Inspeção de Sistemas de. Módulo 4 Medição de Vazão

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1 C u r s o Inspeção de Sistemas de Medição de Gás NATURAL Módulo 4 Medição de Vazão

2 C u r s o Inspeção de Sistemas de Medição de Gás NATURAL Módulo 4 Medição de Vazão desafio 1 Variáveis de Processo

3 Módulo 4 Medição de Vazão SUMÁRIO 1. Viscosidade 1.1. Viscosidade Absoluta ou Dinâmica (µ) 1.2. Viscosidade Cinemática 2. Efeito da Temperatura sobre a Viscosidade 3. Efeito da Pressão sobre a Viscosidade 4. Fluido Newtoniano 4.1. Fluido Não Newtoniano 5. Viscosidade dos gases 6. Densidade 6.1. Densidade absoluta dos Gases 7. Pressão 8. Temperatura 8.1. Escalas de Temperatura

4 VARIÁVEIS DE PROCESSO Neste conteúdo, será abordado a viscosidade e suas características, bem como a densidade, pressão e temperatura dos gases. Preste bastante atenção e bons estudos! 1. Viscosidade A viscosidade é uma variável de processo independente e é uma característica do material. Em relação à vazão, a viscosidade é a variável de maior influência na medição da vazão de fluidos em tubulações fechadas. Veremos mais adiante que, no cálculo de vazão por sistemas de medição com pressão diferencial, a viscosidade é um dos fatores usados para o cálculo do número de Reynolds utilizado no cálculo do coeficiente de descarga dos elementos geradores de pressão diferencial. ATENÇÃO A viscosidade do fluxo determina o perfil da velocidade da vazão dentro da tubulação, afetando seriamente o desempenho do medidor de vazão. A viscosidade é a média dos efeitos combinados de adesão e coesão das moléculas do fluido entre si, e expressa a facilidade ou dificuldade com que o mesmo escoa, quando submetido a uma força externa. A viscosidade pode ser definida como sendo a resistência que o fluido oferece ao deslocamento de suas moléculas em relação às outras. Os fluidos altamente viscosos ou que possuem alta viscosidade oferecem alta resistência à vazão, e não escorrem ou vazam tão facilmente como os fluidos de baixa viscosidade. Geralmente, a viscosidade de óleo lubrificante é elevada; já a viscosidade da água é comparativamente muito menor. Há várias propriedades e termos ligados à viscosidade, tais como deformação, dilatação, consistência, compressibilidade e elasticidade: Deformação É qualquer deformação da forma ou das dimensões de um corpo causada por tensão mecânica, expansão ou contração térmica, transformação química ou física, diminuição ou expansão devidas à variação da umidade. Dilatação É o aumento do volume por unidade de volume de qualquer substância contínua causado pela deformação. Consistência - É a capacidade de um material resistir à variação permanente de seu formato, ou seja, é o grau de solidez ou fluidez de um material.

5 Compressibilidade É a diminuição relativa do volume causada pelo aumento da pressão. Elasticidade É o comportamento reversível de deformação e pressão mecânica Viscosidade Absoluta ou Dinâmica (µ ) Princípio da aderência: Para se determinar o valor da viscosidade absoluta ou dinâmica, considere o comportamento de um elemento fluido, por exemplo, um líquido, entre duas placas infinitas, sendo uma fixa e a outra se movendo com velocidade constante, V, sob influência de uma força constante aplicada, F: Fig. 01 Representação esquemática de um fluido entre duas placas. Partindo do princípio em que as partículas fluidas junto ás superfícies sólidas adquirem as velocidades dos pontos das superfícies com as quais estão em contato. As partículas em contato com a placa superior têm velocidade constante, V, igual a da placa em movimento. Já as partículas fluidas em contato com a placa inferior têm velocidade nula. Entre as partículas existe atrito, que por ser uma força tangencial, forma tensões de cisalhamento,, com sentido contrário ao do movimento, como a força de atrito.

