Fluidos e o Mundo ao nosso redor EHP Introdução Fabricio Bertholi Dias Respiramos, bebemos fluidos, circula no sistema cardiovascular. Oceano, atmosfera; Carro: pneus, tanque, radiador, ar condicionado, reservatório de pára brisa, sistema de lubrificação, sistema hidráulico; Energia Cinética dos fluidos em movimentos em moinhos de ventos, e energia potencial de outro fluido em usinas hidrelétricas; Esculpem paisagens; O que é um fluido? Contraste com sólido Substancia que pode escoar, fluir. Se ajustam aos limites de qualquer reservatório que o coloquemos (isto por que não suporta uma força tangencial a sua superfície, ou tensão cisalhante. Entretanto pode exercer força na direção perpendicular a sua superfície). Piche Água (gelo, água líquida e gasosa). Arranjo molecular 3D razoavelmente rígido denominado reticulado cristalino Pneumática Sec III A.C. Ktesibos (Escola de Mecânicos, Alexandria) foi o primeiro homem de que se tem notícia que se interessou pelo emprego do ar como meio auxiliar de trabalho. Significado da palavra surgiu de Pneuma : do grego significa fôlego, vento e alma A Pneumática é o estudo dos movimentos dos gases e fenômenos dos gases. Pneumática Embora a base da Pneumática seja um dos mais velhos conhecimentos da humanidade, foi no sec XIX que o estudo de seu comportamento e de suas características tornou-se sistemático. Suas primeiras aplicações foi na construção civil, na indústria mineira e na indústria ferroviária (freios a ar ). Sua introdução na indústria iniciou-se com a necessidade cada vez maior, de automatização e racionalização dos processos de trabalho. Vantagens no uso de ar Abundância de ar em nosso ambiente Incremento da produção com pequeno investimento. Redução dos custos operacionais. A rapidez nos movimentos pneumáticos e a libertação do operário (homem) de operações repetitivas possibilitam o aumento do ritmo de trabalho, aumento de produtividade e, portanto, um menor custo operacional. 1
Vantagens no uso de ar Transporte: O ar é transportado por meio de tubulação, não havendo necessidade de linhas de retorno; Armazenagens: armazenado em reservatórios, (botijões); Não poluidor: Não existe risco de poluição ambiental, mesmo ocorrendo eventuais vazamentos nos elementos mal vedados. Vantagens no uso de ar Resistência a ambientes hostis: Poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos, raramente prejudicam os componentes pneumáticos, quando projetados para essa finalidade. Simplicidade de manipulação: Os controle pneumáticos não necessitam de operários especializados para sua manipulação; Vantagens no uso de ar Robustez dos componentes pneumáticos. A robustez inerente aos controles pneumáticos torna-os relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam de sinal para as diversas sequências de operação. São de fácil manutenção. Facilidade de implantação. Pequenas modificações nas máquinas convencionais, aliadas à disponibilidade de ar, são os requisitos necessários para implantação dos controles pneumáticos. Vantagens no uso de ar Segurança: Os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas, assim, tornam-se seguros contra possíveis acidentes, quer no pessoal, quer no próprio equipamento, além de evitarem problemas de explosão. Velocidades altas: Permite alcançar alta velocidade de deslocamento, em condições normais 1 a 2m/s, podendo atingir 10m/s. Desvantagens no uso de ar Preparação. O ar necessita de uma boa preparação para realizar o trabalho proposto: remoção de impurezas, eliminação de umidade para evitar corrosão nos equipamentos, engates ou travamentos e maiores desgastes nas partes móveis do sistema, o que torna o elemento energético relativamente caro (alto custo). Desvantagens no uso de ar Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados a baixas pressões. Portanto, as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas. É difícil manter uniforme e constante a velocidade dos pistões por ser fluido compressível. Velocidades muito baixas: são difíceis de ser obtidas com o ar devido às suas propriedades físicas. 2
