Desenho e Projeto de
Tubulação Industrial
Nível II
Módulo II
Aula 06
1. Introdução
Dizemos que um corpo está mais ou menos aquecido devido ao nosso
sentido do tato ou da sensação de calor em nossa pele. Assim dizemos que
sentimos a temperatura desse corpo. Mas o sentido do tato não é uma forma exata
de medir uma temperatura e por isso foram inventados vários instrumentos para
medir e indicar a temperatura e a estes instrumentos deu-se o nome de
termômetros.
Os termômetros têm seu fundamento na seguinte lei: Quase todos os corpos
têm seu volume aumentado quando suas temperaturas sobem e seus volumes
diminuem quando a temperatura desce.
2. Dilatação dos corpos
Falamos que os corpos têm um aumento de volume quando aquecidos e este
efeito é a dilatação dos corpos. Os gases mostram este efeito em grau mais alto que
os corpos líquidos e os corpos líquidos, por sua vez, apresentam este efeito de
forma mais alta do que os sólidos.
O aumento do volume dos líquidos e, em particular, do mercúrio e do álcool, é
utilizado para a medição e indicação da temperatura e por essa razão são usados na
construção dos termômetros.
Vemos na Figura 2.1 um termômetro de mercúrio como o usado para medir a
temperatura de nosso corpo quando estamos com febre.
Figura 2.1
Esse termômetro é um tubo de vidro com mercúrio em uma extremidade que
ao ser aquecido aumenta de volume e então sobe na coluna indicando em uma
escala a temperatura sentida pelo bulbo (parte inferior mais fina).
Nos termômetros são fixados dois pontos chamados de pontos normais ou de
referência: o ponto da temperatura inferior e o ponto da temperatura superior. O
ponto inferior é o ponto correspondente ao da temperatura de fusão do gelo ou
temperatura zero: 0°C, e o ponto superior é o ponto de ebulição da água ou 100 °C.
Estas temperaturas são determinadas à pressão atmosférica e permanecem
constantes.
Existem diversas escalas para indicar a temperatura e acima usamos a escala
centígrada. Nessa escala a distância entre a temperatura do gelo e a da ebulição da
água é dividida em 100 partes iguais, na escala Réaumur ela é dividida em 80 partes
iguais e na escala Fahrenheit ela é dividida em 180 partes.
Na escala Réaumur então a relação será, chamando de C a temperatura
centígrada e de R a temperatura em graus Réamur:
1
Ou seja:
Podemos então deduzir as seguintes relações:
A escala Fahrenheit, que anotamos aqui como F é usada principalmente nos
Estados Unidos e na Inglaterra, foi inventada pelo físico alemão Fahrenheit. Nesta
escala o ponto de fusão do gelo tem o valor de 32 e o da água em ebulição
32+180=212.
Temos então as seguintes relações:
Dessa equação podemos deduzir:
Da relação entre a escala Réaumur e a Fahrenheit podemos deduzir:
Exemplos de aplicação
1. Quantos graus centígrados correspondem 25°R?
Resp.
24=30°R
2. Quanto graus Fahrenheit são 60°C?
Resp.
60+32=167°F
2.1 Dilatação linear
A dilatação das barras é, dentro de certos limites, regular e podemos dizer
que para intervalos iguais de temperatura correspondem variações iguais de
comprimento. Esta variação de comprimento pode ser usada também para a
indicação das temperaturas. Se a variação de temperatura for de 1° a variação da
barra com uma temperatura de α graus será
onde é o comprimento inicial da
barra metálica.
Para uma determinada temperatura o comprimento da barra será:
2
O fator α é o coeficiente linear de dilatação que varia com os diversos
materiais. Damos na tabela abaixo este coeficiente para alguns materiais:
Material
Platina
Vidro
α
0,0000088
0,0000100
Material
Ferro
Cobre
α
0,0000123
0,0000171
Material
Latão
Zinco
α
0,0000188
0,000294
2.2 Dilatação cúbica
Estudamos a dilatação linear de uma barra. Mas a barra é na realidade um
corpo sólido que tem três dimensões, ou seja, é um corpo tridimensional ou cúbico.
Então ao ser modificada a sua temperatura o seu volume se modificará, pois
suas dimensões sofrerão modificações. Seja o volume inicial de um corpo
.
