, numa tentativa de resolver esse problema, o Governo Republicano Francês pediu à Academia de Ciência da França que criasse um sistema de medidas baseado numa "constante natural", ou seja, não arbitrária. Assim foi criado o Sistema Métrico Decimal, constituído inicialmente de três unidades básicas: o metro, que deu nome ao sistema, o litro e o quilograma. O Metro Dentro do Sistema Métrico Decimal, a unidade de medir a grandeza comprimento foi denominada metro e definida como "a décima milionésima parte da quarta parte do meridiano terrestre" (dividiu-se o comprimento do meridiano por 4.000.000). Para materializar o metro, construiu-se uma barra de platina de secção retangular, com 25,3mm de espessura e com 1m de comprimento de lado a lado. Essa medida materializada, datada de 1799, conhecida como o "metro doarquivo" não é mais utilizada como padrão internacional desde a nova definição do metro feita em 1983 pela 17ª Conferência Geral de Pesos e Medidas. O Litro A unidade de medir a grandeza volume, no Sistema Métrico Decimal, foi chamada de litro e definida como "o volume de um decímetro cúbico". O litro permanece como uma das unidades em uso com o SI, entretanto recomenda-se a utilização da nova unidade de volume definida como o metro cúbico. 6 O Quilograma Definido para medir a grandeza massa, o quilograma passou a ser a "massa de um decímetro cúbico de água na temperatura de maior massa específica, ou seja, a 4,44ºC". Para materializá-lo foi construído um cilindro de platina iridiada, com diâmetro e altura iguais a 39 milímetros. Muitos países adotaram o sistema métrico, inclusive o Brasil, aderindo à Convenção do Metro. Entretanto, apesar das qualidades inegáveis do Sistema Métrico Decimal - simplicidade, coerência e harmonia - não foi possível torná-lo universal. Além disso, o desenvolvimento científico e tecnológico passou a exigir medições cada vez mais precisas e diversificadas. Em 1960, o Sistema Métrico Decimal foi substituído pelo Sistema Internacional de Unidades - SI mais complexo e sofisticado que o anterior. O Sistema Internacional de Unidades (SI) O Sistema Internacional de Unidades - SI foi sancionado em 1960 pela Conferência Geral de Pesos e Medidas e constitui a expressão moderna e atualizada do antigo Sistema Métrico Decimal, ampliado de modo a abranger os diversos tipos de grandezas físicas, compreendendo não somente as medições que ordinariamente interessam ao comércio e à indústria (domínio da metrologia legal), mas estendendo-se completamente a tudo o que diz respeito à ciência da medição. O Brasil adotou o Sistema Internacional de Unidades - SI em 1962. A Resolução nº 12 de 1988 do Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - CONMETRO, ratificou a adoção do SI no País e tornou seu uso obrigatório em todo o território nacional. 1.2 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE MEDIÇÃO Metrologia A ciência que trata das medições é a metrologia. A metrologia abrange todos os aspectos teóricos e práticos relativos às medições, em quaisquer campos da ciência ou da tecnologia. Medir, entretanto, é uma atividade mais corriqueira do que parece. Ao olhar no relógio, por exemplo, você está vendo no mostrador o resultado de uma medição de tempo. Ao tomar um táxi, comprar um quilograma de carne no açougue ou abastecer o carro no posto de gasolina, você presencia medições. Mas o que é uma medição? Medição Existe uma imensa variedade de coisas diferentes que podem ser medidas sob vários aspectos. Imagine uma lata, dessas que são usadas para refrigerante. Você pode medir a sua altura, pode medir quanto ela "pesa" e pode medir quanto líqüido ela pode comportar. Cada um desses aspectos (comprimento, massa, volume) implica numa grandeza física diferente. 7 Medir é comparar uma grandeza com uma outra, de mesma natureza, tomada como padrão. Medição é, portanto, o conjunto de operações que tem por objetivo determinar o valor de uma grandeza. Grandeza Já deu pra perceber que o conceito de grandeza é fundamental para se efetuar qualquer medição. Grandeza pode ser definida, resumidamente, como sendo o atributo físico de um corpo que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado. Aqui vamos precisar de mais exemplos: a altura de uma lata de refrigerante é um dos atributos desse corpo, definido pela grandeza comprimento, que é qualitativamente distinto de outros atributos (diferente de massa, por exemplo) e quantitativamente determinável (pode ser expresso por um número). Unidade de Medição Para determinar o valor numérico de uma grandeza, é necessário que se disponha de uma outra grandeza