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SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA - SOCIESC INSTITUTO SUPERIOR TUPY - IST DENIS MARIO DALLABONA DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA DENSIDADE DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Joinville 2008 2 DENIS MARIO DALLABONA DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA DENSIDADE DE SÓLIDOS E LÍQUIDOS Relatório sobre o laboratório de determinação experimental da densidade de sólidos e líquidos, da disciplina de Física II do curso de Engenharia Mecânica. Orientador: Ibrahim El Chamaa Neto Joinville 2008/1 3 RESUMO Este relatório tem como objetivo geral determinar experimentalmente a densidade absoluta (ou massa específica) de sólidos e líquidos. Bem como por em prática o conhecimento adquirida em sala de aula no laboratório de física. Palavras-chave: Determinar. Densidade absoluta. Sólidos. Líquidos. 4 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Equilíbrio térmico ...................................................................................... 09 5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 6 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................... 7 2.1 COMBUSTÃO .................................................................................................................... 7 2.2 COMBUSTÍVEIS ............................................................................................................... 8 2.2.1 Combustíveis sólidos .................................................................................................... 8 2.2.2 Combustíveis líquidos ................................................................................................... 8 2.2.2 Combustíveis gasosos .................................................................................................. 9 2.3 TRANSFERÊNCIA DE CALOR ...................................................................................... 9 2.3.1 Relevância da transferência de calor ....................................................................... 11 2.4 PODER CALORÍFICO .................................................................................................... 12 2.4.1 Poder calorífico superior ............................................................................................. 12 2.4.2 Poder calorífico inferior ............................................................................................... 12 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .............................................................................. 13 3.1 LABORATÓRIO ............................................................................................................... 13 4 RESULTADOS E CÁLCULOS ......................................................................................... 15 4.1 RESULTADOS ................................................................................................................ 15 5 ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................ 18 6 CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 19 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 20 6 1 INTRODUÇÃO Um fluido pode ser definido por uma substância que quando é submetida a uma tensão de cisalhamento se deforma continuamente. Um subconjunto das fases da matéria, os fluidos incluem os líquidos, gases, plasmas e os sólidos plásticos de certa maneira. Uma das mais importantes propriedades dos fluidos é sua densidade, ou melhor, densidade absoluta que é definida pela relação entre a massa e o seu volume. Em geral, a densidade dos sólidos é maior que a dos líquidos e esta, por sua vez, é maior que a dos gases. A massa de um sólido pode ser medido facilmente com uma balança, o volume do mesmo pode ser calculado medindo-se e multiplicando-se a sua: largura (l), comprimento (c) e altura (h). O volume de objetos irregulares, como por exemplo, uma pedra, podem ser medidos colocando-a em um recipiente cheio de água; o volume de água deslocada é igual o volume do objeto irregular. 