6 Fig. 02 Representação tensão de cisalhamento. A partícula em contato com a placa superior origina uma força de mesma direção, mesma intensidade, porém sentido contrário à força responsável pelo movimento. Esta força é denominada de força de resistência viscosa,. Fig. 03 Representação das forças resultantes do escoamento do fluido. A tensão de cisalhamento,, aplicado ao elemento fluido é dada pela razão entre a força de resistência viscosa,, e a área de contato do fluido na superfície da placa: Lei de Newton da Viscosidade: A camada de fluido de espessura,, limitado por dois planos paralelos de área A, é subdividido em um número infinito de camadas do mesmo fluido, cada uma com área A e altura. Quando uma diferença de velocidade é imposta ao sistema, cada camada estará a uma velocidade diferente da camada adjacente e um gradiente de velocidade é estabelecido através do fluido.

7 Fig. 04 Representação esquemática do gradiente de velocidade. Newton assumiu que a força,, por unidade de área necessária para manter a diferença de velocidade constante entre as camadas adjacentes era proporcional ao gradiente de velocidade e à área. Como, A tensão de cisalhamento é proporcional ao gradiente de velocidade. A constante de proporcionalidade da lei de Newton da viscosidade é a viscosidade absoluta, ou simplesmente viscosidade -µ. O fator de proporcionalidade, µ, é constante e característico de cada material. O gradiente de velocidade representa o cisalhamento que o fluido sofre.

8 Como as dimensões da tensão de cisalhamento é dada por e as dimensões do gradiente de velocidade,, as dimensões de µ devem, de fato, ser. A unidade da viscosidade absoluta no S.I. é o poiseuille ou pascal segundo: Sendo a força igual à massa vezes a aceleração, podemos escrever: Deduz-se, então, que: E simplificando: No sistema C.G.S (sigla maiúscula para centímetro-grama-segundo), a unidade de viscosidade absoluta é o poise: O centipoise (cp) é a unidade mais usada na prática Viscosidade Cinemática é a divisão da viscosidade absolu-, à mesma temperatura. A viscosidade cinemática ta µ pela densidade do fluido

9 . A equação dimensional da viscosidade cinemática é No sistema S.I., a unidade é o metro quadrado por segundo (m²/s). Como foi feito anteriormente, podemos expressar a massa como a relação entre a força e a aceleração: E, em conseqüência, a densidade poderá ser representada da seguinte forma: Colocando, então, este valor da densidade na equação = µ / e observando que, temos: E simplificando: No sistema C.G.S., a unidade é o Stokes: O centistokes (cst) é a unidade mais usada na prática.

10 2. Efeito da Temperatura sobre a Viscosidade Gases: Todas as moléculas gasosas estão em movimento contínuo, aleatório. Quando há um movimento da massa em decorrência do escoamento, aquele é superposto ao movimento aleatório. Ele é então distribuído por todo o fluido pelas colisões moleculares. Esta última aumenta com o aumento da temperatura, e conseqüentemente, aumenta a energia cinética das moléculas. As análises com base na energia cinética prevêem que a viscosidade dos gases é diretamente proporcional à energia cinética das moléculas, portanto, a viscosidade aumenta com o aumento da temperatura. ATENÇÃO Porém, em pressões muito elevadas, a viscosidade inverte; a viscosidade é inversamente proporcional à temperatura. O gás sob altíssima pressão se comporta como líquido. Fig Viscosidade do ar. Até a pressão de 1500 psia, as variações da viscosidade não afetam a maioria das medições de vazão. Adicionalmente, as vazões de gases se processam com o elevadíssimo número de Reynolds, onde mesmo as grandes variações da viscosidade não afetam a medição da vazão. SAIBA MAIS psi (pound force per square inch) ou libra por polegada quadrada é a unidade de pressão utilizada nos sistemas inglês e americano. Líquidos: Em virtude dos efeitos da interação de campos de força entre as moléculas líquidas muito próximas, as viscosidades dos líquidos são afetadas drasticamente pela temperatura. Com o aumento da temperatura, o grau de agitação das moléculas aumenta, fazendo com que se distancie uma das outras e, conseqüentemente, diminuindo o campo de força entre elas, sendo necessária uma menor tensão de cisalhamento para que as moléculas deslizem 10

