Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Nível II

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1 Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Nível II Módulo II Aula 02

2 1. Introdução Nesta apostila vamos continuar nosso estudo da Física com o estudo das forças moleculares. Este estudo abrangerá os seguintes tópicos: Dureza dos corpos sólidos Elasticidade e tenacidade Aderência Capilaridade Difusão dos sólidos e líquidos- osmose 2. Dureza dos corpos sólidos Existem duas forças que atuam sobre as moléculas que constituem os corpos: a coesão e a expansão. A coesão é a força que tende a aproximar as moléculas e a expansão é a força que tende a distanciá-las umas das outras. Certas propriedades dos corpos se manifestam devido à coesão e vamos estudar estas propriedades agora. 3. Dureza dos corpos Entende-se por dureza dos corpos a resistência que eles oferecem a ser riscados. Esta característica é indicada por uma escala de dureza dada pelo mineralogista alemão Mohs em 1804 e que ordenava a dureza de 10 minerais cuja dureza aumentava gradualmente de forma que cada um podia somente ser riscado pelo que o seguia na escala, ou seja, a ordem é do menos duro para o mais duro. Estes materiais são os seguintes: Talco: pode ser arranhado pela unha com facilidade. Gesso (gipsita): pode ser arranhado pela unha com mais dificuldade. Calcita: pode ser arranhada por meio de uma moeda de cobre. Fluorita: pode ser arranhada facilmente com uma faca de cozinha. Apatita: pode ser arranhada com dificuldade com uma faca de cozinha. Feldspato: pode ser arranhado com um objeto de aço. Quartzo: Pode arranhar o vidro. Topázio: pode arranhar o quartzo. Coríndon (Óxido natural de alumínio): pode arranhar o topázio. Diamante: Mineral mais duro que existe e pode ser arranhado somente por outro diamante. 4. Plasticidade Chamamos um corpo de plástico ou brando quando a ação de uma pressão moderada pode modificar sua forma e são exemplo disso uma pasta, a argila úmida, a cera e outros corpos plásticos. 1

3 O Índice de Plasticidade indicado por IP é obtido por meio da diferença numérica entre o Limite de liquidez (LL) e o Limite de plasticidade (LP) e vemos na Figura 4.1 um diagrama deste índice onde estão indicados estes índices e o limite de contração LC. 5. Maleabilidade ou plasticidade Um corpo é maleável ou dúctil quando submetido a uma força de tração ou de extensão ou à ação de um laminador ou de um martelo ele pode ser esticado em um fio sem se romper. Devido a esta propriedade estes corpos podem ser transformados em fios ou arames metálicos que podem passar em uma máquina extrusora por meio de uma fieira de diâmetros cada vez menores. Este processo resulta em um alongamento progressivo acompanhado por uma diminuição de seu diâmetro ou secção transversal. Nas laminadoras os blocos de ferro incandescentes são estirados e podem tomar a forma de trilhos, vigas T ou U, tubos, chapas, etc. 6. Fragilidade Um corpo é chamado de frágil quando se rompe ao se tentar mudar sua forma. Geralmente esta é uma característica dos corpos duros. Quando se aquece uma barra de aço até a cor roxa cereja e se esfria rapidamente submergindo-o em água fria a sua superfície se endurece de tal forma que pode até riscar o vidro. Esta á a base dos cortadores de vidro com ferramenta de aço. Esta operação toma o nome de têmpera e o material se torna muito frágil de modo que pode se quebrar facilmente com um golpe ou tentativa de mudança de forma. Por isso usa-se um processo posterior para retirar esta dureza para poder ser usado como uma ferramenta, por exemplo. Este processo se dá por meio de um aquecimento do material e toma o nome de recozimento ou revenido. Durante esta operação o aço vai tomando diversas cores que permitem avaliar sua temperatura e 2

4 grau de dureza. Uma vez obtida a cor desejada a peça é novamente resfriada em água na qual, algumas vezes, se adiciona sal. A série de cores é a seguinte: 1. Amarelo claro: própria para trabalhar materiais muito duros. 2. Amarelo escuro: própria para aços destinados para plainas, brocas, fresas, serras para metais. 3. Pardo avermelhado: própria para construção de tesouras, martelos e navalhas. 4. Vermelho púrpura: própria para brocas, plainas para metais menos duros, cinzéis e punções. 5. Violeta: apropriado para cinzéis e brocas (barrenas) para trabalhar pedras e ferramentas para madeiras duras como formões e goivas. 6. Azul claro: próprio para ferramentas para o trabalho com madeiras. Ao fazer o estiramento reduzindo os metais a fios ou arames, se aumenta a dureza dos mesmos e sua fragilidade. Para evitar este problema convém, depois de passar várias vezes pela fieira, rebrandecer ou torná-lo brando por meio de um recozimento. O vidro pode ser endurecido quando aquecido ao vermelho em óleo a 300 C obtendo-se um vidro duro de grande tenacidade. Os objetos de vidro de uso comum são normalmente resfriados lentamente. 7. Tenacidade e elasticidade Ao suspendermos em peso em uma fita elástica de borracha como vemos na Figura 7.1, observamos que ela se alonga. 3