de mesma natureza, definida e adotada por convenção, para fazer a comparação com a primeira. Para saber a altura daquela lata, por exemplo, é preciso adotar um comprimento definido para ser usado como unidade. O comprimento definido como unidade de medida pelo Sistema Internacional de Unidades - SI, é o Metro, seus múltiplos e submúltiplos. O Metro é definido como sendo o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299.792.458 de segundo. Padrão Seria bem complicado medir a altura de uma lata usando apenas a definição do Metro. Para isso existem os Padrões Metrológicos. Um padrão metrológico é, em resumo, um instrumento de medir ou uma medida materializada destinado a reproduzir uma unidade de medir para servir como referência. O padrão (de qualquer grandeza) reconhecido como tendo a mais alta qualidade metrológica e cujo valor é aceito sem referência a outro padrão, é chamado de Padrão Primário. Um padrão cujo valor é estabelecido pela comparação direta com o padrão primário é chamado Padrão Secundário, e assim sucessivamente, criando uma cadeia de padrões onde um padrão de maior qualidade metrológica é usado como referência para o de menor qualidade metrológica. Pode- se, por exemplo, a partir de um Padrão de Trabalho, percorrer toda a cadeia de rastreabilidade desse padrão, chegando ao Padrão Primário. Instrumento de Medição e Medida Materializada Já temos padrões de referência! Agora, antes de fazer qualquer medição, precisamos saber qual a grandeza que pretendemos medir e o grau de exatidão que pretendemos obter como resultado dessa medição, para então podermos escolher o instrumento de medir adequado. 8 Além disso, é necessário que o instrumento ou medida materializada em questão tenha sido calibrado. Vamos supor que você queira saber quanto você "pesa". A grandeza a ser medida é a massa. (Veja a diferença conceitual entre massa e peso.) Você não necessita de um resultado com grande exatidão de medição. A balança antropométrica da drogaria resolve o seu caso. Agora, vamos supor que você trabalhe numa farmácia de manipulação e precise determinar a massa do componente de um medicamento para aviar uma receita. É aconselhável que você obtenha um resultado com grande exatidão de medição. Uma balança analítica compatível com a exatidão requerida é o instrumento mais adequado. Método de Medição Mesmo na medição mais corriqueira adotamos, de maneira consciente ou inconsciente, um método de medição e um procedimento de medição. Como no exemplo do tópico anterior, métodos e procedimentos de medição são adotados em razão da grandeza a ser medida, da exatidão requerida e de outros condicionantes que envolvem uma série de variáveis. Vamos supor que você queira determinar o volume de 200ml de óleo comestível. Se você não necessita grande exatidão (você vai usar o óleo para fazer uma receita culinária) então o método escolhido pode ser, simplesmente, verter o óleo em uma medida de volume graduada (uma proveta, por exemplo). Porém, se o resultado exigir maior exatidão (um ensaio em laboratório), será necessário utilizar outro método que leve em consideração outras variáveis, como a temperatura do óleo, sua massa, sua massa específica e por ai vai, uma vez que o volume do óleo varia em razão da temperatura que este apresenta no momento da medição. Resultado da Medição Após medir uma grandeza, devemos enunciar o resultado da medição. Parece coisa simples, mas não é. Em primeiro lugar, ao realizar uma medição, é impossível determinar um valor verdadeiro para a grandeza medida. Vamos supor que você mediu a massa de um corpo em uma balança eletrônica e a indicação numérica que apareceu no visor foi 251g (duzentos e cinqüenta e um gramas). Na verdade, um possível valor verdadeiro da massa daquele corpo estaria próximo da indicação obtida, embora este seja, por definição, indeterminável. Os parâmetros dessa aproximação são dados pela incerteza da medição. Como nos exemplos anteriores, se essa medição destina-se a fins domésticos,não é necessário qualquer rigor ao expressar o seu resultado. Entretanto, quando se trata de medições para fins científicos ou tecnológicos, será preciso deixar claro se o resultado apresentado refere-se àquela indicação, ou ao resultado corrigido, ou ainda à média de várias medições. Deve conter ainda informações sobre a incerteza de medição, ser expresso utilizando-se o nome e a 9 simbologia da grandeza de forma correta e levar em consideração os algarismos significativos que compõem o valor numérico. Sistema de Grandezas Conjunto de grandezas, em um sentido geral, entre as quais há uma relação