11 uma sobre as outras. Com a diminuição da temperatura, ocorre o contrário, uma maior tensão de cisalhamento é necessária para que o fluido escoa. Logo, a viscosidade de um líquido é diretamente proporcional à força de atração entre as moléculas, ou seja, o aumento da temperatura diminui a viscosidade dos líquidos. Fig.06 Viscosidade dinâmica da água. 3. Efeito da Pressão sobre a Viscosidade Gases: A viscosidade dos gases independe essencialmente da pressão entre alguns centésimos de uma atmosfera e algumas atmosferas. Entretanto, a viscosidade a pressões elevadas aumenta com a pressão, Tabela 01. O aumento de pressão, geralmente, está relacionado à diminuição do volume do sistema e/ou ao maior número de molécula por unidade de volume do sistema. Isto faz com que a distância intermolecular diminua, aumentando o número de colisões moleculares. 11

12 Tabela 01 Viscosidade de alguns gases em altas pressões Gás T (K) P(bar) ( P) 30,4 212,8 Oxigênio Metano 500 Isobutano Amônia , , , Dióxido de Carbono 500 n-pentano , , Líquidos: As viscosidades da maioria dos líquidos não são afetadas por 12

13 pressões moderadas; porém, grandes aumentos foram verificados a pressões muito altas. Por exemplo, a viscosidade da água a atm é o dobro daquela a 1 atm. Compostos mais complexos apresentam um aumento de viscosidade de diversas ordens de grandeza para a mesma faixa de pressão. 4. Fluido Newtoniano Os fluidos nos quais a viscosidade, para uma determinada temperatura, é independente do tempo e da tensão de cisalhamento são Newtonianos. Como característica, a resultante do gráfico de tensão de cisalhamento versus taxa de deformação é uma reta, cuja inclinação constante é justamente a viscosidade do fluido. A resultante do gráfico de viscosidade versus a taxa de deformação é uma reta horizontal. ATENÇÃO Todos os gases, a maioria dos líquidos e as misturas de finas partículas esféricas em líquidos e em gases são fluidos newtonianos. O perfil de velocidade estabelecido por um fluido newtoniano é a condição de referência básica para os medidores de vazão. Fig. 07 Viscosidade de fluido Newtoniano Fluido Não Newtoniano Os fluidos nos quais a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional à taxa de deformação são não-newtonianos. Os fluidos não-newtonianos podem ser divididos em três tipos diferentes: a) Independente do tempo, mas com a viscosidade dependente da tensão de cisalhamento. Fluidos Plásticos: Os fluidos plásticos são dependentes da tensão de cisalhamento e se comportam como sólido em condições estáticas ou de repouso até que uma tensão mínima seja excedida para iniciar o escoamento. Depois deste valor, a curva é linear. Quando a curva é não linear, o fluido é chamado de Plástico de Bingham. 13

14 Fig. 08 Viscosidade de fluidos plásticos. Um exemplo deste tipo de material é o catchup. Para que o fluido comece a escoar, é necessária uma batida no frasco. Esta força impulso aplicada ao frasco, por batida ou por sacudida, é necessária para ultrapassar o valor limite do plástico. Fluidos Pseudoplásticos: Os fluidos em que a viscosidade diminui continuamente, sem um valor limite definido, com a taxa de deformação crescente são chamados de fluidos pseudoplásticos. A maioria dos fluidos nãonewtonianos enquadra-se nesta categoria. Fig. 09 Fluidos pseudoplásticos. Esses materiais amolecem quando agitados e endurecem quando em repouso. Eles se comportam como se perdessem temporariamente a viscosidade. A tensão de cisalhamento tornaos mais finos, reduzindo a viscosidade deles. Os exemplos de pseudoplásticos incluem as soluções poliméricas, suspensões coloidais e polpa de papel em água. Fluidos Dilatantes: A viscosidade dos fluidos dilatantes, ao contrário dos pseudoplásticos, aumenta com o aumento da taxa de deformação. Ele possui uma viscosidade menor quando em repouso e grande 14

