FATEC - SP
Faculdade de Tecnologia de São Paulo
Laboratório de Tecnologia do Vácuo - LTV
CURSO DE MATERIAIS, PROCESSOS E
COMPONENTES ELETRÔNICOS - MPCE
LABORATÓRIO DE TECNOLOGIA DO VÁCUO – LTV
DISCIPLINA DE TECNOLOGIA DO VÁCUO
Prof. Me. Francisco Tadeu Degasperi
São Paulo – SP – Brasil
2006
Pça. Cel. Fernando Prestes, 30 - CEP 01124-060
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CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO E BIBLIOGRAFIA
Disciplina de Tecnologia do Vácuo – 1o Semestre de 2006
Critério de Avaliação
Para efeito de avaliação na disciplina de Tecnologia do Vácuo, temos as seguintes provas e
atividades:
-
Atividades: A1, A2, A3 E A4.
Atividade de Projeto: A5.
Provas: P1, P2 e P3.
Prova Substitutiva: PV. Esta prova pode substituir a mais baixa nota de uma das provas.
Critério Matemático:
(A1+A2+A3+A4+2xA5)/6 = A
MÉDIA FINAL (MF) = (A+P) / 2
(P1+P2+P3)/3 = P
Se MF < 5,0: Reprovado com conceito C.
Se 5,0 <= MF < 7,0: Aprovado com conceito B.
Se 7,0 <= MF < 9,0: Aprovado com conceito A.
Se 9,0 <= MF <= 10,0: Aprovado com conceito E.
Observação Geral: Nesta disciplina damos atenção especial às questões e o tipo delas. Procuramos
enfatizar as questões que são realmente encontradas no mundo do vácuo. Também procuramos pedir
questões do tipo dissertativas, uma vez que escrever e registrar as idéias são sempre tarefas
importantes e difíceis. Mas são também fundamentais no mundo atual, cada vez mais. Esta é uma
grande oportunidade que os estudantes têm para exercitar a redação e encadear raciocínio durante a
elaboração de um relato. Mesmo que o estudante não venha a trabalhar com tecnologia do vácuo, o
tipo proposto de questão também é de cunho formativo: o estudante aprenderá a trabalhar em outras
áreas, fazendo modelos físicos, raciocinando, escrevendo, consultando livros e catálogos atuais.
Para muitos estudantes, acredito que seja o primeiro contato com uma disciplina tecnológica. Livros
e muitos materiais didáticos e profissionais não faltam para um efetivo aprendizado. O importante
hoje, e cada vez mais, além do conhecimento, é aprender a procurar respostas aos problemas. Se
possível, respostas criativas e de baixo custo. Nesta disciplina procuramos discutir fisicamente os
problemas e em seguida tratá-los matematicamente. Os raciocínios desenvolvidos procuram ser
informativos dentro da disciplina mas também tem carácter formativo. Aqui está um excelente
momento para começar a praticar. Assim, aproveite! BOM SEMESTRE!!!
Disciplina de Tecnologia do Vácuo – Curso MPCE
Prof. Me. Francisco Tadeu Degasperi
Responsável pela Disciplina de Tecnologia do Vácuo e pelo LTV
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BIBLIOGRAFIA
Livros e Catálogos da Área de Tecnologia do Vácuo
Temos na biblioteca da Fatec-SP um bom, ou melhor, um muito bom acervo referente a área de
Tecnologia do Vácuo. Há livros com diferentes enfoques e graus de profundidade. Para um bom
acompanhamento da disciplina, além de um eficiente aprendizado, os estudantes devem estar em
constante contato com os livros. Os livros listados a seguir estão em ordem de profundidade:
-
Basic Vacuum Technology, A. Chambers e outros. Adam Hilger. LIVRO-TEXTO;
-
Tecnologia do Vácuo, ACM, Montinho e outros – Editora Universidade Nova Lisboa;
-
Curso de Tecnologia do Vácuo – Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Apostilas;
-
Fundamentos de la Ciencia y Técnica del Vacío, G. Lewiss – Editora Aguilar;
-
Vacuum Physics and Techniques, T.A. Delchss. Chapman Hall;
-
Modern Vacuum Practice, U. Harris. McGraw-Hill Books Company;
-
Vacuum Technology. Its Foundation - Leybold Company;
-
High Vacuum Productions in the Microelectronics Industry, P. Duval – Elsevier Science
Publishers;
-
A Users Guide to Vacuum Technology, J.F. O’Hanlon – Wiley Interscience;
-
Vacuum Technology, A. Roth North Holland, e
-
E muitos outros livros e textos disponíveis na biblioteca da Fatec-SP.
Há também textos sobre Tecnologia do Vácuo disponíveis no site da Fatec-SP, em Serviços &
Pesquisa, no Laboratório de Tecnologia do Vácuo. Os textos disponíveis são muito bons e têm o
enfoque de aplicação, apesar de trazerem bastante bem a parte básica. No início de cada semestre
letivo será passado ao representante da turma uma cópia eletrônica com alguns textos e livros da
área de tecnologia do vácuo. Este material é de alta qualidade e escrito por profissionais que atuam
em projetos tanto em empresas com em centros de pesquisa.
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Temos disponíveis em nossa biblioteca os seguintes catálogos de empresas importantes na área de
tecnologia do vácuo. Há também os catálogos em forma eletrônica disponíveis nos sites das
empresas.
Balzers-Feiffer, Leybold-Inficon, BOC-Edwards, Kurt Lesker, MKS, Varian, MDC,
Perkins-Elmer, Alcatel, Huntington e muitos outros.
Além dos livros, há também na nossa biblioteca catálogos de empresas na área de tecnologia
do vácuo. Há também os catálogos eletrônicos que poder consultados nos sites das empresas. Os
catálogos das empresas de produtos de vácuo são bons e uma fonte segura de informações. Ele
complementarão o seu estudo. Faça uma busca!
Além da nossa biblioteca temos a do Instituto de Física da USP com vários outros títulos e
também revistas periódicas especializadas na área da tecnologia do vácuo, tais como: Vacuum,
Journal of Vacuum Science and Technology – AVS e a Revista de Aplicações de Vácuo – SBV.
Entre no site Sociedade Brasileira de Vácuo – SBV, você terá como encontrar muitas informações
importantes.
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Plano de Estudo e a Utilização dos Roteiros de Estudos e
Exercícios de Fixação da Disciplina de Tecnologia do Vácuo
A disciplina de Tecnologia do Vácuo ministrada no Curso de Materiais, Processos e
Componentes Eletrônicos – MPCE da Faculdade de Tecnologia de São Paulo – FATEC-SP do
Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza – CEETEPS tem como objetivos principais
fornecer ao estudante os conceitos necessários para o entendimento do comportamento dos gases e
vapores em baixas pressões e dos sistemas de vácuo, com sus instrumentos, métodos, e técnicas de
trabalho. O conteúdo programático da disciplina de tecnologia do vácuo está mostrado abaixo.
SEMANA
MATÉRIA
1.
Abertura e apresentação da disciplina.
Considerações gerais para um bom aproveitamento da disciplina.
Objetivos da disciplina.
O "mundo" da tecnologia do vácuo.
2.
Comportamento dos gases ideais.
O conceito de pressão de vapor.
Os gases reais.
3.
Teoria cinética dos gases.
Escoamento dos gases.
Regimes de escoamento dos gases em sistemas de vácuo.
4.
Condutância nos sistemas de vácuo e sua dependência com o regime de escoamento.
Velocidade de bombeamento.
Associação de condutâncias.
Velocidade de bombeamento efetiva.
5.
Recordação dos principais conceitos até o momento.
Cálculo de condutâncias.
6.
As várias fontes de gases nos sistemas de vácuo.
O processo de bombeamento em tecnologia do vácuo.
Medidores de vácuo de pressão total.
7.
Recordação e Prova P1.
8.
Materiais empregados na construção de sistemas de vácuo.
Procedimentos de Limpeza. Aspectos e detalhes construtivos.
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9.
Bombas de Vácuo.
10.
Bombas de Vácuo.
11.
Acessórios e componentes auxiliares (válvulas, filtros, anteparos,
armadilhas geladas, flanges, vedações, tubos e outros).
12.
Utilização de catálogos na área.
As revistas especializadas na área.
Primeira discussão sobro o projeto (Atividade A5).
Prova P2.
13.
Sistemas de vácuo de uso geral. Operação de sistemas de vácuo.
14.
Medidores de vácuo de pressão parcial.
Medidores e controladores de vazão de gases para baixas pressões.
15.
Sistemas de vácuo para altas vazões.
Sistemas de vácuo resistentes a gases corrosivos.
Segunda discussão sobre o projeto (Atividade A5).
16.
Detecção de vazamentos.
Terceira discussão sobre o projetos (Atividade A5).
17.
Prova P3.
Apresentação do projeto (Atividade A5).
18.
Prova substitutiva.
Apresentação do projeto (Atividade A5).
Com o propósito de auxiliar e orientar o estudo dos estudantes que cursam a disciplina de
tecnologia do vácuo temos a seguir a relação dos tópicos dos Roteiro de Estudos e Exercícios de
Fixação – REEF. Nos REEF temos uma introdução ao assunto, exercícios propostos dentro do
contexto das aplicações em casos reais encontrados na tecnologia do vácuo e comentários desses
exercícios proposto. São recomendados livros e catálogos pertinentes ao assunto em questão.
REEF – 1: Comportamento dos Gases Ideais – Teoria Cinética dos Gases.
REEF – 2: Comportamento dos Gases Reais – Teoria Cinética dos Gases.
REEF – 3: Regimes de Escoamento dos Gases, Condutância e Velocidade de Bombeamento.
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REEF – 4: Cálculo das Condutâncias e Velocidade Efetiva de Bombeamento.
REEF – 5: Os Vários Tipos de Fontes de Gases e o Processo de Bombeamento em Tecnologia
do Vácuo.
REEF – 6: Medidores de Vácuo. Sensores Diretos e Indiretos de Pressão Total.
REEF – 7: Materiais Utilizados na Construção de Sistemas de Vácuo. Critérios e Requisitos na
sua Escolha.
REEF – 8: Bombas de Vácuo.
REEF – 9: Componentes Auxiliares dos Sistemas de Vácuo.
REEF – 10: Sistemas de Vácuo de Aplicação Geral e sua Operação.
REEF – 11: Sistemas de Vácuo para Altas Vazões e Gases Corrosivos.
REEF – 12: Sensores de Pressão Parcial e Análise de Gases Residuais.
REEF – 13: Medidores e Controladores de Fluxo de Gases e Vapores.
REEF – 14: Detecção de Vazamentos.
As sugestões e críticas dos estudantes são bem-vindas no sentido de procurar aprimorar o
material agora disponível na tentativa de ser um instrumento de auxílio ao estudo sistemático na ára
de tecnologia do vácuo.
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 1
Comportamento dos Gases Ideais – Teoria Cinética dos Gases
O objetivo principal da Tecnologia do Vácuo é criar condições para a produção de baixas
pressões. Para que a remoção de gases dos volumes seja feita de maneira eficiente, devemos
conhecer o comportamento da matéria no estado gasoso. O modelo de gás ideal, não obstante a
sua simplicidade, lança luz sobre o entendimento de muitas características físicas importantes
dos sistemas gasosos. Em condições de baixas densidades e temperaturas acima da
temperatura crítica os gases têm comportamento bem próximo aos gases ideais. Todas as
tecnologias disponíveis têm uma sustentação física básica, em geral bem alicerçada. Apesar de
na maioria dos casos a área tecnológica criar as suas próprias abordagens e métodos de análise
e modelagem, não podemos deixar de ter uma boa compreensão do fenômeno físico em suas
bases. Caso essa compreensão física não for atingida, pagaremos o preço de dificilmente
poderemos propor situações inusitadas e com isso estaremos sempre à reboque daqueles que
têm esse domínio. O modelo atômico da matéria é um daqueles modelos cuja maturidade
demorou séculos, desde a proposição essencialmente filosófica dos gregos e muito depois ter
alçado para uma teoria científica somente no século XIX. Neste momento nasce a química
como ciência. Uma das grandes conquistas da ciência foi a aplicação das leis de Newton à teoria
atômica da matéria, muitos resultados e interpretações foram alcançadas a partir desse
audacioso empreendimento intelectual. Por exemplo a pressão e a temperatura somente foram
interpretados à luz da suposição de que o mundo microscópico fosse governado por leis da
mecânica. Este projeto foi intensificado e no final do século XIX ocorreu um cisma no
pensamento científico da física. Tivemos um embate entre duas grandes linhas de pensamento
científico na época: os atomistas e o energeticistas. Certamente uma das páginas mais belas da
história da ciência e também das mais importantes. Os atomistas advogavam em favor da
concepção atômica da matéria, e mais que isso, acreditavam que a ciência deveria ser
sustentada na hipótese atômica e com isso as leis da física deveriam ser aplicadas aos átomos e
moléculas, e a partir dos resultados obtidos compará-los com os resultados macroscópicos, ou
seja, termodinâmicos. Em contrapartida, os energeticistas acreditam essencialmente na
termodinâmica, uma vez que consideram a teoria atômica inacessível à realidade das
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medições. Durante quase duas décadas este cenário científico-cultural dominou o debate
filosófico da física e da química. Muito avanço ocorreu em torno das idéias lançadas, e por fim,
os atomistas triunfaram. Podemos dizer que até hoje a ciência persegue o caminho aberto pelos
atomistas. Neste caldo cultural tivemos uma verdadeira revolução nas idéias da física que
acabaram por abrir as portar à física do século XX, com isto queremos dizer, a teoria da
relatividade e a mecânica quântica. Voltando ao gás ideal, podemos dizer que o seu estudo foi a
porta de entrada às idéias atomistas científicas. Mais ainda, do ponto de vista prático e voltado
à tecnologia o modelo de gás ideal tem grande alcance e não devemos interpretar o termo gás
ideal como sendo um gás inexistente na prática, ou seja, como sendo apenas uma idealização
teórica. Ele é alcançado desde que sejam obedecidas certas condições. Ele é tão real e preciso
que o seu conceito é utilizado em metrologia de vácuo.
1. Quais são os estados da matéria? Quais são as características físicas macroscópicas dos vários
estados? Como podemos entender os vários estados de agregação da matéria a partir da Teoria
Atômica da Matéria? Discuta a mobilidade dos átomos e moléculas nos três estados da matéria. As
figuras abaixo mostram de forma pictórica o estado de agregação da matéria, insinuando a extensão
possível do movimento entre os átomos e moléculas vizinhos. Discuta esta questão complementar as
questões anteriores.
Figuras mostrando de forma pictórica os estados de agregação da matéria e suas mobilidades.
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2. Fenomenologicamente, como você define as seguintes grandezas: volume, pressão, temperatura,
quantidade de gás? Para um aprofundamento do estudo físico, estas definições são suficientes? O
que é mol de uma quantidade? Discuta a mobilidade dos átomos e moléculas nos gases e vapores.
3. Explique em detalhe as leis de Boyle–Mariotte (p.V = constante) e a de Charles (p/T =
constante). Faça gráficos.
4. O que são Gases Ideais ou Gases Perfeitos? Quais são as características físicas marcantes desse
sistema de agregação da matéria? Quando os Gases Reais podem ser aproximados por Gases Ideais?
Exiba e discuta a Equação dos Gases Perfeitos ou Equação de Clapeyron-Mendeleiev.
5. De posse do conhecimento da Teoria Cinética dos Gases, podemos conhecer muito do
comportamento dos gases, mas alguns conceitos são importantes. Assim, o que é velocidade média?
O que é livre caminho médio? O que é difusão de gases? O que á efusão dos gases?
6. Questão para Pesquisar. Como podemos entender, à luz da Teoria Cinética dos Gases, os
seguintes fenômenos de transporte através da matéria gasosa:
- condutividade térmica;
- viscosidade;
- transpiração térmica.
Além de conseguirmos um bom entendimento do comportamento dos gases quando em movimento,
há uma série de sensores de pressão cujo princípio de funcionamento está baseado nesses conceitos.