definida. Grandeza de Base Grandeza que, em um sistema de grandezas, é por convenção aceita como funcionalmente independente de uma outra grandeza. Exemplo: As grandezas comprimento, massa e tempo são geralmente tidas como grandezas de base no campo da mecânica. Sistema de Unidades Conjunto das unidades de base e unidades derivadas, definido de acordo com regras específicas, para um dado sistema de grandezas. Exemplos: • Sistema Internacional de Unidades SI; • Sistema de Unidades CGS. Sistema Internacional de Unidades (SI) Sistema coerente de unidades adotado e recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM). Observação: O SI é baseado, atualmente, nas sete unidades de base seguintes: Quadro 1 - Grandeza X Unidade SI 10 1.3 MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DAS UNIDADES SI Nome do Prefixo Símbolo do Prefixo Fator pelo qual a unidade é multiplicada deca da 10 hecto h 102 = 1 00 quilo k 103 = 1 000 mega M 106 = 1 000 000 giga G 109 = 1 000 000 000 tera T 1012 = 1 000 000 000 000 peta P 1015 = 1 000 000 000 000 000 exa E 1018 = 1 000 000 000 000 000 000 zetta Z 1021 = 1 000 000 000 000 000 000 000 yotta Y 1024 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 Quadro 2 - Múltiplos Nome do Prefixo Símbolo do Prefixo Fator pelo qual a unidade é multiplicada deci d 10-1 = 0,1 centi c 10-2 = 0,01 mili m 10-3 = 0,001 micro µ 10-6 = 0,000 001 nano n 10-9 = 0,000 000 001 pico p 10-12 = 0,000 000 000 001 femto f 10-15 = 0,000 000 000 000 001 atto a 10-18 = 0,000 000 000 000 000 001 zepto z 10-21 = 0,000 000 000 000 000 000 001 yocto y 10-24 = 0,000 000 000 000 000 000 000 001 Quadro 3 - Submúltiplos Para formar o múltiplo ou submúltiplo de uma unidade, basta colocar o nome do prefixo desejado na frente do nome desta unidade. O mesmo se dá com o símbolo. Exemplos: Para multiplicar e dividir a unidade volt por mil: quilo + volt = quilovolt k + V = kV mili + volt = milivolt m + V = mV Os prefixos SI também podem ser empregados com unidades fora do SI. Exemplos: milibar; quilocaloria; megatonelada; hectolitro Por motivos históricos o nome da unidade SI de massa contém um prefixo: quilograma. Por isso, os múltiplos e submúltiplos da unidade são feitos a partir do grama. Exemplos: • Micrograma; centigrama; miligrama; decagrama; hectograma. 11 2 PRESSÃO Definição “Numa superfície sujeita à ação de uma força de módulo constante perpendicular a ela, o quociente da força pela área da superfície”. (FERREIRA, 1999). Unidade Padrão no SI Nome: pascal Símbolo: Pa Definição: “Pressão exercida por uma força de 1 newton, uniformemente distribuída sobre uma superfície plana de 1m² de área, perpendicular à direção da força. (Pascal é também unidade de tensão mecânica)”. (BRASIL, 1988). 2.1 PRESSÃO ATMOSFÉRICA Definição “A pressão exercida pela atmosfera terrestre em qualquer ponto da mesma, e que é igual ao produto da massa da coluna de ar que tem por base a unidade de área, no ponto dado, vezes a aceleração da gravidade no mesmo ponto”. (FERREIRA, 1999). É a pressão exercida pelo peso da atmosfera. A pressão atmosférica normalmente é medida por um instrumento chamado barômetro, daí sendo também chamada pressão barométrica. A pressão atmosférica varia com a altitude e depende ainda das condições meteorológicas, sendo que, ao nível do mar, em condições padronizadas, temos: Patm = 1,033 kgf/cm2 Para simplificação de alguns problemas estabelece-se uma Atmosfera Técnica, cuja pressão corresponde a 1Kgf/cm2. A pressão atmosférica é sempre uma pressão absoluta 2.2 PRESSÃO MANOMÉTRICA Definição É a pressão medida adotando-se como referência a pressão atmosférica. Esta pressão é normalmente medida através de um instrumento chamado manômetro, daí sua denominação “manométrica” sendo também usualmente chamada de “pressão efetiva” ou “pressão relativa”. 12 Quando a pressão é menor que a atmosférica, temos uma “pressão manométrica negativa” também usualmente chamada de “vácuo” (denominação não muito correta) ou “depressão”. Notar que os instrumentos de medição de pressão atmosférica, isto é, manômetro (que registra somente valores positivos de pressão manométrica) e o vacuômetro (que registra somente valores negativos de pressão manométrica), sempre registram zero quando abertos à atmosfera. Assim, esses instrumentos têm como referência (zero da escala) a pressão atmosférica do local onde está sendo realizada a medição, seja ela qual for. 2.3 PRESSÃO ABSOLUTA Definição “Pressão medida em relação ao vácuo total. A pressão absoluta é equivalente à soma da pressão medida com um manômetro, mais a pressão atmosférica (14,696 psia ou 1 bar ao nível do mar)”. (AGA GASES INDUSTRIAIS,[200-?]) Todos os valores de pressão na escala absoluta são positivos Pabs = Pman + Patm 2.4 PRESSÃO ESTÁTICA Definição “Componente da pressão num fluido em movimento que se exerce sobre uma superfície que se move com o fluido”. (FERREIRA, 1999) 2.5 PRESSÃO DINÂMICA Definição “Componente da pressão devida ao movimento de um fluido, e igual ao produto da massa volumar do fluido pela metade do quadrado da velocidade; pressão de impacto”. (FERREIRA, 1999). 