Desvantagens no uso de ar Escape de Ar. O ar é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões (escape de ar) para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape. Exemplo da Utilização de Ar Comprimido Vamos supor a seguinte condição: Uma carga tem de ser transportada, conforme esquema, e para desenvolver a operação dispomos de 1 m 3 (1000 l) de ar. Cilindro 1: 35mm diâmetro e 400mm de curso Cilindro 2: 35mm diâmetro e 200mm de curso Dispõe-se também de operários para executar o mesmo trabalho, comparemos. Esquema do exemplo Resultado Com base nesses dados, concluímos que, para ambos os cilindros, serão necessários aprox. 5 litros de ar por curso duplo (para cima e para baixo), desta forma, com 1 m 3 de ar poderíamos levantar e empurrar 200 volumes para uma esteira transportadora. Com os operários utilizaria um tempo elevado para executar o mesmo trabalho e com muita fadiga física. Escape de Ar Os custos do ar podem crescer consideravelmente quando ocorrer vazamentos na rede de distribuição. Vejamos um exemplo de como um pequeno vazamento significa desperdício de energia: Em uma linha de produção acionada a ar, verificou-se que havia um vazamento na tubulação. Foram levantados, então os seguintes dados: Pressão de trabalho 6 bar e um furo de 3,5mm. (vejamos o diagrama a seguir) Diagrama de escape de ar Para um furo de 3,5mm temos um vazamento de 0,5m 3 /min, isto representa 30m 3 de ar em uma hora. 3
Propriedades Físicas do Ar O ar é insípido, inodoro e incolor, mas o percebemos através dos ventos, aviões e pássaros que nele flutuam e se movimentam. Além disso, também sentimos o impacto sobre o nosso corpo. Pode-se concluir facilmente que o ar tem existência real e concreta e ocupando lugar no espaço. Propriedades Físicas do Ar Compressibilidade Propriedades Físicas do Ar Elasticidade Propriedades Físicas do Ar Difusibilidade Propriedades Físicas do Ar Expansibilidade Propriedades Físicas do Ar Peso 4
Propriedades Físicas do Ar Massa Específica O Ar quente é mais leve (menos denso) que o ar frio ρ = m / V Escalar Unidade no SI: Kg/m3 A densidade de um material depende da temperatura e da pressão qual está sujeito. Espaço Inter estelar Melhor Vácuo de laboratório Ar: 20ºC 1atm Ar: 20ºC e 50 atm Polistireno Gelo Água 20ºC 1 atm Água 20ºC 50 atm Ferro Terra (núcleo) Terra (crosta) Sol (núcleo) Estrela Anã Branca (núcleo) Núcleo de Urânio 10E-20 10E-17 1,21 60,5 1E2 0,917E3 0,998E3 1E3 7,9E3 9,5E3 2,8E3 1,6E5 10E10 3E17 Buraco Negro 1E19 Pressão A Atmosfera p = F / A Escalar Unidade no SI: N/m2 ou pascal (Pa) 1 atm = 1,018105Pa = 760 torr (mmhg) = 14,7lb/in2 (psi) Centro do Sol Centro da Terra Maior Pressão em Lab. Fossa Oceânica mais Funda Pneu de Automóvel Atmosfera ao Nível do Mar Pressão Sanguinea Normal Melhor Vácuo de Lab. 2E16 4E11 1.5E10 1.1E8 2E5 1E5 1.6E4 1E-12 Camada formada de gases, principalmente de Oxigênio e Nitrogênio. Pelo fato do ar ter peso, as camadas inferiores são comprimidas pelas camadas superiores, por serem mais densas. Portanto um volume de ar é mais pesado que o ar à pressão atmosférica. Pressão Atmosférica Como o ar tem peso, a atmosfera exerce sobre nós uma força equivalente ao seu peso. A pressão atmosférica atua em todos os sentidos e direções. Por este motivo não é percebida. Pressão Atmosférica A pressão atmosférica varia proporcionalmente à altitude considerada. 5
Variação da Pressão Atmosférica com relação à altura Medição de Pressão Atmosférica Como o ar tem peso, ele exerce uma pressão sobre a terra 1630, Evangelista Torricelli, o inventor do barômetro, mostrou que a pressão atmosférica pode ser medida por uma coluna de mercúrio. Região sem ar: o vácuo. Se fosse feito um buraco no topo do tubo, o ar entraria e a coluna desceria A pressão atmosférica ao nível do mar mede ou é equivalente a 760 mm de mercúrio. Você sabia? No ouvido ouvido, existe uma pele muito fina, chamada tímpano, que separa o interior do ouvido da sua parte externa. Em situações normais, a pressão nos dois lados do tímpano é praticamente a mesma, de forma que ele não sente pressão. A medida que subo a serra, a pressão diminui gerando sensação incomoda. Basta bocejar para a pressão se igualar em ambos lados. A idéia se aplica também a mergulhos, porém considerando também a pressão exercida pela coluna d água. m coluna = d Líquido * V coluna (1) V coluna = A base * h coluna (2) m coluna = d Líquido * A base * h coluna p = F coluna / A base P = m coluna * g p coluna = m coluna * g / A base p = d Líquido * A base * h coluna * g / A base p coluna = d Líquido * h coluna * g p total = p atm + (d Líquido * h coluna * g) Em que condição o feijão cozinha em menos tempo? Problema Resolvido Uma sala de aula possui dimensões do piso de 3,5 m por 4,2 m e uma altura de 2,4m. Quanto pesa o ar na sala quando a pressão do ar é de 1,0 atm? Qual a intensidade da força da atmosfera sobre o piso da sala? 6