15 viscosidade quando agitado. Fig. 10 Fluido dilatante. b) Dependente do tempo e da tensão de cisalhamento. Alguns fluidos apresentam mudanças na viscosidade em função do tempo sob condições constantes de taxa de cisalhamento. Há duas categorias a serem consideradas: Fluidos Tixotrópicos: A viscosidade dos fluidos tixotrópicos decresce com o tempo, enquanto são submetidos a uma tensão tangencial constante. A tixotropia pode ser definida como a propriedade de certos fluidos que se liquefazem quando submetidos a forças vibratórias ou quando agitados e que se solidificam quando deixados em repouso. A resultante do gráfico de tensão de cisalhamento versus a taxa de deformação é uma curva com o formato de um loop, semelhante à curva de histerese. Nela, podemos ver que o fluido tixotrópico pode assumir valores diferentes de viscosidade, para iguais valores de tensão de cisalhamento e taxa de deformação. SAIBA MAIS A palavra histerese deriva da palavra grega hysteresos ( atraso ou posterior ) e significa atraso. A histerese é a tendência de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou. A viscosidade do material tixotrópico, quando se mantém a mesma tensão de cisalhamento, decai com o tempo. 15

16 Fig. 11 Fluido tixotrópico. Fluidos Reopéticos: A viscosidade dos fluidos reopéticos, ao contrário dos tixotrópicos, aumenta com o tempo enquanto são submetidos a uma tensão tangencial constante. Os materiais reopéticos são antitixotrópicos. Eles endurecem quando agitados e permanecem moles quando em repouso. A resultante do gráfico de tensão de cisalhamento versus a taxa de deformação para um fluido reopético, também, é uma curva com o formato de um loop, análoga à curva de histerese. A viscosidade do fluido reopético, quando se mantém a mesma tensão de cisalhamento, aumenta com o tempo. Fig. 12 Fluido reopético. c) Fluidos Viscoelásticos São fluidos com características tanto de líquido viscoso como de sólido elástico e exibe uma recuperação parcial depois da deformação. Embora o material seja viscoso, ele exibe certa elasticidade do formato e é capaz de armazenar a energia de deformação. Esse comportamento é típico de polímeros derretidos. 5. Viscosidade dos gases Abaixo, são dadas algumas indicações sobre métodos de estimativa da viscosidade de gases em função da temperatura, os quais não são muito precisos, mas são normalmente satisfatórios para efeito da estimativa da vazão. Quando são conhecidos os valores da viscosidade em duas temperaturas diferentes, a viscosidade em outras temperaturas pode ser estimada através de interpolação ou extrapolação, utilizando-se uma equação exponencial do tipo: 16

17 Os valores de A e n podem ser calculados por: Em que, µ = viscosidade absoluta; T = temperatura. A tabela 02 mostra valores experimentais de viscosidade para alguns gases e algumas temperaturas, a baixas pressões. Tabela 02 Viscosidade de alguns gases em baixas pressões. 17

18 Gás t(ºc) ( P) t(ºc) ( P) t(ºc) ( P) Acido Acético Acetileno Amônia Benzeno 28 73, , Bromotriflurometano Isobutano n-butano Butano 20 76, , Dióxido de Carbono Disulfeto de Carbono , Tetracloreto de Carbono Cloro Clorofórmio Ciclohexano 35 72, , Dimetil Éter 20 90, Etano Acetato de Etila Etanol Dietil Éter , n-hexano Metano Acetato de Metila Metanol Cloreto de Metila Nitrogênio Isopropanol Propileno Dióxido de Enxofre Tolueno 60 78, Nota: 1 µp = 10-6 P = 10-4 cp. Quando se conhece a viscosidade em apenas uma temperatura, a viscosidade em outra temperatura pode ser estimada por: Em que: Te = temperatura de ebulição, Kelvin (K). Ou por: ATENÇÃO A temperatura crítica é a temperatura de um gás acima da qual este não pode ser liquefeito por aumento de pressão, qualquer que seja o valor da pressão aplicada. 18