13 3 CALOR E TEMPERATURA Toda matéria pode se apresentar em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Isso depende principalmente das condições de pressão e temperatura. As possíveis mudanças de estado, quando uma substância recebe ou cede calor, estão esquematizadas na figura abaixo: Figura 1 - Mudanças de estado Cada substância possui uma temperatura onde estas mudanças de estado costumam ocorrer (esta temperatura depende da pressão). Esta temperatura chama-se de ponto de fusão, ponto de vaporização, ponto de liquefação, ponto de solidificação ou ponto de sublimação, dependendo do fenômeno que estiver ocorrendo. Passagem de sólido para líquido (fusão) Na tabela a seguir, estão listadas as temperaturas onde ocorre a fusão, passagem do estado sólido para o líquido, em algumas substâncias na pressão ambiente (1 atm). Tabela 1 - Passagem de sólido para líquido (fusão) substância Ponto de fusão (°C) água 0 álcool -114 alumínio 659 cloreto de sódio 800 cobre 1 083 chumbo 327 enxofre 119 substância Ponto de fusão (°C) estanho 232 ferro 1 535 mercúrio -39 nitrogênio -210 ouro 1 063 oxigênio -219 prata 961 zinco 419 14 Importante: "Quando a temperatura de uma substância está mudando, ela não pode estar ao mesmo tempo mudando de estado. Por outro lado, quando uma substância está mudando de estado sua temperatura sempre permanecerá constante”. Cálculo da quantidade de calor necessária para a mudança de estado Experimentalmente descobriu-se que, na pressão ambiente, eram necessárias 80 calorias para que 1g de gelo derretesse. Ou seja, para que 1g de gelo mude do estado sólido para o líquido, deve-se fornecer ao mesmo 80 calorias. Deu-se para este número o nome de calor latente de fusão (Lf) do gelo, e verificou-se que outras substâncias possuem valores diferentes para esta grandeza. O calor latente de fusão (L f) de uma substância qualquer é então a quantidade de calor (Q) necessária para que 1g desta substância passe do estado sólido parao estado líquido. Unidades Duas unidades são mais usadas para representar esta grandeza: a cal/g e o J/g. Esta última pertence ao Sistema Internacional de Unidades (SI). Uma CALORIA é a quantidade de calor requerido para aumentar a temperatura de um grama de água a um grau Celsius. Veja abaixo uma tabela com valores do calor latente de fusão de várias substâncias. Tabela 2 - Valores do calor latente de fusão de várias substâncias substância Calor latente de fusão (cal/g) água 80 álcool 25 alumínio 95 cloreto de sódio 124 cobre 49 chumbo 6 enxofre 119 estanho 14 substância Calor latente de fusão (cal/g) ferro 64 hidrogênio 14 mercúrio 2,7 nitrogênio 6,1 ouro 15 oxigênio 3,3 prata 21 zinco 24 A fórmula usada para resolver problemas que envolvam mudanças de estado é a seguinte: Q = quantidade de calor perdida ou recebida pelo corpo (em calorias) m = massa do corpo (em gramas) L = calor latente da substância (cal/g) 15 A solidificação, que é a passagem do estado líquido para o sólido (processo inverso da fusão) ocorre nos mesmos valores das temperaturas de fusão, uma vez que é o processo inverso. O calor latente de solidificação é igual ao calor latente de fusão, só que com o sinal trocado. Para ocorrer a mudança do estado líquido para o sólido a substância precisa perder calor, e por isso o calor latente de solidificação (Ls) recebe um sinal negativo. (L f = - Ls) Passagem de líquido para gasoso (vaporização) A vaporização funciona aproximadamente da mesma maneira que a fusão. Existe uma temperatura certa onde as substâncias passam do estado líquido para o gasoso. Esta temperatura é chamada ponto de ebulição. Na tabela a seguir está listado o valor para algumas substâncias. Tabela 3 - Passagem de líquido para gasoso (vaporização) substância Ponto de ebulição (°C) água 100 álcool 78 cobre 2 595 chumbo 1 744 enxofre 445 ferro 3 000 substância Ponto de ebulição (°C) hidrogênio -253 mercúrio 357 nitrogênio -196 ouro 2 966 oxigênio -183 prata 2 212 zinco 918 Na próxima tabela, estão listados os valores da quantidade de calor necessária para fazer com que 1g de destas substâncias passe do estado