Problema Resolvido (A) Peso do Ar = m*g P = m*g = (ρ * V) * g P = 1.21kg/m 3 * (3.5m * 4.2m * 2.4m) * 9.8m/s 2 P = 418N Peso de cerca de 110 latas de coca-cola. Problema Resolvido F = p * A F = 1.0 atm (1.01 * 10 5 N/m 2 )(3.5m)*(4.2m) F =1.5*10 6 N Esta força enorme é o peso da coluna de ar que compre o piso e se estende sem interrupção até o topo da atmosfera. Teoria Cinética dos Gases Termodinâmica Clássica. Variáveis macroscópicas, não dizem a respeito de átomos A pressão exercida por um gás está relacionada com as colisões de suas moléculas com as paredes do seu recipiente. A capacidade de preencher o volume deve-se a liberdade de movimento de suas moléculas e temperatura, relacionadas com a energia cinética destas moléculas. O Número de Avogrado Mol é o número de átomos em uma amostra de 12 g de carbono-12. Unidade base do SI Na = 6.02 * 10 23 mol -1 Amadeo Avogrado sugeriu que todos os gases contém o mesmo número de átomos ou moléculas quando ocupam o mesmo volume sob as mesmas condições de temperatura e pressão. n(moles) = N(moléculas) / Na Gases Ideais Se confinarmos 1 mol de vários gases em caixas de V idênticos e mantivermos os gases nas mesma Temperatura, então as pressões dos gases são quase, embora não exatamente as mesmas. A medida que gases de massa específica menor, as diferenças tendem a desaparecer e assim os gases reais tendem a obedecer a relação p*v = nrt (lei dos gases ideais ou perfeitos ou eq. de Clayperon) P pressão absoluta N número de moles do gás T temperatura em Kelvins R constante dos gases = 8.31J/mol*K Lei Geral dos Gases Perfeitos As leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay Lussac referemse a transformações de estado, nas quais uma das variáveis físicas permanece constante. De acordo com esta relação são conhecidas as três variáveis do gás. Por isso, se qualquer uma delas sofrer alteração, o efeito nas outras poderá ser previsto. (aquecer, comprimir, por ex...) 7
Transformações Gasosas Transformação Isotérmica 1º) Lei de Boyle-Mariotte: O volume de um gás armazenado, a uma temperatura constante, é inversamente proporcional à pressão absoluta, isto é, o produto da pressão absoluta pelo volume é constante para um certo volume de gás (transformação isotérmica) P1 * V1 = P2 * V2 = constante Transformações Gasosas Transformação Isobárica 2º) Lei de Gay-Lussac: Para uma certa quantidade de gás submetida a pressão constante, o volume de ar se altera quando há oscilações de temperatura (transformação isobárica) V1 : V2 = T1 : T2 = constante Transformações Gasosas Lei de Charles: Mantendo o volume constante e variando a temperatura de uma massa gasosa confinada a um recipiente, a pressão também aumentará. É uma variação diretamente proporcional à temperatura absoluta (transformação isométrica) P1 : T1 = P2 : T2 Exercício Resolvido - 1 Um químico recolhe um gás a 18ºC, cujo volume é de 500cm 3. Para dimensionar a capacidade do recipiente ele precisa conhecer qual será o volume do gás a 0ºC se a pressão for mantida constante. Determine o volume do gás. 8
Exercício Resolvido - 1 Como a pressão é constante, a transformação é isobárica. Assim, para a temperatura de 18ºC podemos escrever: T1= 18ºC = 18 + 273 = 291K V1 = 500cm 3 Para a temperatura 00C, temos: T2 = 0ºC = 0 + 273 = 273K V2 =? Exercício Resolvido - 2 Um balão metereológico contém 75000m3 de gás hélio quando está na superfície da Terra à pressão de uma atmosfera. Ao alcançar uma altitude de 20Km o seu volume atinge 1500000m3. Admitindo que a temperatura do gás se mantém constante, qual a pressão do gás hélio nessa altura? Se V1 / T1 = V2 / T2 500 / 291 = V2 / 273 V2 = 469 cm 3 Exercício Resolvido - 2 V1 = 75000m3 P1 = 1atmosfera = 10 5 N/m2 V2 = 1500000m3 P2 =? Princípio de Pascal "A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções, com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais". Como a temperatura se mantém constante: P 1 V 1 = P 2 V 2 10 5 * 75.000 = 1.500.000 * P 2 P 2 = 5*10 3 N/m 2 20 vezes menor que a pressão inicial Princípio de Pascal Alavanca Hidráulica Uma dada força aplicada ao longo de uma dada distancia pode ser transformada em uma força menor aplicada a uma distancia maior 9
Verificando os Freios A força que aplicamos no pedal é aumentada várias vezes, sendo então utilizada para comprimir as lonas do freio contra o tambor, nas rodas traseiras. 10