7. Uma vez utilizado o modelo da Teoria Atômica da Matéria com a Teoria Cinética dos Gases,
como interpretamos fisicamente as seguintes grandezas: pressão e temperatura. Agora pesquise: O
que são graus de liberdade para a energia?
8. Descreva em detalhe o princípio de funcionamento e o mecanismo dos seguintes dispositivos,
ações ou equipamentos bastante presentes em nosso cotidiano:
- Desentupidor de pia.
- Tomar suco de canudinho.
- Aspirador de pó.
- Ventosa.
- Limpar a calçada com um esguicho de água.
- Afastar duas placas de vidro, ou outra superfície bastante lisa e plana, com água entre elas.
- Discuta dentro do assunto das ventosas como você poderia medir a força suportada por ela.
- Faça um modelo físico e um possível arranjo experimental.
- Conta-gotas e a pipeta para determinar um determinado volume de líquido.
- Depois de usar um guarda-chuva, girá-lo vigorosamente para remover a água de sua superfície.
Estas últimas questões parecem simples – talvez sejam! –, acredito que não. Explique os seus
mecanismos físicos de funcionamento a partir de primeiros princípios. Este tipo de exercício é
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bastante instrutivo, pois possibilita entender o que significa realizar o primeiro passo para a
construção de um modelo físico de um fenômeno. Isto é essencial para aplicarmos o nosso
conhecimento à realidade.
9. Digamos que temos um recipiente e o conectamos a uma bomba de vácuo. A medida que passa o
tempo, verificamos que a pressão vai diminuindo. Você pode também dizer que com a diminuição da
pressão a gravidade dentro do recipiente também diminui? Ainda mais, se pudéssemos remover
completamente as moléculas do gás do interior do recipiente, teríamos uma gravidade também nula
no interior do recipiente? Discuta esta questão. Uma situação tem a haver com outra, ou seja,
gravidade e pressão atmosférica estão ligadas entre si? Somente como comentário, há muita
confusão referente a estes aspectos, existência e ausência de gravidade e existência e ausência de
pressão atmosférica.
Comentário: Este roteiro é tão longo como importante. Mas está plenamente justificado dados a
importância e o alcance dos conceitos tratados. Muitos conceitos e instrumentos da Tecnologia do
Vácuo estão apoiados nos aspectos fenomenológicos dos gases ideais. Um ponto chave para um
bom domínio da tecnologia do vácuo tanto do ponto de vista do projeto como de sua instrumentação
assim como dos inúmeros processos industriais e científicos é uma compreensão dos seus conceitos
básicos. Além dos livros indicados logo abaixo consulte também livros referentes à físico-química
dos gases e vapores. Nunca devemos perder de vista os conceitos básicos e a sustentação física das
tecnologias existentes. Tanto para entender profundamente os vários aspectos das tecnologias assim
como para gerar idéias novas, a teoria é imprescindível. Utilize também os textos disponíveis no site
da Fatec-SP dentro do Laboratório de Tecnologia do Vácuo – LTV. As referências mais
importantes, ao nível de nossa disciplina, são:
- Tecnologia do Vácuo, A. M. C. Montinho e outros (capítulo 1);
- A Users Guide to Vacuum Technology, J. F. O´Hanlon (capítulo 2);
- Fundamentos de la Ciencia y Técnica del Vacío, G. Lewin (capítulo 1);
- Modern Vacuum Practice, N. Harris (capítulo 2);
- Vacuum Physics and Techniques, T. A. Delchar (capítulo 1);
- Curso de Física: Calor, M. Ference Jr. e outros (capítulo3);
- An Introduction to Fundamental of Vacuum Technology, H. Tompkins, e
- Além do livro-texto e ainda muitos outros.
BOM TRABALHO!!!
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 2
Comportamento dos Gases Reais – Teoria Cinética dos Gases
O modelo de gás ideal, não obstante a sua simplicidade, lança luz sobre o entendimento de
muitas características físicas importantes dos sistemas gasosos. Apesar do modelo de gás ideal
ou gás perfeito lançar luz sobre o comportamento dos sistemas gasosos, há uma série de
imperfeições neste modelo. Este é o caso interessante cuja melhoria no modelo de gás ideal se
deu considerando aspectos inerentes à teoria atômica da matéria. Van der Waals considerou
interações entre os átomos ou moléculas que compõe o gás. Explicitamente levou em
consideração as forças que agem entre as moléculas do gás e também supôs a existência de um
volume próprio dessas moléculas. Assim, essas partículas minúsculas começavam a tomar a
forma de uma estrutura mais complexa. Este modelo se deu em um momento da história da
física em que muitos avanços estavam ocorrendo, por exemplo, as equações de Maxwell do
eletromagnetismo estavam dadas e com isso o modelo da luz como sendo uma radiação
eletromagnética. A distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann em um gás. A definição de
entropia e o início dos estudos de descarga elétrica em gases. das Vamos, a seguir, estudar em
detalhe o modelo de gás real. Essas novas idéias e teorias abriram as portas para a grande
revolução na física século XX. O modelo de gás ideal vale para uma faixa relativamente
estreita de valores de pressão e temperatura, e ainda depende do tipo de gás. Abaixo da
temperatura crítica e para densidades crescentes o modelo de gás ideal falha. O motivo físico
está no fato de serem as forças de interação entre os átomos e moléculas importantes frente a
energia cinética das partículas. Temos a proposição atualmente de mais de 30 equações de
estado, algumas ainda são fenomenológicas. Para as condições que usualmente encontramos
nos sistemas de vácuo, podemos adotar o modelo de gás ideal em muito boa aproximação. Nos
casos que temos os gases interagindo com as paredes do sistema de vácuo, deveremos levar em
consideração o potencial de Van der Waals. Um aspecto importante tanto na ciência como na
tecnologia é a identificação do sistema físico em estudo, ou seja, qual é exatamente o nosso
objeto de estudo e trabalho. Em geral, esta etapa da modelagem de sistemas físicos é
fundamental. Devemos ter sempre em mente que qualquer problema real, por mais simples
que possa parecer, é de solução impossível! Se formos levar em consideração todas as
interações possíveis que podem ocorrer com uma pedra que está próxima à superfície da
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Terra, mal conseguiríamos sequer montar o problema. Pense em todos os corpos do Universo
interagindo com essa pedra. Talvez seja impossível para uma mente humana! E se fosse
possível montar o problema, depois de pronto, uma grande parte dos corpos teriam mudado
de lugar, muitos sóis teriam se apagado, etc. Assim, devemos ter claro que sempre
precisaremos fazer simplificações, sempre, não tem como escapar. Parece paradoxal: para
fazer simplificações, você precisa conhecer muito sobre o assunto, justamente para desprezar
certas ocorrências supérfluas. O conhecimento da teoria é fundamental, mas devemos praticar
a sua aplicação à realidade, ou seja, devemos aprender a fazer modelos de sistemas físicos. Na
disciplina de tecnologia do vácuo, teremos a oportunidade de estudar e modelar sistemas reais,
encontrados em laboratórios e em linhas de produção. Veremos que dependendo da forma que
montamos um problema, ela dirá se o problema é solúvel ou não. Em física dizemos que o
problema deve ser bem posto, ou seja, o problema deve ser enunciado de forma clara e com as
perguntas bem formuladas. Na vida real, nos montaremos os problemas e em seguida
deveremos resolvê-los. Dependendo da forma como montarmos os problemas a sua solução
poderá quase que emergir naturalmente da modelagem. Em seguida, em geral, nos resta a
solução matemática do problema, que pode ser analítica, raramente conseguiremos desta
forma, ou pode ser numérico-computacional, que é a forma a qual quase sempre a
conseguiremos. Não há outra maneira senão fazermos para conseguir obter experiência em
qualquer que seja o assunto. Se a solução realmente representa o fenômeno somente a
experiência poderá nos dizer. Comparando os dados experimentais com os resultados da
modelagem poderemos dizer se fizemos um bom modelo, se as hipóteses e os detalhes
introduzidos no modelo foram suficientes e representam bem a realidade.
1. Em que situação falha o modelo de gás ideal ou perfeito? Faça um gráfico, para várias
temperaturas, no plano p-V. Explique o fenômeno de condensação. Quando podemos aproximar um
gás real por um gás ideal?
2. O que são forças de Van der Waals? Quais são os dois ingredientes introduzidos na Equação de
Estado dos Gases Reais? No limite, mostre que recai na Equação de Estado dos Gases Ideais. À luz
da teoria atômica da matéria como você explica a origem das forças de Van der Waals. Ainda, como
explicar os estados de agregação da matéria considerando esta importante força. Considere o
potencial de Lennard-Jonnes.
3. Descreva em detalhe o princípio físico dos seguintes dispositivos, ações ou equipamentos
bastante presentes em nosso cotidiano:
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- Dificuldade em abrir uma geladeira logo após ter sido fechada, isto em um dia úmido.
- Botijão de gás de cozinha.
- Secar uma toalha. Ela fechada. Ela aberta. Com vento. Com aquecimento. Fale da eficiência de
cada forma de secagem.
- Uma queijeira na geladeira apresenta condensação não uniforme de água em sua superfície.
- Panela normal e panela de pressão.
- Cheirar um perfume a uma distância de alguns metros dele em uma sala sem ventilação.
- Água colocada em recipientes guardando um salgadinho que foi frito, como nas padarias.
Estas questões também parecem simples – talvez sejam! –, mas mais uma vez, acredito que não são
simples. Tudo vai depender de como encaramos o que seja uma explicação convincente e feita a
partir de princípios físicos básicos. Assim, explique os seus mecanismos físicos de funcionamento a
partir de primeiros princípios. Este tipo de exercício é bastante instrutivo, pois possibilita entender o
que significa realizar o primeiro passo para a construção de um modelo físico de um fenômeno. Isto
é essencial para aplicarmos o nosso conhecimento à realidade. Existem muitas aplicações industriais
da tecnologia do vácuo sustentadas em conceitos exatamente os mesmos referentes aos casos acima.
Ainda há bombas de vácuo cujo princípio de funcionamento é o mesmo do exemplo da queijeira.
4. Sempre e de forma enfática dissemos que a propriedade mais marcante que os gases e vapores,
isto é, a matéria no estado gasoso tem é o fato de ocupar totalmente o espaço ou o volume onde elas
estão. Sendo que tanto a forma como o volume dos gases e vapores são totalmente determinados
pelo recipiente que eles estão. Sendo assim, por que os vários tipos de gases e vapores que compõem
a nossa atmosfera não escapa da Terra e procura ocupar o espaço de todo o Universo? Mais, na Lua
a pressão na sua superfície é da ordem de 10-7 torr. Por que lá temos vácuo, mais precisamente altovácuo?
5. Diante da questão referente a atmosfera do nossa Terra, podemos nos aprofundar um pouco mais.
Discuta e pesquise a questão sobre como varia a pressão em relação a altitude. Veja que sabemos
que a pressão ao nível do mar é maior de a pressão na cidade de São Paulo, que por sua vez é maior
que a pressão em Campos do Jordão. Pesquise sobre o assunto desta questão. Diga e interprete
fisicamente a equação da lei da atmosfera isoterma.
Comentário: Este roteiro não é tão extenso como o roteiro anterior, mas é tão importante como ele.
Muitos conceitos, aplicações e equipamentos da Tecnologia do Vácuo estão apoiados neles. Na
disciplina de tecnologia do vácuo temos a oportunidade de estudar os princípios e aplicações de
inúmeros processos que ocorrem em baixas pressões. Veja que retomamos em algumas questões o
assunto referente aos gases perfeitos. O estudante deve-se convencer que apesar do nome gás
perfeito, ele ocorre em condições de temperaturas relativamente altas e em baixas densidades. Por
temperaturas relativamente altas queremos dizer acima da temperatura crítica. Sabemos que cada
tipo de gás tem sua temperatura crítica. Mas cabe mencionar que mesmo que o gás esteja a
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temperatura abaixo da sua temperatura crítica se ele estiver em densidades bastante baixas
poderemos ter a observância bastante boa da lei de Boyle-Mariotte, Aproveitamos este espaço
também para apresentar as referências mais importantes:
-
Tecnologia do Vácuo, A. M. C. Montinho e outros (capítulo 1);
A Users Guide to Vacuum Technology, J. F. O´Hanlon (capítulo 2);
Fundamentos de la Ciencia y Técnica del Vacío, G. Lewin (capítulo 1);
Modern Vacuum Practice, N. Harris (capítulo 2);
Vacuum Physics and Techniques, T. A. Delchar (capítulo 1);
Curso de Física: Calor, M. Ference Jr. e outros (capítulo3);
An Introduction to Fundamental of Vacuum Technology, H. Tompkins; e
Muitos outros.
Esta lista tem por objetivo marcar a presença no estudo dos gases reais, no mínimo de forma
bastante simples e rápida, sem perder os pontos principais. Tendo a oportunidade aprofunde-se no
assunto.
Como referência, veja também o livro: Curso de Física: Calor, M. Ference Jr. e outros. Há
também inúmeros livros de físico-química que tratam muito bem deste assunto. Em geral nestes
livros o assunto dos gases e vapores abre para a teoria atômica da matéria, como ocorreu
historicamente.
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Trabalho Adicional: Traduza e Estude o Texto a Seguir.
TEXTO SOBRE PRESSÃO DE VAPOR
Extraído da monografia de H. G. Tompkins, An Introduction to Fundamentals of Vacuum
Technology - American Vacuum Society – AVS.
A “vapor” is a gas near its condensation temperature. The concept of “vapor pressure” is
equally valid when the condensed phase is a solid or a liquid, although in vacuum technology, the
solid form is usually the one encountered. We shall use the liquid form as an example simply
because it is easy to understand. Suppose we have a closed container held at constant
temperature and we put a liquid in the bottom, at suggested in figure 24. For simplicity let us
suppose that we remove the gases above the liquid. Molecules from the liquid evaporate and
become gas molecules at a rate, which is dependent on the surface area and the temperature. Let
us suppose these to be constant, thus the rate of molecules leaving the liquid is a constant.
At the same time, molecules from the gas phase strike the liquid surface and go from the
gas phase to the liquid phase (condense). The number of molecules condensing depends on how
many there are in the gas phase. In the beginning, there are very few molecules in the gas phase
hence the number going from liquid to gas is much greater than the number going from gas to
liquid, and the pressure of the molecules (the partial pressure) will increase. When the pressure
has increased to the point that there are as many molecules going into the liquid as going out of
the liquid, equilibrium has been reached and the gas phase is satured. Note also that the gas
phase molecules are striking the other surface of the container and forming a condensed layer
there also.
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To be absolutely correct, the term “vapor pressure” refers to the partial pressure of the
vapor at any time. At saturation, the proper term is “saturation vapor pressure” or “equilibrium vapor
pressure”. Actually, common practice is to use the term “vapor pressure” when what is meant is
“saturation vapor pressure”. We shall follow the common practice and use the term “vapor
pressure”.
Suppose we now heat our closed container to a higher temperature. The rate of molecules
going from one phase to the other changes and as the pressure change, equilibrium is again
reached. The increased temperature affects both processes, liquid to gas, and gas to liquid. It does
not affect the processes equally, however, and the net effect is that increased temperature causes
higher vapor pressures.
Although we have used a liquid for illustration, the same phenomena occur for solids. The
process of atoms or molecules leaving the surface is called sublimation rather than evaporation but
it is essentially the same.
Figures 25 and 26 show the vapor pressure for several materials. If one were to insert a
piece of solid CO2 (dry ice) into an evacuated chamber, at 100 K, it would sublime until the partial
pressure of CO2 close to 10-4 Torr or until the dry ice were gone whichever came first. On the other
hand, at the temperature of 1500 K, tungsten has a vapor pressure below 10-11 Torr and very little
sublimation occurs. These are equilibrium curves and not kinetic curves. They say nothing about
how vapor pressures sublime faster than materials with low vapor pressure.
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Of more practical interest is the fact that zinc, which is a constituent of brass, has somewhat
higher partial pressure. At 100 °C or 373 K and below, the vapor pressure of zinc is below 10-11
Torr. A system which is being baked sometimes reaches 250 °C or 523 K, the vapor pressure at
this temperature is about 10-4 Torr and one would probably find zinc at rather unexpected places
inside the system. Cadmium plated screws are to be avoided for the same reason.