líquido para o estado gasoso (calor latente de vaporização). Tabela 4 - Valores do calor latente de vaporização substância Calor latente de vaporização (cal/g) água 540 álcool 204 cobre 1 288 chumbo 209 enxofre 78 ferro 1 508 substância Calor latente de vaporização (cal/g) hidrogênio 108 mercúrio 70 nitrogênio 48 ouro 376 oxigênio 51 prata 559 zinco 475 16 Tomando como exemplo o caso da água, precisa-se de 540 calorias para fazer com que 1g desta substância passe do estado líquido para o estado gasoso. A liquefação, ou condensação, que é a passagem do estado gasoso para o líquido (processo inverso da vaporização), ocorre nos mesmos valores da temperatura de vaporização. O calor latente de liquefação é igual ao calor latente de vaporização, só que com o sinal trocado. Para ocorrer a mudança do estado gasoso para o líquido a substância precisa perder calor, e por isso o calor latente de liquefação (Ll) recebe um sinal negativo. (L v = - Ll) 3.1 MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR A luz e o calor do Sol, quando chegam a Terra, percorreram 149 milhões de quilômetros atravessando o espaço vazio, o vácuo. Esse processo de propagação de calor que não necessita de um meio material é a irradiação. Num dia de verão, o ar em contato com o solo aquecido atinge temperaturas mais altas do que o das camadas mais distantes da superfície. Ao se aquecer, ele se dilata ocupando um volume maior e tornando-se menos denso (mais leve), subindo. Em contato com o ar mais frio, perde calor, se contrai, e desce. O deslocamento do ar quente em ascensão e de descida do ar frio, as chamadas correntes de convecção, constitui um outro processo de propagação de calor, a convecção. Esse processo ocorre no aquecimento de líquidos e gases. Nos sólidos o calor é conduzido através do material, passando de molécula a molécula. Devido à condução de calor através do metal que o cabo de uma colher esquenta quando mexemos um alimento ao fogo. Estes três processos de propagação do calor podem ocorrer isoladamente ou mesmo tempo, aquecendo ou esfriando um corpo qualquer 3.2 CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE Quando, à pressão constante, uma substância recebe (absorve) e sua temperatura aumenta, temos o calor sensível. Se ocorre mudança de estado, mantendo-se a mesma temperatura, o calor é latente. O gráfico a seguir ilustra a variação da temperatura de uma substância em função do calor absorvido pela mesma. 17 Figura 2 - Variação da temperatura de uma substância em função do calor 3.3 CALOR ESPECÍFICO O calor específico é a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um corpo, sem mudança do estado físico. O calor específico é a medida do calor sensível, normalmente expresso em cal/kg0C ou BTU/lb0F. 3.4 UNIDADES DE TEMPERATURA O desenvolvimento de um termômetro com uma escala padronizada começou com Daniel Gabriel Faherenheit. Faherenheit adotou como temperaturas de referência 32º para a temperatura de congelamento da água e a temperatura de ebulição da água como sendo 212º. Nesta escala o corpo humano tem uma temperatura de 100º. Como o termômetro de Faherenheit vendeu bem, sua escala tornou-se largamente aceita. Semelhante, o sueco Anders Celsius propôs uma escala dividida em 100 divisões (centígrados) adotando uma escala em que a água congela a 0° e entre em ebulição a 100º. Mais tarde, William Thomson, posteriormente chamado lorde Kelvin, imaginou uma escala de temperaturas absoluta. O “kelvin” teve a sua definição estabelecida quando se fixou convencionalmente a temperatura do ponto tríplice da água igual a 273,16 graus kelvin. Esta unidade não leva o símbolo de graus como as outras unidades, assim escreve-se 273,16K e não 273,16°K. Além disso a variação de 1K é igual à variação de temperatura de 1°C. A seguir são dadas as relações de conversões entre as diferentes unidades de temperatura: Para transformar kelvin para celsius t = T-273,15 Para transformar celsius para kelvin T = t+273,15 Para transformar celsius para faherenheit(F) F = 1,8*t+32 Para transformar faherenheit para celsius t = (F-32)/1,8 18 4 VAPOR 4.1 VAPOR SATURADO O vapor saturado é composto por uma mistura de água e vapor, cuja temperatura se mantém constante em relação à sua pressão, e é justamente esta característica que lhe confere maior facilidade no controle de temperatura de processos, portanto, é o tipo de vapor mais utilizado na maioria das aplicações industriais, que não requerem isenção de umidade ou altas temperaturas. Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido muito mais facilmente que o controle direto de temperatura. 