Relatorio de Unidade de Expansao de gas ideal WL 103

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INSTITUTO INDUSTRIAL E COMERCIAL DE PEMBA 
CURSO DE PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL 
LABORATÓRIO DE PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL 
TURMA: OPGNN5- 2021 
Gabriel Manuel Antônio
Codigo: 10010987
UNIDADE DE EXPANSÃO DE GASES IDEAIS WL 103
			
PEMBA, MARÇO, 2023
	
Gabriel Manuel Antônio
Codigo: 10010987
UNIDADE DE EXPANSÃO DE GASES IDEAIS WL 103
 Relatório de práticas laboratoriais apresentado ao 
 Departamento do Curso de Processamento de Gás 
 Natural para efeitos de conclusão do módulo.
IICP
PEMBA, MARÇO, 2023
	
Gabriel Manuel Antônio
Codigo: 10010987
UNIDADE DE EXPANSÃO DE GASES IDEAIS WL 103
Aprovado em_____/______/20____ 
Resultado de Avaliação___________
 
_________________________________
O Supervisor
_________________________________
A Comissão científica do curso 
IICP
PEMBA, MARÇO, 2023
RESUMO
A unidade experimental WL 103 permite ao usuário examinar a expansão de gases ideais. O foco é a determinação experimental do expoente adiabático do ar pelo método de Clément-Desormes. Os principais componentes da unidade experimental são dois tanques cilíndricos interligados. A pressão positiva pode ser aplicada a um tanque, a pressão negativa pode ser aplicada ao outro tanque. Para gerar a pressão positiva e a pressão negativa nos tanques, os tanques são conectados entre si por meio de um compressor. A equalização de pressão pode ocorrer tanto com o ambiente quanto com o outro tanque através de um bypass. Devido à alta velocidade da compensação de pressão, a mudança de estado é quase adiabática. Válvulas de esfera são usadas para equalização de pressão. A tecnologia de medição precisa da pressão está integrada nos tanques para permitir a determinação do expoente adiabático usando o método Clément-Desormes. As temperaturas e pressões medidas são registradas, transmitidas ao software e exibidas.
Palavras chave: expansão de gases ideais, pressão, compressor, métodos de Clément-Desormes.
ABSTRACT
The WL 103 experimental unit allows the user to examine the expansion of ideal gases. The focus is on the experimental determination of the adiabatic exponent of air by the Clément-Desormes method. The main components of the experimental unit are two interconnected cylindrical tanks. Positive pressure can be applied to one tank, negative pressure can be applied to the other tank. To generate positive pressure and negative pressure in the tanks, the tanks are connected to each other by means of a compressor. Pressure equalization can occur both with the environment and with the other tank through a bypass. Due to the high speed of pressure compensation, the change of state is almost adiabatic. Ball valves are used for pressure equalization. Precise pressure measurement technology is integrated into the tanks to allow determination of the adiabatic exponent using the Clément-Desormes method. The measured temperatures and pressures are recorded, transmitted to the software and displayed.
Keywords: expansion of ideal gases, pressure, compressor, Clément-Desormes methods.
LISTAS DE FIGURAS
Fig.1 Volume como uma função da temperatura, Lei de Charles...............................................8 pág.
Figura 2: Representa o equipamento Expansão de gás ideal WL 103, e os seus componentes. ....... .................................................................................................................................................10 pág. 
 Figura 3 – Diagrama representativo de algumas transformações de um gás ideal................13 pag.
Figura 4: Representa o Esquema do equipamento de Expansão de gás ideal WL 103, e os seus componentes............................................................................................................................14 pág.
Figura 5 - Diagrama P-V para o processo aplicado sobre o gás no experimento de Clément – Desormes. Entre o estado inicial (1) e o (2) o processo é adiabático e entre (2) e (3) é isocórico..................................................................................................................................15 pág.
Figura 6 - Representação esquemática dos três estados considerados no processo do experimento de Clément – Desormes...........................................................................................................17 pág.
