Equipamentos Fundamentais da Pneumática e Hidropneumática

Equipamentos fundamentais da pneumática Hidropneumática Diretor Executivo DAVID LIRA STEPHEN BARROS Gerente Editorial ALESSANDRA VANESSA FERREIRA DOS SANTOS Projeto Gráfico TIAGO DA ROCHA Autoria EUGÊNIO BASTOS MACIEL AUTORIA Eugênio Bastos Maciel Sou bacharel em Física pela Universidade Federal de Campina Grande UFCG com mestrado na mesma instituição na área de Teoria Quântica de Campos Também possuo doutorado em Física na área de Gravitação e Cosmologia pela Universidade Federal da Paraíba UFPB Tenho experiência nas áreas de ensino e pesquisa Atuei como professor de ensino médio na rede pública e privada tanto em sala de aula como em laboratório de mecânica Hoje leciono na Universidade Estadual da Paraíba UEPB e na Universidade Federal de Campina Grande UFCG como professor substituto Como pesquisador pósdoutorando desenvolvo estudos em gravidade modificada dimensões exatas e espalhamento quântico em buracos negros no Programa de Pósgraduação em Física PPGF da UFCG Adoro transmitir meus conhecimentos e minha experiência de vida àqueles que estão iniciando em suas profissões Por isso fui convidado pela Editora Telesapiens a integrar seu elenco de autores independentes Estou muito feliz em poder ajudálo nesta fase de muito estudo e trabalho Conte comigo ICONOGRÁFICOS Olá Esses ícones irão aparecer em sua trilha de aprendizagem toda vez que OBJETIVO para o início do desenvolvimento de uma nova competência DEFINIÇÃO houver necessidade de apresentar um novo conceito NOTA quando necessárias observações ou complementações para o seu conhecimento IMPORTANTE as observações escritas tiveram que ser priorizadas para você EXPLICANDO MELHOR algo precisa ser melhor explicado ou detalhado VOCÊ SABIA curiosidades e indagações lúdicas sobre o tema em estudo se forem necessárias SAIBA MAIS textos referências bibliográficas e links para aprofundamento do seu conhecimento REFLITA se houver a necessidade de chamar a atenção sobre algo a ser refletido ou discutido ACESSE se for preciso acessar um ou mais sites para fazer download assistir vídeos ler textos ouvir podcast RESUMINDO quando for preciso fazer um resumo acumulativo das últimas abordagens ATIVIDADES quando alguma atividade de autoaprendizagem for aplicada TESTANDO quando uma competência for concluída e questões forem explicadas SUMÁRIO Compressores pneumáticos 12 Propriedades físicas do ar 12 A pressão atmosférica 16 Compressores 18 Bombas hidráulicas 23 Classificação das bombas hidráulicas 23 Elementos fundamentais 28 Dilatação térmica 31 Propriedades físicas dos fluidos 34 Estática dos fluidos 34 Massa específica34 Pressão em um fluido 37 O princípio de Arquimedes 42 Propriedades físicas dos gases 45 Conceitos fundamentais de termodinâmica 45 Calor trabalho e energia interna e a Primeira Lei da Termodinâmica 47 Entropia máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica 52 10 INTRODUÇÃO Tudo se move à nossa volta O estudo do movimento dos corpos se configura como uma importante área da Física conhecida como Mecânica Nesta unidade não estamos interessados a priori no estudo minucioso de tais propriedades físicas mas sim em investigar uma área que descreve o movimento dos corpos em nível macroscópico como os automóveis ou seja os pneus conhecida como hidropneumática Neste estudo veremos os principais dispositivos como os compressores e as bombas hidráulicas além de vermos algumas propriedades físicas dos gases que sustentam a funcionalidade dos pneus Então ficou curioso Preparese pois ao longo desta unidade letiva você mergulhará no universo da Mecânica e verá como funciona parte do movimento dos corpos que nos cercam Hidropneumática 11 OBJETIVOS Olá Seja muito bemvindo a à Unidade 1 Nosso objetivo é auxiliar você no desenvolvimento das seguintes competências profissionais até o término desta etapa de estudos 1 Compreender o princípio de funcionamento de um compressor e suas aplicações em pneumática 2 Identificar e testar as principais propriedades das bombas hidráulicas entendendo o seu funcionamento 3 Descrever e avaliar as propriedades físicas dos fluidos em movimento e suas variações sobre mudanças de temperatura e pressão 4 Avaliar e descrever as propriedades