4.2 VAPOR SUPERAQUECIDO Vapor superaquecido é aquele que possui temperatura mais elevada que a do vapor saturado. Para obtê-lo, é necessário aquecer o vapor saturado, mantendo inalterada a sua pressão. O vapor passa a condição de superaquecimento quando ultrapassa a temperatura de saturação de uma determinada pressão. O vapor superaquecido é isento de umidade e comporta-se nas tubulações como gás. Graças a estas qualidades, é perfeito para alimentação de turbinas geradoras de energia elétrica ou motora, e esta é de fato sua principal aplicação. Isso por que geralmente as turbinas não podem receber umidade, sob o risco de sofrerem danos em seus componentes. Após movimentar uma turbina, o vapor superaquecido é expelido como vapor demenor pressão e temperatura, com características próximas do vapor saturado. Por isso ele deve ser reaproveitado com tal. Para reaproveitar a exaustão do vapor superaquecido, é conveniente e recomendável saturá-lo para aproveitar as propriedades do vapor saturado, que é mais adequado para aplicações de aquecimento. Devido a esta possibilidade, muitas indústrias preferem gerar apenas vapor superaquecido e aplicá-lo em todas as suas operações. Mas a eficiência do vapor superaquecido só se confirma em processos de geração de energia. Não se obtém grandes vantagens usando-o em operações de aquecimento, por que, mesmo tendo temperatura mais alta, com o acréscimo de energia que possui, na transferência para o processo ocasionará um tempo para execução desta tarefa, que será maior que o vapor saturado. Assim, você terá consumido mais combustível para produzir um vapor que renderá menos na aplicação. Moral da história: manter cada tipo de vapor na aplicação ideal é a melhor forma de economizar. 19 5 VAZÃO Definição “Volume dum fluido que, numa unidade de tempo, se escoa através de determinada seção transversal de um conduto ou curso de água.” (FERREIRA, 1999). “Quantidade de gás ou líquido que passa através de um orifício controlado durante um período de tempo determinado. Pode ser expresso em litros/minuto ou pés cubicos/hora”. (AGA GASES INDUSTRIAIS,[200-?]). 5.1 VAZÃO VOLUMÉTRICA Definição Vazão volumétrica é definida como sendo o volume de fluido que atravessa por uma determinada secção por unidade de tempo. Unidade Padrão no SI Nome: metro cúbico por segundo Símbolo: m3/s Definição: “Vazão de um fluído que, em regime permanente através de uma superfície determinada, escoa o volume de 1 metro cúbico do fluído em 1 segundo”. (BRASIL, 1988). 5.2 VAZÃO MÁSSICA OU FLUXO DE MASSA Definição Vazão mássica ou descarga é a massa de fluido que atravessa uma determinada seção por unidade de tempo. Unidade Padrão no SI Nome: quilograma por segundo Símbolo: kg/s Definição: “Fluxo de massa de um material que, em regime permanente através de uma superfície determinada, escoa a massa de 1 quilograma do material em 1 segundo. (Esta grandeza é designada pelo nome do material cujo escoamento está sendo considerado - por exemplo, fluxo de vapor)”. (BRASIL, 1988). 20 6 GRANDEZAS ELÉTRICAS 6.1 TENSÃO Definição “Diferença de potencial elétrico entre dois pontos de um circuito; tensão elétrica; voltagem”. (FERREIRA, 1999). Unidade Nome: volt Símbolo: V Definição: “Tensão elétrica entre os terminais de um elemento passivo de circuito, que dissipa a potência de 1 watt quando percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère”. (BRASIL, 1988). 6.2 CORRENTE (I) Definição “1.Fluxo de carga elétrica através de um condutor. 2.Intensidade do fluxo de carga elétrica através de um condutor”. (FERREIRA, 1999). Unidade Nome: ampère Símbolo: A Definição: “Corrente elétrica invariável que mantida em dois condutores retilíneos, paralelos, de comprimento infinito e de área de seção transversal desprezível e situados no vácuo a 1 metro de distância um do outro, produz entre esses condutores uma força igual a 2 x 10-7 newton, por metro de comprimento desses condutores. (Unidade de Base ratificada pela 9ª CGPM - 1948)” (BRASIL, 1988). 6.3 POTÊNCIA (P) Definição “Num sistema gerador ou absorvedor de energia, a energia produzida ou consumida por unidade de tempo”. (FERREIRA, 1999). 21 Unidade Nome: watt Símbolo: W Definição: “Potência desenvolvida quando se realiza, de maneira contínua e uniforme, o trabalho de 1 joule em 1 segundo”. (BRASIL, 1988). 