5 Figura 7.1 Ao retirar o peso observamos que a fita volta a sua dimensão original. Se sobre um corpo C se exerce uma pressão P, Figura 7.2, sua altura sofrerá uma diminuição e ele voltará a sua dimensão original quando retirarmos esse peso. Figura 7.2 Esta propriedade de um corpo de modificar sua dimensão pela ação de uma força e de recobrar sua dimensão anterior, após a retirada do peso toma o nome de elasticidade. A força P que nos casos descritos modificou a dimensão dos corpos não pode ser demasiado grande, pois ao passar de determinado limite que tem o nome de limite de elasticidade, essa deformação se torna permanente. Ao esticar ou comprimir um corpo, o seu alongamento ou encurtamento é, até certo limite chamado de limite de proporcionalidade, proporcional ao peso ou força, ao comprimento do corpo e inversamente proporcional a sua secção transversal e dependente do material sendo usado. Essas relações podem ser calculadas por meio da seguinte equação: Onde: λ= alongamento ou encurtamento α= coeficiente que depende do material P= Força ou peso que atua sobre o material em kg Comprimento do corpo em m S= Seção transversal do corpo em mm 2 4

6 Para vermos o significado de α façamos P= 1 kg, = 1 m e S= 1mm 2 e obtemos λ=α. Isto significa que α é a variação exprimida em metros que sofre em seu comprimento uma barra de 1m de comprimento e de 1 mm 2 de seção quando atua sobre essa barra uma força de 1 kg. O inverso de α: toma o nome de módulo de elasticidade. Se substituirmos α por teremos a seguinte equação: O quociente representa a força que atua sobre o corpo por mm 2 de seção e tem o nome de tensão e damos a esta grandeza o sinal: ε. Podemos então obter a seguinte equação: ou Analisando essa equação vemos que se fizermos: resulta: o que significa que o módulo de elasticidade é a tensão a que o corpo deverá ser submetido para ter um comprimento dobro do inicial. Note, porém, que isto não pode ser atingido na prática, pois muito antes de ser atingido este comprimento o corpo se romperá. Ao alongar ou comprimir um corpo a tensão ε a que ele deve estar submetido para não alcançar a ruptura, mas para alcançar uma deformação permanente é o limite de elasticidade. Note que limite de elasticidade e limite de proporcionalidade são dois conceitos diferentes que não devem ser confundidos. 8. Tenacidade Tenacidade é a resistência que os corpos possuem para se opor à ruptura. Se a tensão ε a qual o corpo for submetido aumentar de modo contínuo ela chegará finalmente a alcançar um valor superior à força de coesão das moléculas e o corpo se romperá. O valor necessário para que isto ocorra toma o nome de coeficiente ou carga de ruptura e nós o representamos por K que é dado pela equação: Nos trabalhos comuns não se deseja atingir a ruptura do corpo, a não ser quando se está testando um corpo para de determinar seu ponto de ruptura. Na aplicação prática dos materiais se deseja a segurança absoluta de que o corpo resista à carga a que está submetido. Neste caso é necessário que a tensão ε tenha um valor mais baixo e inferior à tensão de ruptura. Este valor tem o nome de tensão admissível de trabalho ou simplesmente tensão de trabalho e que representamos por k. 5