____________________
_____________________________
TAREFA
Este texto expõe muito bem o fenômeno de pressão de vapor e o seu enfoque é voltado à
tecnologia do vácuo. Aqui está uma boa oportunidade de reforçar o aprendizado sobre o assunto,
bastante discutido e enfatizado em sala de aula e nos exercícios. Como dissemos, exaustivamente, o
fenômeno de pressão de vapor é muitíssimo importante para entender inúmeros processos que
ocorrem em vácuo e também para entendermos o princípio de bombeamento e limitações de algumas
bombas de vácuo. Os materiais que usamos na construção de sistemas de vácuo devem ter a sua
pressão de vapor verificada em função da temperatura.
Também temos aqui a oportunidade de praticar a língua inglesa. Como tarefa, traduza o texto e
faça comentários sobre o assunto. Separe a tradução dos comentários.
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 3
Regimes de Escoamento dos Gases, Condutância e Velocidade de Bombeamento
O objetivo principal da Tecnologia do Vácuo é criar condições para a diminuição da pressão
em recipientes, para tanto, o gás precisa ser “transportado” de uma região para outra região.
O estudo e cálculo das condutância dos tubos e orifícios são de suma importância para um
eficiente projeto do sistema de vácuo no que se refere ao processo de remoção dos gases. Para
isso precisamos ter claro os regimes de escoamento dos gases. Em baixas pressões os gases e
vapores podem escoar de quatro formas completamente diferentes entre si. Temos os regimes
de escoamento viscoso turbulento, viscoso laminar, intermediário ou transição e molecular. O
processo físico de cada um desses regimes de escoamento tem característica própria. Isto faz
com que as expressões matemáticas sejam bem diferentes para cada regime de escoamento.
Matematicamente, o critério para a identificação do tipo de escoamento que está ocorrendo é
dado pelo número de Knudsen. Este número é o quociente entre o livre caminho médio com
uma dimensão típica do tubo por onde escoa o gás, em geral o seu diâmetro, se o tubo for de
seção circular. Diante de uma análise física do processo de transporte dos gases em uma
tubulação, considerando a hipótese atômica, é possível entender as diferenças entre os vários
tipos de escoamento. No escoamento viscoso laminar o gás se comporta como um meio
contínuo e o fluxo de gás ocorre como se fosse em camadas bem determinadas. No caso do
escoamento molecular o transporte dos gases se dá completamente de forma aleatória. Não
existe neste caso uma coerência macroscópica no transporte. Isto tem conseqüências práticas:
no regime de escoamento molecular o transporte dos gases é muito menos eficiente,
acarretando uma menor condutância, considerando os outros dados físicos constantes. Os
modelos de cálculo de condutância em tecnologia do vácuo são voltados essencialmente às
geometrias simples. Sistemas de vácuo complexos têm sua modelagem complicada. Não
obstante, podemos fazer em muitos casos modelos factíveis cujos cálculos podem ser
realizados de forma simples e por meio deles obter uma boa compreensão do comportamento
dos sistemas de vácuo em análise. Neste roteiro teremos a oportunidade de nos depararmos
com questões centrais da tecnologia do vácuo, sem esses conceitos, acredito que é impossível
de termos uma compreensão suficientemente profunda do processo de transporte e
bombeamento dos gases e vapores rarefeitos. Um outro ponto que nunca devemos perder de
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vista é quanto a questão da mobilidade dos átomos e moléculas. Em todos os estados da
matéria os átomos estão em movimento. Ocorre que no estado gasoso o movimento se dá mais
livremente, podendo as trajetórias ser de grande comprimento, dependendo exclusivamente
da densidade do gás. Nos estados sólido e líquido, intrinsecamente os movimentos são de
pequenas distâncias. Este estudo deve ser aprofundado, devendo ser pesquisado e estudado,
pois nele está a essência para o entendimento físico dos estados da matéria em conjunto com o
potencial de natureza eletromagnética que existem entre as partículas que compõe o gás ou
vapor. O movimento constante e caótico dos átomos e moléculas, presente em todos os estados
da matéria, e no caso do gás sem um centro de força definido e com isso podendo ter
movimentos de longo alcance é que garante a sua possibilidade de bombeamento. Explicando
melhor. Veja que a bomba de vácuo não tem nenhum mecanismo de atrair ou trazer para ela
os átomos e moléculas que deverão ser bombeados. São as partículas que deverão chegar até a
bomba de vácuo, e em seguida essas bombas de vácuo vão fazer com estas partículas não
fiquem mais no ambiente do sistema de vácuo exercendo pressão. Veremos no assunto das
bombas de vácuo com essas bombas fazem o processo de bombeamento. Devemos ter sempre
presente que os termos em geral empregados para designar o bombeamento dos gases e
vapores pelas bombas de vácuo, tais como, “sugando”, “chupando”, “puxando”, ou ainda
“atraindo” as partículas do gás, não têm sentido físico. Estes preconceitos têm trazido e
introduzido muitos malefícios à tecnologia do vácuo, uma vez que além de levarem a uma
interpretação errada dos fenômenos, eles têm conseqüências do ponto de vista prático nos
projetos e utilização de sistemas de vácuo. Isto se dá pois camufla a importância do conceito
da condutância, que ao meu ver é a grandeza mais importante da tecnologia do vácuo. Assim
retomando o assunto, sempre são as partículas – átomos e moléculas – que deverão chegar às
bombas de vácuo e em seguida as bombas de vácuo farão alguma coisa com elas para não
voltarem ao sistema de vácuo. Isto que podemos definir como bombeamento das bombas de
vácuo, e mais à frente, veremos quais os princípios físicos que podem ser usados para que elas
bombeiem. Desta forma, mais uma vez enfatizamos como os conceitos, por exemplo, o da
condutância, são fundamentais. No caso da condutância, deveremos ter a tubulação com
suficiente passagem para as partículas poderem atingir com facilidade às bombas de vácuo.
1. Como você define velocidade de bombeamento de uma bomba de vácuo? Considere o
raciocínio da bomba de vácuo do tipo de uma seringa de injeção. Considere uma montagem básica
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em que podemos fazer vácuo em um recipiente. Ainda, como podemos entender o bombeamento de
parte do vapor de água na atmosfera quando colocamos um copo com água gelada sobre uma mesa.
Mais ainda, quando cortamos um pedaço de ferro. Temos com isso a construção de uma bomba de
vácuo? Discuta o assunto e fale sobre o seu mecanismo de fixação de gases. É interessante observar
que quase todas as bombas de vácuo existentes têm seus princípios de funcionamento que podem
ser entendidos por meio dos exemplos acima.
2. O que é throughput? Exiba a expressão matemática que define esta grandeza e explore a mesma.
3. Quais são os tipos de escoamento de gases em tecnologia do vácuo? Explique fisicamente cada
um deles; diga quais são as características marcantes de cada tipo de regime de escoamento.
Dedique especial atenção a essa questão. Quase tudo em tecnologia do vácuo depende de uma
compreensão clara sobre como se dá o processo de escoamento dos gases.
4. O que é condutância em sistemas de vácuo? O que representa esta grandeza? Discuta a
dependência com o regime de escoamento.
5. Qual o critério matemático que determina o tipo de regime de escoamento dos gases que
estamos trabalhando? Faça um formulário com as expressões para a condutância dos tubos, tanto de
seção circular como de seção retangular, e também para orifícios, nos vários regimes de escoamento
de gases.
6. O que é velocidade de escoamento efetiva? Explore este assunto. Como este ponto liga-se à
velocidade de bombeamento e a condutância?
7. Nas questões acima apresentamos várias grandezas importantes no contexto dos sistemas de
vácuo. Para essas grandezas exiba as suas unidades. Apresente as unidades utilizadas usualmente e
também no Sistema Internacional de Unidades.
8. Com relação ao bombeamento de gases. Vamos explorar esta importante questão. Sabemos
como bombear eficientemente uma quantidade de água de uma caixa. Faça um modelo, bastante
simples, de uma caixa d´água sendo bombeada por uma bomba d´água. A solução do problema é
simples. Veja que o líquido mantém o seu volume quando aplicamos uma pressão nele. Isto é
bastante bem verificado experimentalmente. Agora, no caso do gás isso não ocorre. Ainda, como o
gás ocupa todo o espaço que é fornecido para ele, temos que a maneira como se dá o seu
bombeamento é completamente diferente do caso do líquido. Discuta esta questão. Ela é essencial
para entender o efeito de bombeamento de gases e vapores. Tente fazer um modelo físicomatemático do bombeamento de um gás em um recipiente com uma bomba de vácuo de velocidade
de bombeamento constante.
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Comentário: Nos projetos em tecnologia do vácuo certamente intervêm as grandezas estudadas
neste roteiro. Os conceitos apresentados são, acredito, os mais importantes da ciência e da
tecnologia do vácuo, pois a característica mais marcante dos gases em baixas pressão está ligada
ao modo como se escoam em uma tubulação. Como quase sempre interligamos a bomba de vácuo à
câmara de vácuo por meio de uma tubulação é de fundamental interesse considerar como esta
tubulação intervêm no processo de transporte dos gases e vapores. Assim, trate este assunto com
muita dedicação, em todos os assuntos nesta disciplina, os conceitos vistos serão centrais, quer no
projeto, quer no desempenho dos equipamentos, quaisquer que sejam, bombas de vácuo, sensores
de vácuo, componentes auxiliares, etc. Uma discussão de caracter mais geral pode ser feito já nesta
altura da disciplina. Os alunos já devem estar notando que os problemas que estão sendo
discutidos e tratados requerem muitas considerações referentes a aproximações. Esta é uma
característica muito marcante dos problemas que ocorrem de fato no nosso dia a dia. Qualquer que
seja o problema, por mais simples que julgamos que seja, se tivermos que levar em conta tudo o
que ocorre com ele, as interações de todos os tipos possíveis, sequer teremos tempo ou capacidade
intelectual para montar matematicamente o modelo do problema. Um passo, não só importante,
mas crucial à resolução de problemas é saber fazer aproximações, saber considerar o essencial e
deixar de lado o supérfluo. Dependendo do problema, um aspecto para uma dada situação de
modelagem pode parecer que ele é supérfluo, mas em outra situação pode ser essencial. Depende
do detalhamento que desejamos atingir. Por exemplo, para o movimento de um corpo na superfície
da Terra, uma pedra, considerar a atração gravitacional é essencial, caso contrário a pedra não
cairá! Considerar a resistência do ar, irá depender de fatores como o coeficiente de arraste da
pedra, que está relacionado com o seu perfil aerodinâmico. Dependerá também da velocidade que
a pedra atingirá. Assim, para baixas velocidades podemos desprezar esta força. Mas veja, se uma
folha de papel estiver aberta e a deixarmos cair, certamente não poderemos desconsiderar a força
de resistência com o ar, mesmo no início do movimento, cuja velocidade é muito pequena, próximo
de zero. Voltando à pedra. Certamente não precisaremos considerar a atração gravitacional da
Lua, do Sol ou de Alfa-Centauro. Mas se estivermos, por exemplo, tratando das marés, certamente
deveremos considerar a atração gravitacional da Lua, ela é essencial para explicar o fenômeno, a
gravidade da Terra não explica as marés. Mas sem ela a água não estaria presa à Terra. O
movimento de um pára-quedas somente pode ser explicado caso haja gravidade e resistência com o
ar. Sem gravidade o pára-quedista não cai, sem resistência do ar ele não serve para nada o seu
pára-quedas. Assim, no mínimo, devem existir esses dois ingredientes na modelagem do movimento
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do pára-quedista: a força gravitacional e a força de arraste do pára-quedas devido a resistência
com o ar. Na Lua não existe o problema do pára-quedista, pois lá a pressão na sua superfície é da
ordem de 10-7 mbar.
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 4
Cálculo das Condutâncias e Velocidade Efetiva de Bombeamento
Uma etapa importante no trabalho de um projetista de Tecnologia do Vácuo é a determinação
e especificação das bombas de vácuo a serem utilizadas. Para isto, devemos conhecer o valor
da velocidade de bombeamento da bomba de vácuo; este valor depende em geral de dois
outros valores, a saber: a velocidade efetiva de bombeamento e a condutância da tubulação que
liga a câmara de vácuo à bomba de vácuo. Assim, devemos saber calcular o circuito de vácuo e
como associar as condutâncias. Este assunto está intimamente ligado ao do roteiro anterior.
Como ponto de partida para a determinação matemática das condutâncias, devemos ter a
identificação do regime de escoamento. Isto se faz necessário, uma vez que a expressão
matemática correta depende fortemente do regime de escoamento. Como exemplo, considere
um tubo de certos diâmetro e comprimento, um certo tipo de gás a uma da temperatura;
podemos ter uma variação de mais de 100.000 vezes entre a condutância no regime de
escoamento laminar, próximo à pressão atmosférica, e no regime de escoamento molecular.
Diante disso devemos identificar o regime de escoamento para os cálculos relativos à
determinação da velocidade efetiva de bombeamento. Neste roteiro você terá oportunidade de
calcular condutância, e verá que podemos estar diante de um problema que pode ser
extremamente simples ou diante de um problema extremamente complicado. De certa forma
isto reflete o fato de termos maneiras muito distintas entre si para o processo de transporte
dos gases em sistemas de vácuo. O que considero importante neste estágio da disciplina é que
comece a ficar claro ao estudante o papel crucial da condutância no transporte dos gases e
suas conseqüências do ponto de vista do desempenho dos sistemas de vácuo. Veja que este
assunto requer bastante reflexão e espero que os iniciantes na tecnologia do vácuo comecem a
pensar no assunto e façam uma imagem consciente da sua importância. Além de cálculos de
sistemas de vácuo, no que se refere ao bombeamento de gases e vapores, o assunto sempre
estará presente. Um exemplo pode ser dado quanto a instalação de medidores em uma câmara
de vácuo ou qualquer outra posição no sistema de vácuo. A conexão do medidor não pode
adulterar a medição da pressão, assim, o assunto da condutância novamente é coloca. O
conceito de condutância também é intensamente utilizado para podermos fazer injeções
controladas de gases e vapores em sistemas de vácuo.
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1. Calcular as condutâncias do orifício e dos tubos abaixo desenhados.
Considere a pressão de trabalho ao redor de 10-6 mbar, o gás é a mistura da atmosfera – ar –, estando
à temperatura ambiente de 20°C.
a) Orifício.
b) Tubo de seção transversal circular.
Dentro desta mesma questão, considere o texto a seguir. Discuta os casos apresentados acima
adotando outras pressões em que ocorre o escoamento dos gases ou ainda vapores. Isto quer dizer:
Considere os outros regimes de escoamento dos gases. Somente esboce a solução do problema.
Como é possível verificar, nos regimes de escoamento viscoso laminar e intermediário os cálculos
das condutâncias não são tão simples como no regime de escoamento molecular. Neste regime
estudamos que a condutância não depende da pressão.
c)Tubo de seção transversal retangular.
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2. Considere o circuito de vácuo abaixo desenhado. O gás de trabalho é a mistura atmosférica à
temperatura de 200°C. Calcule a condutância do circuito de vácuo operando à pressão de 10-7 mbar.
Continuando dentro da mesma questão. Faça agora os cálculos considerando a temperatura
ambiente. O circuito de vácuo simples mostrado acima é bastante comum e expõe as principais
características de circuitos de vácuo mais gerais.
Faça uma discussão da questão da passagem do gás de um tubo de maior diâmetro para um tubo de
menor diâmetro, como mostrado no caso acima. Agora, e se fosse o sentido de escoamento dos
gases, do menor diâmetro para o maior diâmetro.
Na mesma questão: como devemos considerar o cotovelo no cálculo da condutância? Esta parte da
questão é para pesquisar. Veja o livro de A.Roth, Vacuum Technology. Ainda há outras publicações
em nossa biblioteca que trata bastante bem questão mais refinada. Também como refinamento,
considerando a passagem abrupta de um diâmetro para outro valor de diâmetro em uma seqüência
de tubos, como podemos tratar esta questão.