Então com uma temperatura
podemos deduzir a seguinte equação:
O valor 3 é o coeficiente de dilatação do material como vimos acima.
Exemplos de aplicação
3. Um vaso de vidro graduado em cm3 tem um volume inicial de 900 cm3 a
0°c. Quando aquecido a 100°C seu nível chegou a 950 cm 3. Qual foi a
dilatação real do líquido?
Resp. O vaso também se dilata por isso devemos ter a dilatação do vaso
em consideração. O material do vaso é o vidro e α=0,0000123, então:
O aumento de volume do líquido será de:
2.3 Dilatação dos líquidos
Com exceção do mercúrio, que é um metal líquido, os líquidos se dilatam de
forma irregular. Isto significa que a dilatação é diferente a diferentes temperaturas e
ela é tanto maior quanto mais alta for a temperatura.
A exceção é a água que tem sua densidade mais alta na temperatura de +4°C
e a partir desta temperatura ela pode se dilatar ou contrair.
Este comportamento da água tem grande importância na natureza, pois ele
impede que o frio penetre nas camadas inferiores de um lago, por exemplo, e limita
a formação do gelo. As camadas superiores ao se esfriarem no começo do inverno
ficam mais pesadas e descem e as camadas inferiores mais frias sobem, pois sua
densidade é menor. Isto acontece até que toda a massa esteja a 4°C.
Como a dilatação do corpo varia seu volume, mas não seu peso, por essa
razão o peso específico fica alterado.
Representando o peso específico a 0° com a letra
corpo é dado pela fórmula:
o peso específico do
3
E podemos escrever também, levando em consideração o coeficiente de
dilatação do corpo:
2.4 Dilatação dos gases
Podemos considerar a dilatação dos gases sob duas condições: a pressão
constante ou a temperatura constante. Vamos considerar primeiramente o caso da
pressão constante.
Aplicamos neste caso a lei de Gay-Lussac, químico francês que descobriu as
relações entre pressão/temperatura dos gases. Os gases submetidos a pressão
constante se dilatam uniformemente e o coeficiente de dilatação cúbica é comum
para todos os gases sendo seu valor de:
Chamando V0 um volume de gás a 0°, Vt o mesmo gás nas temperaturas de
t1 e t2, podemos estabelecer as seguintes relações:
Sendo V1 e V2 os volumes de uma massa de gás nas temperaturas de t1 e t2
podemos deduzir a partir da equação acima:
As temperaturas T1 e T2 são chamadas de temperaturas absolutas. Desta
equação podemos enunciar que: à pressão constante os volumes de uma massa de
gás são proporcionais à suas temperaturas absolutas.
Vimos no estudo dos gases que a lei de Boyle diz que se uma mesma massa
de gás for comprimida, o produto das pressões pelos volumes é constante. Isto se
traduz pela equação seguinte:
Podemos agora combinar essas duas leis e chegamos finalmente à seguinte
equação:
Podemos enunciar isto da seguinte forma: com volume constante as
pressões exercidas por uma mesma massa de gás são proporcionais a suas
temperaturas absolutas.
4
2.5 Peso específico de um gás
Ao aquecermos uma massa de gás mantendo a pressão constante sendo
seu peso G, seu volume passará de V1 a V2 e seu peso específico de
para
e
seu peso ficará constante. Temos então a seguinte relação:
De onde tiramos:
Dessa proporção tiramos:
E usando a equação:
do capítulo anterior temos:
Então podemos dizer que com a pressão constante, os pesos específicos de
uma massa de gás são inversamente proporcionais à suas temperaturas absolutas.
2.6 Calores específicos dos sólidos e líquidos
Para que as coisas se tornem mais simples vamos supor que os fenômenos
caloríficos são provocados pelo calor como uma substância imponderável. Assim
quando um termômetro indica um aumento da temperatura de um corpo ele indica
que a quantidade de calor contida nesse corpo é maior se, pelo contrário, ele indicar
uma queda da temperatura sua quantidade de calor será menor.
Devemos notar que quando colocamos um corpo mais quente encostado a
um corpo mais frio, o calor passa do corpo mais quente para o mais frio e a
quantidade de calor cedida pelo corpo mais quente é exatamente a mesma
quantidade de calor recebida pelo corpo mais frio.
Como unidade de calor podemos tomar a caloria-quilograma ou o joule no SI.
A quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um corpo
varia com o material do corpo e ela toma o nome de calor específico do material do
qual o corpo se compõe.
Se adotarmos c como o calor específico e Q a quantidade de calor, para
elevar a temperatura de um corpo de massa G de t1 para t2 teremos que usar a
quantidade de calor dada pela seguinte equação:
5
Damos na tabela abaixo o calor específico de alguns corpos sólidos.
Material
Água
Alumínio
Gelo
Latão
Níquel
Prata
Chumbo
Zinco
Calor esp.
1,000
0,218
0,5
0,0939
0,1092
0,0559
0,0315
0,0983
Material
Álcool
Cobre
Ferro
Mercúrio
Ouro
Platina
Vidro
Calor esp.
0,6019
0,0933
0,113
0,0333
0,0316
0,0323
0,0191
Exemplos de aplicação
4. Qual é a quantidade de calorias que se deve acrescentar a 100 kg de
chumbo para que se funda se sua temperatura inicial é de 40°C? A
temperatura de fusão do chumbo é de 325°.
Resp. Usando a fórmula dada:
5. Determinar o calor específico de um corpo que pesa 100 gramas e que foi
aquecido a 100°C. Depois de aquecido ele foi colocado entre dois blocos
de gelo e foram recolhidos 10 g de água derretida. Qual é o calor
específico desse corpo?
Resp. Sabe-se que o calor necessário para fundir 1 g de gelo é de 80 cal.
Então são necessárias: 10*80=800 cal para a fusão de gelo que é o calor
cedido para o gelo.
Usando a fórmula acima teremos:
Então:
2.7 Calores específicos dos gases
Quando aquecemos um quilograma de gás que está a uma temperatura de
0°C devemos ter em conta que ele se expande ao ser aquecido. Isto significa que o
gás pode se expandir ao ser aquecido, ou seja, se o aquecimento é feito a pressão
constante ou se é feito com volume constante e então a pressão pode aumentar.
Assim podemos distinguir dois calores específicos: com volume constante Cv ou
com pressão constante Cp.
Temos na tabela abaixo o calor específico de alguns gases.
Gases
Calor específico a
Volume const.
Pressão const.
Relação
6
Ar
Hidrogênio
Oxigênio
Vapor de água
0,1684
2,416
0,1542
0,3637
0,2375
3,409
0,2175
0,4750
1,41
1,41
1,41
1,30
Exemplos de aplicação
6. Qual é o calor necessário para elevar a temperatura de 2 m3 de ar de 0°C
até 2°C? Fazer o cálculo para volume constante e para pressão constante.
Resp. O peso de 1 m3 de ar é de: 1,293*1=1,293 kg.
Com pressão constante o calor necessário é de:
=1,293*0,2375*2=0,61 kcal
E a volume constante:
)=1,293*0,1684*2=0,43 kcal
3 Fontes de calor
As fontes ou mananciais de calor podem ser cósmicas ou terrestres.
Os mananciais cósmicos são os corpos celestiais dos quais o mais importante
para nós é o Sol. Note que somente 1/230.000.000 de todo o calor solar chega a
nosso planeta Terra, porém este valor é muito grande quando comparamos com as
fontes de calor artificial que produzimos.
Também as estrelas fixas irradiam calor, mas a quantidade desse calor que
chega à Terra é muito pequena e desprezível.
Já os mananciais de calor terrestres são quase sempre produtos do processo
de combustão que é um processo químico que acontece quando um corpo é
aquecido até certa temperatura e se queima. Este processo toma o nome de
combustão.
A quantidade de calor referente à combustão de 1 kg de material combustível
é chamada de calor de combustão. Na tabela abaixo damos os valores do calor de
combustão para alguns materiais combustíveis.
Material
Madeira seca
Turfa seca
Lignito
Briquetes
Hulha
Calorias
3200-4000
3000-4000
3500-4800
3900-4800
5700-7300
Material
Coque
Antracita
Petróleo
Gás de iluminação
Hidrogênio
Calorias
7000-7800
8100
11000
12000
34200
7
Exemplos de aplicação
7. Qual é a quantidade de calor que por uma lamparina que queima 120 g de
petróleo?