7 Assim podemos determinar que a força ou peso que o corpo pode seguramente suportar é dado pela fórmula: O valor do coeficiente de trabalho está dado em tabelas nos livros sobre resistência dos materiais, para diversos metais e outros materiais. No estudo dessa matéria nós aprendemos que para segurança das estruturas se usa um coeficiente, chamado de coeficiente de segurança que é usado para dividir a carga de ruptura. Para os metais podemos usar um coeficiente de segurança de 6, por exemplo, e então a tensão de trabalho será:. Para a madeira pode-se usar um coeficiente de 10 assim como para alvenaria, pois são materiais de composição mais variável. 9. Aderência Quando colocamos dois corpos diferentes que estavam separados, entre suas moléculas que estejam próximas se manifesta uma atração que toma o nome de aderência. Os fenômenos de aderência têm lugar entre corpos de qualquer estado físico. Vamos definir dois fenômenos para melhor compreensão deste assunto: aderência e coesão. Aderência é a atração que se dá nas superfícies de contato de dois corpos e coesão é a força em virtude da qual as partículas ou moléculas dos corpos se ligam mutuamente. Isso nos permite ver uma diferença sutil entre eles: a coesão é quase uma ligação física e a aderência uma ligação mais fraca. A aderência é considerada como o resultado de que as moléculas de um corpo manifestam entre si uma atração mútua quando em contato íntimo devido ao efeito da coesão, como a existente no interior dos corpos. Se aproximarmos duas lâminas de chumbo polido elas ficam grudadas uma contra a outra e podemos realizar esta mesma experiência com o vidro. Este efeito pode ser ampliado se umedecermos as superfícies, pois assim o líquido preenche os vazios que podem existir entre as superfícies que ficam mais próximas. A aderência pode então transformar-se em uma coesão se o líquido interposto entra as lâminas ou placas se endurecer como o cimento ou a cola, por exemplo, ou com as soldas. Também quando escrevemos com um lápis ou um giz se dá um exemplo de aderência dos corpos sólidos e quando escrevemos com tinta temos um caso de aderência entre um sólido e um líquido. Outro exemplo é quando submergimos um corpo sólido em um líquido. Ao retirarmos o sólido do meio líquido pode ocorrer que uma parte do líquido fique aderida ao corpo ou não. No caso de haver uma aderência o líquido molha o corpo e deduzimos que a aderência entre um líquido e um sólido é maior que a coesão do líquido. No segundo caso em que o líquido não molha o corpo a coesão entre as 6

8 partículas indica que a coesão das partículas do líquido é maior que sua aderência ao corpo. Podemos usar como ilustração o caso de mergulharmos uma barra de vidro em água e em mercúrio. No primeiro caso a água molho o vidro, ou seja, ele fica umedecido, no segundo o mercúrio não fica aderido ao vidro, pois o mercúrio não fica aderido ao vidro. Na Figura 9.1a vemos um caso de aderência quando ao derramar um líquido que está em um copo ele se adere ao copo ao escorrer e na Figura 9.1b vemos que ele não adere ao vidro. Em ambos os casos temos o mesmo líquido, somente que na Figura 9.1b nós passamos um pouco de graxa na superfície exterior do copo e ao aproximar o bastão de vidro este ficou molhado e o líquido escorreu para o vaso embaixo. Os gases também apresentam este fenômeno de aderência entre corpos e isto pode chegar ao ponto de que se torna difícil separar um corpo da camada gasosa que recobre esse corpo. Esta á a razão porque ao encher um tubo barométrico com mercúrio se torna necessário aquecer o tubo para eliminar o ar que se encontra aderido à superfície interna do tubo. Experimente escrever com o dedo em um vidro seco e depois sopre-o com seu hálito e você verá que o escrito aparecerá. 10. Capilaridade Os tubos de vidro de diâmetro pequeno tomam o nome de capilares. Esta palavra se deriva do latim capillus=cabelo. Quando se submerge um capilar em um líquido que o molhe, devido à aderência o líquido ele sobe no interior do tubo até um nível mais alto do que o nível externo do líquido. Este nível é tanto mais alto quanto mais fino for o capilar como você pode ver na Figura

9 Figura 10.1 Nessa figura a linha a-a que passa sobre os tubos de diâmetro grande externos A está horizontal e vemos que os níveis nos tubos internos B e C estão mais altos notando que está mais alto no capilar mais fino. A este fenômeno damos o nome de atração capilar. Podemos então dizer que com um mesmo líquido em tubos capilares a altura da coluna de líquido está na razão inversa dos seus diâmetros internos. Quando o liquido não molha o tubo acontece um fenômeno inverso, ou seja, existe uma depressão da coluna de líquido, ou seja, o nível do líquido no interior do capilar é mais baixo que fora do tubo, como você vê na Figura Figura 10.2 Neste caso estamos usando mercúrio que como você viu acima não molha o tubo e temos então uma depressão capilar. O fenômeno da capilaridade explica a razão porque a tinta sobe em um papel mataborrão e nas lamparinas com mechas de tecido. Pelo efeito da capilaridade a umidade sobe do solo pelas paredes quando não se coloca uma manta impermeabilizante entre a fundação e a parede. 11. Absorção Como falamos acima no caso da aderência, os gases se grudam na superfície dos corpos sólidos e ai vão se condensando. Quando o corpo tem poros grandes 8