19 Em que: Tc = temperatura crítica, K. Para misturas gasosas, a viscosidade pode ser estimada aproximadamente a partir da viscosidade dos gases componentes pela seguinte equação: Em que: X i = fração molar do componente; µ i = viscosidade do componente; M i = massa molar do componente, kg/kmol; 6. Densidade A densidade absoluta de um fluido é definida como a massa do fluido por unidade de volume. No cálculo da vazão, é necessário se conhecer a densidade do fluido nas condições de operação a montante do elemento primário. No caso de vazão volumétrica, é necessário se conhecer também a densidade do fluido nas condições de referência. A determinação da densidade nem sempre é uma tarefa fácil. Para algumas substâncias puras e algumas misturas, existem dados publicados que permitem a estimativa da densidade em diversas condições de pressão e temperatura. Existem, também, vários métodos para estimativa da densidade, a partir da composição do fluido e da sua pressão e da sua temperatura. Alguns destes métodos serão vistos adiante. Quando o fluido que está sendo medido está sujeito a variações de composição, é recomendada a determinação da densidade, através de análises de laboratório ou de instrumentos em linha. Deve-se observar que, para a determinação indireta da densidade de operação, é necessário se conhecer a pressão e a temperatura de operação. Desta forma, quando a pressão e a temperatura de operação estão sujeitas a variações, é necessário prever, no projeto, meios de se medir estas variáveis. ATENÇÃO A densidade absoluta não deve ser confundida com a densidade relativa. A densidade relativa de um fluido é a relação entre a sua densidade e a densidade de um segundo fluido de referência. Para líquidos, o fluido de referência é a água; para gases, é o ar. A densidade relativa, portanto, é um número adimensional. 19

20 Para líquidos, a densidade relativa deve ser sempre acompanhada de dois valores de temperatura, por exemplo, d20/4 = 0,850 significa que a densidade de um líquido a 20ºC dividida pela densidade da água a 4ºC é igual a 0,850. No Brasil, o fluido de referência para líquidos, é água a 4ºC. Como a densidade da água a 4ºC é 1,000 g/cm³, o valor numérico da densidade relativa é igual ao da densidade absoluta em g/cm³. Para gases, o significado de densidade relativa é um pouco diferente. Neste caso, densidade significa a relação entre a densidade do gás e densidade do ar, ambos estando nas condições normais de temperatura 0ºC (273,15 K) e pressão 1 atm ( Pa). Em que: = densidade relativa; = densidade absoluta do gás a 0ºC e Pa; = densidade absoluta do ar a 0ºC e Pa Densidade absoluta dos Gases A densidade absoluta de um gás depende da sua composição, da pressão e da temperatura em que se encontra. Quando não for possível medir diretamente a massa específica do gás nas condições de operação, ou não se dispuser de dados experimentais que permitam a estimativa da densidade absoluta nas condições de operação, a densidade absoluta pode ser estimada através dos métodos expostos a seguir. Para gases perfeitos ou ideais, a massa específica é dada por: Em que: 20

21 = densidade absoluta do gás, kg/m³; = pressão absoluta do gás, Pa; = massa molar do gás, kg/kmol; = temperatura absoluta do gás, K; = constante universal dos gases, Pa.m³/(kmol.K) O valor de R 0 depende do sistema de unidades utilizado. Para o SI, o valor de R 0 é 8314,41 Pa.m³/(kmol.K): Para gases reais, é necessário introduzir o fator de compressibilidade, Z, para corrigir os desvios dos gases reais em relação aos gases perfeitos. A equação acima fica sendo: O fator de compressibilidade Z depende da composição do gás e de sua pressão e temperatura. Os métodos empregados para estimativa de Z, serão discutidos mais adiante. Para misturas gasosas, a massa molar da mistura é dada por: Em que: M = Massa molar da mistura, kg/kmol; X i = Fração molar da mistura; M i = Massa molar do componente i, kg/kmol. 7. Pressão A pressão é a força normal (perpendicular à área) exercida em determinada área de um corpo. 21

22 Fig. 13 Representação da força normal, Fn, exercida em uma área, A. Em que: P = Pressão; F n = Força normal; A = Área. A unidade no SI de pressão é o pascal, Pa: DICAS Como o pascal é uma unidade muito pequena, é comum usar o kpa (10³ Pa). 100 kpa equivale a 1 kgf/cm² e é igual a, aproximadamente, 14,22 psi. 1 Pa = 1 N/1 m² A pressão pode ser classificada como: Pressão atmosférica - É a força por unidade de área exercida pelo ar contra uma superfície. Esta força equivale ao peso dos gases que estão presentes no ar e que compõe a atmosfera. A pressão atmosférica pode variar de um lugar para o outro, em função da altitude e das condições meteorológicas (como a unidade e a densidade do ar). Ao nível do mar, esta pressão é aproximadamente de 760 mmhg, ou 1 atm. Quanto mais alto o local, mais rarefeito é o ar e, portanto, menor a pressão atmosférica. O instrumento que mede a pressão atmosférica é o barômetro. SAIBA MAIS O barômetro foi inventado por Evangelista Torricelli em Pressão manométrica É determinada tomando-se como referência a pressão atmosférica local. Para medi-la, usam-se instrumentos denominados manômetros; por essa razão, a pressão manométrica é também chamada de pressão relativa. 22