físicas dos gases ideais e suas leis como a Lei de BoyleMariote Compreender o princípio de funcionamento dos sistemas mecânicos que nos cercam nos leva a compreender como funciona a vida moderna em nossa atual sociedade Vamos lá Hidropneumática 12 Compressores pneumáticos OBJETIVO Ao término deste capítulo você será capaz de entender os conceitos que fundamentam o estudo da pneumática Esses conceitos estão ligados ao fato de o ar estar comprimido dentro do pneu e assim possuir características e propriedades especiais Dessa forma buscamos investigar as propriedades do compressor elemento básico no estudo do ar comprimido E então Motivado para desenvolver essa competência Vamos lá Avante Propriedades físicas do ar Consideramos o estudo das propriedades do ar comprimido um dos mais antigos e importantes ramos da engenharia responsável por descrever como aplicar a energia mecânica em sistemas físicos tão importante para a manutenção da dinâmica da sociedade moderna Veremos neste capítulo algumas das principais propriedades do ar de modo a termos uma visão geral a respeito de sua importância no estudo da pneumática Compressibilidade A compressibilidade pode ser compreendida como a propriedade pela qual o ar pode ocupar um volume no espaço Considerando que o ar é um fluido e não possui uma forma definida deve ocupar um volume qualquer quando se contra preso dentro de certo recipiente Uma vez contido dentro de determinado objeto o gás pode sofrer variações de pressão se modificarmos as dimensões do recipiente por exemplo movendo um êmbolo móvel como mostra a figura subsequentes Hidropneumática 13 Figura 1 Variações de pressão de um gás preso dentro de um recipiente Fonte Mugge e Dorneles 2008 p 4 Na figura precedente vemos a possibilidade de uma variação de pressão do gás quando movimentamos o êmbolo móvel Mais precisamente na situação 2 o gás está comprimido com um valor de pressão maior do que na situação 1 Elasticidade Esta propriedade do gás está de certa forma relacionada com a compressibilidade Da mesma maneira que o gás comprimiu pelo efeito do movimento do êmbolo este pode voltar ao seu estado anterior se consideramos porventura o movimento do êmbolo no sentido oposto Podemos ver esse caso com o auxílio da figura a seguir Figura 2 Propriedade de elasticidade do gás Fonte Mugge e Dorneles 2008 p 4 Perceba que quando comparamos a Figura 2 com a Figura 1 percebemos que o processo ocorre no sentido oposto agora o gás sofre expansão mostrando assim a sua versatilidade de ser modificado sob Hidropneumática 14 certas situações Esse retorno ao estado inicial de não compressão não necessariamente poderá ser feito com o movimento do êmbolo pode ocorrer também com algum agente externo como uma fonte de calor na base do recipiente que pode fazer com que o gás sofra expansão Difusibilidade A difusibilidade pode ser compreendida como uma propriedade pela qual o gás tem de misturarse de forma homogênea com qualquer outro meio gasoso O único requisito para essa propriedade é o fato de que o gás em que será misturado não esteja saturado Na figura seguinte vemos essa propriedade Figura 3 Difusibilidade do gás Volumes contendo ar e gases válvula fechada Válvula aberta temos uma mistura homogênea 1 2 Fonte Mugge e Dorneles 2008 p 5 Essa propriedade pode ser considerada também como uma propriedade de outros fluidos como os líquidos Expansibilidade A expansibilidade é uma das principais propriedades dos gases dos fluidos de maneira geral de modo que podemos considerála aquela que mais o define Ela consiste na propriedade do gás de ocupar o volume do recipiente onde está contido Vejamos isso na figura que se segue Hidropneumática 15 Figura 4 Expansibilidade do gás Fonte Mugge e Dorneles 2008 p 5 Frisamos mais uma vez que essa propriedade é geral para todos os fluidos Por exemplo se ao tomarmos água a colocarmos dentro de um recipiente ela irá assumir o volume do recipiente Peso do ar Mesmo sendo um fluido este também possui por sua vez massa se possui massa sofre a ação da força gravitacional Consideramos o peso como o módulo da força necessária para impedir que um corpo caia na superfície da Terra Dessa forma uma certa quantidade de gás dentro de uma superfície deve conter também o peso Vejamos