Tratamento de Águas para Caldeiras: Qualidade e Prevenção de Corrosão e Encrustação, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Tratamento de Águas para Caldeiras: Qualidade e Prevenção de Corrosão e Encrustação e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! Qualificação © SENAI - PR, 2000 Trabalho elaborado pela Diretoria de Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI - PR , através do LABTEC - Laboratório de Tecnologia Educacional. Coordenação geral Marco Antonio Areias Secco Elaboração técnica Edson Roberto F. Bueno Francisco Ollé Equipe de editoração Coordenação Lucio Suckow Diagramação Maria Angela Moscato Revisão técnica Francisco Ollé Capa Ricardo Mueller de Oliveira Referência Bibliográfica. NIT - Núcleo de Informação Tecnológica CFP de Curitiba - SENAI — DR/PR S474a SENAI - Departamento Regional do Paraná Utilidades e instrumentação básica DET, 2000. 141p. CDU - 681.2 Direitos reservados ao SENAI — Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Paraná Avenida Cândido de Abreu, 200 - Centro Cívico Telefone: (41) 350-7000 Telefax: (41) 350-7101 E-mail: senaidr@ctb.pr.senai.br CEP 80530-902 — Curitiba - PR UTILIDADES E INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA Sistemas métricos, unid. fundamentais e derivadas ........... 7 Medidas de área, capacidade e volumes .......................... 13 Força, pressão, energia...................................................... 19 Massa específica, peso específico e densidade............... 33 Viscosidade, viscosímetros ................................................ 39 Mudanças de estado físico ................................................. 45 Tipos de bombas, perda de carga ..................................... 87 Água industrial .................................................................... 99 Ar comprimido, medidores de pressão (manômetros) ..... 115 Características da água e do vapor ................................. 123 Transmissão de calor........................................................ 131 Bibliografia ........................................................................ 141 8 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Grandeza física São propriedades dos corpos. É tudo aquilo que se consegue medir. Unidade de Comprimento No SI a unidade fundamental do comprimento é o metro (m) assim definido: “é o comprimento igual a 1 650 763, 73 comprimentos de onda, no vácuo, da radiação laranja avermelhada do isótopo criptônio-86”. 1 m = 1 650 763,73 (Kr86) O metro admite múltiplos como o quilômetro (Km) e submúltiplos como o decímetro (dm), o centímetro (cm) e o milímetro (mm). 1 km = 10³ m 1 dm = 10-¹ m 1 cm = 10-² m 1 mm = 10-³ m Unidade de massa No SI a unidade de massa é o quilograma (kg) assim definido: “ é a massa de um cilindro de platina e irídio (quilograma padrão) guardado no instituto de Pesos e Medidas”. Nota: A massa de 1 kg é muito próxima da de 1000 cm³ de água pura à temperatura de 4ºC. O quilograma admite múltiplos como a tonelada (t) e submúltiplos como a grama (g). 1 t = 10 3 kg 1 g = 10 -3 kg Unidade de tempo No SI a unidade de tempo é o segundo (s) assim definido : “é a fração correspondente a 1/ 31.556.925,9747 do ano trópico de 1 de janeiro de 1900” ou: “é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação correspondente à transição entre dois níveis do átomo de Césio 133”. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 9 SENAI-PR Osegundoadmitemúltiploscomoominuto (min)eahora (h). 1 min = 60 s 1 h = 60 min = 3600 s Erros em medidas Ao efetuarmos a medida de uma grandeza, o valor encontrado não coincide com o valor real da mesma, devido a uma série de erros, taís como impressão do instrumento utilizado, paralaxe, etc. O valor mais provável da medida da grandeza é obtido quando se efetuam várias medições da mesma, determinando- se sua aritmética. A essa medida chamados valor médio. A diferença, em valor absoluto, do valor médio da medida e o valor de cada medida, é chamada desvio. A média aritmética dos desvios encontrados, chamamos desvio médio e representa a imprecisão da medida efetuada. Dessa forma, chamada Vm o valor médio e d m o desvio médio, exprimimos o valor real da medida por: Vm ± dm Por exemplo: deseja-se conhecer o comprimento de uma haste. Efetuando-se para isso, cinco medidas obtêm-se os seguintes valores: V1 = 15,00 cm V2 = 15,08 cm V3 = 15,07 cm V4 = 15,00 cm V5 = 14,95 cm Procure avaliar o que você aprendeu até agora, fazendo os exercícios, a seguir. 1. Transforme: A) 4,31 m para cm: _________________________ B) 216, 34 mm para m: ______________________ C) 800.000 km para m: ______________________ D) 21,36 L para cm³: ________________________ E) 2000 mm³ para l: ________________________ F) 400 g para kg: __________________________ G) 24 h para s: ____________________________ H) 43.200 s para h: _________________________ I) 4 m³ para ml: ___________________________ 2. Responda: A) Qual o volume de uma caixa cuja as dimensões são 1,2 x 1,2 x 1,4 m? ______________________________________ ______________________________________ B) Quanto de líquido é necessário para encher uma proveta de diâmetro interno 10 cm e altura 150 cm? ______________________________________ ______________________________________ C) Quantas caixas de 10 cm³ podem ser colocadas numa outra caixa de 1m³? ______________________________________ ______________________________________ 15 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 19 SENAI-PR FORÇA, PRESSÃO, ENERGIA Medida de uma força Considere a figura: Se uma força F atuando sobre a mola produz uma deformação x e outra força F’, atuando sobre duas molas idênticas à primeira, produzir a mesma deformação, dizemos que a intensidade de F’ é o dobro da intensidade de F’ e escrevemos: F’ = 2 F Desse modo, medimos sempre uma força comparando-a com outra arbitrariamente tomada como unidade. Nota: os aparelhos destinados à medição das forças são chamados dinamômetros. Unidades de força No SI a unidade de força é o Newton (N) assim definido: “é a força que atuando sobre a massa de 1 g lhe imprime uma aceleração de 1 m/s² na direção da força”. 