3. Para um processo industrial operando à pressão de 10-1 mbar, pressão média, avalie
condutância e a velocidade de bombeamento efetiva. O circuito de vácuo é mostrado abaixo.
Considere o gás sendo a mistura atmosférica à temperatura ambiente de 20°C.
Faça as simplificações necessárias para o cálculo e exponha com clareza o seu raciocínio.
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Bomba de vácuo com Sb = 100 litros / minuto
Continuando. Qual a dificuldade no cálculo de condutâncias nos regimes viscoso e intermediário?
Esta questão não é muito fácil. Para situações como essa muitas vezes iremos necessitar de um
cálculo feito por meio de métodos numéricos.
Apresente as unidades das grandezas utilizadas nesta questão. Faça o mesmo se você estivesse
trabalhando no Sistema Internacional de Unidades. Infelizmente, ainda na tecnologia do vácuo,
utilizamos unidades fora do sistema internacional. Acredito que teremos que esperar alguns anos
para incorporar o SI à nossa disciplina. Não obstante, precisamos estar atentos, pois é muito comum
em tecnologia do vácuo e suas ramificações a utilização de unidades das mais diversas, misturando
inclusive inúmeras unidades. Devemos estar sempre atentos a está questão, pois podemos errar por
ordens de grandeza se não prestarmos atenção a este aspecto.
Comentário: Faça uma exposição clara dos raciocínios adotados, escreva as expressões gerais e
somente depois faça as simplificações e as particularizações necessárias à resolução do problema
específico. Muitas vezes usamos expressões matemáticas e conclusões sem antes fazermos uma
verificação se são aplicáveis às situações que estamos tratando. Isto é um grande risco! Sempre
devemos verificar o universo de validades dos conceitos e dos teoremas.Este tipo de questão
apresentado mostra-nos como já começamos a esbarrar em problemas cuja solução requer a
intervenção de ferramentas matemáticas mais sofisticadas, e ainda a sua solução por meio de
métodos numérico-computacionais. Os cálculos de sistemas de vácuo em geral recaem em equações
diferenciais não lineares, que são de difícil solução sem a intervenção dos métodos numéricos. Esta
é uma característica geral tanto da ciência como da tecnologia. Um fato absolutamente dentro do
cotidiano dessas atividades. Assim, temos que começar a conviver com elas e aprender a utilizáPça. Cel. Fernando Prestes, 30 - CEP 01124-060
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las! Nos projetos em tecnologia do vácuo certamente intervêm as grandezas estudadas neste
roteiro, como no caso do roteiro anterior. A aplicação dos conceitos apresentados são, acredito, os
mais importantes da ciência e da tecnologia do vácuo, pois a característica mais marcante dos
gases em baixas pressão está ligada ao modo como se escoam em uma tubulação. Do ponto de vista
do projeto, quase sempre interligamos a bomba de vácuo à câmara de vácuo por meio de uma
tubulação é de fundamental interesse considerar como esta tubulação intervêm quantitativamente
no processo de transporte dos gases e vapores. Assim, para determinar a bomba de vácuo
necessária ao sistema de vácuo, certamente deveremos calcular condutâncias e suas associações.
Assim, nos projetos e também conceitualmente os cálculos feitos aqui serão determinantes para o
desempenho dos equipamentos, quaisquer que sejam, bombas de vácuo, sensores de vácuo,
componentes auxiliares, etc. Finalizamos este roteiro, reafirmando a necessidade de sempre termos
de construir modelos de sistemas físicos, no caso voltados à tecnologia. No roteiro anterior fizemos
uma discussão sobre o essencial e o supérfluo na construção de modelos. O julgamento de ser ou
não ser essencial um determinado aspecto na modelagem de sistemas físicos e também em outras
áreas, como economia, biologia, sociologia é de suma importância. Vemos em geral que ao
introduzir de um detalhe a mais no modelo de um determinado sistema a sofisticação matemática
cresce muito. Assim, ser razoável diante dessas situações é a atitude mais importante. A questão
toda é saber até onde podemos ir, ou seja, qual é o grau de detalhamento que devemos atingir. Não
há fórmula para esse problema, somente nossa vivência no assunto e a comparação dos resultados
obtido na modelagem com os dados experimentais podem dizer se aquela modelagem foi ou não
um sucesso. A partir da exposição do estudante ou do profissional com problemas novos é que
poderemos adquirir capacidade de fazer modelos. Certamente um ponto que sustenta tudo isso é o
nosso conhecimento teórico, pois é com a teoria sobre o assunto que poderemos incluir no modelo
e supor como funciona aquele sistema. Você pode estudar muito sobre natação, conhecer bem
muitos dos aspectos importantes para aprender como obter um bom condicionamento físico, e uma
série de outros conhecimentos que certamente ajudarão você a se desempenhar melhor ao nadar,
mas veja, você vai ter que cair na piscina. Não tem escapatória, você deverá se expor ao fato.
Assim, faça!
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ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 5
Os Vários Tipos de Fontes de Gases e o Processo
de Bombeamento em Tecnologia do Vácuo
Uma etapa importante no trabalho de um projetista de sistemas de vácuo é a determinação e
especificação das possíveis fontes de gases e vapores que podem estar presentes no sistema de
vácuo sendo analisado. Para poder especificar a instrumentação necessária para o
bombeamento dos gases e vapores, devemos ter bastante claro quais os tipos de fontes gasosas
que participam do processo em vácuo e também a sua intensidade. Este fato será
determinante para podermos dimensionar as bombas de vácuo e também escolher as mais
adequadas dependendo do tipo de gás presente no processo. Para poder resolver
matematicamente o problema devemos quantificar as fontes de gases e vapores. Esta tarefa
em geral não é simples, uma vez que para cada tipo de fonte de gás há uma física específica
para ela. Por exemplo, o vazamento virtual é completamente diferente da degaseificação. Os
problemas matemáticos referentes ao processo de bombeamento em geral recaem em uma
equação diferencial ordinária. A sua solução por meio de procedimentos analíticos é bastante
restrito, isto quer dizer que há pouquíssimos casos cuja solução pode ser alcançada e
representada em forma analítica. A grande maioria dos casos a solução matemática do
problema somente é conseguida por meio de ferramentas matemáticas do cálculo numérico.
Nestes casos, além do conhecimento detalhado das fontes gasosas e sua quantificação
deveremos ter as expressões matemáticas, ou ainda, por meio de tabelas das condutâncias e
das velocidades das bombas de vácuo em função da faixa de pressão de operação. Uma
característica que encontramos nos sistemas de vácuo e presentes em outras tecnologias
também é a necessidade permanente dos conceitos vistos anteriormente. Os estudantes devem
estar atentos para este fato importante. Assim, não podemos nos descuidar de nenhum ponto
da teoria visto até o momento. Esta característica do conhecimento irá acompanhar o
estudante até o final do curso e certamente continuará em sua vida profissional. Geralmente
em tecnologia do vácuo os modelos realizados são muito simplificados, em parte isto ocorre
devido a falta de uma plataforma adequada para resolver matematicamente os modelos físicos
que deveriam estar sendo propostos. As bases físicas para o entendimento do que ocorre com
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a degaseificação, que tem origem na desorpção, a adsorção, a absorção, o outgassing , e outros
efeitos importante que são importantes à tecnologia
1. Cite e caracterize fisicamente os vários tipos de fontes de gases e vapores que podem ocorrer
em sistemas de vácuo. Temos esquematicamente mostrado abaixo um sistema de vácuo genérico
com as várias fontes de gases e vapores possíveis. Todos os sistemas de vácuo, simples ou
complexos, têm suas partes conforme mostrado no esquema a seguir. Apresente a equação
diferencial mostrando explicitamente os termos relativos às fontes de gases e vapores importantes
para a modelagem de sistemas de vácuo.
Câmara de
Vácuo
QVR
Bombas de
Vácuo
QIC
QVap
QBV
QGP
QPerm
QFBV
Deg
QVV
QSub
Linha de
Bombeamento
Desenho esquemático de um sistema de vácuo geral, mostrando as suas partes principais: a câmara
de vácuo com as possíveis fontes de gases e vapores, a linha de bombeamento ou transporte de
gases e o conjunto de bombas de vácuo.
Na questão seguinte você terá oportunidade de aprofundar o assunto relativo às fontes gasosas e
também referente a origem física delas. Nós não estamos interessados no momento em resolver
matematicamente a equação diferencial para os casos gerais encontrados em tecnologia do vácuo.
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Mais à frente resolveremos para duas situações bastante simples, não obstante, bastante elucidativas
e importantes no contexto da modelagem de sistemas de vácuo e a consideração das hipóteses
simplificadoras a serem sempre feitas. Isto será tratado em detalhe. Veremos que a resolução
matemática desses modelos que construiremos será muito simples, mesmo assim, os resultados terão
um alcance bastante grande.
Para mais detalhes, veja a página 57 do livro A User´s Guide To Vacuum Technology, de John F.
O´Hanlon, 2° edição Wiley. Veja também o trabalho de mestrado do professor desta disciplina.
Este livro temos em nossa biblioteca.
2.
Explique fisicamente os seguintes termos e conceitos dentro da tecnologia do vácuo:
- Sorpção.
- Absorção.
- Adsorção.
- Desorpção.
- Outgassing (este termo não é traduzido).
- Degassing (este termo em geral é traduzido como degaseificação).
- Taxa de degaseificação específica de um certo material.
Complementando esta questão. Exiba a Equação Diferencial do Processo de Bombeamento de
Gases e Vapores em Baixas Pressões. Faça uma discussão detalhada sobre os seus termos e
interprete-os fisicamente.
Obs.: Veja o catálogo da Balzers. Compare com os livros disponíveis na biblioteca e ainda os
textos disponíveis em formato eletrônico e que estão no site da Fatec-SP – Laboratório de
Tecnologia do Vácuo – LTV. Há muitos outros que expõem bem o assunto sobre as possíveis formas
de liberação de gases e vapores em sistemas de vácuo. Este assunto é central em tecnologia do
vácuo.O ponto de partida para o projeto de sistemas de vácuo é a identificação da fontes gasosas
pertinentes ao processo.
3. Vamos integrar os conceitos trabalhos nos roteiros anteriores e este presente. De um modo geral
os sistemas de vácuo podem ser concebidos conforme mostrado na figura a seguir. Temos a câmara
de vácuo, a linha de bombeamento e as bombas de vácuo. Como tratamos anteriormente, integre as
idéias e os conceitos referentes ao processo de bombeamento com a condutância e velocidade da
bomba de vácuo. Considere também as várias fontes de gases e vapores que podem existir nos
sistemas de vácuo.
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Esquema geral de sistemas de vácuo, mostrando a câmara de vácuo, a linha de bombeamento e a
bomba de vácuo. Vemos também a relação entre a velocidade de bombeamento da bomba de vácuo,
com a condutância total da linha de bombeamento e a velocidade efetiva de bombeamento.
Comentário: Esta lista tem por objetivo fazer com que o estudante fixe os conceitos e nomenclatura
utilizados em tecnologia do vácuo quando refere-se às várias fontes de gases possíveis e como estas
podem ser minimizadas durante o processo de bombeamento. Os conceitos físicos vistos neste
roteiro formalizam a construção teórica da tecnologia do vácuo no que refere à construção
matemática de modelos dos sistemas de vácuo. Há ainda, em continuidade aos exercícios propostos
acima, um texto em inglês extraído do catálogo da Balzers. Fica aqui um convite ao estudante
traduzir e certamente estudar mais esta fonte importante de informações em tecnologia do vácuo.
Junto com os livros, os catálogos são bons companheiro de estudo!
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Trabalho Adicional: Traduza e Estude o Texto a Seguir.
DEFINIÇÕES E TERMOS EMPREGADOS NA TECNOLOGIA DO VÁCUO
Os termos seguintes, muito empregados na Tecnologia do Vácuo, foram extraídos do
Catálogo da Balzers – 88/89.
- Gas
Gas is matter in a state of aggregation in which the mean distances between the molecules are large
in comparison with their dimensions, and the mutual arrangement of individual molecules is
constantly changing.
Gas in the stricter sense is matter in gaseous state which cannot be brought to a liquid or solid state
by compression at the prevailing temperature.
- Gas ballast
Inlet of a controlled quantity of a gas, usually into the compression chamber of a positive
displacement pump, so as to prevent condensation within the pump.
- Gettering
Gettering means bonding of gas, preferably by chemical reactions. Getter (getter materials) often
has large real surfaces.
- Leak
Leaks in a vacuum system are holes or voids in the walls or at joints, caused by faulty material or
machining or wrong handing of the seals.
- Leak rate
The leak rate is the throughput of a gas through a leak. It is a function of the type of gas, pressure
difference and temperature.
- Maximum tolerable water vapor inlet pressure pwo
The maximum tolerable water vapor inlet pressure is the highest inlet pressure at which a vacuum
pump can continuously pump pure water vapor under ambient conditions of 20oC and 1013mbar. It
is given in mbar.
- Mean free path
The mean free path is the average distance which a molecule travels between two successive
collisions with other molecules.
- Outgassing
Outgassing is a spontaneous desorption.
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- Partial pressure
The partial pressure is the pressure due to a specified gas or vapor component of a gaseous and/or
vapor mixture.
- Permeation
Permeation is the passage of gas through a solid barrier or a liquid of finite thickness. Permeation
involves diffusion and surface phenomena.
- Pressure
The pressure of a gas on a boundary surface is the normal component of the force exerted by the gas
on an area divided by that area.
- Pressure units
The pressure units are Pascal as the S.I. unit, abbreviation Pa, and bar as a special unit designation
for 105 Pa.
1 Pa = 1 Nm-2
1 bar = 1000 mbar = 105 Nm-2 = 105 Pa.
The unit commonly used in the vacuum technology is the milibar.
- Quantity of gas (pv value)
The pv value is the product of the pressure and volume of a specified quantity of gas at the
prevailing temperature. If the pv value is to be used as a measure for the quantity of substance or
gas, this must be an ideal gas whose temperature must be specified.
- Resistance
The resistance is the reciprocal of the conductance.
- Reynolds number
Nondimensional quantity
Re = d.v.l / n
d = Density of fluid
v = Average flow velocity
l = Characteristic length (e.g. pipe diameter)
n = Dynamic viscosity
Re < 2300 Laminar flow
Re > 4000 Turbulent flow
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- Saturation vapor pressure
The saturation vapor pressure is the pressure exerted by a vapor which is in thermodynamic
equilibrium with one of its condensed phases at the prevailing temperature.
- Sorption
Sorption is the taking up of gas (sorbate) by a solid or a liquid (sorbent). Sorbents are also called
sorption agents.
- Standard reference condition
The standard reference condition is the condition of a solid, liquid or gaseous substance determined
by the standard temperature and standard pressure.
- Standard temperature
Tn = 273.15 K
- Standard pressure
Pn = 101325 Pa = 1013.25 mbar
- Throughput
The throughput is the quantity of gas (in pressure – volume units) passing through a cross – section
in a given interval of time at the prevailing temperature, divided by that time.
- Throughput of a pump
The throughput of a vacuum pump is the throughput of gas pumped.
- Total pressure
The total pressure is the sum of all partial pressures present. This term is used in contexts where the
shorter term “pressure” might not clearly distinguish between the individual partial pressures and
their sum.
- Ultimate pressure
The ultimate pressure is the value which the pressure in a standardized test dome approaches
asymptotically with normal operation of the vacuum pump and without gas inlet.
Distinction can be made between the ultimate pressure which is due to no condensable gases, and
the ultimate pressure which is due to gases and vapors (ultimate total pressure).
The terms used in descriptions and technical data for the pumps and components in the catalog are
standardized. The choice of the most important terms given below is intended to contribute to their
uniform use and assist the less experienced user of vacuum technology in the use of the catalog.
PNEUROP is the association of manufactures of compressors, vacuum pumps and pneumatic tools
from twelve European countries, with a “Vacuum Technology” Committee. Its aim is to promote
international standardization of vacuum components and vacuum test methods. The PNEUROP
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proposals were submitted to ISO as a standards recommendation, and the majority of them has been
incorporated in the standards of the European industrial countries – for instance Germany, Great
Britain and France.