Resp. O calor de combustão do petróleo é de 11000 calorias por kg. Então como
são queimadas 120 g ou 0,12 kg temos:
0,12*11000=1320 cal
8. Quantos quilos de gás de iluminação devem ser gastos para elevar a
temperatura de 5 kg de água de 20 para 45°C?
Resp. Para aquecer 5 kg de água de 20 para 45 graus devemos aplicar:
5(45-20)=5*25=125 cal.
Como o gás de iluminação tem 12000 cal por kg temos que queimar:
X*12000=125 ouX=125/12000=0,010 kg de gás.
4 Compressão dos gases
Para a compressão dos gases deve-se gastar trabalho mecânico que se
transforma em calor durante o processo de compressão e devido a isto o gás se
aquece.
Isto pode ser facilmente visto em nossa vida diária. Quando enchemos o pneu
de nossa bicicleta notamos que o corpo da bomba de ar se aquece.
Quando temos uma massa de ar comprimido e deixamos que ele se expanda,
ele realiza certo trabalho à custa do trabalho que foi gasto para comprimi-lo e a
temperatura do ar comprimido desce em conseqüência da queda da pressão.
5 Mudança de estado
A propagação do calor que está contido em um corpo a certa temperatura
mais alta que a temperatura do ambiente, para o meio que o rodeia que está mais
frio deve-se à condutibilidade, que pode ser por condução ou por radiação.
A condutibilidade é então a passagem do calor de um corpo mais quente para
outro mais frio que pode ser mais rápida ou mais lenta dependendo se o corpo é um
bom condutor ou um mau condutor do calor.
Os metais são bons condutores de calor nesta sequência:
prata>cobre>ouro>latão>zinco>estanho>ferro>chumbo>platina e mercúrio.
Os maus condutores são: o vidro, a porcelana, a madeira, a lã, a palha, a
cortiça, as peles, a neve, os líquidos e os gases.
8
A propagação por condução se dá, por exemplo, quando se aquece um
líquido em uma panela. O calor passa para a parede da panela e depois para o
líquido que está dentro da panela. O processo produz uma circulação do líquido que,
devido ao seu aquecimento, tem sua densidade modificada e as camadas mais
quentes sobem dentro da panela e as mais frias descem estabelecendo uma
corrente interna na panela. Note que o meio teve sua temperatura modificada.
A propagação por radiação se dá quando o meio pelo qual passa o calor não
se aquece. Ao colocar nossa mão próxima a um forno, por exemplo, ela se
aquecerá, mas se colocarmos uma folha de papelão entre a mão e o forno não
sentiremos mais o calor. Isto quer dizer que o calor não aquece o ar circundante e
nossa mão deixa de sentir o calor.
O calor solar é um exemplo de transmissão por radiação. Este calor é
absorvido pelas camadas superiores do terreno que por sua vez aquecem o ar que
está em contato com elas (transmissão por condução), e depois aquece as camadas
superiores por meio das correntes de ar.
O calor causa a modificação de estado físico dos corpos que como vimos no
começo deste estudo causa a dilatação dos corpos ao aumentar ou sua contração
ao diminuir a temperatura.
Ao aquecermos um corpo ele pode chegar a se fundir e este é chamado de
ponto de fusão. Ao contrário, quando resfriamos um corpo ele pode se solidificar e
temos então o processo de solidificação. Vimos isto no caso da água, que pode se
tornar sólida (gelo) ao se resfriar, ou um gás (vapor de água) ao ser aquecida.
Alguns corpos se decompõem antes de se fundirem como no caso do carbonato de
cálcio que perde seu ácido carbônico ao aquecer.
Cada corpo líquido se solidifica a uma temperatura determinada ou de
solidificação e se funde à essa mesma temperatura ou ponto de fusão.
Cada corpo tem uma temperatura de fusão ou de solidificação determinada.
Na tabela abaixo damos a temperaturas de fusão de alguns corpos.
Material
Ósmio
Aço
Ouro
Alumínio
Enxofre
Manteiga
°C
2500
1400
1075
625
111
32
Material
Platina
Ferro fund.
Prata
Chumbo
Cera
Gelo
°C
1775
1220
960
325
62,5
0
Material
Ferro
Cobre
Bronze
Estanho
Parafina
Mercúrio
°C
1600
1100
900
230
46
-39
A ebulição acontece quando aquecemos um líquido até que ele alcance uma
temperatura constante. Então ele começa a ferver ou entra em ebulição o que fica
caracterizado pela formação de borbulhas de vapor que se desprendem e, a partir
deste momento, todo o calor fornecido ao líquido serve somente para mantê-lo em
ebulição e sua temperatura se mantém uniforme.