22 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Peso de um corpo Seja um corpo de massa m próximo da superfície terrestre, como ilustra a figura: Vimos que a força gravitacional é o peso do corpo. Portanto substituindo na 2ª Lei de Newton F = ma, a por g e F por P temos: P = m g Princípio da Independência da ação das forças Seja um ponto material A colocado, sucessivamente, em presença d outros pontos materiais B,C,D.....Sejam F1, F2, F3, ... as forças que atuam sobre A em virtude da presença de cada uma das demais partículas. As acelerações adquiridas por P, se colocado em presença apenas de cada uma das demais partículas, seriam: a1 = F1/m ; a2 = F2/m; a3 = F3/m Vamos admitir que estando P sob à ação simultânea das forças F1, F2, F3 ..., a sua aceleração será a soma das acelerações a1, a2, a3..., isto é: a = a1 + a2 + a3 + ... 1 2 ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 23 SENAI-PR Massa e peso A massa é uma propriedade inerente a todos os corpos e pode ser compreendida como a “quantidade de matéria” contida num determinado corpo. A massa de um corpo (na Mecânica Clássica) é uma constante, isto é, não varia com a temperatura, com a pressão ou a sua localização no espaço. Um corpo de massa igual a 1 kg terá sempre essa massa em quaisquer condições de pressão e temperatura, seja em São Paulo, em Santos, ou em qualquer lugar da Terra, de Vênus ou de Marte. Outra importante propriedade da matéria que devemos conhecer é a sua “resistência a forças”. Sabemos que toda a criança aprende a puxar ou empurrar os seus brinquedos. Tal procedimento evidencia a noção de “força”. Por enquanto entendemos “força” como um “puxão” ou “um empurrão”. Muitas vezes acreditamos que você tenha confundido peso com massa, e no entanto, são duas coisas diferentes. Quando você abandona uma pedra a uma certa altura do solo, ela cai, isto é, ela é atraída pela Terra. A “força” com que a Terra “puxa” a pedra é o que entendemos por peso da pedra. Portanto concluí-se que peso é uma “força”. Com essa “força” é variável de local para local da Terra, o peso da pedra também sofrerá variação se repetirmos a experiência em locais diferentes. O mesmo ocorrerá se levarmos a pedra para Vênus ou Marte. Em cada um desses planetas, na dependência do local, a pedra será atraída por forças diferentes, possuindo portanto pesos diferentes. Condições de matéria Algumas das propriedades da matéria variam com as condições do ambiente. Esse ambiente é conhecido como as “condições de matéria”. Nisto está incluída a pressão, a temperatura, a concentração (soluções), etc. 24 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Em virtude do que afirmamos acima, cada substância tem um ponto de fusão (funde-se) a uma determinada pressão e temperatura, ocorrendo o mesmo para o seu ponto de ebulição. No caso da água, ela “passa a gelo” a uma determinada pressão e temperatura e também “passa a vapor” em determinada condições de pressão e temperatura. Portanto nos dois casos as propriedades físicas da água foram as alteradas. Conceito de energia O que será que os físicos querem dizer quando falam em energia? Podemos afirmar que na maioria das vezes pensam em corpos móveis. O ar em movimento, ou um vento muito forte, pode levantar objetos pesados e carregá-los a grandes distâncias do ponto inicial onde se encontravam. Uma corrente de água em movimento pode carregar grandes quantidades de terra, ou ainda fazer girar a roda ou a turbina de um gerador elétrico. Estas “capacidades do ar e da água realizarem tarefas como as acima mencionadas são exemplos do que os físicos entendem por energia”. Apesar da energia não poder ser definida com facilidade, muitas “formas” de energia são percebidas pelos nossos órgãos sensoriais. Assim, o calor, que é uma forma de energia, pode ser detectado pelo tato, que nos dá uma sensação de quente e frio. Outras formas de energia são o som e a luz. Os nossos ouvidos detectam a energia sonora e os nossos olhos, a luminosa. O estudo da energia é importantíssimo na Física, e, mais importante ainda é acompanhar e medir a passagem de uma forma de energia para outra, o que freqüentemente ocorre. 1. Aplica-se uma força de intensidade 10 N perpendicularmente sobre uma superfície quadrada de área 0,5 m². qual deveria ser a pressão exercida sobre a superfície? (A) 5 N.m² (B) 5 N/m² (C) 20 N/m² (D) 10 N/m² (E) n.d.a. 2. Um tijolo de peso 32 N tem dimensões 16 cm x 8,0 cm x 4,0 cm. Quando apoiado em sua face de menor área, a pressão que ele exerce na superfície de 16 cm apoio é, em N/cm². (A) 4,0 (B) 2,5 (C) 2,0 (D) 1,0 (E) 0,50 3. Uma caixa Uma caixa de 500 N tem faces retangulares e suas arestas medem 1,0 m, 2,0 m e 3,0 m. qual a pressão que a caixa exerce quando apoiada com sua face menor sobre uma superfície horizontal? (A) 100 N/m² (B) 125 N/m² (C) 167 N/m² (D) 250 N/m² (E) 500 N/m² 27 SENAI-PR 4. O salto de um sapato masculino em área de 64 cm². Supondo-se que a pessoa que calce tenha peso igual a 512 N e que esse peso esteja distribuído apenas no salto, então a pressão média então a pressão média exercida no piso vale: (A) 120 KN/m² (B) 80 KN/m² (C) 60 KN/m² (D) 40 KN/m² (E) 20 KN/m² 5. Uma pessoa com peso de 600 N e que calça um par de sapatos que cobre uma área de 0,05 m² não consegue atravessar uma região nevada sem se afundar, porque essa região não suporta uma pressão superior a 10.000 Nm². Responda: a) Qual a pressão exercida por essa pessoa sobre a neve? ________________________________________ ________________________________________ b) Qual deve ser a área mínima de cada pé de um esqui que essa pessoa deveria usar para não afundar? ________________________________________ ________________________________________ 28 SENAI-PR 6. A caixa da figura abaixo tem peso 400 N e dimensões a = 10 cm, b = 20 cm e c = 5 cm e apoia-se em uma superfície plana horizontal. Qual a pressão em N/cm², que a caixa exerce no apoio, através de sua base, em cada uma das situações propostas? a) b) c) 29 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 33 SENAI-PR MASSA ESPECÍFICA, PESO ESPECÍFICO E DENSIDADE Densidade absoluta ou massa específica Sabemos que corpos de mesmo volume, mas constituídos desubstânciasdiferentes,nãoapresentamsempreamesmamassa (ou o mesmo peso). Para exprimir com precisão essas diferenças, temos necessidade de uma nova grandeza chamada densidade absoluta ou massa específica, a qual representa a massa de diferentes substâncias em unidade de volume. Dado um corpo de massa m e volume V, sua densidade é expressa pela razão entre a sua massa e o seu volume, a saber: ρ = m V Unidades de densidade No SI a densidade é expressa em kg/m³. No sistema (CGS) a densidade é expressa em g/cm³. Notas: a) a densidade da água pura (a 4ºC) é, no SI, 1000 kg/m³ ou no sistema (CGS), 1 g/cm³ ou ainda 1 kg/l; b) a densidade do ar, nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) é, no SI, 1,293 kg/m³. Densidade relativa Chama-se densidade relativa de uma substância ao número ρr que se obtém quando se divide a massa específica dessa substância pela massa específica de outra substância tomada para comparação. Por exemplo: ρHg = 13,6 g/cm³ e ρágua = 1 g/cm³ ρr = ρHg = 13,6 => ρHg = 13,6 ρágua ρágua “Isto significa que o mercúrio é 13,6 vezes mais denso do que a água”. 