The PNEUROP recommendations contain the definitions, test methods and performance data for
vacuum pumps, gauges and components which are binding for PNEUROP members. The products
of Balzers Aktiengesellschaft and Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH conform to
PNEUROP rules.
- Absolute pressure gauge
An absolute pressure gauge is a pressure gauge used to determine the pressure from the normal
force exerted on a surface divided by its area. An absolute pressure gauge is independent of the gas
type used.
- Absorption
Absorption is a type of sorption in which the gas (absorbate) diffuses into the bulk of the solid or
liquid (absorbent).
- Adsorption
Adsorption is a type of sorption in which the gas (absorbate) is retained at the surface if the solid or
liquid (absorbent).
- Backing pressure
The backing pressure is the pressure at the outlet of a pump which discharges gas to a pressure
below atmospheric only.
- Compression ratio
The compression ratio is the ratio between the outlet pressure and the inlet pressure of a pump for a
specific gas.
- Concentration of molecules
The concentration of molecules is the number of molecules contained in an adequately chosen
volume divided by that volume.
- Conductance
The conductance is the conductance in the special case where the orifice or duct connects two
vessels on which Maxwellian velocity distribution prevails. In the case of molecular flow, the
intrinsic conductance is the product of the conductance of the inlet port of the duct section and the
transmission probability of the molecules. In this flow range, it is dependent of the pressure.
- Degassing
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Degassing is a desorption which is accelerate by physical processes.
- Desorption
Desorption is the liberation of gases sorbed by a sorbent material. The liberation can be spontaneous
or can be accelerate by physical processes.
- Diffusion
Gas diffusion is the movement of a gas in another medium due to its concentration gradient. The
medium may be gaseous, liquid or solid.
- Flow
Viscous flow
Viscous flow is the passage of a gas through a duct under conditions such that the mean free path is
very small in comparison with the smallest internal dimension of a cross section of the duct. The
flow is therefore dependent on the viscosity of the gas and may be laminar or turbulent. In the case
of viscous flow, the resistance is a function of the pressure.
Turbulent flow
Turbulent flow (eddy flow) is a viscous flow with mixing motion above a critical Reynolds number
(for circular cylindrical pipes Re = 2300).
Laminar flow
Laminar flow (parallel flow) is a viscous flow without mixing motion at small Reynolds numbers.
Molecular flow
Molecular flow is the passage of a gas through a duct under conditions such that the mean free path
is very large in comparison with the largest internal dimensions of a cross section of the duct. In the
case of molecular flow, the resistance is independent of the pressure.
- Vacuum
Vacuum is the state of a gas with the concentration of molecules being less than that of the
atmosphere at the earth surface.
Vacuum is the state of a gas with a pressure below atmospheric pressure, i.e. the air pressure
prevailing at the respective location.
The relationship between pressure p and concentration of molecules n (for ideal gases) is a follows:
p * V= NMolecule * k * T
k = 1.3807*10-23 JK-1 Boltzmann constant
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T = thermodynamic temperature
Vacuum ranges
mbar
Molecule Concentration
Low vacuum (GV)
1000-1
2.5*1025 – 2.5*1022 m-3
Medium vacuum (FV)
1 - 10-3
2.5*1022 – 2.5*1019 m-3
High vacuum (HV)
10-3 – 10-7
2.5*1019 – 2.5*1015 m-3
Ultra-high vacuum (UHV)
<10-7
<2.5*1015 m-3
The molecule concentrations refer to a temperature of 20°C.
- Vapor
Vapor is a substance in gas phase which is either in thermodynamic equilibrium with its liquid or
solid phase (saturated vapor).
Note: in vacuum technology, the word “gas” has been loosely applied to both the non-condensable
gas and the vapor, if a distribution is not required.
- Vapor pressure
Vapor pressure is the partial pressure of a vapor.
- Volume flow rate
The volume flow rate is the volume of gas passing through the duct cross-section in a given interval
of time at a specified temperature and pressure divided by that time.
- Volume flow rate
The volume flow rate S is the average volume flow from a standardized test dome through the cross
section of the pump’s intake port.
Unit’s for the volume flow rate are m3*s-1, l*s-1, m3*h-1.
- Water vapor capacity Cwo
The water vapor capacity is the maximum mass of water per unit of time which a vacuum pump can
continuously take in and discharge in the form of water vapor under ambient conditions of 20°C and
1013 mbar. It is given in g*h-1.
The relationship between water vapor capacity cwo and maximum tolerable water vapor inlet
pressure pwo is as follows:
cwo = 217 * S * pwo /T in g*h-1
S = volume flow rate, in m3*h-1, at inlet pressure pwo
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pwo = maximum tolerable water vapor inlet pressure, in mbar
T = thermodynamic temperature of the water vapor pumped, in K.
________________________
________________
Comentário: mais uma vez temos a oportunidade de nos depararmos com um conteúdo rico e
adequado ao estudo da tecnologia do vácuo. Os catálogos são uma fonte rica de informação e
auxiliar no ensino. Além de trazer o estado da arte no que se refere a instrumentação – certamente
para os catálogos atuais! –, eles também trazem muitas vezes resumos teóricos e princípios de
funcionamento de medidores e bombas de vácuo, e outros mais. Além dos livros, estudar com os
catálogos, verificando a instrumentação e como especificá-las certamente é um complemento
importante ao estudo de uma escola de tecnologia. Entender um catálogo, qualquer que seja a área
que o estudante futuramente irá abraçar, é um passo importante à sua vida profissional. Assim,
aproveite a oportunidade, mesmo que você não venha trabalhar com tecnologia do vácuo, aprenda
a transitar em um catálogo. Certamente você fará isto no futuro em sua área de atuação. Além de
tudo que dissemos, muitos catálogos estão escritos na língua inglesa, mais um bom motivo para
praticarmos esta língua. Os conceitos e definições tratados neste texto são importantes, pois estão
no centro da determinação de grandezas que devem ser encontradas para o projeto de sistemas de
vácuo e de suas aplicações. Os catálogos que vocês têm disponíveis seja na biblioteca seja no
Laboratório de Tecnologia do Vácuo – LTV são os mesmos em qualquer lugar no mundo. Assim,
junto com os livros, mãos à obra e também aos catálogos!
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ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 6
Medidores de Vácuo. Sensores Diretos e Indiretos de Pressão Total
No trabalho de um projetista de Tecnologia do Vácuo uma etapa importante é a determinação
e especificação dos instrumentos a serem utilizados no sistema de vácuo. Fazem parte: a
câmara de vácuo, as bombas de vácuo, os medidores de pressão, os componentes auxiliares, e
muitos outros. Para isto, devemos conhecer muito bem o princípio de funcionamento dos
vários instrumentos e componentes a serem comprados. Assim, devemos entre outros saber
medir a pressão em toda a faixa de operação do sistema de vácuo. Também devemos conhecer
bem os detalhes do processo em vácuo a fim de não expormos os sensores de pressão a
atmosferas contaminantes, ou ainda, explosivas ou corrosivas. Com relação aos sensores de
coluna de mercúrio, vemos que estes sensores, os mais antigos medidores de pressão, têm o seu
princípio determinado a partir das leis da mecânica. Este tipo de medidor de pressão coloca
muito claramente a questão do que significa medir a pressão a partir da sua definição, que é a
força agindo em uma área. Além do aspecto instrutivo, este tipo de sensor é bastante usado em
metrologia de pressão, uma vez que pelo fato de depender de aspectos da mecânica, e não
depender do tipo do gás, o torna indicado na metrologia. Além desse medidor, estudaremos o
sensor Pirani e o termopar, baseados na condução térmica dos gases. O medidor Pirani é
extensamente utilizado na medição de pré-vácuo. O sensor de membrana capacitava é um
medidor também baseado em princípios mecânicos, apesar dessa medição mecânica ser feita
por procedimento elétrico. Os sensores de medição Penning, ou catodo frio e o sensor BayardAlpert, ou catodo quente, têm a medição de pressão em alto-vácuo baseado na condução
elétrica dos gases e vapores. Neste roteiro o assunto é a medição de pressão no seu sentido
mais amplo, que são os seus princípios físicos, o princípio de funcionamento dos sensores e a
sua utilização. Também devemos ter claro os limites de operação dos sensores. Como ponto de
partida conhecer se o processo de medição é direto ou indireto. Levar em consideração a sua
instalação no sistema de vácuo, observando o efeito da condutância da conexão do sensor a
parte em que está sendo feita a medição de pressão. Veja mais uma vez nos deparamos com o
conceito de condutância. Este é um aspecto marcante da tecnologia do vácuo, a condutância
sempre estará presente. Como exemplo, considere que o tubo de conexão do sensor devem ter
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o seu diâmetro e seu comprimento observado, caso contrário corremos o risco de ter a
medição de pressão adulterada. Do mesmo modo devemos observar os campos magnéticos e
elétricos e a temperatura circunstante ao sensor de vácuo. Finalmente, mais uma
consideração, não podemos nos distanciar da calibração dos sensores, aspecto tão importante
no mundo industrial, uma vez que os certificados de qualidade exigem esta observação.
1. Explique a lei de Dalton; como relacionar as pressões parciais com a pressão total? A lei de
Dalton é obvia? Ela tem validade geral ou depende da suposição básica do conceito de gases
perfeitos?
2. O que são sensores diretos ou absolutos e indiretos? Exemplifique, exibindo uma lista de ambos
os tipos de sensores. Fale em detalhe.
3. Por que em um manômetro de coluna de mercúrio a área transversal do tubo da coluna não
intervém nos cálculos? Explique detalhadamente este manômetro, o seu equacionamento responde a
maioria das perguntas que fazemos sobre ele. Ele expõe como nenhum outro medidor de pressão o
processo físico de medição de pressão. Ele é ainda usado, inclusive como padrão primário de
medição de pressão. Temos aqui a oportunidade de construir um modelo físico simples e profundo.
4. Comente sobre a posição de instalação de medidores de vácuo junto à câmara de vácuo
mostrada abaixo em conjunto com as bombas de vácuo e os seus componentes auxiliares.
Sistema de Alto-Vácuo mostrando a câmara de vácuo, a linha de bombeamento e a conexão às
bombas de vácuo. Vemos ainda o sistema de injeção de gases – que estudaremos mais à frente.
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Dentro da mesma questão, diga qual o princípio de funcionamento do sensor de vácuo tipo
membrana capacitava. Diga quais são as situações mais indicadas para o seu uso e fale dos cuidados
com esse tipo de sensor.
5. Dentro da questão referente a classificação dos sensores de vácuo, veja a relação abaixo e diaga
quais são os diretos e indiretos. Vá aos catálogos e veja os sensores comercializados e como são
apresentados.
Gráfico esquemático mostrando os medidores de vácuo mais comuns e a sua faixa de operação.
6. O que é condutividade térmica dos gases? Em que faixa de pressão ela é importante? Explique
o medidor Pirani.
Obs.: Esta é uma questão para uma pesquisa mais detida. Veja em nossa biblioteca o livro A User´s
Guide to Vacuum Technology, John O´Hanlon.Há muitos outros que expõem bem o funcionamento
dos medidores de vácuo.
7. Explique o princípio de funcionamento dos manômetros de ionização do tipo Penning ou
também chamado de catodo frio e Bayard – Alpert ou também chamado de catodo quente.
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8. Discuta a instalação dos medidores nos circuitos de vácuo mostrados abaixo. Descreva as
preocupações e cuidados na instalação dos medidores. Comente os possíveis riscos que podem
correr o medidores de vácuo. Faça comentário sobre a escolha de medidores dependendo do tipo de
atmosfera presente na câmara de vácuo. Faça passo a passo um descritivo da manutenção preventiva
que os medidores precisam ter periodicamente.
Sistema de Vácuo 1
Sistema de Vácuo 2
Sistema de Vácuo 3
Diagramas esquemáticos mostrando alguns tipos de sistemas de vácuo.
Comentário: nesta altura do curso, começamos a estudar a instrumentação utilizada na medição de
baixas pressões. Procure ver nos catálogos os sensores estudado;, como são disponíveis no
mercado. Um ponto importante e algumas vezes difícil no projeto dos sistemas de vácuo é a
escolha da instrumentação necessária. Além de considerações técnicas entram em jogo o
entendimento do processo em questão sendo realizado em vácuo, uma vez que ele poderá
determinar a escolha dos medidores. Por exemplo, em sistemas de vácuo com atmosfera de vapor
de óleo certamente influenciará a medição de pressão se feita com sensores Pirani. Devemos saber
o princípio de funcionamento dos medidores para chegarmos a esta conclusão. Da mesma forma
que certos medidores são proibitivos em atmosferas explosivas. O entendimento do princípio de
funcionamento é fundamental. Além disso, a instalação no que se refere a sua posição, ruídos
elétricos ou magnéticos próximos, e outras considerações devem ser observadas. Os sensores de
vácuo são caros e devemos ter uma atenção especial neste caso.Também devemos estar atentos ao
aspecto da calibração dos medidores, hoje este assunto está na ordem do dia. O motivo principal é
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que faz parte de um importante requisito para a obtenção de certificados de qualidade.Estes tão em
voga e tão cobiçados pela empresas na atualidade.
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ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 7
Materiais Utilizados na Construção de Sistemas de Vácuo.
Critérios e Requisitos na sua Escolha.
No trabalho dos projetistas da área de tecnologia do vácuo uma etapa importante é a escolha
de materiais a serem usados na construção do sistema de vácuo. Existem vários materiais que
são consagrados na construção desses sistemas, que do ponto de vista estrutural, ou ainda, dos
seus internos, vedações, passadores de tensão e corrente, etc. Este é um assunto extenso em
tecnologia do vácuo e igualmente importante. Muitos tipos de sistemas de vácuo têm a
especificação dos materiais como um assunto bem resolvido. No entanto, muitos outros,
principalmente aqueles voltados à tecnologia de aceleradores de partículas, válvulas
eletrônicas de potência, microeletrônica, e outros relacionados à alta tecnologia têm esse
assunto cada vez mais pesquisado. Fazem parte da escolha dos materiais, não somente a
câmara de vácuo, mas também na construção das bombas de vácuo, dos medidores de
pressão, dos componentes auxiliares, e outros. Para isto, devemos conhecer muito bem o
comportamento desses materiais em baixas pressões, ainda, não podemos nos esquecer da
pressão de vapor desses materiais. Assim, devemos sempre consultar as tabelas e os manuais
de vácuo sobre os materiais, caso não conste, precisamos chegar ao ponto de medir por
exemplo a taxa de degaseificação dos materiais e junto disso nos preocuparmos com os
processos de limpeza e de condicionamento. Devemos também ter sempre presente o fato dos
materiais precisarem ser usinados e soldados. Esses assuntos não podem passar despercebidos
pelos projetistas de sistemas de vácuo. Sempre devemos ter presente o fato de os projetos
existirem não somente no papel, mas devem ser tornados uma realidade. Para isso, temos que
ter em mente que além das propostas dos materiais a serem usados na construção de sistemas
de vácuo, também os processos construtivos devem ser de possível execução.
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1. Do ponto de vista estrutural, quais são as preocupações que devemos ter na escolha dos
materiais utilizados na construção de sistemas de vácuo?
Obs: não se esqueça que a pressão atmosférica, ao nível do ar, exerce uma força de
aproximadamente 10 toneladas-força (aproximadamente 100.000 N) para cada metro quadrado de
área.
2. No que refere-se a fontes de gases e pressão final, quais os requisitos a serem satisfeitos pelos
materiais expostos ao vácuo, principalmente pressões abaixo de 10-6 mbar? Ainda, e para os
sistemas de ultra alto-vácuo que devem ser aquecidos até 300 oC?
3. Agora, análise a questão do emprego dos materiais utilizados em tecnologia do vácuo para o
sistema de alto-vácuo mostrado abaixo. O sistema de alto-vácuo a seguir é uma metalizadora de
faróis. Comente também os aspectos construtivos gerais do sistema de vácuo, ou seja, vedações,
soldagem, usinagem, etc.
Sistema de alto-vácuo para metalização de faróis. Empresa fabricante PV-PrestVácuo Ltda.