6.4 RESISTÊNCIA (R) Definição “Propriedade que tem toda substância (exceto os supercondutores) de se opor à passagem de corrente elétrica, e que é medida, em um corpo determinado, pelo quociente da tensão contínua aplicada às suas extremidades pela corrente elétrica que atravessa o corpo”. (FERREIRA, 1999). Unidade Nome: ohm Símbolo: Ω Definição: “Resistência elétrica de um elemento passivo de circuito que é percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère, quando uma tensão elétrica constante de 1 volt é aplicada aos seus terminais. (O ohm é também unidade de impedância e de reatância em elementos de circuito percorridos por corrente alternada)”. (BRASIL, 1988). 6.5 INDUTÂNCIA (Z) Definição “Propriedade de indução de força eletromotriz em um circuito, por efeito da variação de uma corrente que passa pelo próprio circuito (v. auto-indutância) ou por um circuito próximo (v. indutância mútua)”. (FERREIRA, 1999). Unidade Nome: henry Símbolo: H Definição: “Indutância de um elemento passivo de circuito, entre cujos terminais se induz uma tensão constante de 1 volt, quando percorrido por uma corrente que varia uniformemente à razão de 1 ampère por segundo”. (BRASIL, 1988). 22 6.6 CAPACITÂNCIA (C) Definição “Propriedade que têm alguns sistemas de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático; capacidade elétrica”. (FERREIRA, 1999). Unidade Nome: farad Símbolo: F Definição: “Capacitância de um elemento passivo de circuito entre cujos terminais a tensão elétrica varia uniformemente à razão de 1 volt por segundo, quando percorrido por uma corrente invariável de 1 ampère”. (BRASIL, 1988). 6.7 IMPEDÂNCIA Definição “Quociente entre a amplitude de uma tensão alternada e a amplitude da corrente que ela provoca em um circuito”. (FERREIRA, 1999). Unidade Vide item 6.4.2 6.8 CIRCUITOS EM CC Lei de Ohm A Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador Georg Simon Ohm, indica que a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o percorre: V = R.I onde: V é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou "voltagem") medida em Volts R é a resistência elétrica do circuito medida em Ohms I é a intensidade da corrente elétrica medida em Ampères 23 Conhecendo-se duas das grandezas envolvidas na Lei de Ohm, é fácil calcular a terceira: A potência P, em Watts, dissipada num resistor, na presunção de que os sentidos da corrente e da tensão são aqueles assinalados na figura, é dada por Logo, a tensão ou a corrente podem ser calculadas a partir de uma potência conhecida: Outras relações, envolvendo resistência e potência, são obtidas por substituição algébrica: Associação de Resistores Associação Série É quando os resistores são associados um em seguida ao outro, sendo percorridos pela mesma corrente. V = V1+V2 Req = R1+R2 Associação Paralela É quando os resistores da associação estão submetidos à mesma tensão. Seus terminais estão ligados nos mesmos dois pontos. I = I1+I2 1/Req = 1/R1+1/R2 24 7 CONVERSÃO DE UNIDADES Tabela 5 - Conversão de unidades inglesas de comprimento, para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por jardas (yd) metro (m) 0, 914 4 pés (ft) metro (m) 0, 304 8 polegada (in) metro (m) 0, 025 4 milha terrestre quilômetro (km) 1, 610 milha náutica quilômetro (km) 1, 853 Tabela 6 - Conversão de unidades inglesas ou usuais de área, para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por acre quilômetro quadrado (km2) 0, 004 047 hectare quilômetro quadrado (km2) 0, 01 jarda quadrada (yd2) metro quadrado (m2) 0, 836 13 polegada quadrada (in2) metro quadrado (m2) 0, 000 645 2 pé quadrado (ft2) metro quadrado (m2) 0, 092 9 milha quadrada quilômetro quadrado (km2) 2, 59 Tabela 7 - Conversão de unidades inglesas de volume e de capacidade, para unidades SI correspondentes* Para converter de para multiplique por Barril (EUA) litros (l) 115, 63 Barril (Inglaterra) litros(l) 163, 66 Barril de Petróleo (EUA) litros (l) 158, 98 galão (EUA) metro3 (m3) 0, 003 785 galão (EUA) litros (l) 3, 785 galão (Inglaterra) metro3 (m3) 0, 004 545 9 galão (Inglaterra) litros (l) 4, 545 9 gill litros (l) 0, 142 06 pés3 metro3 (m3) 0, 028 32 pés3 litros (l) 28, 32 pint (EUA) litros (l) 0, 473 164 pint (Inglaterra) litros (l) 0, 568 245 pol3 metro3 (m3) 0, 000 016 39 pol3 litros (l) 0, 016 39 * O litro (l) é empregado como um nome especial para o decímetro cúbico, dm3, porém não é recomendável o seu uso para medidas técnicas de precisão. 