34 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Densidades de alguns sólidos, líquidos e gases (em g/cm³) Peso específico Seja um corpo de peso P e volume V como ilustra a figura: Chama-se peso específico do corpo ao quociente entre o seu peso P e o seu volume V, isto é: γ= P V Como P = mg, temos: γ= mg V γ= m . g = ρg 35 SENAI-PR 1. Que volume de platina corresponde à massa de 43 kg ? Que volume ocuparia uma massa idêntica de chumbo? Solução: ρPt = m => 21,20 = 43000 VPt VPt VPt = 43000 ≅ 2028,30 cm³ 21,20 ρPt = m => 11,20 = 43000 VPt VPt VPt = 43000 ≅ 3839,29 cm³ 11,20 2. Um bloco de gelo de 20 kg que volume ocupa? Depois de fundido, que volume ocupará a água dele resultante ? Dados ρgelo = 0,92 g/cm³, ρágua = 1 g/cm³. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 39 SENAI-PR VISCOSIDADE, VISCOSÍMETROS Viscosidade Aviscosidadeéamedidaderesistênciaaofluxodasmoléculas de um líquido quando elas deslizam umas sobre as outras. É uma espéciedeatrito.Umexemplodelíquidocomaltaviscosidadeéomel oumelado.Aáguaéumlíquidodebaixaviscosidade. Efeito da temperatura sobre a viscosidade Uma garrafa de melado tirado da geladeira apresenta uma alta resistência ao fluxo. Tentar passar esse líquido por um funil constituí-se numa operação demorada. Aquecendo-se o melado em uma panela, faz-se com que ele escoe perfeitamente pelo funil. O aquecimento das moléculas do melado faz com que elas deslizem umas às outras com maior facilidade. Conforme se aumenta a temperatura de um líquido, a sua viscosidade diminui. SSU – Segundo Saybolt Universal Uma das medidas da viscosidade dos fluídos é o SSU. O professorSayboltaqueceuumlíquidocomvolumeprédeterminado a uma dada temperatura, e faz o líquido passar por uma abertura de tamanho também especificado. Ele cronometrou o fluxo (em segundos), até que o líquido enchesse um recipiente com a capacidade de 60 milímetros. O resultado foi a medição da viscosidade em SSU. 40 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Viscosidade gera calor Um líquido de alta viscosidade, ou seja, de 500 SSU, apresentandomaior resistênciaao fluxo,geramaiscalornosistema do que um líquido de baixa viscosidade, digamos, de 100 SSU. Em muitas aplicações industriais, a viscosidade do óleo deve ser de 150 SSU a 38°C. A viscosidade é determinada em aparelhos denominados viscosímetros. Existem diversos tipos desses aparelhos sendo que cada qual tem unidade própria, o que implica na existência de diferentes escalas de viscosidade. Os viscosímetros mais usados são os seguintes: • Saybolt (América do Norte) • Redwood (Inglaterra e Reino Unido) • Engler (Europa Continental) • Cinemático Os trêsprimeiros têmconstruçãosemelhante.Compõe-sede um dispositivo, para o óleo com controle de temperatura. Na parte inferior do depósito há um orifício calibrado para o escoamento do óleo. A diferença entre eles reside no diâmetro do orifício de escoamento, temperatura do óleo em teste e volume tomado como referência.Oviscosímetrocinemáticoconstitui-sedeumtubocapilar de vidro que regula o escoamento do fluído. O tempo gasto para o fluídopassarpordois traçosdereferênciaeaconstanteKdodiâmetro do tubodeterminamaviscosidadedofluído.Aunidadeéocentistoke (cs). Por ser um aparelho simples e que oferece maior rapidez e precisão,seuusotendeauniversalizar-se. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 41 SENAI-PR Tabela comparativa de viscosidade à mesma temperatura. Através deste exemplo, não é difícil verificar que a passagem sólido –> líquido –> gasoso se processa com absorção de calor pela substância, enquanto que a passagem gasoso –> líquido –> sólido se processa com libertação de calor. As mudanças de um estado para outro recebem denominações conforme o esquema: Observação: A transição vapor –> líquido denomina-se também condensação. A transição vapor –> sólido denomina-se também cristalização. Fusão e solidificação O que acontece a um pedaço de gelo quando ele recebe calor? Se o gelo estiver abaixo de 0ºC e à pressão normal (1 atmosfera), observa-se o seguinte: 1º) A temperatura do gelo sobe até 0°C. 2º) A 0°C o gelo começa a fundir (derreter) 3º) Durante a fusão, a temperatura mantêm-se constante em 0°C. 4º) Após a fusão, a temperatura da água começa a subir. Graficamente, teremos o seguinte: 46 SENAI-PR Analisando o gráfico da página anterior, responda: 1. De A para B, o gelo está recebendo calor? Neste trecho, a temperatura está aumentando, diminuindo ou está constante? ______________________________________ 2. Em que ponto do gráfico se inicia a fusão? Qual é a temperatura neste ponto? ______________________________________ 3. Em que ponto do gráfico termina a fusão? Qual é a temperatura neste ponto? ______________________________________ ______________________________________ 4. De C para D, o que está acontecendo com a temperatura da água? ______________________________________ Quando a água líquida é esfriada até –10°C, o gráfico da temperaturaemfunçãodaquantidadedecalorcedidaserá: 5. Em que trecho do gráfico a água está se solidificando? Qual é a temperatura de solidificação? ______________________________________ ______________________________________ 47 SENAI-PR 48 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Influência da pressão A temperatura em que ocorre a fusão (ou a solidificação) varia com a pressão. Veja, por exemplo, o enxofre: Os pontos sobre o gráfico (curva de fusão) representam as pressões e temperaturas de fusão do enxofre. Os pontos à esquerda da curva representam as pressões e temperaturas do enxofre no estado sólido. Os pontos à direita da curva representam as pressões e temperaturas do enxofre no estado líquido. De acordo com o gráfico, a passagem de sólido para líquido, ou vice-versa, pode ser feita variando-se só a pressão, ou só a temperatura, ou ambos, simultaneamente. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 51 SENAI-PR Em algumas substâncias, como a água, o bismuto, a prata e o antimônio, os átomos estão mais próximos no estado líquido que no sólido, portanto, o volume dessas substâncias diminui quando se fundem. Para estas substâncias, pode-se dizer que a temperatura de fusão diminui com o aumento de pressão. Leis da fusão e da solidificação 1ª) A temperatura em que se dá a fusão e a so l id i f icação depende da pressão e da substância. 2ª) Para uma mesma substância, as temperaturas de fusão e de solidificação são iguais quando estão submetidas às mesmas pressões. 3ª) Sob pressão constante, durante a fusão e a solidificação, a temperatura da substância mantém-se constante. 12. A temperatura de fusão e solidificação depende da pressão? ______________________________________ ______________________________________ 13. Para uma mesma substância, sob pressões iguais, as temperaturas de fusão e solidificação são: ( ) iguais ( ) diferentes 14. Sob pressão constante, durante a fusão e a solidificação, a temperatura da substância: ( ) varia ( ) não varia 52 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 53 SENAI-PR Calor latente de fusão e solidificação Enquanto um sólido não mudar de estado,o calor absorvido é utilizado noaumento da intensidadede vibraçãode seus átomos, acarretando a elevação de sua temperatura. A partir do instante em que se inicia a fusão, o calor absorvido não aumenta a temperatura: ele é utilizado para destruir a estrutura cristalina (veja na introdução) do sólido, transformando-a em estrutura de líquido. No estado líquido, o calor absorvido novamente vai servir para aumentar a intensidade de movimento de moléculas, acarretando elevação de temperatura. A quantidade de calor que massas iguais de uma mesma substância absorvem durante a fusão é igual à que elas libertam durante a solidificação. Esta quantidade de calor dividida pela massa da substância denomina-se calor latente de fusão (símbolo Lf) e calor latente de solidificação (símbolo Ls). Lf = Q e Ls = Q m m No capítulo anterior vimos que: Q (absorvido) > 0 porque ∆t > 0 Q (cedido) < 0 porque ∆t < 0 Durante a fusão, a substância absorve calor e, na solidificação, cede calor; logo: Lf > 0 e Ls < 0 Para cada substância: |Lf| = |Ls| Por exemplo, para a água: Lf (gelo) = 80 cal/g e Ls (água) = - 80 cal/g 21. Você pode “soldar” dois pedaços de gelo a – 10°C, comprimindo-os um contra o outro? 22. O que acontece com o gelo quando um esquiador passa sobre ele? 56 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 57 SENAI-PR O que é subrefusão ou superfusão? Quando um líquido é esfriado, mantendo-se em completo repouso e livre de quaisquer impurezas, mesmo de fragmentos sólidos da mesma substância do líquido, pode ocorrer atraso na solidificação, isto é, a substância pode permanecer líquida em temperaturas inferiores à de solidificação, sob pressão constante. Este fenômeno denomina-se sobrefusão ou superfusão. Sob pressão constante de 1 atm, a água se solidifica a 0°C, mas, sob condições especiais, nesta mesma pressão, consegue- se água líquida abaixo de 0°C. Vaporização e liquefação (condensação) A vaporização de um líquido pode ocorrer de duas maneiras: por evaporação e por ebulição. Evaporação Você já deve ter verificado que o volume de álcool, gasolina, ou um outro líquido, deixado num recipiente aberto, diminui com o transcorrer do tempo. A água dos lagos e oceanos evapora-se. A roupa estendida no varal seca por evaporação. Estes exemplos permitem-nos dizer que a evaporação é um processo lento, espontâneo e imperceptível de vaporização. A evaporação é tanto mais facilitada quanto maior a área da superfície livre do líquido, maior a temperatura do líquido e menor a pressão exercida sobre o mesmo. De fato: 58 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... a) Se a temperatura do ambiente aumenta, aumentando por conseguinte a do líquido, as suas moléculas agitam-se mais porque adquiriram mais energia e, em conseqüência, podem escapar mais facilmente da superfície do líquido. O conjunto de moléculas que assim escapam forma o vapor. b) Se a pressão sobre o líquido diminui, as moléculas também escapam com mais facilidade da superfície do líquido. A temperatura de um líquido é determinada pelo grau de agitação de suas moléculas. Durante a evaporação, as moléculas que se agitam mais, ou seja, aquelas que possuem mais energia, escapam mais facilmente da massa líquida , deixando-as menos energéticas. Como estas moléculas com menor energia se agitam menos, a temperatura do líquido diminui. A evaporação esfria o líquido. Quando suamos , perdemos calor dev ido à evaporação do suor. Nos dias de verão, quando o clima é úmido, sentimos mais calor porque a evaporação do suor se processa mais lentamente. O resfriamento do interior das geladeiras é feito através da evaporação de líquidos voláteis como o amoníaco e o freon. Nota: A passagem das substâncias do estado sólido para o gasoso (e vice -versa) denominando-se sublimação. Entretanto, na linguagem comum, usa-se o termo “evaporação” para a passagem espontânea do sólido vapor. Isto ocorre, por exemplo, com a naftalina, o iodo, a cânfora, o gelo seco (CO2 sólido). 28. A água ferve somente a 100°C? 29. Pode-se ter água líquida acima de 100°C? 30. Aumentando a pressão sobre o líquido, a temperatura de ebulição: ( ) aumenta ( ) diminui 31. Diminuindo a pressão sobre o líquido, a temperatura de ebulição aumenta ou diminui? 61 SENAI-PR 62 SENAI-PR 32. Um líquido contido numa panela sem tampa ferve mais rápido no litoral ou no alto da serra? Explique. 33. Por que a panela de pressão cozinha mais rápido alimentos do que as panelas comuns? 34.Uma panela aberta cozinha alimentos mais rapidamente no literal ou no alto da serra? Explique: ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 63 SENAI-PR Leis da ebulição e liquefação 1ª) A temperatura em que se dá a ebulição e a liquefação depende da pressão e da substância. 2ª) Para uma mesma substância, as temperaturas de ebulição e de liquefação são iguais quando estão submetidas às mesmas pressões. 3ª) Sob pressão constante, durante a pressão constante, durante a ebulição e a liquefação, a temperatura da substância mantém-se constante. Você notou que estas leis são semelhantes às leis de fusão e solidificação? Só houve troca de palavras: fusão e solidificação por ebulição e liquefação. 