7 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 COMBUSTÃO O principal objetivo da combustão é a obtenção de calor, embora, algumas vezes, a finalidade seja a obtenção de luz, produtos químicos, etc. O calor de combustão é o calor resultante das reações exotérmicas que se desenvolvem no processo de combustão. A quantidade de calor produzida é medida em calorias (poder calorífico). A maioria dos combustíveis industriais são compostos de carbono, hidrogênio e enxofre (este em pequena proporção). Na combustão a reação que ocorre é denominada basicamente de oxidação. Geralmente a equação química para a combustão de um hidrocarboneto, sem o balanceamento é: OHCOOHC YX 222 (1) Na combustão utilizada para fins industriais os detalhes dos diversos estágios que ocorrem na queima dos combustíveis não têm aparentemente maior interesse, posto que os produtos intermediários que possam se formar, muitas vezes, dificilmente teriam ação sobre o material exposto ao aquecimento. Contudo, todo o cuidado deve ser tomado para que esses produtos atinjam o seu estágio final antes de passarem aos gases da chaminé. Por outro lado, há operações que requerem chamas redutoras ou oxidantes e, nestas condições o cuidado deve ser tomado para que um tipo indesejável de chama, não ocorra. Se o objetivo é obter máximo de calor, a finalidade será o maior rendimento da combustão. Não basta, porém, que o rendimento calorífico atenda às necessidades requeridas, é preciso que isso seja feito de forma econômica. Para se atingir tal objetivo são necessários dois passos importantes: a) Ter uma combustão eficiente, regulando a quantidade de ar e proporcionando perfeita mistura ar-combustível; b) Transferir o máximo de calor obtido na combustão para o material a ser aquecido. 8 A simples observação de urna combustão industrial pode não revelar o que se perde de combustível. Somente o controle exercido na combustão pode revelar o que na realidade se passa. 2.2 COMBUSTÍVEIS De modo geral denomina-se combustível qualquer corpo cuja combinação química com outro seja exotérmica. Entretanto, as condições de baixo preço, a existência na natureza ou o processo de fabricação em grande quantidade limitam o número de combustíveis usados. Tendo por base o seu estado físico, eles podem classificar-se em sólidos, líquidos e gasosos. 2.2.1 Combustíveis sólidos São formados de C, H2, O2, S, H2O e cinzas, sendo combustíveis somente o C, O2, H2 e o S. Entre os combustíveis sólidos, temos os minerais como lenha, serragem, bagaço de cana, etc. Os combustíveis sólidos para serem usados devem estar sob forma de pó muito fino, ele é pulverizado com o ar durante a alimentação do cilindro. O grande problema que apresentam os combustíveis sólidos é a inaceitável erosão provocada nos pistões, válvulas, cilindros, etc. Isto acontece porque os produtos da combustão contêm partes muito duras, que ao depositarem nestes órgãos, causam estes inconvenientes. 2.2.2 Combustíveis líquidos Também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são obtidos pela refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. Os mais usados são a gasolina, o óleo diesel e o óleo combustível. Estes combustíveis são formados de hidrocarbonetos, sendo o óleo diesel C8H17 e a gasolina C8H18. Os combustíveis líquidos não minerais são os álcoois e os óleosvegetais. Entre os álcoois, temos o álcool metílico e o etílico, enquanto que os óleos vegetais são formados de C, H2, O2 e N2. O combustível líquido tem certas vantagens comparação com os sólidos, tais com poder calorífico elevado, maior facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de consumo. 9 2.2.2 Combustíveis gasosos Além de terem um baixo custo, porque geralmente são gases obtidos como subprodutos, são combustíveis que formam com o ar uma mistura mais homogênea. Esta característica contribui para uma melhor distribuição nos cilindros, aumentando o rendimento do motor. Aumenta também a facilidade da partida a frio do motor. Apresentam certas vantagens em relação aos combustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminação de fumaça e cinzas, melhor controle de temperatura e comprimento das chama. Os combustíveis sólidos são: gás natural, gás de iluminação, gás de água, gás de gasogênio, acetileno, propano e butano. 2.3 TRANSFERÊNCIA DE CALOR Transferência de Calor é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, como mostra a figura 1.1, ocorrera uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles. Dizemos que o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico. T1 T2 T T Se T1 > T2 T1 > T > T2 Figura 1 – Equilíbrio térmico Fonte: acadêmico, 2007 Está implícito na definição acima que um corpo nunca contém calor, mas calor é identificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é, portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Segundo Martinelli (2003, p.03) “O conjuntos de fenômenos que caracterizam esta passagem da forma de energia calor é que denominamos transmissão de calor”. 