10 visíveis os gases entram neles e dessa forma entram em grande quantidade em seu interior o que em certos casos pode causar certo aquecimento do corpo. Mas os corpos líquidos também são capazes se absorver grandes quantidades de gases. O fenômeno da penetração dos gases nos poros dos corpos sólidos e líquidos e de aí permanecerem toma o nome de absorção. Podemos fazer uma experiência usando um pedaço de madeira queimada transformada em carvão que se coloca em um tubo invertido cheio de amônia com a boca em mercúrio como mostrado na Figura Figura 11.1 O gás é absorvido pelo carvão o que é observado pelo nível de mercúrio que sobe pelo tubo. Mas se a madeira depois de queimada permanecer por longo tempo ao ar, o carvão absorverá o ar do ambiente e sua capacidade de absorver o gás nesta experiência será bastante diminuída. Para provar o efeito da absorção dos gases na água pode-se utilizar o mesmo dispositivo da Figura 11.1, substituindo o carvão por água e enchendo o tubo com amônia. A água vai absorver o gás tão rapidamente que ele desaparecerá e o tubo se enchera com água e mercúrio. A quantidade de gás que é absorvida pelo líquido é proporcional à pressão a que ele está submetido, por exemplo, uma pressão duas vezes maior a quantidade de gás absorvida é dobrada, a uma pressão três vezes maior a quantidade é tripla e assim por diante. O efeito da temperatura é inverso: a quantidade de gás absorvida diminui com a elevação da temperatura. Esse fenômeno pode ser observado ao abrir uma garrafa de champanhe. Este tipo de vinho absorve uma grande quantidade de gás carbônico devido à 9

11 pressão de engarrafamento e ao se abrir a garrafa como a pressão cai instantaneamente e parte do gás carbônico escapa com certa violência lançando a rolha longe. Os peixes vivem na água devido à capacidade da água absorver o ar que os peixes respiram. Para retirar o ar da água deve-se fervê-la e se você colocar os peixes nesta água após ela esfriar eles morrerão, pois o teor de ar será extremamente baixo. Os corpos chamados de higroscópicos absorvem de preferência o vapor de água e até podem ficar empapados de água como falamos normalmente. Alguns exemplos são o sal de cozinha que tem a capacidade de absorver a água do ar, o ácido sulfúrico que se for deixado aberto ficará dissolvido na água absorvida do ar ambiente, o cloreto de cálcio desidratado e outros compostos químicos. Estes corpos, em particular o ácido sulfúrico, o cloreto de cálcio e o anidrido fosfórico, são utilizados para secar os gases. Certos aparelhos muito delicados são acondicionados colocando, por exemplo, o cloreto de cálcio seco que absorve a umidade da caixa e vai se derretendo lentamente devendo ser trocado de vez em quando. Um caso interessante de absorção é o do carvão vegetal. O carvão vegetal quando umedecido com água pode absorver e reter substâncias infectas. Por isso ele é muitas vezes empregado para a filtragem da água potável e para purificar certos produtos como a aguardente. O carvão de ossos é utilizado para descolorir certos líquidos e na fabricação do açúcar no processo de branqueamento. 12. Osmose Vamos agora estudar o fenômeno da difusão. Ao encher uma vasilha com óleo e água e a agitarmos fortemente, depois de algum tempo em repouso os líquidos ficam superpostos de acordo com seu peso específico, sendo que o óleo fica na camada superior e a água na inferior e não existe mais mistura dos dois líquidos. Mas se fizermos a mesma experiência com álcool e água ambos líquidos permanecerão misturados de forma permanente. No primeiro caso constatamos que a coesão entre as partículas de água e as de partículas de óleo entre si é maior do que a atração de uma molécula de água e uma de óleo. No segundo caso a atração de uma molécula de água e de álcool é maior do que a coesão mútua das moléculas de água e de álcool. Assim podemos classificar os líquidos em miscíveis e não miscíveis. Os líquidos miscíveis se misturam uns com os outros depois de certo tempo mesmo que, se despejados cuidadosamente o mais pesado primeiro e o mais leve depois do outro sem se misturarem, ficando no início ambos separados por uma superfície. Este fenômeno toma o nome de difusão. 10

