Disciplina: Instrumentação e Controle de Sistemas Mecânicos. Mensuração da Temperatura Parte 1

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1 Disciplina: Instrumentação e Controle de Sistemas Mecânicos Mensuração da Temperatura Parte 1

2 Matéria e Energia Todos os corpos na natureza são formados de matéria: MATÉRIA é tudo aquilo que ocupa lugar no espaço e possui massa. Trabalhamos normalmente com quantidades limitadas da matéria, que chamamos de corpos: CORPOS são porções limitadas de matéria. Um prego, um parafuso, uma barra de aço são corpos constituídos de um mesmo material, aço: MATERIAL é toda espécie de matéria

3 Matéria e Energia Materiais, tais como ar, ouro, aço e água, podem ser constituídos de uma única substância (ouro) ou de várias diferentes (ar, aço, água): SUBSTÂNCIA é toda espécie química a que corresponde uma composição constante. As transformações químicas das substâncias sempre vêm acompanhadas de variações de energia. A energia se apresenta na natureza na forma de energia elétrica, térmica, luminosa, etc.: ENERGIA é a capacidade de produzir trabalho.

4 Matéria e Energia As transformações químicas, reações e mudanças de estado físico da matéria estão associadas à liberação ou absorção de calor: CALOR é a energia térmica em trânsito que é transferida por meio da fronteira de um sistema termodinâmico em virtude de uma diferença de temperatura. SISTEMA TERMODINÂMICO é uma quantidade de matéria de massa e identidade fixas para os quais nosso estudo é dirigido. Tudo o mais externo ao sistema é chamado de vizinhança ou exterior. FRONTEIRA DE UM SISTEMA é a interface que delimita o espaço denominado sistema, separando-o da vizinhança.

5 Fenômeno Físico e Químico A matéria que existe na natureza sofre transformações. O gelo derrete com a ação do calor, o ferro combina com o oxigênio do ar, oxidando-se: FENÔMENO é toda transformação que sofre a matéria. FENÔMENO FÍSICO é o fenômeno no qual não se altera a natureza química da substância. FENÔMENO QUÍMICO é toda a transformação na qual se altera a natureza das substâncias participantes, formando novas substâncias com propriedades diferentes.

6 Propriedades da Matéria As substâncias, em condições normais de temperatura e pressão, se apresentam nos seguintes estados físicos: Sólido Líquido Gasoso Plasma Mudanças de estado físico da matéria Atenção: estrutura cristalina. Porque?

7 Gasoso para líquido: Condensação

8 Líquido para sólido: Solidificação Gálio líquido vertido em água a temperatura ambiente

9 Sólido para líquido: Fusão

10 Líquido para gasoso: Vaporização

11 Gelo seco (CO 2 ) Sólido para gasoso: sublimação

12 Transferência Térmica: Modos CONDUÇÃO: o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um sólido, líquido ou gasoso, ou entre meios diferentes por meio de CONTATO FÍSICO DIRETO.

13 Transferência Térmica: Modos RADIAÇÃO: o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, ainda que exista vácuo entre elas.

14 Transferência Térmica: Modos CONVECÇÃO: processo de transporte de calor pela ação combinada de condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura.

15 Termometria Significa medição de temperatura : PIROMETRIA: medição de altas temperaturas, na faixa em que se manifesta os efeitos da radiação térmica. CRIOMETRIA: medição de baixas temperaturas, próximas ao zero absoluto da temperatura. TERMOMETRIA: termo mais abrangente, empregável para qualquer faixa de temperatura.

16 Escalas de Temperatura Escala Fahrenheit: ponto de fusão da água 32 F ponto de ebulição 212 F A diferença entre estes pontos foi dividida em 180 partes iguais, cada parte sendo um grau Fahrenheit. Daniel Gabriel Fahrenheit Inventor do termômetro de mercúrio em 1714.

17 Escalas de Temperatura Escala Celsius: ponto de fusão da água 0 C ponto de ebulição 100 C Centígrados até 1948 Anders Celsius Astrônomo, membro fundador da Academia Real de Ciências da Suécia.

18 Escalas de Temperatura Escala Kelvin: Zero absoluto em -273,15 C Uma diferença de 1 Kelvin equivale à de 1 C William Thomson, Lorde Kelvin Matemático, físico, engenheiro.

19 Escalas de Temperatura Escala Rankine: Mesmo zero absoluto da escala Kelvin, em -273,15 C, porém sua divisão é idêntica à escala Fahrenheit, de modo que 400 K equivale a 785 R (graus Rankine). Em desuso. Escala Reamur: Adota o zero como o ponto de fusão do gelo, e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em 80 partes iguais, ou graus Reamur. Em desuso.

20 Escalas de Temperatura Conversão Fahrenheit p/ Celsius C = ( F - 32)/1,8 Celsius p/ Kelvin K = C + 273,15 Celsius p/ Fahrenheit F = C 1, Fahrenheit p/ Kelvin K = ( F + 459,67) / 1,8 Kelvin p/ Fahrenheit F = K 1,8-459,67

21 Escalas de Temperatura Conversão

22

23 Escala Internacional de Temperaturas (ITS 90) Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômeno de mudança de estado físico de substâncias puras, o que ocorre em condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de temperatura. A escala prática internacional de temperaturas montada em 1968, IPTS-68, ainda é válida. A atual é a ITS-90, que acrescentou mais alguns pontos de referência.

24

25 Escala Prática Internacional de Temperatura (IPTS-68) Estados de equilíbrio segundo IPTS-68 Estado de Equilíbrio Temperatura ( C) Ponto triplo do hidrogênio -259,34 Ponto de ebulição do hidrogênio -252,87 Ponto de ebulição do neônio -246,048 Ponto triplo do oxigênio -218,789 Ponto de ebulição do oxigênio -182,962 Ponto triplo da água 0,01 Ponto de ebulição do água 100,0 Ponto de solidificação do zinco 419,58 Ponto de solidificação do prata 916,93 Ponto de solidificação do ouro 1064,43

26 IPTS-68 versus ITS-90 Comparação de alguns pontos fixos de temperatura, em graus Celsius. Estado de Equilíbrio IPTS-68 ITS-90 Ponto de ebulição do oxigênio -182, ,954 Ponto triplo da água 0,010 0,010 Ponto de solidificação do estanho 231, ,968 Ponto de solidificação do zinco 419,58 419,527 Ponto de solidificação do prata 916,93 916,780 Ponto de solidificação do ouro 1064, ,180

27 Exercício 1 O operador de uma caldeira a vapor, em uma instalação aberta, distante 2 metros do equipamento, encosta um termômetro no rosto e verifica que a temperatura na superfície da pele é de 45 o C. Pode-se afirmar que nesta situação a transferência de energia térmica se dá por a. Condução e radiação b. Condução e convecção c. Radiação e convecção d. Somente por convecção e. Somente por radiação f. Somente por condução

28 Exercício 2 Preencha o quadro de conversões de temperatura. Celsius Kelvin Fahrenheit

29 Exercício 3 Qual a diferença entre a escala Kelvin e a Celsius?

30 Bibliografia Egídio Alberto Bega, Gerard Jean Delmee, Pedro Estéfano Cohn, Roberval Bulgarelli, Ricardo Koch, Vitor Schmidt Finkel Instrumentação Industrial, Editora Interciência, 3ª Edição, 2011.

31 Bibliografia Arivelto Bustamante Fialho Instrumentação Industrial, Editora Érica, 7ª Edição, 2010.

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