25 Tabela 8 - Conversão de unidades inglesas de massa , para unidades SI correspondentes* Para converter de para multiplique por libra-massa avoirdupois (lbm) quilograma (kg) 0, 454 libra-massa troy quilograma (kg) 0, 373 241 onça avoirdupois (oz) quilograma (kg) 0, 028 35 onça troy quilograma (kg) 0, 031 103 5 slug quilograma (kg) 14, 6 Tabela 9 - Conversão de unidades inglesas ou usuais de força , para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por dina newton (N) 0, 000 01 kilograma-força (kgf) newton (N) 9, 807 libra-força (lbf) newton (N) 4, 45 poundal newton (N) 0, 138 3 Tabela 10 - Conversão de unidades inglesas ou usuais de pressão, para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por atmosfera (atm) pascal (Pa) 101 300, 0 bar pascal (Pa) 100 000, 0 dina/cm2 pascal (Pa) 0, 1 libra-força/pé2 pascal (Pa) 47, 88 libra-força/pol2 (psi) pascal (Pa) 6 895, 0 milímetros Hg (mm Hg) pascal (Pa) 133, 3 polegada H2O (pol H2O) pascal (Pa) 249, 0 polegada Hg (pol Hg) pascal (Pa) 5, 248 quilograma-força/cm2 (kgf/cm2) pascal (Pa) 98 066, 5 torr pascal (Pa) 133, 3 26 Tabela 11 - Conversão de unidades inglesas ou usuais de área de trabalho, energia, calor , para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por caloria (cal) joule (J) 4, 186 unidade térmica inglesa (BTU) joule (J) 1055, 0 Watt-hora (Wh) joule (J) 3600, 0 cavalo vapor-hora (CVh) kilojoule (kJ) 2 684, 525 horse power-hora (HPh) kilojoule (kJ) 2 647, 796 pé . libra-força (ft.lb) joule (J) 1, 356 kilograma-força . metro (kgf.m) joule (J) 9, 80665 Todas as unidades derivadas inglesas são do sistema USCS; isto indica o uso da libra massa avoirdupois e não o slug. O poundal é a denominação especial da libra massa x pé/segundo2 (lbm.ft/s2). O quilograma não é uma unidade de força, mas muitas vezes é popularmente usado como tal e, infelizmente, nem a denominação completa é usada, restringindo-se apenas a "quilo"; um quilograma-força significa que a massa de um quilograma sofre a força de 9,807 newtons sob a ação da gravidade padrão (g = 9,807 m/s). O pascal é a denominação especial do newton/metro2 (N/m2). Tabela 12 - Conversão de unidades inglesas de potência , para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por BTU/s kilowatt (kW) 1, 054 8 cavalo vapor (CV) kilowatt (kW) 0, 735 497 horsepower (HP) kilowatt (kW) 0, 746 kcal/s kilowatt (kW) 4, 185 pé.libra-força/segundo watt (W) 1, 35 Tabela 13 - Conversão de unidades inglesas de velocidade , para unidades SI correspondentes Para converter de para multiplique por quilômetros horários (km/h) metro/segundo (m/s) 0, 277 8 milhas horárias (mile/h) metro/segundo (m/s) 0, 447 nós (USA)* metro/segundo (m/s) 0, 514 4 pés/segundo (ft/s) metro/segundo (m/s) 0, 304 8 * nó é a milha marítima (náutica) horária. 1 nó = 1 milha marítima/hora. 27 REFERÊNCIAS AGA GASES INDUSTRIAIS. Glossário. [S.l., 200-?]. Disponível em: <http://www.aga.com.br/International/SouthAmerica/WEB/sg/HiQGloss.nsf/terms?open&cou ntry=Brasil&site=Resellers>. Acesso em: 17 set. 2006. BIZZO, Waldir A. Geração, distribuição e utilização de vapor. Campinas: UNICAMP; Faculdade de Engenharia Mecânica, 2003. p. 76-77. Apostila de curso. BRASIL. Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO). Resolução nº 12, de 12 de outubro de 1988. Adoção do quadro geral de unidades de medida e emprego de unidades do Sistema Internacional de Unidades - S.I. Disponível em: < http://www.inmetro.gov.br/resc/resultado_pesquisa.asp>. Acesso em: 15 set. 2006. FERREIRA, Aurélio Buarque de Holanda. Novo Aurélio século XXI: o dicionário da língua portuguesa. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 1999. GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO DE FÍSICA (GREF). Física térmica. São Paulo: Universidade de São Paulo; Instituto de Física, 1998. p. 29-30. (Leituras de Física, v. 2). INSTITUTO DE PESOS E MEDIDAS DO ESTADO DE SÃO PAULO. Múltiplos e submúltiplos das unidades SI. São Paulo, 2006. Disponível em: <http://www.ipem.sp.gov.br/5mt/unidade.asp?vpro=multiplo>. Acesso em: 16 set. 2006. ______. Sistema Internacional de Unidades - SI. São Paulo, 2006. Disponível em: <http://www.ipem.sp.gov.br/5mt/unidade.asp?vpro=historia>. Acesso em: 16 set. 2006. ______. Unidades elétricas e magnéticas. São Paulo, 2006. Disponível em: <http://www.ipem.sp.gov.br/5mt/unidade.asp?vpro=eletrica>. Acesso em: 15 set. 2006. ______. Unidades geométricas e mecânicas. São Paulo, 2006. Disponível em: <http://www.ipem.sp.gov.br/5mt/unidade.asp?vpro=mecanica>. Acesso em: 15 set. 2006 INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL (INMETRO). Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia (VIM). 3. ed. [Brasília, DF], 2003. p. 12-21. PRÄSS, Alberto Ricardo. Física térmica. [S.l.]: Física.Net, [200-?]. Disponível em: <http://www.fisica.net/fisicatermica/>. Acesso em: 17 set. 2006. WIKIPÉDIA A ENCICLOPÉDIA LIVRE. Lei de Ohm. [S.l.], 2006. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Ohm>. Acesso em: 17 set. 2006.
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