23 A maioria dos manômetros é calibrada em zero para a pressão atmosférica local. Assim, a leitura do manômetro pode ser positiva (quando indicar o valor da pressão acima da pressão atmosférica local) ou negativa (quando se tem vácuo). Quando se fala em pressão de uma tubulação de gás, referese à pressão relativa ou manométrica. A identificação da pressão manométrica é dada pelo sufixo (g). Pressão absoluta - É a pressão total, incluindo a pressão atmosférica e referida ao zero absoluto. No vácuo absoluto, a pressão absoluta é zero e, a partir daí, será sempre positiva. A identificação da pressão absoluta é dada pelo sufixo (a). Pressão diferencial É a diferença entre duas pressões, exceto a pressão atmosférica. A pressão diferencial é representada pelo símbolo P e a identificação é dada pelo sufixo (d). A pressão diferencial, utilizada nos cálculos de vazão, é a pressão diferencial real medida nas tomadas de pressão do elemento primário. Na maioria das aplicações, a pressão diferencial é medida através de um instrumento transdutor que gera um sinal proporcional à pressão diferencial medida. Estes instrumentos normalmente têm a faixa de medida facilmente ajustável dentro de certos limites. Com isto, pode ser interessante utilizar elementos primários com diâmetros de orifício padronizados, ajustando-se o instrumento medidor de pressão diferencial em uma faixa adequada para se obter uma indicação conveniente na vazão de operação. Entretanto, é necessário tomar-se cuidado com a especificação do instrumento medidor de pressão diferencial, porque, muitos deles, apresentam maiores erros, devido a variações na temperatura ambiente quando calibrados perto da faixa mínima. Caso o instrumento medidor de pressão diferencial seja instalado em nível diferente das tomadas de pressão do elemento primário, são necessários cuidados para que eventuais diferenças de densidade do fluido nas tubulações que conectam as tomadas ao medidor sejam evitadas ou devidamente compensadas nos cálculos. Estas diferenças de densidade podem ser causadas, por exemplo, por diferenças de temperatura entre as duas tubulações. Pressão estática É a pressão exercida pelo fluido em repouso ou em movimento nas paredes do tubo ou do vaso. Pressão dinâmica É a pressão exercida por um fluido em movimento. É medida fazendo a tomada de pressão de tal forma 23

24 que receba o impacto do fluido. Pressão de vapor É a pressão parcial exercida pelas moléculas de um vapor dentro de um espaço fechado, quando este está em equilíbrio com o líquido ou sólido que lhe deu origem. A pressão de vapor é uma medida da tendência de evaporação de um líquido ou sólido. Quanto maior for a sua pressão de vapor, mais volátil será o líquido ou o sólido, fazendo com que o mesmo eleve sua temperatura até chegar a um ponto ideal. Pressão de estagnação Também conhecida como pressão de impacto, é a pressão obtida com a desaceleração do fluido para a velocidade zero, em um processo sem atrito e sem compressão. Matematicamente, ela é a soma da pressão estática e da pressão dinâmica. Fig. 14 Tipos de pressão. 8. Temperatura A temperatura é uma expressão que denomina uma condição física da matéria, assim como a massa, a dimensão, o tempo etc. A temperatura associa às noções de frio e calor, bem como às transferências de energia térmica, mas que se poderia definir, mais exatamente, sob um ponto de vista microscópico, como a medida da energia cinética associada ao movimento (vibração) aleatório das partículas que compõem um dado sistema físico. Por isso, que dois corpos à mesma temperatura podem conter 24

25 quantidades de calor diferentes e, como conseqüência, dois corpos a temperaturas diferentes podem conter a mesma quantidade de calor Escalas de Temperatura Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro sentiam dificuldades para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis. Essa dificuldade fez com que se buscassem pontos nos quais se pudessem reproduzir de forma definida os valores medidos. Muitas escalas baseadas em pontos diferentes foram desenvolvidas ao longo do tempo. Dentre elas, as mais importantes foram a Fahrenheit, a Celsius, a Rankine e a Kelvin. Fig. 13 Escalas de temperatura. A escala Fahrenheit é, ainda, utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porém, a tendência é de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo a escala de Celsius. A escala Rankine e a escala Kelvin, que são escalas absolutas, são mais usadas nos meios científicos sendo que atualmente se usa quase que exclusivamente a escala Kelvin. Escala Celsius A escala Celsius é definida como sendo o intervalo de temperatura unitário igual a 1 Kelvin, numa escala de temperatura em que o ponto 0 (zero) coincida com 273,15 K. 25