Podemos aproveitar esta mesma figura e identificar os sensores de vácuo, discutindo os lugares
onde foram instalados. Temos também a oportunidade de identificar com uma inspeção visual, os
diâmetros dos tubos referentes ao circuito de bombeamento de pré-vácuo e o do alto-vácuo. Vemos
claramente a diferença entre seus diâmetros. Mais uma vez temos o conceito de condutância
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impondo a sua importância em casos reais. Isto é decisivo para o bom desempenho dos sistemas de
vácuo. Ele precisam funcionar e operar em tempos que sejam economicamente viáveis. Podemos
também, futuramente, identificar as bombas de vácuo e os componentes auxiliares deste importante
sistema de vácuo. Podemos agora tentar focar nossa atenção ao aspecto da manutenção. Veja que o
sistema de vácuo mostrado acima tem suas partes bem acessíveis, isso facilita as manutenções tanto
preventiva como corretiva.
4. Agora, análise a questão do emprego dos materiais utilizados em tecnologia do vácuo do ponto
de vista da usinabilidade, soldabilidade e possibilidade de vedação.
5. Em seguida mostramos um sistema de alto-vácuo que está em construção. Nesta fotografia
podemos ver o tamanho das flanges comparadas ao tamanho da própria câmara de vácuo. Isto é
devido ao fato de precisarmos de acesso à câmara de vácuo e também alta velocidade efetiva de
bombeamento.
Sistema de alto-vácuo em construção. Podemos ver a câmara de vácuo (à direita) e também a
tubulação (à esquerda) que serão conectadas a válvula de alto-vácuo e a bomba difusora. Empresa
PV-PrestVácuo Ltda.
Continuando a questão. Este último requisito impõe alta condutância na linha de bombeamento.
Veja que mais uma vez nos deparamos com o conceito relativo à condutância. Este sistema
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apresenta expostas a questão do emprego dos materiais utilizados em tecnologia do vácuo e também
na usinabilidade, soldabilidade e possibilidade de vedação.
Veja que os aspectos mecânicos relativos à resistência estrutural do sistema de vácuo nunca pode
ser perdido. Como mencionamos, o carregamento mecânico que a pressão atmosférica impõe às
câmaras de vácuo e às outras partes também é muito intenso. Sob pena de ocorrer um sério
problema estrutural com a câmara de vácuo, devemos fazer um cálculo estrutural das partes do
sistemas de vácuo.
Comentário: Este assunto é muito extenso e demandaria um tempo muito maior do que dispomos,
não obstante, podemos e devemos discutir os aspectos mínimos necessários para a construção de
sistemas de vácuo. Considerando o propósito básico da disciplina de tecnologia do vácuo, que é a
introdução à área, podemos dizer que o apresentado sobre o assunto é suficiente. Como em todas
as situações ligadas ao aprendizado, qualquer que seja seu grau de aprofundamento, temos que
considerar um certo nível a ser imposto e esperamos que seja atingido. No caso em questão é
importante que o estudante tome consciência de que o assunto referente à escolha dos materiais,
processos construtivos, tanto na usinagem como na soldagem, são fundamentais para o sucesso e
concretização do projeto do sistema de vácuo. Para um aprofundamento há literatura disponível
muito boa, por exemplo, o estudante pode consultar os seguintes livros: Vacuum Technology, de
Alexander Roth e A User´s Guide To Vacuum Technology de John O´Hanlon, além do nosso livro
texto e ainda outros, inclusive dos textos em formato eletrônico. Além da escolha adequada dos
materiais construtivos temos que nos ater também à escolha dos materiais, por exemplo, para as
vedações. Em seguida, do ponto de vista de desempenho de sistemas de vácuo, devemos considerar
os processos de limpeza e condicionamento dos sistemas de vácuo. Veja que a pressão final é
função da velocidade efetiva de bombeamento mas também da taxa de degaseificação total da
câmara de vácuo. Assim, por melhor que seja o material usado na fabricação da câmara de vácuo,
o contato do vácuo com a câmara de vácuo se dá pela sua superfície, assim, esta superfície precisa
receber o tratamento adequado. Este é um dos assuntos mais importantes da área de tecnologia do
vácuo, e é determinante e crucial para muitos sistemas de vácuo .
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 8
Bombas de Vácuo
Um
bom entendimento do princípio de funcionamento das bombas de vácuo é muito
importante e um bom começo para um projeto de vácuo de sucesso. Devemos ter presente a
faixa de pressão de trabalho do processo em vácuo, os gases que participarão deste processo, o
tipo de sistema de vácuo para conhecermos bem as características marcantes que devem ter o
processo de bombeamento, a possibilidade de manutenção das bombas de vácuo, e outros. A
experiência profissional aliada às consultas junto às empresas de equipamentos, em geral,
trazem bons frutos e um desfecho adequado ao projeto. Temos dois tipos básicos de maneira
de bombeamento de gases e vapores. Uma delas é a partir do deslocamento mecânico de
partes da bomba de vácuo que se dá o bombeamento. Por exemplo, o deslocamento de um
pistão em um êmbolo faz com que parte dos gases ocupem um determinado volume e assim,
posteriormente possam expulsos deste êmbolo. Este princípio é utilizado pelas bombas
mecânica de palhetas de um ou dois estágios, roots, de pistão. Ainda, devido a ação mecânica
de parte de uma bomba de vácuo, ocorra o deslocamento dos gases devido a transferência de
momento linear dos átomos e moléculas que formam o gás. Este último caso ocorre com as
bombas difusora, booster de vapor, turbomolecular. Neste tipo de bomba de vácuo, por
deslocamento de gases, estes gases ou vapores são transferidos ou para fora do sistema de
vácuo ou para outra bomba de vácuo. Em princípio estas bombas de vácuo podem funcionar
continuamente. Em contrapartida a este tipo de processo de bombeamento, temos como outro
modo de ocorrer o processo de bombeamento o aprisionamento de partículas. Neste tipo de
bomba de vácuo as partículas não são expulsas para fora do sistema de vácuo, mas ficam
aprisionadas em uma superfície dentro da bomba de vácuo. O processo de aprisionamento
tem duas origens possíveis: ligação por forças de Van der Waals, no caso, adsorção física.
Como por exemplo ocorre na condensação de vapores ou gases em uma superfície fria ou
gelada, vemos este efeito em nosso cotidiano, por exemplo quando um copo de água gelada é
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colocado em uma mesa e pouco tempo depois uma quantidade de água fora do copo condensase em torno dele, ou seja, na parede externa do copo. Este processo é um bombeamento de
vapor, pois parte da água da atmosfera que estava exercendo pressão agora não estará mais,
pois ficou condensado em torno do copo. A bomba criogênica tem o seu princípio de
funcionamento baseado neste efeito. No caso de um pedaço de ferro que acabou de ser serrado
ou limado, temos que alguns dias depois aparece uma oxidação em sua superfície, é o que
chamamos de “ferrugem”. Este também é um processo de bombeamento. Pois parte do
oxigênio da atmosfera fica agora no produto da oxidação com o ferro. Veja que o produto da
oxidação, que é uma reação química bastante estável, está no estado sólido. Assim, a pressão
parcial do oxigênio irá diminuir. Vemos abaixo um gráfico com uma classificação das bombas
de vácuo conforme o seu mecanismo básico de bombeamento.
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Apesar de vermos uma série de possibilidades de bombas de vácuo, na realidade, somente
uma parte vista acima vingou comercialmente. As principais bombas de vácuo são: mecânica
de palhetas de simples e duplo estágios, pistão, scroll, roots, difusora, injetora de vapor,
turbomolecular, turbomolecular-drag, sorpção, sublimação de titânio, getter, iônica e
criogênica.
1. Explique os dois grandes grupos de bombas de vácuo, ou seja, bombas de deslocamento de
gases e de aprisionamento de gases. Explique fisicamente à luz da hipótese atômica da matéria.
Considere as forças de interação entre as partículas para explicar o processo de bombeamento dos
gases e vapores pelo processo de aprisionamento.
Bomba de vácuo fundamental baseada no deslocamento dos gases e vapores.
Bomba de vácuo fundamental baseada no aprisionamento .
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2. Explique o princípio de funcionamento das seguintes bombas de vácuo, exiba a faixa de
trabalho (em pressão) de cada uma delas. Ainda, diga as principais características de cada bomba de
vácuo e tente comparar estas característica entre as várias bombas de vácuo:
- Bomba mecânica de palhetas;
- bomba roots,
- bomba difusora,
- bomba turbomolecular,
- bomba de sorpção,
- bomba criogênica,
- bomba de sublimação,
- bomba iônica.
3. Sabemos que há bombas de vácuo que precisam trabalhar com outras bombas, por exemplo, a
bomba difusora precisa trabalhar com uma bomba mecânica. Qual o critério para dimensionamento
das bombas mecânicas, uma vez conhecida a velocidade de bombeamento das bombas de alto –
vácuo?
4. O que é taxa de compressão? O que este número nos mostra? Esta grandeza depende do tipo de
gás? Este conceito é fundamental, por exemplo, na bomba de vácuo roots, sendo esta bomba muito
utilizada nos processos industriais que têm muita quantidade de gás a ser bombeada.
5. Nas bombas de vácuo mecânica de palhetas de um ou dois estágios explique o papel da
condensação dos vapores no processo de bombeamento e o efeito do gas ballast.
6. No sistema de vácuo mostrado abaixo, usado para o tratamento de óleo de transformadores,
identifique as várias partes importantes dele, ou seja, a câmara de vácuo de processo, as bombas de
vácuo, a linha de bombeamento de gases, e as outras partes. Certamente a figura mostrada abaixo
não deixa muito claro quais instrumentos e peças fazem parte do equipamento. Este tipo de
equipamento de vácuo é levado às subestações de distribuição de eletricidade para fazer o trabalho
de manutenção em transformadores de alta potência. Assim, um dos motivos para o equipamento ser
compacto é o fato de ser possível de transportá-lo a longa distância, em geral, por meio de um
caminhão apropriado. Mesmo ele sendo compacto a fotografia mostra claramente que podemos
identificar à sua direita as bombas de vácuo mecânica e a roots (a bomba mecânica na parte de
baixo e logo em cima dela a bomba roots). O circuito de vácuo mostrado em seguida a fotografia
exibe claramente as partes do sistema de tratamento de óleo de transformadores.
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Sistema de vácuo para tratamento de óleo de transformadores elétricos de potência. Vemos a câmara
de vácuo, as bombas de vácuo, a linha de bombeamento e ainda partes relativas ao sistema de
circulação de óleo para uma maior eficiência na remoção de umidade.
Além dessa fotografia, na qual podemos ver inúmeras peças, que nem todas fazem parte do sistema
de vácuo. No diagrama a seguir vemos o circuito de vácuo para o tratamento do óleo do
transformador e também o circuito de circulação do óleo para uma mais eficiente remoção de
umidade. Se deixássemos o óleo parado, a remoção da umidade por meio do vácuo seria muito
demorada, devido a dificuldade das moléculas de água precisarem percorrer toda extensão do
tanque de óleo até chegar à superfície e ter a chance de ser bombeada. Mais uma vez vemos a
importância do conceito da condutância. Por isso agitamos o óleo para ficar mais fácil a exposição
da umidade à superfície a baixa pressão e em seguida a possibilidade do bombeamento. Podemos
identificar, grosso modo, três partes do sistema de tratamento de óleo: o sistema de vácuo (à
esquerda), a câmara de vácuo com o óleo (quase no centro) e o circuito hidráulico para entrada,
circulação e saída do óleo (à direita).
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Circuito geral de vácuo e de óleo do sistema de tratamento de óleo isolante de transformadores
elétricos de potência assistido a vácuo.
Comentário: Esta lista é tão importante como trabalhosa. Com ela vemos cada vez mais que
estamos tomando contato com a instrumentação da área da tecnologia do vácuo. As bombas de
vácuo são responsáveis pela remoção dos gases e vapores da câmara de vácuo, mas veja os átomos
e moléculas precisam chegar às bombas de vácuo! Vemos também, como mencionado em várias
oportunidades, que os conceitos básicos são fundamentais para podermos entender o princípio de
funcionamento das bombas de vácuo. Temos vários livros sobre este assunto em nossa biblioteca e
há também os catálogos, que acompanhados dos livros são um complemento ao assunto.
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Componentes Auxiliares dos Sistemas de Vácuo.
Os componentes auxiliares dos sistemas de vácuo, apesar de serem qualificados de
auxiliares, desempenham papel importante na tecnologia do vácuo. O nome auxiliar de forma
alguma deve ser entendido como sendo de menor importância. Componentes auxiliares
significam que eles não são aqueles para fazer o vácuo, estes são as bombas de vácuo, também
não para medir o vácuo, estes são os sensores, e assim por diante. Significa que são partes do
sistemas de vácuo que auxiliam o nosso acesso ao sistema de vácuo, introduzindo válvulas,
passadores de tensão e corrente, além de fluidos refrigerantes, também são os tubos e
conexões em geral. Temos também as flanges, vedações, os filtros e uma série e outros
dispositivos e peças que tornam o sistema de vácuo mais acessível, seguro e confiável. Em
geral, são peças que trazem uma melhoria na “qualidade” do acesso ao sistema de vácuo
construído, e também faz com que possamos ligar as várias partes que compõem o sistema de
vácuo. Temos que ter em mente que os sistemas de vácuo em geral são caros, assim, a escolha
de um determinado componente auxiliar deve ser da mesma qualidade das partes principais.
Basta uma peça que compõe um componente de má qualidade para poder comprometer todo
o desempenho do sistema de vácuo. Devemos sempre nos certificar da faixa de temperatura de
operação do sistema de vácuo. No caso de temperaturas altas devemos ter atenção no que se
refere as vedações e a utilização de elastanos, borrachas, óleos e graxas em geral no sistema de
vácuo. Também devemos considerar a utilização da cerâmica em vez do vidro dependendo da
temperatura. Devemos ficar atentos para o fato de que o aumento da temperatura reduz a
resistência dos metais. Assim, no cálculo estrutural da câmara de vácuo devemos considerar
na temperatura de trabalho aquela que produz as menores resistências dos materiais
empregados.
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1.
Exiba os principais tipos de flange existentes na área da tecnologia do vácuo. Fale sobre o
processo de vedação. Quais as suas aplicações na área.
Desenho de um sistema de alto-vácuo com bomba difusora e anteparo. Vemos os componentes
auxiliares tanto da parte de alto-vácuo como da parte de pré-vacuo.
2.
O que são e como funcionam os seguintes componentes:
- Filtro para bombas mecânicas;
- Anteparo e armadilha para bombas difusoras.
Como estes conectam-se às bombas de vácuo, ou seja, qual a posição no circuito de bombeamento.
3.
Quais os principais tipos de válvulas de vácuo. Pesquise nos catálogos e diga as faixas de
trabalho (em pressão) e os critérios de escolha. Verifique os preços.
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4. Discuta sobre os vários componentes auxiliares que você identifica no sistema de alto-vácuo
mostrado abaixo. Aproveite a oportunidade e aponte e diga quais são as bombas de vácuo do
circuito. Também fale sobre as flanges e vedações.
Sistema de alto-vácuo mostrando a câmara de vácuo aberta e alguns dos seus internos, a linha de
bombeamento e as bombas de vácuo.
5. Veja nos catálogos os passadores de tensão e corrente . Veja também os passadores de fluidos. O
catálogo da MDC é muito bom para esse assunto e em geral dos componentes auxiliares.
6. No desenho seguinte vemos um circuito de vácuo construído para o bombeamento de gases e
vapores voltados à remoção de umidade de transformadores elétricos de alta tensão. Isto se faz
necessário para que o transformadores possam operar com altas tensões elétricas. Vemos que além
da bombas de vácuo roots e mecânica de palhetas temos condensadores, que também são bombas de
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vácuo para vapores. Identifique as bombas de vácuo, condensadores e todos os componentes
auxiliares envolvidos no módulo de bombeamento.
Sistema de pré-vácuo de alta velocidade de bombeamento para gases e vapores. Vemos os vários
componentes auxiliares necessários para um eficiente funcionamento do módulo de bombeamento.