66 SENAI-PR 39. Qual é o significado físico de Lv (água) = 539 cal/g? 40. Quantas calorias são necessárias para vaporizar 100g de água? 41. Se 200 g de uma substância absorvem 5 000 cal, durante a ebulição, calcule o seu calor latente de vaporização e de liquefação: ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 67 SENAI-PR Temperatura Um mesmo corpo material pode se encontrar em diferentes estados térmicos, como: gelado, frio, morno e quente. Exemplos disso são: a) O estado térmico da água contida num vaso sobre o fogo, que varia, continuamente, do frio para o quente; b) O estado térmico da Terra, que vária conforme as épocas do ano; c) O estado térmico de um corpo, que pode sofrer variação enquanto o mantemos em nossas mãos. A noção de temperatura é primitiva; nasce das sensações de quente e frio apresentadas por corpos em diferentes estados térmicos. Dizemos que a temperatura de um corpo está aumentando ou diminuindo conforme ele esteja, respectivamente, esquentando ou esfriando. As partículas (átomos e moléculas) constituintes da matéria estão em incessante estado de agitação, cuja intensidade varia com a modificação do estado térmico do corpo. Temperatura é uma grandeza que mede o estado (ou grau) de agitação das partículas de um corpo, podendo- se também dizer que a temperatura é uma grandeza que caracteriza o estado térmico de um corpo. Normalmente, se através do contato com a nossa pele os corpos nos apresentam as mesmas sensações térmicas, dizemos que as suas temperaturas são iguais ou que eles estão em equilíbrio térmico; caso contrário, dizemos que suas temperaturas são diferentes. 68 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... A noção de equilíbrio térmico permite-nos enunciar o principioconhecidocomoPrincipioNúmeroZerodaTermodinâmica ou Princípio Fundamental da Termodinâmica: Afirmar que as temperaturas dos corpos são iguais ou diferentes baseando-se apenas nas sensações obtidas pelo contato com a nossa pele pode muitas vezes trazer enganos. Por exemplo, se você mergulhar uma das mãos na água fria e, após certo intervalo de tempo, mergulhar ambas as mãos na água morna, provavelmente você irá dizer que a temperatura da água morna é diferente para cada mão, embora na realidade a água apresente uma única temperatura. Medida da temperatura A temperatura de um corpo não pode ser medida baseando-se no nosso sentido de tato, porque ele traz enganos, como no exemplo citado. No item anterior vimos que a temperatura mede o estado (ou grau) de agitação das partículas do corpo. Mas a agitação dessas partículas não pode ser medida diretamente, como se medem as áreas e volume de um corpo, então, a temperatura de um corpo é obtida indiretamente, medindo-se os efeitos produzidos por essa agitações. São exemplos desses tipos de efeitos a dilatação térmica e a resistência elétrica. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 71 SENAI-PR Escalas termométricas A escala termométrica mais utilizada é a escala Celsius, construída pelo astrônomo sueco Anderes Celsius (1701 – 1744). Nesta escala, atribuí-se o número 0 (zero) à temperatura de fusão do gelo sob pressão normal (ponto do gelo) e o número 100 à temperatura de ebulição da água sob pressão normal (ponto de vapor). O intervalo entre 0 e 100 é dividido em 100 partes iguais denominadas graus celsius. Entendendo-se a escala abaixo de 0 e acima de 100, pode-se determinar temperaturas fora desse intervalo. Observações: a) Pressãonormal = 1atmosfera=760 mm deHg= 760 torr. b) Em Outubro de 1948, a 9ª Conferência de Pesos e Medidas mudou o nome da escala centígrada para Celsius. Nos países de língua inglesa utiliza-se a escala Fahrenheit, proposta pelo físico Gabriel Fahrenheit (1686- 1736). Nesta escala, atribuí-se o número 32 ao ponto do gelo e 212 ao ponto do vapor. O intervalo entre 32 e 212 é dividido em 180 (212 – 32 = 180) partes iguais, denominadas graus fahrenheit. Notas: a) Segundo a História, inicialmente, Fahrenheit atribuiu 0°F é temperatura mais fria do ano de 1727 na Islândia e 100°F à temperatura de sua esposa. b) 0°F é a temperatura de uma mistura em partes iguais de cloreto de sódio (NaCl), cloreto de amônia (NH4Cl) e gelo fundente. 72 SENAI-PR 4. O que ponto do gelo e ponto do vapor? 5. Quais são os valores dos pontos do gelo e vapor nas escalas Celsius e Fahrenheit? 6. A variação de 100°C na escala Celsius corresponde à variação de ____°F na escala Fahrenheit. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 73 SENAI-PR Relação entre as escalas C e F As leituras tc e tF, correspondentes a um mesmo estado térmico e fornecidas pelos termômetros nas escalas C e F, podem ser relacionadas, estabelecendo-se uma proporção entre os números de divisões das escalas (Teorema de Tales), conforme vemos a seguir: De acordo com a figura, temos: tc – 0 = tF – 32 100 – 0 212 – 32 ou tc = tF – 32 100 180 Multiplicando ambos os membros por 20, temos: tc = tF – 32 5 9 76 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Escala Kelvin Combasenateoriadosgases,ofísicoinglêsLordKelvin(William Thomson, 1824 – 1907) estabeleceu a escala absoluta, conhecida tambémporescalaKelvinoutermodinâmica.Nestaescala,onúmero 273 corresponde ao ponto do gelo e 373 ao ponto do vapor. Observações: a) Em 1967, pela 13ª Conferência de pesos e medidas, a unidade de temperatura graus Kelvin (°K) passou a ser designada simplesmente Kelvin (K). b) Kelvinatribuiuonúmero0à temperaturade–273,15°C (para simplificação, desprezamos a fração 0,15) e dividiu a escala de tal modo que a variação de 1 K correspondesse à variação de 1°C, donde 0°C e 100°C correspondem, respectivamente, a 273,15 K e 373,15K. A temperatura de – 273m15°C é, na prática, inatingível; foi obtida teoricamente com base na Teoria dos Gases e na 2ª Lei da Termodinâmica. As leituras tC etK,correspondentesaummesmoestadotérmico e fornecidas pelos termômetros nas escalas C e K, podem ser relacionadas,estabelecendo-seumaproporçãoentreosnúmerosde divisõesdasescalas (TeoremadeTales),conformevemosaseguir: De acordo com o esquema, vem: tC – 0 = tK – 273 100-0 373 – 273 tC = tK – 273 100 100 tC = tK – 273 ou tK = tC + 273 77 SENAI-PR 13. Transforme 400 K em °C: 14. Converta 23°C em K: 15. As escalas C e K podem indicar temperaturas numericamente iguais? 