9
Este momento no processo toma o nome de ponto de ebulição e é diferente
para diferentes líquidos, dependendo também da pressão no lugar que está
acontecendo o processo. Por exemplo, ao nível do mar a água ferve a 100°C, pois
temos uma pressão atmosférica de 760 mmHg, já em uma montanha como o Monte
Branco (Mont-Blanc) onde a pressão barométrica é de 417 mmHg o ponto de
ebulição é de 84°C.
O calor de vaporização é o calor necessário para vaporizar um líquido e, para
a água, é de 536 cal/kg para transformar 1 kg de água a 0°C em vapor a 100°C. O
calor de condensação é o inverso e o corpo vaporizado desprende, ao se
condensar, o calor recebido durante o processo de vaporização e que recebe agora
o nome de calor de condensação.
A evaporação é o processo de passar um corpo do estado de líquido para o
de vapor, ou seja, é o processo de ebulição.
A evaporação de um líquido se acelera quando a temperatura se eleva e
também pela ação do vento que pode passar por sua superfície e que transporta o
líquido evaporado baixando a pressão superficial e facilitando a evaporação. A
temperatura de evaporação varia com o tipo de líquido, por exemplo, o éter se
evapora mais facilmente que a água.
Quanto aos vapores formados temos os vapores saturados e os
superaquecidos.
Vapor saturado é o vapor que está na presença do líquido em ebulição como
vemos na Figura 5.1.
Figura 5.1
10
Esse vapor faz com que o pistão se eleve e o espaço que fica é preenchido
com as bolhas de vapor que se formam. A pressão do vapor depende somente da
temperatura do líquido e pode ser determinada por meio de um manômetro.
Agora se comprimirmos o vapor, enquanto existe líquido para evaporar,
colocando pressão sobre o pistão e conservando sua temperatura por meio do
fornecimento de calor, a pressão não varia, pois o vapor está saturado seguindo a
lei de Boyle.
Mas se continuarmos a aquecer até que toda a água se transforme em
vapor, este vapor está na temperatura de saturação e, se conservando a mesma
pressão, continuarmos a fornecer calor a esse vapor, observaremos um aumento de
volume e teremos um vapor superaquecido, pois sua temperatura sobe acima da
temperatura de saturação.
Então vapor superaquecido é vapor a temperatura mais alta do que a
temperatura de saturação.
O vapor superaquecido é produzido nas caldeiras para esse fim e é muito
usado na indústria para a produção de energia nas centrais térmicas alimentando
as turbinas a vapor com o vapor superaquecido.
A relação entre a pressão e a temperatura dos vapores saturados pode ser
determinada experimentalmente. Para a água que é o líquido mais importante do
ponto técnico apresentamos abaixo uma tabela indicando a pressão do vapor em
kg/cm2 e sua temperatura em °C.
P (kg/cm2)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
t ºc
45,58
59,76
68,74
75,47
80,96
85,48
89,47
93,00
96,19
99,09
Tabela de pressão/temperatura
P (kg/cm2)
t ºc
P (kg/cm2)
t ºc
1,1
101,76
2,5
126,73
1,2
104,24
3
132,80
1,3
106,55
3,5
138,10
1,4
108,72
4
142,82
1,5
110,76
4,5
147,09
1,6
112,70
5
150,99
1,7
114,54
5,5
154,59
1,8
116,29
6
157,94
1,9
117,97
6,5
161,08
2
119,57
7
164,03
P (kg/cm2)
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
t ºc
166,82
169,46
171,98
174,38
176,68
178,89
181,01
183,05
185,03
186,94
O calor do líquido é a quantidade de calor que deve ser fornecida a uma
massa de liquido para elevar sua temperatura desde 0°C até a temperatura t°C e
chamaremos de q. Esse calor é dado pela equação:
Podemos usar q=t, pois o erro é muito pequeno.
Aquecendo o líquido a pressão constante p a partir de 0°C até que ele esteja
transformado em vapor saturado na pressão p e a temperatura seja t, o calor gasto
11
para essa transformação é indicado pela letra
a água é:
e a fórmula para o cálculo de λ para
Esta fórmula é chamada de fórmula de Regnault.