ÍNDICE
1.	INTRODUÇÃO	7
2.	Objetivos	9
3.	METODOLOGIA	10
Local	10
1.	Material	10
1.1.	Compressor	10
1.2.	Válvulas de Controle	10
1.3.	Tanque/ reservatório	10
1.4.	Manômetro	11
Figura 2: Representa o equipamento Expansão de gás ideal WL 103, e os seus componentes	11
1.5. Especificação	11
1.6. Dados técnicos	11
4.	RESULTADOS E DISCUSSÃO	12
2.	Princípio de funcionamento	12
Figura 4: Representa o Esquema do equipamento de Expansão de gás ideal WL 103, e os seus componentes	14
2.1.	O método de Clément – Desormes	14
2.2.	Parte experimental	16
5.	CONCLUSÕES	18
6.	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	19
7.	ANEXOS	20
1. INTRODUÇÃO
A matéria pode ser encontrada de três formas sejam elas: solido, liquido e gasoso. No estado gasoso, no qual as forças de atração intermoleculares são atrações que uma molécula sente por outras ao seu redor, que são caracterizadas como fracas que proporciona um movimento rápido e independente das moléculas, assim fazendo com o que o comportamento físico de um gás seja praticamente independente da sua composição química. Por serem independente não significa que não a um controle entre elas, o controle de um gás é dado pelo seu volume, pressão, temperatura e o número de moles da substancia (Brady, Vol.1 2º edição, p. 226). 
A definição da pressão é dada pela força dividida pela área sobre a qual a força é aplicada, então quando maior a força, maior será a pressão. A força de um gás é exercida com as colisões das moléculas com a parede do recipiente. Essas colisões são tão numerosas que exercem uma força efetivamente constante assim tornando-o uma pressão constante no meio (Atkins, Vol,1, p. 4). 
A pressão exercida pela atmosfera é medida com um barômetro, que originalmente foi inventado por Torricelli, discipulo de Galileu. O barômetro era formado com um tubo cheio de mercúrio, selado numa extremidade, mergulhado com a outra extremidade, aberta, numa cuba também cheia de mercúrio. A pressão era medida com diferença da altura do equilíbrio para o meio medido (Atkins, Vol,1, p. 4). 
O volume de um gás é dado pelo volume do recipiente que ele se encontra, uma vez que gases se misturam livremente uns com os outros, se vários gases estiverem presentes numa mistura, o volume de cada componente é o mesmo que o volume ocupado pela mistura toda (Brady, Vol.1 2º edição, p. 226). A temperatura é a propriedade que indica se dois corpos estariam em equilíbrio térmico se eles fossem postos em contato através de uma fronteira diatérmica. O equilíbrio térmico é atingindo se não ocorre qualquer mudança de estado quando dois corpos A e B estão em contato através de uma fronteira diatérmica (Atkins, Vol,1, p. 5).
Experimentalmente conclui-se que basta classificar três dessas variáveis para que a quarta seja fixada, ou seja, que no fato experimental percebeu-se que cada substancia é descrita por uma equação de estado, nela é estabelecida uma relação entre as quatro variáveis (Atkins, Vol,1, p. 3). A forma geral de uma equação de estado é:
Na equação de estado em uma aplicação que os valores de n, T e V são conhecidos de uma substância x, será possível calcular a respectiva pressão. Qualquer substancia é referida por sua equação de estado especifica própria do mesmo, porem em alguns pequenos casos particulares sabe-se a forma explicita dessa equação (Atkins, Vol,1, p. 3).
Robert Boyle em 1662 fez as primeiras medidas quantitativas do comportamento pressão-volume dos gases, que obteve resultados que indicavamque o volume é inversamente proporcional à pressão: V=C/p, onde p é a pressão, V é o volume e C é uma constante. A lei de Boyle é especificamente apenas a uma massa de gás à temperatura constante, assim a Lei de Boyle pode ser expressa na seguinte forma (Castellan, 1977, p.8)
 Em seguida veio os estudos de Charles que mostrou que a constante C é uma função da temperatura, que foi um dos jeitos de demostrar a Lei de Charles. GayLussac com seus experimentos, fez medidas do volume mantendo uma massa fixa de gás sob pressão fixa e assim viu que o volume variava linearmente com a temperatura, que é expresso por uma equação linear (Castellan, 1977, p.9).
Fig.1 Volume como uma função da temperatura, Lei de Charles (p= 1atm).
Fonte: Castellan, 1977, p.9
2. Objetivos
Nesta prática serão estudados processos térmicos em gases. Inicialmente, será determinado o valor do fator 𝛾 do ar, definido como a razão entre os calores específicos a pressão e a volume constantes (y= cp/cv), utilizando os métodos de Clément-Desormes. Será, também, determinada a temperatura de zero absoluto utilizando um termômetro de gás a volume constante.
· Mudança adiabática do estado do ar.
· Mudança isocórica do estado do ar.