10 Assim a transferência de calor pode ocorrer por condução, convecção ou radiação. A condução pode se definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas. Já a convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de: condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. E finalmente a radiação pode se definida como o processo pelo qual calor é transferido de uma superfície em alta temperatura para uma superfície em temperatura mais baixa quando tais superfícies estão separadas no espaço, ainda que exista vácuo entre elas. A energia assim transferida é chamada radiação térmica e é feita sob a forma de ondas eletromagnéticas. O exemplo mais evidente que podemos dar é o próprio calor que recebemos do sol. Neste caso, mesmo havendo vácuo entre a superfície do sol (cuja temperatura é aproximadamente 5500 °C) e a superfície da terra, a vida na terra depende desta energia recebida. Esta energia chega até nós na forma de ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas são comuns a muitos outros fenômenos: raios-X, ondas de rádio e TV, microondas e outros tipos de radiações. As emissões de ondas eletromagnéticas podem ser atribuídas a variações das configurações eletrônicas dos constituintes de átomos e moléculas, e ocorrem devido a vários fenômenos, porém, para a transferência de calor interessa apenas as ondas eletromagnéticas resultantes de uma diferença de temperatura (radiações térmicas). As suas características são: a) Todos os corpos em temperatura acima do zero absoluto emitem continuamente radiação térmica. b) As intensidades das emissões dependem somente da temperatura e da natureza da superfície emitente. c) A radiação térmica viaja na velocidade da luz (300.000 Km/s). 11 2.3.1 Relevância da transferência de calor A transferência de calor é fundamental para todos os ramos da engenharia. Assim como o engenheiro mecânico enfrenta problemas de refrigeração de motores, de ventilação, ar condicionado, etc., o engenheiro metalúrgico não pode dispensar a transferência de calor nos problemas relacionados aos processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos, ou no projeto de fornos, regeneradores, conversores, etc. Em nível idêntico, o engenheiro químico ou nuclear necessita da mesma ciência em estudos sobre evaporação, condensação ou em trabalhos em refinarias e reatores, enquanto o eletricista e o eletrônico a utilizam no cálculo de transformadores e geradores e dissipadores de calor em microeletrônica e o engenheiro naval aplicam em profundidade a transferência de calor em caldeiras, máquinas térmicas, etc. Até mesmo o engenheiro civil e o arquiteto sentem a importância de, em seus projetos, preverem o isolamento térmico adequado que garanta o conforto dos ambientes. Como visto, a transferência de calor é importante para a maioria de problemas industriais e ambientais. Como exemplo de aplicação, consideremos a vital área de produção e conversão de energia: a) Na geração de eletricidade (hidráulica, fusão nuclear, fóssil, geotérmica, etc.) existem numerosos problemas que envolvem condução, convecção e radiação e estão relacionados com o projeto de caldeiras, condensadores e turbinas. b) Existe também a necessidade de maximizar a transferência de calor e manter a integridade dos materiais em altas temperaturas. c) É necessário minimizar a descarga de calor no meio ambiente, evitando a poluição térmica através de torres de refrigeração e recirculação. Os processos de transferência de calor afetam também o desempenho de sistemas de propulsão (motores a combustão e foguetes). Outros campos que necessitam de uma análise de transferência de calor são sistemas de aquecimento, incineradores, armazenamento de produtos criogênicos, refrigeração de equipamentos eletrônicos, sistemas de refrigeração e ar condicionado e muitos outros. 