Para aquecer um vapor cuja temperatura é de
temperatura de podemos usar a equação:
até que ele alcance a
Nesta equação
é o calor específico do vapor a pressão constante. Vemos o
valor desse calor para o vapor de água na tabela abaixo.
p=
t=
ts=100
ts=150
ts=200
ts=250
ts=300
ts=350
1
99,1
0,463
0,462
0,462
0,463
0,464
0,468
Calor específico médio do vapor de água superaquecido de t para ts
2
4
6
8
10
12
14
16
119,6 142,8 157,9 169,5 178,9 186,9 194,0 200,3
0,478 0,515
0,475 0,502 0,530 0,560 0,597 0,635 0,677 0,751
0,474 0,495 0,511 0,532 0,552 0,570 0,588 0,690
0,475 0,492 0,505 0,517 0,530 0,541 0,550 0,561
0,477 0,492 0,503 0,512 0,522 0,529 0,536 0,543
18
206,1
0,635
0,572
0,550
20
211,3
0,664
0,585
0,557
6 Vapor de água
Certamente o vapor de água é um dos fluidos mais utilizados na indústria. As
leis que estudamos até aqui se aplicam também ao vapor de água e vimos no
capítulo anterior como se faz o cálculo do calor específico da água. Vamos agora
estudar o peso específico do vapor de água.
Conhecendo o peso absoluto P de um vapor saturado cujo volume é V podese deduzir seu peso específico conforme a fórmula:
Zeuner, um físico alemão, deduziu a seguinte fórmula para o cálculo do peso
específico da água:
Nessa fórmula p é a pressão do vapor em atmosferas e
cúbico de vapor de água saturado.
o peso de um metro
Devido à evaporação da água dos lagos, rios e mares o ar está sempre com
certa quantidade de umidade que por ser transparente não é notada, mas sua
presença pode ser demonstrada por meio dos corpos chamados de higroscópicos.
12
O sal de cozinha é um desses corpos e se deixarmos um recipiente com sal
de cozinha aberto no ambiente nós veremos depois de algum tempo que ele está
completamente úmido. Se pesarmos o sal antes depois de sua exposição ao ar
veremos que ele está mais pesado após a exposição. Foram feitas experiências e se
comprovou que um metro cúbico de ar pode absorver quantidades diferentes de
umidade dependendo da temperatura como vemos na tabela abaixo.
Temperatura °C
40
20
0
Quant. de água g
51
17
5
Temperatura °C
30
10
-10
Quant. de água g
30
9,5
2
Vemos pelos números da tabela que quanto mais baixa a temperatura menor
é a quantidade de água absorvida.
Este estado do ar toma o nome de estado higrométrico ou umidade relativa do
ar e pode ser medido por meio de um higrômetro.
Exemplos de aplicação
9. Qual é a quantidade de calor necessária para transformar 5 kg de água a 40°C
em vapor a 10 atm?
Resp. Usamos a fórmula de Regnault e a tabela da pressão/temperatura dada
acima. Temos então que a 10 atm a temperatura é de 178,89 então:
Dessa quantidade devemos subtrair o calor inicial da água que é de 40 cal como
indica sua temperatura. Então por kg de água temos que aplicar: 661,0640=621,06 cal e para 5 kg: 621,06*5=3105,30 cal.
Essa é a quantidade total de calor a aplicar por kg de água.
10. No problema anterior qual seria a quantidade de calor necessária para
superaquecer o vapor até 250°C?
Resp. Na tabela acima, página 10, vemos que o vapor a 10 atm está a uma
temperatura de 178,9 °C e devemos superaquecê-lo para 250°C. Para isso
vamos usar cp=0,552 da tabela da página 12 na fórmula de qs:
7 Temperatura crítica
13
Os gases podem ser liquefeitos por meio da pressão, entretanto, por algum
tempo foi tentada a liquefação de certos gases sem êxito e estes foram então
chamados de gases permanentes.
Mas logo foi descoberto que os gases podem somente ser liquefeitos a partir
de certa temperatura que recebeu e esta recebeu então o nome de temperatura
crítica. Então a temperatura crítica é a temperatura que não pode ser ultrapassada
para que um gás possa ser liquefeito. Por exemplo, o gás carbônico pode somente
ser liquefeito a uma temperatura inferior a 31,1°C e deve ser exercida uma pressão
de 75 atmosferas. Se a temperatura for de 0°C a pressão necessária desce para 35
atm e a -78°C será somente necessária a aplicação de 1 atm.