3. METODOLOGIA
A seguir, serão demonstradas as diretrizes metodológicas que foram utilizadas para a realização do presente relatorio de pesquisa, descrevendo o local onde foram realizados os experimentos e como foram tomados e analisados os dados. 
Local 
O local utilizado para a realização deste trabalho foi o Laboratório de processamento de gas natural, que se situa nas instalações do instituto industrial e comercial de Pemba, Cidade de Pemba.
Um sistema pneumático utiliza como fluido de trabalho ar comprimido, o qual é retirado do ambiente e ilimitado por natureza. Este ar, para ser utilizado de forma adequada, deve passar por alguns processos modificadores de sua condição inicial e após ser utilizado, não a necessidade de retorno para um reservatório, sendo simplesmente expelido para o ambiente (FIALHO, 2011).
1. Material
1.1. Compressor
Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido.
1.2. Válvulas de Controle 
Válvulas de controle direcional são dispositivos que permitem ou modificam o fluxo de ar de alimentação de um atuador a partir de um sinal, seja ele elétrico, mecânico ou pneumático, de forma a ajustar seu funcionamento conforme as exigências da automação. Em pneumática, as válvulas são exclusivamente do tipo carretel deslizante, onde um eixo interno é movimentado axialmente para se fazer a abertura e fechamento das entradas e saídas (FIALHO, 2011).
1.3. Tanque/ reservatório
Um tanque de armazenamento ou de armazenagem também designado por reservatório é um recipiente destinado a armazenar fluidos à pressão atmosférica e a pressões superiores à atmosférica.
1.4. Manômetro
O manômetro é um equipamento utilizado para medir a pressão atmosférica e a pressão de gases e líquidos. As aplicações desse equipamento são diversas, podendo ser utilizado para medir a pressão em máquinas industriais e pneumáticas.
Figura 2: Representa o equipamento Expansão de gás ideal WL 103, e os seus componentes. 
Fonte: www.gunt.de We reserve the right to modify our products without any notifications, 2023.
1 tanque de pressão positiva, 2 válvulas de segurança, 3 válvulas de esfera, 4 manômetros, 5 compressores, 6 tanques de pressão negativa.
 1.5. Especificação
[1] comportamento de gases ideais
[2] medição precisa de pressões e temperaturas
[3] componentes transparentes
[4] experimento segundo Clément-Desormes
[5] determinação do expoente adiabático do ar
[6] Software GUNT com funções de controle e aquisição de dados via USB no Windows 10
 1.6. Dados técnicos
Tanque de pressão positiva
Volume: 20,5L 
- máx. pressão de operação: 0,9bar
Tanque de pressão negativa
- volume: 11L
- temperatura: 0...150°C
- pressão: 0...1,6bar (abs)
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os conceitos relativos a medidas de pressão serão brevemente descritos a seguir: O barômetro de mercúrio foi inventado pelo matemático Evangelista Torricelli (1643). Nos seus estudos ele verificou que a altura de uma coluna de mercúrio variava alguns milímetros devido a ação da pressão atmosférica. O manômetro é uma ferramenta aplicada para avaliar as pressões dos gases: geralmente, utiliza-se o manômetro de mercúrio, mas qualquer liquido poderia ser aplicado; não fosse o problema de suas densidades. Os conceitos envolvidos para se determinar pressões com manômetros de líquidos são os seguintes: - Se uma coluna de um líquido apresenta uma seção transversal (A) então o volume contido numa altura (h) é calculado pela equação. 
V= A.h 
A massa do líquido (m) está relacionada à sua densidade () pela equação 
m = .V = .A.h 
A força que a coluna exerce num dado ponto da coluna líquida será 
F= mg = .A.h.g sendo g = 9,78 m.s -2 a aceleração gravitacional. 
A pressão (p) é a razão entre força por unidade de área, 
p = A F = .A.h.g/A = .g.h Portanto, a pressão exercida independe da área (A) da seção transversal da coluna de líquido do manômetro.