12 2.4 PODER CALORÍFICO Defina-se como a quantidade de energia interna contida no combustível, sendo que quanto mais alto for o poder calorífico, maior será energia contida. Um combustível é constituído, sobretudo de hidrogênio e carbono, tento o hidrogênio o poder calorífico de 28700Kcal/kg enquanto que o carbono é de 8140Kcal/kg, por isso, quanto mais rico em hidrogênio for o combustível maior será o seu poder calorífico. Há dois tipos de poder calorífico: a) Poder calorífico superior; b) Poder calorífico inferior. 2.4.1 Poder calorífico superior É a quantidade de calor produzido por 1kg de combustível, quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado. 2.4.2 Poder calorífico inferior É a quantidade de calor que pode produzir 1kg de combustível, quando este entra em combustão com excesso de ar e gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada. Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nos motores endotérmicos, à água contida neles se encontra sempre no estado de vapor, portanto, o que deve ser considerado é o poder calorífico inferior e não o superior. 13 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 LABORATÓRIO O experimento ocorreu no dia 25 de outubro de 2007 com a iniciação às 18h40min, onde teve a duraçãode 45 minutos, num dos laboratórios de química da Sociesc, com a orientação da professora Iara. Os materiais utilizados para realização do experimento foram: a) Béquer; b) Bico de bunsen; c) Água; d) Gás natural (metano); e) Álcool etílico; f) Proveta; g) Termômetro. Foi inserido 150mL de água em dois béqueres cada, com a precisão de uma proveta, após isso, posicionado ambos os béqueres a mesma altura, um do bico de bunsen e outro de um recipiente contendo álcool etílico. Foi medida a temperatura inicial da água, logo em seguida foi posto para aquecer a água até atingir 100 °C em ambos combustíveis, metano e álcool etílico. Em ambos os experimentos foi medida o tempo que levou para os dois béqueres atingirem 100 °C. O experimento teve o objetivo de calcular a quantidade utilizada de cada combustível para aquecer a água e estimar o mais indicado para o processo pelo posto de vista econômico e energético. Para isso utilizamos à equação de quantidade de calor que é dada pela: TcpmQ (2) Onde m é a massa em gramas da água, cp é a capacidade calorífica e T variação de temperatura. Este calor é oriundo do processo de combustão que pode ser calculado por: PCmQcomb (3) 14 Onde m é a quantidade de matéria (pode ser em volume ou massa, depende da unidade do poder calorífico (PC)). O PC é tabelado para todos os combustíveis. O calor necessário para aquecer a água da temperatura ambiente até 100 °C é igual ao calor de combustão: QQcomb (4) Assim podemos determinar a quantidade de combustível utilizado para o processo de aquecimento da água. 15 4 RESULTADOS E CÁLCULOS 4.1 RESULTADOS Os dados obtidos durante a execução do experimento foram os seguintes: a) Temperatura inicial do béquer n° 01 – 22,0 °C; b) Temperatura inicial do béquer n° 02 – 22,0 °C; c) Tempo necessário para aquecer a água até 100 °C, utilizado o gás metano foi de 9min52s; d) Tempo necessário para aquecer a água até 100 °C, utilizando o álcool etílico foi de 24min25s; e) Ambos os béqueres a temperatura final da água foi de 100 °C. Através dos dados obtidos sabemos que o T variação de temperatura para os dois experimentos foi de 78 °C, ou seja, temperatura final menos a temperatura inicial. Segundo Geocities (2007) sabemos que o valor do calor específico da água é de “1,0 cal/g°C”. Para utilizarmos a equação de número 2 para calcular a quantidade de calor, precisamos transformar o volume de água de 150 mL para unidade de massa (gramas). Para isso utilizamos a formula seguinte: V m D (5) Onde D é a densidade da água que é de 1g/cm³, m é a massa que iremos obter e V é o volume. Com isso temos: 0,150 0,1 m (5) gm 0,150 (5) A massa de água utilizada no experimento foi de 150,0g. Portanto calculamos a quantidade de calor: TcpmQ (2) 16 0,780,10,150 Q (2) calQ 700.11 (2) A quantidade de calor obtida no teste foi de 11.700cal. Com isso podemos calcular a quantidade em gramas consumida de cada combustível para aquecer a água a temperatura de 100°C, utilizando a equação 03 para isso. Segundo Hilsdorf (2004, p.72) o poder calorífico inferior do metano (gás natural), o que iremos utilizar para o cálculo é de “11.954Cal/g”. PCmQcomb (3) 954.11700.11 m (3) gm 9788,0 (3) Portanto a quantidade em gramas de combustível metano para aquecer a água foi de 0,9788g. Conforme a Sulgas (2007) a densidade do gás metano é de “0,602g/cm³”. Com isso