Os gases que são chamados de gases permanentes têm uma temperatura
crítica muito baixa, por exemplo, o oxigênio tem uma temperatura crítica de -118°C,
a do nitrogênio é de -146° e a do ar é de -140°. Portanto se não se conseguir passar
abaixo dessas temperaturas esses gases não podem ser liquefeitos.
8 Termodinâmica prática
As antigas máquinas à vapor que eram utilizadas para os trens à vapor
antigos queimavam um combustível na fornalha da caldeira que era normalmente a
lenha a fim de produzir o calor para produzir o vapor. Nos motores a explosão
atuais usa-se a gasolina e nos motores de combustão como os motores diesel é
usado o óleo diesel para queima e produção do calor que produz os gases dentro
dos cilindros para realizar o trabalho de locomoção dos carros.
Nas turbinas à vapor se usa o vapor de água que se expande e nas turbinas
à gás usa-se um gás que se queima e temos assim um exemplo da transformação
da energia térmica em mecânica e da energia química em energia mecânica.
A ciência que estuda estas transformações tem o nome de Termomecânica.
Estes fenômenos parecem à primeira vista ser muito simples, mas são
regidos por leis um pouco complicadas estudadas pela Termomecânica.
São duas as leis ou princípios básicos da Termomecânica que vamos ver
resumidamente.
O Primeiro Princípio da Termomecânica diz o seguinte: Em toda a
transformação de calor em trabalho ou de trabalho em calor que voltem para as
condições iniciais da transformação será achada a mesma quantidade de calor
equivalente à mesma quantidade de trabalho.
Podemos exemplificar assim: suponhamos que o eixo de uma máquina
dissipe uma potência de 0,5 CV (cavalos vapor) e que ele pese 10 kg. Se seu calor
específico for estimado em 0,2 sendo que a metade do calor gasto foi dissipada
pela lubrificação do eixo, qual será o aumento de temperatura do eixo ao fim de 5
minutos?
O cavalo vapor (CV) é uma unidade que equivale a 75 kgm de trabalho.
Então meio CV equivale a 0,5*75=37,5 kgm/s e ao fim de 5 minutos:
37,5*5*60=11250 kgm, dos quais a metade foi gasta com a lubrificação restando
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para o aquecimento ou 11250/2=5625 kgm. Como 1 kgm=427 cal então o calor
gasto no aquecimento foi de: 5625/427=13,17 cal. Como o eixo pesa 10 kg e seu
calor específico é de 0,2 temos uma elevação de temperatura de
13,17/(10*0,2)=6,58°C.
O Segundo Princípio da Termodinâmica trata também da transformação
entre o calor e outras formas de energia e diz: Para que certa quantidade de calor
possa ser absorvida de um foco frio, ou a baixa temperatura, e ser cedida a um foco
mais quente, ou a temperatura mais alta, é necessário que se empregue certa
quantidade de trabalho.
Esta lei permite afirmar que o rendimento de um trabalho é sempre menor do
que 1e que podem ser construídas máquina com rendimentos muito próximos de 1.
Pode-se enunciar este princípio também do ponto de vista das máquinas de
calor e de frio da seguinte maneira: A quantidade de calor absorvida, ou cedida, de
um foco quente é igual à soma do trabalho mecânico produzido, ou empregado,
mais a quantidade de calor cedida, ou absorvida, pelo foco frio.
Estas leis são estudadas com mais detalhe nos cursos de controle de
processo industrial.
Exercícios
Damos agora alguns exercícios
1. Quantos °F são 160 °C?
Resp. 320 °F
2. Quantos °C são 212 °F?
Resp. 100 °C
3. Uma barra de ferro tem um comprimento de 1500 mm a 25°C. qual será seu
comprimento a 225°C?
Resp. 1503,69 mm
4. Um gás ocupa um volume de 5 m3 a 100 °C. Qual será o volume ocupado a
150 °C
Resp.5,67 m3
5. Quantas calorias devemos dar para 50 kg de chumbo a 25°C para que se
funda? O chumbo se funde a 325°C.
Resp.472,5 cal
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