a figura seguinte Figura 5 Diferentes medidas de peso do ar Fonte Mugge e Dorneles 2008 p 5 Hidropneumática 16 Destacamos o fato de que o ar quente possui menor densidade em relação ao ar frio Dessa forma o ar quente é mais leve do que o gás frio A pressão atmosférica O fato de o ar possuir peso nos leva a concluir que vivemos sobre pressão constante uma vez que estamos imersos na atmosfera terrestre Assim definimos a chamada pressão atmosférica VOCÊ SABIA Um fato curioso é que a pressão atmosférica atua em todos os sentidos e em todas as direções nos corpos que se encontram na superfície da Terra A figura a subsequente nos mostra de maneira mais clara essa ação Figura 6 Pressão atmosférica em todos os sentidos e direções Fonte Parker 2000 p 8 Não sentirmos a força com a qual a atmosfera age sobre nós se deve justamente ao fato dela agir dessa forma em todas as direções Devemos destacar que a pressão atmosférica diminui com a altitude Vejamos na próxima figura Hidropneumática 17 Figura 7 Pressão atmosférica nos corpos Fonte Parker 2000 p 8 Na Figura 7 vemos os valores numéricos da pressão atmosférica em diferentes altitudes na superfície da Terra SAIBA MAIS Uma forma de você verificar os efeitos da pressão atmosférica é por meio de experiências Assista a um vídeo que mostra algumas experiências simples que nos ajudam a enxergar de forma mais clara os efeitos da pressão atmosférica nos corpos Acesse clicando aqui Assim como a pressão atmosférica diminui com a altitude a aceleração da gravidade é uma quantidade que também diminui com a mesma altitude Hidropneumática 18 Compressores Os compressores são os principais dispositivos no estudo do ar comprimido e da pneumática de maneira geral Resumidamente os compressores são máquinas cujo objetivo é aumentar a pressão de uma certa quantidade tendo por base a pressão atmosférica Por isso é peça fundamental no uso de sistemas que exigem ar comprimido De acordo com o princípio de trabalho os compressores estão classificados conforme elencado adiante Deslocamento positivo Caracterizase pela diminuição de volume Nesse caso o ar é considerado dentro de uma câmara isolada do meio externo e seu volume é diminuído gradativamente caracterizando a compressão Todas as vezes que é atingido determinado valor de pressão válvulas de descargas são abertas para evitar sobrecarga no valor dessa quantidade e assim danificar o compressor Deslocamento dinâmico É um processo pelo qual o aumento de pressão ocorre devido à conversão da energia cinética das partículas que constituem o gás em energia de pressão durante o movimento do ar dentro do compressor O processo se dá porque o ar que é colocado dentro de impulsores é dotado de alta velocidade ocorrendo maior transmissão de energia cinética do ar Assim o seu escoamento é diminuído por intermédio de difusores o que fornece aumento de pressão Vemos na Figura 8 um esquema gráfico nos mostrando os principais tipos de compressores e suas características Hidropneumática 19 Figura 8 Tipos de compressores Compressores Ejetor Fluxo radial Fluxo axial Deslocamentos dinâmicos Deslocamentos positivos Rotativos Roots Anel líquido Palhetas Parafuso Alternativos Pistão Tipo labirinto Simples efeito ou tranco Duplo efeito ou cruzeta Simbologia Diafragma Mecânico Hidráulico Simbologia Fonte Parker 2000 p 11 Vejamos agora alguns dos principais tipos de compressores Compressor dinâmico de fluxo radial É um tipo de compressor onde o ar é acelerado a partir do centro de rotação para valores mais distantes conhecido como periferia Nesse compressor o rotor é dotado de lâminas que estão dispostas de forma radial O princípio de funcionamento desse aparelho se baseia no fato de que o ar seja obrigado a passar por um difusor Isso ocorre antes de ele ser conduzido ao centro de rotação do estágio seguinte causando a conversão de energia cinética em energia de pressão A relação de compressão entre os estágios é determinada pelo desenho da hélice sua velocidade tangencial e a densidade do gás Podemos ver um exemplo desse tipo de compressor na Figura 9 Hidropneumática 20 Figura 9 Compressor dinâmico de fluxo radial Fonte Parker 2000 p 11 No que diz respeito ao resfriamento entre os estágios este é feito por meio das chamadas