26 A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo C colocado após o número; exemplo 245,36 C. A escala Celsius tem como valor 0 (zero) o ponto de fusão do gelo e como valor 100 o ponto de ebulição da água, sendo estes pontos tomados na condição de pressão igual a 1 atm. É uma escala relativa obtida através da escala Kelvin, sendo esta relação definida pela equação: C = K 273,15 Escala Fahrenheit A escala Fahrenheit é definida como sendo o intervalo de temperatura unitário igual a 1 grau Rankine, numa escala em que o ponto zero coincide com 459,67 R. A identificação de uma, temperatura na escala Fahrenheit é feita com o símbolo F colocado após o número; exemplo: 23,40 F. A escala Fahrenheit tem como ponto de fusão do gelo o valor 32 e como ponto de ebulição da água o valor 212, sendo estes pontos tomados na condição de pressão igual a 1 atm. Esta escala é também relativa, obtida pela escala Rankine, sendo esta definida pela equação a seguir. F = R - 459,67 Escala Kelvin (Temperatura Termodinâmica) O físico irlandês William Thomson (lorde Kelvin) chegou à conclusão de que, se a temperatura mede a agitação das moléculas, então, a menor temperatura possível aconteceria quando as moléculas estivessem em repouso absoluto. A esse estado de repouso térmico chamamos zero absoluto. Baseado no conceito de temperatura, ele criou a Escala Absoluta, conhecida como Escala Kelvin. Ele descobriu em laboratório que, para cada grau Celsius abaixado, a pressão de um gás diminuía 1/273, portanto, a pressão seria zero quando ele abaixasse 273 graus. Em um gás, a pressão também depende do movimento das moléculas, por isso a pressão zero só poderia acontecer quando as moléculas estivessem em repouso absoluto. E, assim, foi estabelecido o zero absoluto. Seguindo o raciocínio, isto é, subindo de grau em grau, Kelvin definiu o ponto de fusão do gelo de água em 273K e o ponto de ebulição da água em 373K. 26

27 Na escala absoluta, não usamos grau, pois é uma escala definida e calculada experimentalmente, com compromisso com a realidade física. Esta escala possui a mesma divisão da escala Celsius, isto é, um (1) grau Kelvin, corresponde a um (1) grau de Celsius, porém, seu zero inicia no ponto de temperatura mais baixo possível, 273,15 graus abaixo de zero da escala Celsius. A representação é feita com o símbolo K, colocado após o número. Escala Rankine Assim como a escala Kelvin, a escala Rankine é uma escala absoluta, tendo como zero absoluto, o valor 0 (zero), porém ao ponto de fusão e ao ponto de ebulição da água foram dados os valores de 491,67 e 671,67, respectivamente. R = F + 459,67 Conversão entre as escalas de temperatura Colocando em um mesmo ambiente quatro termômetros: um Celsius, um Fahrenheit, um Kelvin e um Rankine. As diferentes leituras representam, em escalas diversas, uma mesma temperatura. A equação 7.5, nos permite relacionar a leitura de uma escala para outra, de uma mesma temperatura. 27

28 GLOSSÁRIO Tensão de cisalhamento: Força de cisalhamento por unidade de área. Tensão superficial: Força por unidade de comprimento que duas camadas superficiais exercem uma sobre a outra. Contração térmica: Diminuição do volume de um corpo ou alguma substância, por diminuição da temperatura. Expansão térmica: Aumento do volume de um corpo ou alguma substância, por aumento da temperatura. Polímeros: Materiais não metálicos constituídos de macromoléculas (grandes) de muitas unidades de repetição; termo técnico para plásticos. Soluções poliméricas: Uma fase simples contendo mais do que um componente polimérico. Curva de histerese: É a tendência de um material ou sistema conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou. 28