podemos estimar em cm³ de gás metano: V m D (5) V 9788,0 602,0 (5) 3 3 0000016,0 626,1 m ou cmV (5) O preço tabelado para o combustível gás metano é de 1,499 R$/m³, sendo assim temos que o valor gasto para aquecer a água foi de: Valor gasto = 0,0000016 * 1,499 (6) Valor gasto = 0,0000024 R$. Já para o álcool etílico segundo Cepa seu poder calorífico é de “6.300cal/g”, então temos: 17 PCmQcomb (3) 300.6700.11 m (3) gm 86,1 (3) Portanto a quantidade em gramas de combustível álcool etílico para aquecer a água foi de 1,86g. Conforme a Portal de postos (2007) a densidade do álcool etílico é de “0,80g/cm³”. Com isso podemos estimar em cm³ de álcool etílico: V m D (5) V 86,1 80,0 (5) L ou cmV 0023,0 325,2 3 (5) Conforme pesquisado em postos de combustíveis a média do preço do álcool etílico é de 1,588R$/L. Com isso sabemos que o valor consumido foi de: Valor gasto = 0,0023 * 1,588 (6) Valor gasto = 0,00365 R$. 18 5 ANÁLISE DOS RESULTADOS Através dos cálculos podemos perceber que o álcool etílico necessitou de um volume maior de combustível e um tempo maior em relação ao gás metano, tudo em função do poder calorífico dos combustíveis. Outros fatores que podemos citar sobre as vantagens do gás metano sobre o álcool etílico, como: a) Permitir o contato direto dos produtos da combustão do gás com a carga a aquecer, o que, com combustíveis líquidos, só seria possível através de tubos radiantes ou muflas. A grande vantagem é a redução do consumo de energia obtida com o uso de um gás combustível, sem tubos radiantes nem muflas. b) Conformação das mais diversas formas de chama, adequando-as com precisão aos processos e aumentando a eficiência da transmissão de calor. c) Facilidade de ignição, mesmo com a câmara de combustão fria. d) Possibilitar regulagens finas nas temperaturas de processos. e) Reduzir o custo de manutenção das tubulações de distribuição e seus acessórios, do sistema de controle de potência, bloqueio de segurança, medição, dos queimadores e da instrumentação. f) Dispensar os sistemas de aquecimento e bombeio de óleos combustíveis pesados. g) Praticar baixo nível de excesso de ar de combustão, otimizando o uso da energia e reduzindo a formação de óxidos de nitrogênio (NOx). h) Não contaminar o meio ambiente e prejudicar o desempenho e a vida útil dos equipamentos com fuligem, óxidos de enxofre, vanádio, sódio, aldeídos, chumbo etc., como ocorre com combustíveis líquidos. i) Gerar menos gás carbônico por caloria queimada, contribuindo de uma forma menos acentuada para o efeito estufa. Durante a execução do experimento alguns pontos relevantes devem ser citados que possam influenciar nos resultados, como: a) Imperícia dos alunos; b) Diferença de intensidade das chamas; c) Altura das chamas. 19 6 CONCLUSÃO A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera oxidante acontece na verdade em forma gasosa. Isto quer dizer, quem queima é o vapor, não o líquido. Portanto, um líquido inflamável normalmente só irá incendiar acima de uma certa temperatura, que é seu ponto de fulgor. Abaixo dessa temperatura, o líquido não irá evaporar rápido o suficiente para sustentar o fogo caso a fonte de ignição seja removida. Com isso os combustiveis gasosos levam vantagem por já estarem no estado gasoso. O poder calorífico do combustível é importandíssimo paramêtro que deve ser analisado antes da especificação do uso. Antes de escolher por um combustível alguns fatores devem ser levantados, como: a) Disponibilidade; b) Facilidade de uso; c) Não formação de substâncias tóxicas ou corrosivas durante a combustão; d) Fácil obtenção; e) Baixo custo de produção; f) Segurança no armazenamento e no transporte. Neste experimento concluímos que o gás metano deve melhor desempenho do que o álcool etílico. 20 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CALOR ESPECÍFICO DA ÁGUA. Disponível em: http://br.geocities.com/galileon/2/termo/quant_calor.htm. Acesso em:03 nov 2007. DENSIDADE DO ÁLCOOL ETÍLICO. Disponível em: www.portaldepostos.com.br. Acesso em: 03 nov 2007. DENSIDADE DO GÁS METANO. Disponível em: www.sulgas.rs.gov.br. Acesso em: 03 nov 2007. HILSDORF, Jorge Wilson. et.al. Química Tecnológica. Editora Thomson. São Paulo:2004. MARTINELLI, Luiz Carlos Jr. Transferência de Calor. Apostila. Unijuí. Campus Panambi. PODER CALORÍFICO DO ÁLCOOL ETÍLICO. Disponível em: www.cepa.if.usp.br/energia/. Acesso em: 03 nov 2007.