Comentário: Apesar de os livros trazerem este tópico, veja nos catálogos maiores informações
sobre o processo de bombeamento de vapores. Certamente você deverá fazer uma pesquisa, sendo
uma boa oportunidade de pesquisar na rede eletrônica. Procure ver os sistemas de secagem de
transformadores de potência.
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Sistemas de Vácuo de Aplicação Geral e sua Operação
Devemos certamente conhecer bem as várias partes que compõem os sistemas de vácuo, que
são: as bombas de vácuo, os medidores de vácuo, as flanges, as válvulas, passadores de tensão
e corrente, etc. Mas, o todo é mais que a soma das partes, muito mais. Com isso queremos
dizer que precisamos saber integrar as várias partes para formar o sistema de vácuo.
Deveremos ter claro se determinados componentes auxiliares serão mesmo necessários para
formar o conjunto, pois veja, como estudante não estamos preocupados se um determinado
projeto será caro ou barato de ser realizado. Mas na vida profissional, na vida de fato, um
projeto de verdade, de sucesso, somente tem sentido se for possível realizá-lo com os recursos
disponíveis. Em geral é possível fazer um projeto sabendo-se de antemão os recursos
disponíveis, isto faz com que o projetista tenha uma participação mais atuante e realística.
Principalmente se os recursos não são poucos. Certamente há limites, por exemplo, um
módulo de bombeamento com bomba turbomolecular com uns 500 litros/segundo de
velocidade de bombeamento custa uns US$ 20.000. Assim, além de nos envolvermos com os
cálculos do sistema de vácuo, isto é, cálculo estrutural da câmara de vácuo e das outras partes,
cálculo da quantidade de gás envolvida no processo a ser realizado em vácuo e os outros gases
envolvidos. Também, calcular a velocidade de bombeamento das bombas de vácuo necessárias
para poder atingir a pressão de operação do sistema de vácuo, deveremos nos envolver com a
especificação da instrumentação necessária e para isso certamente nos interessará saber os
preços dos vários componentes, desde a câmara de vácuo, até os componentes mais simples.
Os sistemas de vácuo são muito diferentes entre si, assim um sistema de vácuo para
empacotamento de alimentos a vácuo é bem diferente de um sistema de vácuo para um
microscópio eletrônico. Os seu projetos também são muito diferentes entre si. Assim, para um
sistema de vácuo de um microscópio eletrônico a questão referente a pressão final na região
do início do ultra alto-vácuo de estar presente, desta forma deveremos levar em conta a
degaseificação, isto é algo que não ocorrerá com o sistema de vácuo para empacotamento de
alimentos. Por outro lado, neste último caso será altamente dependente o sistema de vácuo do
seu desempenho junto ao bombeamento de vapor de d’água.
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1.
Descreva o sistema de vácuo esquematizado abaixo. Veja que foi feito um teste de vazamento
no sistema de alto-vácuo, tendo como bomba de alto-vácuo uma bomba difusora. Depois do teste de
vazamentos, cujo detetor de vazamentos, com gabinete branco, é mostrado à direita do sistema de
vácuo. Como podemos colocar em operação este sistema de vácuo? Discuta sobre o tempo que a
bomba difusora pode ficar sem bombeamento de pré-vácuo enquanto a bomba difusora estiver
isolada da câmara de vácuo. Esta questão é uma boa oportunidade para recordar as características
principais da importante bomba de vácuo difusora. Faça em detalhe passo a passo um descritivo de
sua operação. Este circuito de vácuo usaremos ao falarmos de detecção de vazamentos.
Sistema de alto-vácuo com bomba difusora. Mostrada também a bomba de pré-vácuo e os
componentes auxiliares.
2.
Discuta a operação dos seguintes sistemas de vácuo esquematizados a seguir. Vemos quatro
circuitos de vácuo. No sistema de vácuo 1 temos uma bomba turbomolecular. O sistema de vácuo 2
mostra um sistema de pré-vácuo com apenas uma bomba mecânica. Vemos neste sistema de vácuo a
possibilidade de injeção de gases de processo. No sistema de vácuo 3 temos um sistema de altovácuo com bomba difusora sem anteparo e armadilha gelada. Finalmente, no sistema de vácuo 4
temos um sistema de pré-vácuo com bomba roots . Diga passo a passo como operamos estes
sistemas de vácuo. Diga também como devemos proceder para desligar as bombas de vácuo. Fale
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sobre os cuidados relativos à manutenção preventiva e ao procedimento caso a pressão de trabalho
não seja atingida. Como podemos fazer testes simples. Ainda, ao receber os sistemas de vácuo, eles
novos, como podemos levantar as curvas de pressão final e seus tempos de operação. Discuta as
questões.
Sistema de Vácuo 1
Sistema de Vácuo 2
Continuando, considere as mesmas questões para os circuitos de vácuo mostrados a seguir.
Sistema de Vácuo 3
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Sistema de Vácuo 4
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3.
Agora o circuito de alto-vácuo mostrado abaixo, com bomba turbomolecular, como operá-lo?
Quais os cuidados no que refere-se à contaminação?
Sistema de alto-vácuo com bomba turbomolecular e mostrando ainda a bomba de pré-vácuo, a
câmara de vácuo e os componentes auxiliares.
Agora, usando vedações com material VITONTM, qual a temperatura máxima? Diga o que deveria
ser feito se as vedações a serem utilizadas fossem do tipo metálico, digamos flanges ConflatTM.
4.
No sistema de vácuo mostrado abaixo, é possível identifica a câmara de vácuo ao fundo e em
primeiro plano a bomba de alto-vácuo difusora com sua válvula tipo prato acima dela. Vemos as
bombas de pré-vácuo à direita na fotografia. Identifique os vários componentes auxiliares possíveis
de serem vistos e diga quais bombas de pré-vácuo você consegue identificar. Você consegue
identificar o sistema de vácuo como um todo. Faça um esquema do circuito de vácuo deste sistema.
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Sistema de alto-vácuo com bomba difusora e mostrando ainda as bombas de pré-vácuo, a câmara de
vácuo ao fundo e vários componentes auxiliares.
Ainda dentro desta questão. Vale a pena retomarmos os conceitos relativos ao processo de
bombeamento de gases e vapores em vácuo. Conforme esquema mostrado abaixo, exiba as
equações relevantes para a determinação das fontes gasosas e velocidades de bombeamento e
condutância. Discuta o assunto em detalhe.
Esquema geral de um sistema de vácuo.
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Comentário: Temos a oportunidade de verificar quase todos os assuntos e instrumentos vistos no
curso. Essa lista é de máxima importância, pois estamos ”juntando” as partes, estamos entrando
no mundo de fato. Deposite muito carinho e empenho nesta lista. Quando falamos de construção de
modelos para tratar sistemas físicos voltados à tecnologia tínhamos em mente considerar o cálculo
de sistemas de vácuo como estes. Veremos em roteiros futuros como poderemos fazer para alguns
casos de interesse modelos factíveis e obter resultados de forma simples e confiáveis.
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 11
Sistemas de Vácuo para Altas Vazões e Gases Corrosivos
Com a crescente aplicação da tecnologia do vácuo em processos industriais, as questões
referentes ao bombeamento de altas quantidades de gases e principalmente vapores, em
especial o vapor d´água, têm estado na pauta dos grandes desenvolvimentos em tecnologia do
vácuo. Temos também os sistemas de vácuo que precisam operar em atmosferas corrosivas e
com gases explosivos. Nestes casos os sistemas de vácuo devem incorporar aspectos e
particularidades capazes de enfrentar estas situações adversas e incomuns para a maioria dos
sistemas de vácuo tradicionais. Nesta disciplina de tecnologia do vácuo não iremos aprofundar
esta questão, apenas iremos considerar algumas situações comumente encontradas no que se
refere ao bombeamento de vapor d´água, uma vez que atividades em ramos da indústria de
alimentos, fármacos e outras correlatas usam muito a tecnologia do vácuo com bombeamento
de muitos tipos de vapores. Com relação ao bombeamento de gases corrosivos e explosivos
temos a importantíssima indústria de microeletrônica. Esta indústria está sendo uma grande
propulsora da tecnologia do vácuo, como foram as atividades de aceleradores de partículas e
máquinas para o estudo da fusão nuclear controlada nas décadas de 70 e 80 do século XX.
Muitos equipamentos especiais, bombas de vácuo, medidores de pressão e fluxo de gases e
vapores têm sido desenvolvidos para atender a indústria de microeletrônica. Além dos
equipamentos específicos de vácuo uma atenção especial tem sido dada ao tratamento dos
gases e vapores após o seu consumo nos reatores de processos assistidos a vácuo. Neste caso
temos os lavadores de gases e vapores, os chamados scrubbers. Fundamentais para tornar
inócuos os gases e vapores após a sua utilização. Cabe mencionar que grande parte das
bombas de pré-vácuo tem operando junto a elas uma unidade de trabalho em linha do seu
óleo de operação. Estas unidades são fundamentais para manter operando as bombas de prévácuo em atmosfera altamente corrosiva.
As questões que seguem devem ser respondidas consultando o excelente livro High Vacuum
Production in Microelectronics Industry de Pierre Duval, disponível em nossa biblioteca. Os
estudantes também podem consultar os catálogos dos sistemas de vácuo especiais, as revistas
especializadas Semiconductor International e Solid States Technology. Em particular estas duas
últimas publicações são bastante interessantes também para sistemas de vácuo convencionais, uma
vez que trazem muitas informações bastante atualizadas.
1.
O que é e como funciona um “scrubber”? Como conectá-lo ao sistema de vácuo?
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2.
Digamos que devemos operar um sistema de vácuo em região de 10-4mbar. Como você pensaria
na questão: Utilizaria Bomba Turbomolecular ou Bomba Roots?
3.
Veja o sistema de vácuo mostrado abaixo, na verdade dois sistemas de vácuo, um à direita e o
outro à esquerda do diagrama. Descreva estes sistemas de vácuo dando atenção especial ao circuito
de injeção de gases e vapores e a sua exaustão segura. Note a instalação do lavador de gases e
vapores. Veja também os medidores de pressão.
Sistema de vácuo utilizado na indústria de microeletrônica.
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4. Veja o diagrama bastante simplificado do sistema de vácuo mostrado abaixo. Este sistema de
vácuo deve bombear tanto gases e vapores, sendo muito importante para a qualidade do processo
uma baixa quantidade de vapores. Assim, responda: Por que o circuito de vácuo da esquerda não é
recomendado enquanto o circuito de vácuo da direita é recomendado. Mais uma vez vemos o
conceito da condutância assumindo um papel central junto com o conceito de condensação de
vapores.
Sistema de vácuo para bombeamento de gases e vapores eficientemente bombeados.
Comentário: Com o advento da indústria de microeletrônica, o assunto tratado neste roteiro está
entre os sistemas de vácuo mais importantes e que têm movimentado o desenvolvimento desta
tecnologia. Além de ser também bastante utilizado muitos dos desenvolvimentos na indústria de
fármacos, alimentos e outras relacionadas com a biotecnologia e correlato.
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ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 12
Sensores de Pressão Parcial e Análise de Gases Residuais
Nos processo tecnológicos atuais cada vez mais o controle das variáveis envolvidas são de
importância crescente. Desta forma, os instrumentos de análise estão cada vez mais
sofisticados e precisos. Para um proveito à altura da sofisticação, devemos saber operá-los e
interpretar os dados extraídos deles, para tanto, de partida um conhecimento do seu princípio
do funcionamento é fundamental. Verificamos que em muitos processos que ocorrem em
vácuo o valor da pressão é fundamental, ou melhor, a faixa de pressão. Em tecnologia do
vácuo, o valor da pressão nem sempre tem importância central, na maior parte das aplicações
o conhecimento da ordem de grandeza é o suficiente. Em muitos processos assistidos a vácuo,
além do valor da pressão total, temos a necessidade do conhecimento dos tipos de gases
presentes no sistema de vácuo. Por exemplo, pode ocorrer que para um determinado processo
o valor de pressão atingido na câmara de vácuo é suficiente para a realização dele, mas uma
análise mais profunda mostra que os níveis de pressão parcial de água é excessivo para tal
processo. Neste sentido precisaremos de uma instrumentação adequada para fazer a análise
dos tipos de gases e vapores presentes na câmara de vácuo. Este tipo de procedimento é
crucial para uma série de aplicações e processos em vácuo. Em linhas gerais o princípio físico
é bastante simples para poder fazer a separação das moléculas e assim determinar qualitativa
e quantitativamente a presença delas. Em linhas gerais a idéia é ionizarmos os átomos e
moléculas que estamos detectar e quantificar a sua presença e em seguida acelerar estas
partículas por uma combinação de campos elétricos e magnéticos. A física envolvida é simples
e acabaremos por encontrar uma relação carga-massa para as partículas com uma
determinada órbita a ser satisfeita. Veja que falamos da relação carga-massa, esta é uma
limitação intrínseca ao processo de seleção de partículas por meio de uma combinação de
campos elétricos e magnéticos, expliquemos com mais detalhe. Seja um átomo de hidrogênio,
se ele for ionizado, sua relação carga-massa será 1 para 1. Estamos adotando estas unidades
tanto de carga como de massa. Se agora tivermos uma molécula de hidrogênio – H2 – e
tivermos dupla ionização a relação carga-massa será 2 para 2 que o mesmo 1 para 1. Desta
forma, este método de separação não conseguirá separar as duas situações. Apesar desta
limitação, intrínseca ao processo de análise, muitos resultados podem ser obtidos e em geral
são extremamente úteis a muitos processos que ocorrem em vácuo. Um outro aspecto que
devemos considerar é o fato da necessidade desses equipamentos precisarem operar, no
mínimo de pressão, em condições de início de alto-vácuo, aproximadamente ao redor de 10-4
mbar. Há dois motivos, um deles é o fato de na câmara de ionização haver um filamento e este
precisa estar em baixas pressões para não danificar, e o outro motivo é que a pressão precisa
ser baixa o suficiente para o livre caminho médio ser grande a ponto de não desviar a órbita
dos átomos ou moléculas.
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1.
Veja o esquema de um circuito de sistema de vácuo com a presença da câmara de vácuo,
bombas de vácuo, linha de bombeamento, medidores de pressão total, com possibilidade de injeção
controlada de gases (veremos este assunto próximo roteiro) e um analisador de gases e vapores.
Comente o sistema de vácuo no que se refere ao processo de bombeamento, considerando os três
termos importantes, ou seja, aquele devido a variação de pressão na câmara de vácuo, aquele devido
ao bombeamento e por fim aquele devido às fontes de gases e vapores.
Esquema geral de sistema de vácuo com analisador de gases residuais.
2.
A figura abaixo mostra de forma esquemática como podemos entender a idéia de medição de
pressão total, cujo valor de pressão é devido a presença de todos os tipos de átomos e moléculas, e
como podemos entender a idéia de medição de pressão parcial de um determinado tipo do gás.
Neste sentido, defina de forma clara o que é pressão total e pressão parcial de uma determinada
mistura gasosa. Expresse a lei de Dalton das pressões parciais e total. A lei de Dalton é óbvia?
Quais são as suas limitações. Qual o pressuposto básico para que ela seja válida?
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Concepção básica da tarefa a ser realizada por um medidor de pressão parcial.
3. Nos circuitos dos sistemas de vácuo mostrados abaixo localize as suas várias partes e mostre
o as posições de instalação dos medidores de pressão parcial. Podemos também identificar
as câmaras de vácuo com as bombas de vácuo e suas respectivas linhas de bombeamento.
Vemos também nesses sistemas de vácuo a instrumentação para a injeção controlada de
gases e vapores.
Sistemas de vácuo com analisadores de gases residuais.
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4. O método mais simples que podermos ter para identificar átomos e moléculas é aquele baseado
no princípio de ionizarmos estes átomos e moléculas, em seguida acelerados por meio de um campo
elétrico constante e posteriormente desviar o feixe de partículas eletricamente carregadas por meio
de um campo magnético uniforme e constante. O esquema básico do arranjo, chamado de
espectrômetro de massa está mostrado abaixo. Monte as equações de movimento e discuta o arranjo.
Esquema básico de espectrômetro de massa.