12 Os gases se misturam entre si facilmente e sem exceção. Podemos demonstrar a difusão dos gases com uma experiência muito simples. Coloca-se em um prato de uma balança uma proveta de vidro e faz-se o equilíbrio por meio de pesos no outro prato. Agora se enche a proveta com anidrido carbônico e se observa que o equilíbrio se altera e o prato coma proveta desce, pois o anidrido é mais pesado do que o ar que foi deslocado pelo anidrido. Mas depois de algum tempo o equilíbrio se restabelece, pois o anidrido se difunde no ar. Podemos também estabelecer a difusão com gases mais leves como o gás de iluminação. Colocam-se em um prato da balança três rolhas de cortiça e sobre essas rolhas invertida uma proveta de vidro. Faz-se o equilíbrio da balança com pesos e se enche a proveta com gás de iluminação e o equilíbrio é perdido e o prato com a proveta sobe, contrário da experiência anterior, pois o gás é mais leve do que o ar. Depois de algum tempo o equilíbrio se restabelecerá, pois o gás se difunde na atmosfera. Agora vamos ver a osmose. O fenômeno da difusão que acabamos de estudar também se dá entre os corpos líquidos e gasosos separados por uma membrana porosa, tal como uma membrana animal, papel pergaminho, borracha, argila sem pintura, etc. Essa membrana é atravessada e os fluidos se misturam e este fenômeno toma o nome de osmose. A quantidade de fluido que atravessa a membrana por certo tempo, uma hora, por exemplo, depende da natureza do fluido. A água atravessa uma membrana de animal mais rapidamente que o álcool, mas se a membrana for de borracha ocorre o inverso. Podemos demonstrar este efeito por meio de uma experiência com um aparelho formado por uma vasilha A com fundo de uma membrana porosa M como vemos na Figura Figura

13 A boca da vasilha é fechada com uma rolha de cortiça que é atravessada por um tubo de vidro de uns dois milímetros de diâmetro e enche-se a vasilha com álcool. Devido ao peso do álcool a membrana fica convexa sem sair uma gota do líquido. Agora coloca-se essa vasilha em um copo cheio de água e se mantém a vasilha suspensa da tampa T imersa na água. Sendo a membrana porosa a água do recipiente penetra na vasilha e o nível de líquido se eleva no tubo C. A água atravessa a membrana animal com maior rapidez que o álcool no sentido contrário. Se a membrana for substituída por uma folha de borracha e enchermos a vasilha A com álcool de novo até a ponta do tubo C, ao submergir a vasilha novamente no recipiente com água veremos que o nível de álcool no interior do tubo desce devido que o álcool atravessa a membrana de borracha com mais rapidez que a água. Analisando diversos líquidos com esse aparelho utilizando sempre a mesma membrana porosa veremos que as velocidades são diferentes para líquidos diferentes. Como dissemos este fenômeno existe também entre os gases, mas neste caso o tipo de membrana não influi na rapidez do fenômeno. Os gases leves se difundem com maior rapidez que os gases pesados. Os metais aquecidos ao vermelho se tornam também permeáveis aos gases, e em especial o ferro incandescente é facilmente atravessado pelo óxido de carbono. A osmose dos gases pode ser demonstrada por meio de um aparelho como vemos na Figura Figura

14 Este aparelho se compõe de uma vasilha porosa de porcelana V em cuja extremidade aberta se coloca um funil de vidro F fechando a junta com cera. Com um pedaço de tubo de borracha (se necessário) junta-se o funil com um tubo T cuja extremidade é submergida em um copo cheio de água. Coloca-se agora uma vasilha A invertida sobre o funil e uma vasilha invertida B na qual se introduz um tubo de borracha S que conduz gás de iluminação que penetra na vasilha A com velocidade maior do que o ar está saindo dela. O excesso de ar flui pelo tubo T e sai formando borbulhas. Se interrompermos a entrada de gás no tubo S a difusão pára se a proporção da mistura de ar e gás for de proporção igual à dos componentes. Este efeito é usado em diversas indústrias. 13. Exercícios 1. Que se entende como dureza de um corpo? a. É a maior ou menor facilidade de ser riscado b. Se estiver na escala de dureza c. Se for bastante rígido 2. Quando um corpo sofre deformação permanente? a. Quando está acima de seu limite de elasticidade b. Quando está abaixo de seu limite de elasticidade c. Se for muito maleável 3. Que é fragilidade de um corpo? a. Quando resiste ao rompimento b. Rompe-se facilmente c. É muito elástico 4. Tenacidade é a propriedade de se opor à ruptura a. É um fator de resistência molecular b. Falso c. Verdadeiro 5. Elasticidade é a propriedade dos corpos de modificar sua forma por ação de uma força a. Falso b. Verdadeiro c. Nenhuma das anteriores 6. Qual das afirmativas abaixo é verdadeira: a. Osmose é um fenômeno artificial criado nos corpos físicos b. Osmose é um fenômeno que muda a característica de um corpo c. Osmose é um fenômeno de difusão entre corpos liquidos e gasosos 13

15 Respostas dos exercícios 1. A 2. A 3. B 4. C 5. B 6. B 14