2. Princípio de funcionamento
Em processos adiabáticos reversíveis os gases ideais obedecem à equação de estados especiais, envolvendo o coeficiente adiabático ( = Cp / Cv ), o qual assume o valor de 1,67 para gases ideais monoatômicos e 1,4 para gases ideais diatômicos. O ar, além de não se comportar perfeitamente como um gás ideal, está constituído, principalmente, pelos gases diatômicos nitrogênio e oxigênio. Considere a expansão adiabática reversível de um gás ideal,
 
(1 ) onde os índices 1 e 2 se referem aos estados inicial e final do gás , respectivamente. Poderíamos usar a equação para determinar experimentalmente, realizando um procedimento, onde uma certa massa de gás presa num cilindro isolado, passasse de um estado inicial (variáveis p1 , V1 , e T1) , a um estado final (p2 , V2 , e T2) . Executaríamos isso puxando o pistão móvel que fecha o cilindro até uma certa altura, o mais lentamente possível. Neste processo a pressão diminui e o volume aumenta, sendo realizado trabalho de expansão. Como este trabalho se faz às custas da energia interna do gás (não há troca de calor), a temperatura do gás diminui. Medindo-se os valores das variáveis, e usando-os na equação (1), determinaríamos . Na presente prática, entretanto, usaremos um método de execução mais simples, o qual foi desenvolvido por Clément e Désormes (1812) para determinar o coeficiente adiabático de um gás, quando este é considerado gás ideal. O método consiste em introduzir o gás em um garrafão, provido de medidor de pressão e uma saída controlável. Esse gás é injetado até certa pressão maior que a atmosférica. Aguarda-se alguns instantes até que o gás entre em equilíbrio térmico com a garrafão e, em seguida, abre-se o sistema de forma que o gás escape rapidamente para a pressão atmosférica. Essa expansão deve ser tão rápida que se possa considerá-la adiabática, provocando o consequente resfriamento do gás. Ao se considerar um tempo maior, o gás aquece até atingir a temperatura original. Logo, como o registro controlável está fechado, a pressão aumenta até um valor superior à pressão externa. Esta transformação (1 3) pode ser dividida em duas etapas, uma adiabática e uma isovolumétrica, a qual pode ser representada pelo diagrama p versus V (Figura 3).
Figura 3 – Diagrama representativo de algumas transformações de um gás ideal.
Fonte: Castellan, 1977, p.9
Na primeira etapa (1 2), adiabática, temos que 
e na segunda etapa (2 3), isovolumétrica, 
A mesma transformação (13) pode ser imaginada ocorrendo de forma isotérmica (isto é, durante a transformação o gás não troca calor com o meio, de forma que sua temperatura permanece constante). Assim 
Substituindo a última equação na primeira temos que 
Assim medindo-se p1, p2 e p3 têm-se condições de determinar o coeficiente de expansão adiabáticade um gás.
Figura 4: Representa o Esquema do equipamento de Expansão de gás ideal WL 103, e os seus componentes. 
1 válvula de esfera, 2 compressores, 3 tanques de pressão negativa, 4 válvulas de segurança, 5 tanques de pressão positiva; pressão P, temperatura T.
2.1. O método de Clément – Desormes 
O calor específico de sólidos e líquidos usualmente é medido com a amostra em condições atmosféricas e sem controle do volume do material. Por esse motivo, trata-se de calores específicos medidos à pressão constante 𝑐v. Esse foi o caso do experimento realizado na Prática 5, cuja peça de metal se encontrava essencialmente à pressão atmosférica. 
No caso de um gás, é muito mais simples fazer o experimento com o gás contido em um recipiente rígido, como, por exemplo, uma ampola de vidro com pouca expansão térmica dentro da faixa de temperatura do experimento. Desse modo, nessa condição, o valor medido é o calor específico a volume constante 𝑐v. O valor de 𝑐v de um gás é maior que 𝑐v, pois, no experimento, à pressão constante, o calor entregue ao material provoca também expansão do gás, o que significa que parte dessa energia foi convertida em trabalho e não em aumento da energia térmica do corpo. 
A razão entre os calores específicos à pressão e volume constante (equação 20), é um valor que aparece frequentemente na descrição de processos termodinâmicos feitos com gases. Essa razão pode ser medida através de processos isobáricos e isocóricos, determinando-se o calor específico à pressão e volume constante, respectivamente. Isso foi feito, pela primeira vez, em 1819 pelos químicos Charles-Bernard Desormes e Nicolas Clément. O método consiste em aplicar sobre o gás, suposto ideal, uma sequência de dois processos ilustrados na figura 5: uma expansão adiabática do estado (1) até (2), e um aquecimento isocórico desde (2) até (3).
Figura 5 - Diagrama P-V para o processo aplicado sobre o gás no experimento de Clément – Desormes. Entre o estado inicial (1) e o (2) o processo é adiabático e entre (2) e (3) é isocórico.