5. Um método mais sofisticado para a análise de gases residuais consiste de um filtro de massa. Um
tipo de espectrômetro de massa cujo princípio físico, mais difícil de entender que aquele
espectrômetro de massa mostrado na questão anterior, está baseado somente em campos elétricos.
Seu nome é espectrômetro de massa quadrupolar, cuja concepção geométrica básica está mostrada
na figura a seguir. Consulte os livros e diga em linhas gerais como funciona este instrumento
bastante sofisticado, tanto do ponto de vista mecânico como eletrônico. Este tipo de espectrômetro é
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o mais utilizado em tecnologia do vácuo, sendo uma das características básicas o fato de não ter
eletroimã e nem imã permanente, isso o torna leve e compacto.
Esquema básico de um espectrômetro de massa quadrupolar.
Comentário: O assunto tratado neste roteiro está cada vez mais presente em diversos sistemas de
vácuo. Até
uns 20 anos atrás os analisadores de gases residuais eram pouco utilizados em
tecnologia do vácuo devido ao seu alto custo. Desde então estes equipamentos estão sendo mais
usados e constituem um instrumento bastante útil para analisar as condições de vácuo em inúmeras
aplicações. Além dos livros, devemos encontrar muitas informações nos catálogos e para um estudo
mais profundo podemos obter informações em livros específicos sobre princípios, técnicas e
instrumentos de espectrometria de massa. Infelizmente nos livros de tecnologia do vácuo temos
duas situações sobre este assunto no que se refere à exposição dos princípios físicos do
espectrômetro de massa quadrupolar, ou são muito pouco profundos ou poucos livros são
extremamente profundos. Não obstante, podemos ter um mínimo de entendimento sobre os
instrumentos e suas técnicas de análise e interpretação de dados.
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ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 13
Medidores e Controladores de Fluxo de Gases e Vapores
Como no caso do roteiro anterior, estamos novamente diante de uma instrumentação relativa
nova dentro da tecnologia do vácuo. Nos processos em vácuo encontramos inúmeras situações
que após a pressão ter atingido um determinado valor de pressão, ou melhor, após ter atingido
uma certa faixa de pressão, temos que injetar um determinado gás ou vapor para que o
processo possa ser realizado. Há também casos em que uma mistura de gases e vapores
participa do processo assistido a vácuo, assim temos pela frente uma tarefa relativa em
determinar qual a quantidade de gás ou vapor que deve ser injetada no sistema de vácuo e em
seguida determinar experimentalmente este valor de quantidade de gás. Em tecnologia do
vácuo a quantidade de gás é em geral dada em termos de throughput. As unidades mais usadas
são o mbar.litro.segundo-1, torr.litro.segundo-1 e o corretamente em acordo com o Sistema
Internacional de Unidades – SI – Pa.m3.s-1. Além dessas unidades há outras duas unidades
bastante utilizadas que são o SCCM e o SCCS. O primeiro significa standard cubic centimeter
per minute e o segundo, standard cubic centimeter per second. Estas unidades significam, no
caso da primeira que em um minuto um centímetro cúbico de gás estando a pressão de uma
atmosfera e 293 K entra no sistema de vácuo, e no caso da segunda unidade, esta mesma
quantidade de gás entra no sistema de vácuo em um segundo. Devemos ficar atendo pois
algumas vezes temos a definição dessas últimas unidades feitas em uma temperatura
ligeiramente diferente da apresentada. Há sistemas de vácuo que encontramos a injeção
controlada de gases podendo variar em extensas faixas de pressão, desde a pressão bem
próxima da pressão atmosférica e podendo atingir a região de alto-vácuo. Em tecnologia do
vácuo há essencialmente dois tipos de medidores de fluxo de gases, os rotâmetros e os
medidores de fluxo de massa térmico, ou em inglês, mass flow meter. Tanto os rotâmetros
como os medidores de fluxo de massa térmico são medidores fáceis de serem entendidos em
seus princípios. Com os rotâmetros podemos fazer determinação de fluxo de gás, mas não
podemos fazer o controle de gás de forma rápida e precisa. Já com os medidores de fluxo de
massa térmico é possível determinar um certo throughput e a eletrônica de controle do
medidor ajusta internamente a posição da sua válvula ajustando a quantidade de gás.
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1. No circuito de vácuo mostrado abaixo identifique os medidores de fluxo de gás. Apresente as
unidades para esta grandeza, definindo e interpretando ainda SCCM e SCCS.
Sistema de vácuo com medidores e controladores de fluxo de gás.
2. Explique como funciona o rotâmetro. Monte a equação de equilíbrio do flutuador a partir das leis
de Newton. Veja um catálogo deste produto e apresente aquele que mede o menor fluxo de gás.
Desenho esquemático do rotâmetro e detalhando o seu flutuador.
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Desenho em detalhe e figura mostrando rotâmetros com vários tipos de flutuadores.
3. Como funciona o medidor de fluxo de massa térmico (mass flow meter). Veja além dos livro
indicados os catálogos da empresas fabricantes. Faça uma busca na rede Internet. Explique como ele
funciona a partir de primeiros princípios.
Diagrama esquemático de um medidor de fluxo de massa térmico
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4. Na figura a seguir vemos uma montagem típica de medidores de fluxo de massa térmico. Discuta
o circuito de injeção de gases e identifique os medidores e as outras partes.
Montagem com medidores e controladores de fluxo de massa térmico e os tubos, válvulas e outros
componentes auxiliares em aço inoxidável da linha de injeção controlada de gás.
Continuando na mesma questão, veja os circuitos de vácuo mostrados a seguir, muito utilizados na
indústria de microeletrônica. Identifique os instrumentos relacionados a injeção controlada de gases.
Sistemas de vácuo utilizados na indústria de microeletrônica.
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5. Temos a seguir um sistema de alto-vácuo mostrando todos os equipamentos necessários à
produção, medição de pressão total, injeção controlada de gases utilizando um medidor de fluxo de
massa térmico. Explique como podemos conceber um sistema integrado entre essas partes com o
propósito de estabelecermos uma injeção de gás de forma que a pressão fique dentro de uma faixa
de valores pré-determinada. Veja que há um compromisso entre a velocidade de bombeamento
efetiva na câmara de vácuo e a injeção controlada de gás. Veja que podemos ter um dispositivo
colocado entre a válvula gaveta de alto-vácuo e a bomba de alto-vácuo a fim de proporcionar a
escolha da velocidade efetiva de bombeamento e desta forma introduzirmos uma quantidade de gás
necessária ao processo ocorrendo na câmara de vácuo com um certo tempo de residência do gás de
processo. Tudo isso acontecendo a uma certa pressão determinada de partida. Mis uma vez o
conceito de condutância é fundamental para estabelecermos uma velocidade efetiva de
bombeamento compatível com as necessidades do processo.
Sistema de alto-vácuo com injeção controlada de gás integrada à
bomba de vácuo, linha de bombeamento e ao sensor de pressão.
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6. A seguir vemos um sistema de vácuo com injeção de vapores. Qual a preocupação básica que
deveremos ter na injeção de vapor em relação à injeção de gás. Identifique no esquema as partes do
sistema de vácuo: a câmara de vácuo, a bomba de vácuo conectada à linha de bombeamento, o
medidor de pressão e a injeção controlada de vapor. Veja que mais uma vez o fenômeno de pressão
de vapor está presente.
Sistema de vácuo utilizado na indústria de microeletrônica com a injeção controlada de vapor.
Comentário: O assunto exposto neste roteiro é um tópico que podemos dizer que é um refinamento
dentro da tecnologia do vácuo. Ele ainda não está devidamente sendo tratado nos livros da área.
Poderemos encontrar informações mais precisas e atualizadas nos catálogos das empresas
fabricantes dos rotâmetros e dos medidores de fluxo de massa térmico. Há também informação
disponível em revistas e periódicos da área de fabricação de circuitos integrados, ou seja, na área
de microeletrônica. Ainda cabe mencionar que revistas nesta área trazem muita informação em
geral de equipamentos, procedimentos e técnica na área da tecnologia do vácuo em geral. Apesar
de termos iniciado o assunto, podemos ter um mínimo de entendimento sobre ele.
BOM TRABALHO!!!
Disciplina de Tecnologia do Vácuo – Curso MPCE
Prof. Francisco Tadeu Degasperi
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ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO – 14
Detecção de Vazamentos
Entre os assuntos mais importantes da Tecnologia do Vácuo está sem dúvida alguma a
detecção de vazamentos. Este assunto tem experimentado grande evolução dentro da
Tecnologia do Vácuo tanto no que se refere a instrumentação como nas práticas de trabalho
automatizadas. Os motivos principais para este assunto ser bastante importante na tecnologia
do vácuo é que vazamentos em geral limitam ou até mesmo impede um bom desempenho dos
sistemas de vácuo e também o fato da instrumentação mais sensível existente para a detecção
de vazamentos operar em vácuo. Neste último caso usamos um espectrômetro de massa
posicionado para detectar um determinado tipo gás a ser usado como gás de busca. A detecção
de vazamentos talvez seja a tarefa mais ingrata dentro da tecnologia do vácuo. O fato está na
dificuldade muitas vezes de determinar a posição de um certo vazamento, ou até mesmo de
decidir se ele existe ou não. Devemos ter sempre em mente que o sucesso da tarefa de detectar
vazamentos depende do seguinte tripé: instrumentação, metodologia e elemento humano. Sem
uma dessas pernas a mesa não se sustenta. Os três ponto são importantes; talvez o mais
importante seja o elemento humano. De nada nos serve se temos um excelente detetor de
vazamentos e não dominamos as técnicas de detecção de vazamentos. Desta forma devemos
ter sempre presente que além de conhecer o princípio de funcionamento dos detetores de
vazamentos de deveremos conhecer as formas de utilizá-lo e certamente como interpretar os
resultados. Uma boa prática antes de começar a trabalhar com o detetor de vazamentos é
sempre ter a mão uma peça que sabemos que há vazamento e proceder na sua busca. Desta
forma estaremos verificando o instrumento e também a nós mesmos. Muitas vezes podemos
passar horas na busca de um vazamento. Principalmente se os equipamentos forem de grande
porte e os vazamentos pequenos. Esta combinação em geral torna a tarefa de detectar
vazamentos extremamente árdua. As técnicas desenvolvidas aplicáveis a todos os ramos da
tecnologia onde há a exigência de recipientes estanques, como por exemplo: indústrias
alimentícia, farmacêutica, combustível, nuclear, refrigeração, trocadores de calor, e muitas
outras. Também devemos nos preocupar em ter as peças limpas antes de fazermos os testes de
vazamentos, removendo óleos e graxas, pois estes podem tapar os possíveis vazamentos.
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1. Explique o princípio de funcionamento do teste de vazamento do borracheiro, conforme
esquematizado abaixo. Faça um modelo físico dele. Você pode fazer o modelo utilizando conceitos
físicos vistos no conteúdo teórico desta disciplina. Não despreze este teste. Apesar da sua extrema
simplicidade podemos conseguir muito com ele. Por exemplo, em algumas atividades industriais
este teste de detecção de vazamentos é bastante utilizado. Fale da sensibilidade deste teste.
Teste de vazamentos pela imersão da peça pressurizada em um tanque com água.
A mesma teoria e princípios físicos utilizados neste método de detecção de vazamentos é a base
física para outros tipos de testes de vazamentos muito utilizados na indústria. No caso do teste
acima a ser trabalhado é intensamente utilizado na indústria de compressores para geladeiras, arcondicionados e outros equipamentos do tipo.
2. Explique o funcionamento de funcionamento do espectrômetro de massa tipo setor magnético. O
que significa ter um gás de busca? Como podemos detectar um vazamento considerando as duas
partes anteriores desta questão? Veja que já iniciamos o estudo de espectrômetro de massa quando
estudamos os analisadores de gases residuais. Na verdade esses equipamentos são também
utilizados como detetores de vazamentos. Uma vantagem é que os analisadores de gases residuais
estão sempre conectados aos sistemas de vácuo, assim, além de termos um acompanhamento da
evolução da pressão e sua composição gasosa no sistema de vácuo, poderemos quando necessário
utilizá-lo como detetor de vazamentos.
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Esquema de um espectrômetro de massa como o elemento principal de um detetor de vazamentos.
3. Como funciona o detetor de vazamentos como um todo. Vemos a seguir um do tipo de gabinete
grande. Vemos um sistema de vácuo completo, com a bomba de pré-vácuo, para inicialmente
bombear a peça
a ser testada e em seguida a bomba de alto-vácuo que bombeará tanto o
espectrômetro de massa como a peça em teste. Diga como é o princípio de funcionamento do
detetor de vazamentos de fluxo direto e contra-fluxo. Descreva em detalhe qual a seqüência de
operação do detetor de vazamentos considerando o desenho mostrado a seguir. Pense no seguinte
problema: Quando temos um sistema de vácuo de grande porte, e precisamos fazer um teste de
vazamentos, como devemos proceder. Veja que se usarmos as bombas de vácuo do próprio detetor
de vazamentos a tarefa pode ficar quase impossível de ser realizada. Discutiremos em mais
profundidade a seguir este assunto. Veja que os detetores de vazamentos baseados em
espectrômetros de massa são sistemas de alto-vácuo. Necessariamente deveremos manter o
espectrômetro de massa em pressões em torno de 10-4 mbar na pior das hipóteses, caso contrário
poderemos ter o seu filamento queimado.
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Detetor de vazamentos com espectrômetro de massa.
4. Faça um esquema de trabalho para fazer a detecção de vazamentos das situações mostradas.
A peça pressurizada com uma mistura com o gás hélio. Método sniffer.
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A peça sendo detectado vazamentos sob vácuo. Método de detecção sob vácuo.
Estes são os dois métodos básicos de detecção de vazamentos, ou seja, em deles a peça a ser testada
a sua estanqueidade está sob vácuo e no outro a peça está pressurizada.
5. Com relação ao sistema de alto-vácuo mostrado na figura a seguir. Vamos desenvolver a questão.
Sistema de alto-vácuo industrial.
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Veja que temos como tarefa detectar vazamentos deste sistema de alto-vácuo de médio porte. O
sistema de bombeamento do detetor de vazamentos é insuficiente para fazermos vácuo na câmara de
vácuo e suas partes periféricas. Neste caso usamos o próprio sistema de bombeamento da câmara de
vácuo para atingir pressões da ordem de 10-3 ou 10-4 mbar e conectamos o detetor de vazamentos
entre a bomba de difusão e bomba mecânica do sistema de vácuo em teste. Este procedimento é
muito utilizado em equipamentos de médio e de grande porte. Faça uma exposição dos passos para
fazer o teste de vazamento. Considere a calibração do detetor de vazamentos, como devemos fazêla? Nos sistemas de vácuo de médio e grande portes, principalmente, precisamos ter muita
organização e sistematização nos testes de vazamento. Anotar a seqüência de verificação das partes
suspeitas de vazamentos, por exemplo, soldas, vedações das flanges, e outras partes. No caso
devemos borrifar o hélio iniciando de cima para baixo, ver se há muita ventilação. O ideal é ter
alguma para não acumular hélio no ambiente, mas não muita para não haver confusão na
interpretação dos resultados. Veja que o deslocamento de ar pode carregar hélio de um lugar que
não há vazamento para um lugar onde há vazamento. Com isso, interpretaremos errado os
resultados.
6. Fale da importância dos testes de vazamento para as muitas atividades industriais e tecnologia em
geral. Aponte produtos em seu cotidiano cuja detecção de vazamentos você acredita ser importante
para a qualidade desses produtos.
Comentário: O assunto exposto neste roteiro é um tópico de muita importância em inúmeras
aplicações não somente da tecnologia do vácuo, mas de outras áreas também. Poderemos
encontrar muitas informações atualizadas nos catálogos das empresas fabricantes dos detetores de
vazamentos e também resumos de seus princípio de funcionamento, métodos de utilização e
interpretação de resultados. A detecção de vazamentos talvez seja a tarefa mais trabalhosa a ser
realizada em tecnologia do vácuo. Devemos ter presente que necessitamos de uma boa
instrumentação, mas a habilidade do profissional e sua organização e sistemática são fundamentais
para uma realização da tarefa com sucesso.
BOM TRABALHO!!!
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