16. A variação de 100°C corresponde à variação de quantos Kelvin? 17. Mostre que as temperaturas nas escalas Kelvin e Fahrenheit podem ser relacionadas pela expressão: tK – 273 = tF – 32 5 9 18. Transforme 120°F e – 76°F em K: 78 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Equação termométrica A expressão matemática que relaciona a temperatura com a grandeza termométrica denomina-se equação termométrica. Exemplos: 1º) Em um termômetro de mercúrio, as temperaturas e as alturas da coluna estão relacionadas pela tabela: Pela tabela verifica-se que t é sempre o dobro de h, logo a equação termométrica será: t = 2 h 2º) Em um termômetro de álcool, as temperaturas em graus F e as alturas da coluna deste líquido estão relacionadas conforme a tabela: Verifica-se, pela tabela, que enquanto h varia de 2 em 2 a temperatura varia de 8 em 8, isto é, a variação da temperatura é proporcional à variação da altura. A equação termométrica pode ser estabelecida através de uma proporção, conforme: 2 - 0 = 11 - 3 h - 0 t - 3 2 = 8 h t - 3 t = 4 h + 3 ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 81 SENAI-PR Quando a temperatura diminui, o álcool e o mercúrio se contraem; a coluna de mercúrio se desloca para o lado esquerdo, empurrando o índice I1; o índice I2, por sua vez, permanece na posição anteriormente atingida. Desse modo, pode-se ler as temperaturas máxima e mínima atingidas num certo intervalo de tempo. Para efetuar novas observações, os índices I1 e I2 são aproximados dos extremos da coluna de mercúrio com auxílio de um ímã. Termômetros de gás Este termômetro é chamado de termômetro “normal” ou “legal”, uma vez que serve como padrão de aferição para outros termômetros. Em geral, utiliza-se hidrôgenio ou hélio, cujo volume é mantido constante através do deslocamento vertical do reservatório de mercúrio. A temperatura é medida em função do desnível H da coluna de mercúrio nos tubos. Termômetro bimetálico Quando ocorre uma variação de temperatura no conjunto formado por lâminas de metal com coeficientes de dilatação diferentes e soldados entre si, conforme a figura, ele se encurva. 82 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Adaptando-se um ponteiro a um dos extremos do conjunto, pode-se ler a temperatura numa escala graduada, obtendo-se, desta forma, o chamado “termômetro bimetálico”. Termômetro de resistência Este termômetro baseia-se no fato de que a resistência elétrica de um fio metálico varia conforme a variação da temperatura. Essadependência da resistência com a temperatura pode ser utilizada para indicar mudanças de temperatura. Termoelemento O termoelemento utiliza a seguinte propriedade: quando dois fiosmetálicosdiferentessãoligadospelasextremidadesesubmetidos a diferentes temperaturas nas junções, são percorridos por uma correnteelétricaqueéproporcionalàdiferençade temperaturas. Pirômetro A radiação emitida por um corpo incandescente depende da temperatura do mesmo. A temperatura de um corpo incandescente pode ser determinada através da medida da radiação emitida é fraca a baixas temperaturas, o pirômetro se presta a medições de temperaturas acima de 600°C. Lápis de cores (térmicas) Alguns materiais mudam de cor quando atingem determinadas temperaturas. Através da utilização de diversas cores, que se modificam a diferentes temperaturas, pode-se acompanhar o aquecimento de corpos de prova, os quais são marcados com as diversas cores. A seguir, apresentamos um quadro sobre as faixas de utilização de diferentes termômetros. 83 SENAI-PR 19. Durante uma experiência, verificou-se que a temperatura de um líquido era 38°C. Expresse esta temperatura em Kelvin e Fahrenheit: 20. O oxigênio entra em ebulição à temperatura de 90 K. Qual será a leitura nas escalas Celsius e Fahrenheit? 21. O gás hélio torna-se líquido à temperatura de – 269°C. Qual será a leitura nas escalas Kelvin e Fahrenheit? 22. Três termômetros nas escalas C, K e F são colocados no mesmo ambiente. Se ocorre uma variação de temperatura igual a 1 grau na escala C, qual será a variação nas demais escalas? Bombas de deslocamento positivo Possuem uma ou mais câmaras, em cujo interior o movimento de um órgão propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando o seu escoamento. Proporciona então as condições para que se realize o escoamento na tubulação de aspiração até a bomba e na tubulação de recalque até o ponto de utilização. A característica principal desta classe de bombas é que uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está em contato. Ass im, por exemplo , na bomba de êmbolo aspirante-premente, representada pela figura à esquerda, a partícula líquida a tem a mesma trajetória retilínea do ponto b do pistão, exceto nos trechos de concordância inicial e final 0-c e c-1. Na bomba de engrenagem, representada na figura à direita, a partícula líquida a tem aproximadamente a mesma trajetória circular que a do ponto b do dente da engrenagem, exceto nos trechos de concordância na entrada e na saída do corpo da bomba. 88 SENAI-PR As bombas de deslocamento positivo podem ser: Nas bombas volumógenas existe uma relação constante entre a descarga e a velocidade do órgão propulsor da bomba. Nas bombas alternativas, o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado) ou de uma membrana flexível (diagrama). 89 SENAI-PR 90 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Entre a saída do rotor e o caracol, em certas bombas, colocam-se palhetas devidamente orientadas, as “pás guias” para que o líquido que sai do rotor seja conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo de perdas por atrito ou turbulências. Muitos fabricantes europeus usam o difusor de pás, enquanto os americanos, em geral, preferem o difusor-coletor em caracol, sem pás. Nas bombas de múltiplos estádios, “as pás guias ou diretrizes” são necessárias. Perda de carga A grandeza H, quando representa energia cedida pelo líquido em escoamento devido ao atrito interno, atrito contra as paredes e pertubações no escoamento, chama-se perda de carga ou energia perdida, e se representa por J. Essa energia por unidade de peso de líquido, em última análise, se dissipa sob a forma de calor. Na figura a seguir vemos representadas a veia líquida, as linhas piezométrica, energética, as parcelas da energia nas seções 0 e 1, e a perda de carga H entre as referidas seções, que também representaremos por J0¹. 93 SENAI-PR 94 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... A determinação da perda de carga J pode ser realizada medindo-se o desnível piezométrico entre os pontos nos quais se deseja conhecer a perda. J0¹ = ρ0 – ρ1 γ A figura acima indica como variam a linha energética e a linha piezométricanumatubulação ligandodois reservatóriosepossuindo três trechoscomdiferentesdiâmetros. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 95 SENAI-PR Perda por atrito e pressão Aoobservarmosas leis referentesaos fluidosemmovimento, vimosque ascamadasdos fluidospodemdeslocar-seumas contra as outras ou contra um corpo, sem que ocorra atrito. A energia hidráulica, no entanto, não passa através de uma tubulação sem apresentar perdas. Nas próprias paredes do tubo e no fluido em si, ocorre atrito o qual gera calor. Então a energia hidráulica é transformada em calor. A perda ocorrida de energia hidráulica significa para as instalações hidráulicas uma perda de pressão. A perda de pressão ou diferença de pressão – vem indicado por ∆p (figura abaixo). Quanto maior se torna o atrito das camadas de fluido umas contra as outras (atrito interno) tanto maior se torna a viscosidade (tenacidade) do fluído. A extensão das perdas por a tr i to depende predominantemente de: - Comprimento da tubulação, - Secção das tubulações, - Rugosidade da parede do tubo, - Número das curvas do tubo, - Velocidade de vazão e - Viscosidade do fluido. 100 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Algumascentrais termoelétricasutilizamsistemasdegeração do tipoextração-condensação,ouapenascondensação.Paraesse uso, a quantidade de água necessária para se seguir a eficiência necessária é demasiado grande, e não justifica a utilização de água industrial tratada em virtude do custo adicional. Daí se emprega água bruta sem tratamento para esse fim. Algum monitoramento microbiológico é feito em virtude da possibilidade de aparecimento de corrosão microbiana. Outras indústrias podem utilizar água sem tratamento para lavagemdematéria-prima,porexemplona indústriadecelulose,onde amadeiraaser transformadaé lavadacom esse tipodeágua. Água industrial É toda água utilizada na indústria que sofreu tratamento primário (gradeamento, clarificação e filtração). Às vezes, antes da clarificação, a água pode passar por uma pré-cloração, dependendo da quantidade de matéria orgânica existente. A água industrial já foi objeto de estudo deste curso, onde suas propriedades e seu tratamento forma esmiuçados. Água abrandada O abrandamento de uma água consiste na remoção total ou parcial de ions Ca e Mg nela presentes, quase sempre na forma de bicarbonatos, sulfatos e cloretos. O abrandamento de uma água que se destina a produção de vapor deve reduzir Ca++ e Mg++ a valores muito baixos ou mesmo a zero, dados os perigos que os sais desses metais representam quando introduzidos em uma caldeira, tais como incrustações com provável ruptura de tubos ou restrições de seus diâmetros. Basicamente existem três processos de abrandamento de água, o processo da Cal Sodada a Frio e Quente, o processo de Cal Sodada a Quente com Fosfato Trissódico, Disódico ou Monossódico e o processo de Troca de Cátions por Resinas. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 101 SENAI-PR Água desmineralizada A desmineralização é o processo de remoção praticamente total dos ions presentes em uma água, através de resinas catiônicas e aniônicas. Água de retorno São todas as águas que já foram utilizadas no processo industrialesãonovamente coletadaspara reuso.Podem seráguas de retornodeprocessooude retornodecondensado.Dependendo se for uma ou outra o tratamento que se dá é distinto. Se for água do processo, ela poderá ser incorporada em determinada fase do tratamento primário, ou ainda, ser utilizada do jeito que está dependendo do próprio processo. Se for condensado de retorno, ele normalmente terá que passar por um polimento com a finalidade da remoção de íons Fe++, sendo daí incorporado novamente ao fluxo de água de alimentação das caldeiras. Água potável Toda água de consumo humano na indústria, caso não tenha acesso à água de rede da concessionária estadual. Pode também ser a água de determinados processos industriais, normalmente os do ramo alimentício e correlatos. Daságuasdeusoindustrial, tomaremoscomoobjetodenosso estudoaságuasdealimentaçãodeCaldeiraseáguasdeRefrigeração, englobadasnasclassesdeáguasabrandadas,desmineralizadas,de retornodecondensadoealgumaságuasbrutas. Tratamento de Água de Caldeira Histórico Atéoiníciodesteséculo,praticamentenãohaviapreocupação com respeito ao tratamento de águas para caldeiras, em virtude do pequenotamanhoepressõesdetrabalhodasmesmas.Mesmoassim aconteciam imprevistos que provocavam paradas inesperadas e acidentesmuitasvezesfatais. 102 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Com uma melhoria tecnológica ocorrida durante os anos das décadas de 1910 e 1920, passou-se a considerar que grande parte dos imprevistos ocorridos eram devidos a qualidade inadequada da água utilizada. Outro fator determinante no advento do tratamento da água de caldeiras como etapa industrial fundamental , foi a necessidade da utilização de caldeiras com pressões de trabalho cada vez maiores, que levavam a um acréscimo considerável dos acidentes por problemas relacionadas à qualidade da água. Todos estes imprevistos, de uma forma ou de outra, provocavam paradas que se tornavam dispendiosas. A partir de 1920, começaram a desenvolver algumas técnicas de tratamento de água, juntamente com análises químicas e físicas que determinavam os parâmetros ideais de qualidade da água a ser tratada. Durante toda essa fase de desenvolvimento, alguns fatos tinham sido observados e estudados, entre os quais o aparecimento de incrustações nas tubulações de água a vapor, e corrosão típica da presença de oxigênio dissolvido. Uma análise mais detalhada destas incrustações levou a conclusão que a presença de ions Ca++ e Mg++ na água de alimentação era extremamente prejudicial a normal operação da caldeira, podendo provocar obstrução parcial e até mesmo total dos tubos de água, com conseqüente superaquecimento e rompimento. Incrustrações e erosões encontradas em tubulações de vapor superaquecido e em turbinas a vapor pelo foram ana l isadas e conc lu iu -se que s i l i ca tos eram os constituintes principais desses depósitos. Nesta mesma época, começou- se a pré aquecer às águas de alimentação das caldeiras, para a eliminação do oxigênio nelas dissolvido. Aí entraram em operação os primeiros desaeradores que se tem notícia. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 105 SENAI-PR A determinação da taxa de descarga em relação à quantidade de vapor produzidos pode ser feita pela fórmula abaixo: A = 100 x C / (M – C) Onde: A = % de água a ser purgada; C = total de sólidos dissolvidos na água de alimentação, em ppm; M = total de sólidos dissolvidos admissíveis na água de caldeira, em ppm. A determinação dos sólidos totais dissolvidos na água de alimentação de uma caldeira pode ser acompanhada mais diretamente a concentração dos sólidos com a condutividade da água, de acordo com a seguinte expressão: S.D. = 0.68 x C.D. Onde: S.D. = sólidos totais dissolvidos, em ppm; C.D. = condutividade a 25°C, em Mho/cm. Abaixo segue uma relação de parâmetros limites da qualidade de água para caldeiras de média pressão: 106 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... Caldeiras de alta pressão Não é tarefa muito fácil o estudo do tratamento de água para caldeiras de alta pressão, pois esse assunto envolve uma série de fenômenos que não encontram justificativas em bases científicas perfeitamente definidas. As condições drásticas a que estão sujeitos os compostos que entram numa caldeira para o tratamento de sua água impedem que se façam pesquisas em bases econômicas justificáveis para explicar como ocorrem certos fenômenos que a prática revela. A drasticidade dessas condições se complica com a evolução da técnica de construção de caldeiras que tendem a trabalhar com pressões e temperaturas cada vez mais altas. É opinião geral que determinadas pesquisas que explicassem cientificamente certos fenômenos , constituiriam mera curiosidade acadêmica e não trariam benefícios práticos. Por isso a tecnologia busca pura e simplesmente os resultados práticos, não se preocupando com especulações. O seu objetivo principal é desenvolver e aperfeiçoar práticas preventivas para evitar corrosão e incrustações em caldeiras e tubulações de sistemas de água de alimentação, bem como obter água de alta pureza para lamentar o ciclo de uma usina de vapor. Abaixo segue uma relação de parâmetros limites de qualidade de água para caldeiras de alta pressão: ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 107 SENAI-PR Para caldeiras que operam, com pressões de vapor com valores acima de 200 kgf/cm², esses parâmetros assim ficariam. Abaixo segue uma relação de parâmetro limites da qualidade de água para caldeiras de altíssima pressão: Abrandamento de águas A técnica mais apropriada para abrandar águas é a que emprega resinas trocadoras de cátions, especificamente as que trocam Na+ por Ca++ e Mg++. A conveniência ou não da instalação de uma estação de abrandamento de água por troca de íons, em uma indústria depende principalmente da qualidade de água por ela requerida. Quando se necessita, por exemplo, de uma água de dureza praticamente zero deve-se instalar uma estação de abrandamento por troca iônica, principalmente se a água bruta ou clarificada apresentar uma dureza inferior a 100 ppm. Enfim, o projeto de um sistema de abrandamento de água deve incluir, entre outros fatores, os estudos sobre a qualidade da água bruta, a qualidade desejada, o tipo e as necessidades da indústria que vai utilizar a água, e um balanço econômico geral da situação que envolve esse projeto. Por meio deste tipo de abrandamento pode-se remover, além da dureza, Fe, Mn e Al na forma de tais solúveis. A presença de grande quantidade de cátions monovalentes na água reduzirá a capacidade de resina. 110 SENAI-PR ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... A figura abaixo mostra um fluxograma resumido de um sistema de desmineralização, incluindo as reações de troca iônica que ocorrem. Regeneração Todo sistema de desmineralização de águas por intermédio de resinas trocadoras de cátions e ânions, têm o inconveniente de saturação a partir de um certo instante. Esse instante é variável e depende do tipo de resina utilizada e da quantidade da água a ser desmineralizada. Evidentemente, os procedimentos de regeneração dessas resinas é distinto para resinas de características diferentes: as resinas catiônicas são regeneradas utilizando-se soluções alcalinas. O tipo de solução, ácida (H2SO4 ou HCl) ou básica (NaOH) empregada na regeneração normalmente é especificada pelo fabricante de resina, dependendo justamente do tipo de cátion ou ânion a ser removido e da resistência química da própria resina. No caso de unidades desmineralizadoras com Leito Misto, os cuidados na regeneração devem ser redobrados uma vez que as soluções de regeneração para as resinas catiônicas são extremamente nocivas às aniônicas e vice versa. Devido a esse fato, a primeira etapa da regeneração de resinas em Leito Misto deve ser a separação das resinas. Isso é conseguido através das diferenças de densidade entre as duas resinas. ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... ....................................... 111 SENAI-PR Após a separação , duran te o processo de regeneração, o cuidado com a selagem entre as resinas aniônicas e catiônicas deve ser muito grande, evitando o contato de solução regeneradora de uma resina com a outra. Na figura abaixo, mostramos algumas combinações de sistemas de resinas catiônicas, aniônicas e de leito misto usados para estações de desmineralização de águas: Vida das resinas aniônicas e catiônicas A vida útil das resinas catiônicas poderá ser de até 15 anos quando estas funcionam em condições adequadas (afluente bem clarificado), livre de ferro, cloro e matéria orgânica, fluxos de regeneração, serviço e relavagem de acordo com as recomendações de projeto, e boa qualidade de solução regenerante. Em condições adversas não se poderá prever o tempo de vida dessas resinas. As resinas aniônicas são mais suscetíveis à deteriorização que as catiônicas. Os mesmos fatores que exercem influência na vida das resinas catiônicas o fazem nas aniônicas. As resinas aniônicas, quando funcionando em condições ideais podem durar até 5 anos, quando não, duram apenas alguns meses. A seguir apresentamos um quadro que procura resumir as principais dificuldades de operação de um sistema de desmineralização ou mesmo de de um sistema de abrandamento. 112 SENAI-PR