camisas dágua que se encontram fixas nas paredes internas do compressor Para compressores que operam em baixas pressões não existe resfriamento de forma intermediária Compressor de parafuso Esse tipo de compressor é conhecido por possuir uma carcaça por meio da qual giram dois rotores na forma de hélices em sentidos opostos Uma característica importante desse tipo de compressor é que seus rotores são constituídos um por lóbulos convexos e o outro por uma depressão convexa Por essa razão eles são denominados rotor macho e rotor fêmea VOCÊ SABIA Esse rotor tem seu funcionamento com base em um sincronismo de engrenagens No entanto existem fabricantes que acondicionam um rotor ao outro por meio de um contato direto O processo mais usado é o de acionar o rotor macho de modo que este possua uma velocidade menor do que a do rotor fêmea Vejamos na Figura 10 um exemplo de um rotor compressor parafuso A FIGURA também nos mostra todos os passos necessários para seu funcionamento Hidropneumática 21 Figura 10 Compressor de parafuso Ciclo de trabalho em um compressor a O ar entra pela abertura de admissão preenchendo o espaço entre os parafusos A linha tracejada representa a abertura da descarga b À medida que os rotores giram o ar é isolado tendo início a compressão c O movimento de rotação produz uma compressão suave que continua até ser atingido o começo da abertura da descarga d O ar comprimido é suavemente descarregado do compressor ficando a abertura de descarga selada até a passagem do volume comprimido no ciclo seguinte Simbologia Fonte Parker 2000 p 11 Hidropneumática 22 Ainda nesse tipo de compressor destacamos que a pressão atmosférica ocupa espaço entre os rotores e conforme eles se encontram em movimento de rotação o volume do gás que se está contido dentro do compressor é isolado da admissão IMPORTANTE O manuseio correto do compressor é fundamental para evitar o máximo de acidentes uma vez que o ar comprimido pode ser bastante perigoso em uma explosão de compressor por exemplo Outro fato importante quanto a esse compressor acontece é que no tubo de descarga existe uma válvula de retenção que evita o compressor trabalhar como um motor quando ele estiver parado RESUMINDO Neste capítulo aumentamos nosso conhecimento a respeito da dinâmica dos compressores Para isso foi necessária a explanação de algumas das principais propriedades do ar como a sua expansibilidade seu peso entre outros Cumpre destacar que essas propriedades não estão restritas apenas ao ar em especial mas também aos fluidos de modo geral uma vez que o ar é um fluido Após essa análise destacamos o conceito de compressor e suas funcionalidades Foram explicitados dois dos principais tipos de compressores bem como suas particularidades Sobretudo podemos considerar que o conhecimento sobre esse dispositivo é essencial para o uso na indústria e nas residências Hidropneumática 23 Bombas hidráulicas OBJETIVO Ao término deste capítulo você será capaz de compreender as principais propriedades relacionadas ao funcionamento de bombas hidráulicas e sua importância na dinâmica dos fluidos E então Motivado para desenvolver essa competência Vamos lá Avante Classificação das bombas hidráulicas Chamamos de bombas hidráulicas todo tipo de máquina eletrônica capaz de estabelecer uma comunicação entre o líquido pelo qual está se movendo em seu trabalho à energia Aqui neste capítulo vamos analisar esse tipo de máquina de forma mais detalhada no que diz respeito aos seus elementos constitutivos tendo em vista que parte desse funcionamento é bastante comum na maioria das máquinas e dispositivos relacionados à pneumática IMPORTANTE Quanto à classificação geral as bombas hidráulicas são divididas em três grupos a saber as bombas volumétricas ou estáticas as bombas de escoamento ou bombas dinâmicas e as bombas de elevação ou transporte Ainda dentro dessa classificação ainda ocorrem uma subclassificação para as bombas volumétricas e as bombas de escoamento como veremos a seguir Bombas volumétricas ou estáticas São bombas pelas quais o volume do líquido a cada instante é fixado pelas dimensões que definem a geometria da bomba Essas bombas são subdivididas de acordo com os elementos que as constituem em bomba de pistão bomba de diafragma