No estado inicial de equilíbrio (1), certa quantidade 𝑛 de moles de gás se encontram à pressão 𝑃1 acima da pressão atmosférica, com volume 𝑉1 e temperatura 𝑇1 igual à temperatura ambiente. Uma expansão adiabática é realizada até o estado (2) com pressão 𝑃2 igual à pressão atmosférica, volume 𝑉2 e temperatura 𝑇2 menor que a temperatura ambiente. Imediatamente é realizado um aquecimento isocórico até o estado (3), à temperatura ambiente 𝑇1 e pressão 𝑃3. Para calcular o fator 𝛾 do gás, consideramos a relação entre 𝑃 e 𝑉 no decorrer de um processo adiabático, conforme a equação (11). Assim, podemos escrever que:
2.2. Parte experimental
Método de Clément – Desormes 
O recipiente utilizado para conter o gás (ar) será um reservatório de transparente com um manômetro acoplado, como mostrado na figura 4.
Os reservatório tem duas válvulas que permite controlar e uma entrada adicional acoplada a um compresso, que permite aumentar a pressão interior do gás. O procedimento sugerido está indicado a seguir, seguindo a sequência ilustrada na figura 4 
a) abre as válvulas e, utilizando o compressor, injete certa quantidade de ar no mesmo para aumentar a pressão interna. Espere o sistema entrar em equilíbrio (observe a estabilização da leitura do manômetro) num estado com temperatura ambiente 𝑇1 e pressão 𝑃1 (altura h1 no manômetro). Esse é o estado inicial (1). Registre o valor de ℎ1. 
b) Abra e feche rapidamente a válvula do tanque. Com isso, pressão interna deve ficar igual à pressão atmosférica: 𝑃2=PATM. Como o processo de abrir e fechar a válvula é rápido, o gás que está no interior do tanque não tem tempo de trocar calor com o ambiente nesse intervalo de tempo; a condutividade térmica do vidro é baixa. Portanto, o processo pode ser considerado adiabático. Quando o tampão é fechado, estamos no estado (2).
c) Imediatamente após a expansão adiabática, o gás deveria estar numa temperatura 𝑇2 menor que a temperatura ambiente. Espere um certo tempo até a temperatura do sistema atingir a temperatura ambiente 𝑇1. Como a garrafa é rígida, o processo ocorre com volume constante 𝑉2 (processo isocórico). Quando o gás atingir a temperatura 𝑇1, o sistema estará no estado final (3). Registre a pressão 𝑃3 nessa condição (altura ℎ3 no manômetro). 
d) Calcule 𝛾 e repita o processo, experimentando diferentes tempos de abertura do tampão do garrafão. Decida qual é o mais apropriado para garantir que os processos estejam seguindo o esperado: tempos curtos demais talvez não sejam suficientes para liberar o excesso de pressão e atingir a pressão atmosférica dentro da garrafa; tempos longos demais são inconvenientes, pois o ar tem tempo de trocar calor com o ambiente, e o processo já não poderá ser considerado adiabático. 
Figura 6 - Representação esquemática dos três estados considerados no processo do experimento de Clément – Desormes
Fonte: Elaborada pelos compiladores.
5. CONCLUSÕES
Com o termino de todas as etapas do experimento propriedade dos gases, foi capaz de observar comportamentos teóricos em pratica, tendo resultados que comprovassem a teoria e outros que com a teoria pode ser identificado um erro ou falha no procedimento de uma etapa. Assim conclui-se que a teoria está diretamente ligada a pratica, que se a pratica for feita com o máximo de cuidados possíveis os resultados iram ser similares. Porem todos os resultados com exceções de poucos que desviaram totalmente do trajeto, percebeu-se que estavam semelhantes com os teóricos, assim podendo-o justiça-los.
6. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. FELTRE, R. FÍSICO- QUÍMICA.6. ed. São Paulo: Moderna,2004. 
2. ATKINS. FÍSICO-QUÍMICA. 8. ed. LTC, Vol. 1. 
3. BRADY, J. QUÍMICA GERAL. 2. ed. LIVROS TÉCNICOS E CIENTÍFICOS, Vol. 1. 
4. CASTELLAN, G. FUNDAMENTOS DE FÍSICO-QUÍMICA. LTC, 1977. 
5. CHANG, R. GENERAL CHEMISTRY. Sixth edition. CONNECT LEAM SUCCEED, The 
 essential concepts. 
6. MATUO, T. EFEITO DA PRESSURIZAÇÃO COM O CO2 SOBRE O pH DA ÁGUA. 1995. 
8. Kidde Resmat Parsch. CO2. [Data desconhecida].
7. ANEXOS
	
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