e bomba de engrenagem Vejamos a Figura 11 Hidropneumática 24 Figura 11 Bomba hidráulica de pistão Fonte Bombas hidráulicas 2022 p 2 Esse tipo de bomba se caracteriza pelo seu líquido ser limpo sem contar com dispositivos sólidos em suspensão Essas bombas também não possuem registros e são aplicadas na pulverização e na injeção de fertilizantes Já as bombas de engrenagens têm sua funcionalidade descrita na figura a seguir Figura 12 Bomba de engrenagem Fonte Bombas hidráulicas 2022 p 2 Hidropneumática 25 Esse tipo de bomba é muito utilizado na lubrificação de veículos e líquidos viscosos bastante comum em nosso cotidiano Por fim vamos analisar a bomba de diafragma que é aquela cujo volume do líquido em cada movimento é fixado pelas dimensões geométricas da bomba Vejamos a figura seguinte Figura 13 Bomba de diafragma Fonte Bombas hidráulicas 2022 p 3 A bomba de diafragma tem sua principal aplicação em poços rasos e em laboratórios Bombas de escoamento dinâmico IMPORTANTE Assim como as bombas volumétricas as bombas de escoamento dinâmico também possuem o princípio de funcionalidade na mecânica uma vez que o aumento de pressão que é gerado durante seu trabalho conduz a uma força centrípeta que é aplicada ao líquido por um rotor Como mencionamos assim como as bombas volumétricas essas bombas são subdivididas em três categorias bombas centrífugas ou radiais bombas axiais e bombas mistas Hidropneumática 26 Vejamos a Figura 14 Figura 14 Bomba centrífuga ou radial Fonte Bombas hidráulicas 2022 p 3 Esse tipo de bomba possui muitas aplicabilidades sendo as principais em irrigação instalações prediais e combate a incêndios Outra característica sua é que possui maior rendimento em altas pressões SAIBA MAIS Veja com maior detalhe as principais características de uma bomba hidráulica centrífuga ou radial Acesse clicando aqui Outra categoria de bomba de escoamento dinâmico é a bomba axial Esse dispositivo tem como característica principal o aumento da pressão ser resultado da força centrífuga que é aplicada ao líquido por um rotor Como podemos ver ela também possui o princípio de funcionamento ligado à mecânica dos corpos Na Figura 15 podemos ver um exemplo desse tipo de bomba Hidropneumática 27 Figura 15 Bomba axial Fonte Bombas hidráulicas 2022 p 4 Como aplicação dessa bomba poderíamos citar em sistemas de drenagem Essas bombas se caracterizam também por possuírem maior rendimento em baixas pressões Por fim as bombas mistas se caracterizam por um aumento da pressão resultante da força centrífuga que é aplicada ao líquido pelo motor A figura seguinte nos mostra esse tipo de bomba Figura 16 Bomba mista Fonte Bombas hidráulicas 2022 p 5 Hidropneumática 28 Essas bombas possuem aplicações intermediárias entre as bombas centrífugas e bombas axiais e um rendimento maior entre as pressões intermediárias Elementos fundamentais Agora veremos alguns dos principais dispositivos conhecidos como dispositivos auxiliares que são elementos constituintes de bombas hidráulicas e que se encontram presentes em toda análise de máquinas em hidropneumática Aqui daremos ênfase às válvulas que são importantes principalmente para a segurança do operário que as manuseia Válvula de retenção com mola Nesse tipo de válvula um cone é mantido incialmente contra sua posição em decorrência da força exercida pela mola Dessa forma o fluxo é orientado no sentido que melhor permitir sua passagem Nesse processo o cone é deslocado do assento o que fornece uma compressão da mola possibilitando assim a passagem do ar Vejamos a figura a seguir Figura 17 Válvula de retenção de mola Fonte Parker 2000 p 67 Hidropneumática 29 O fato de existir uma mola no interior da válvula nos traz a necessidade de maior esforço durante a abertura para que esta vença a contrapressão a que é submetida As válvulas possuem essa contrapressão pequena para que se evite o máximo de perda o que justifica suas substituições constantemente As válvulas de retenção são sempre empregadas para o levantamento de peso nos processos de automação Válvula de retenção com mola É um tipo de válvula de retenção análoga à explicada anteriormente Todavia o bloqueio é no sentido contrário ao anterior e não conta com o auxílio de mola O sistema é desenvolvido pelo próprio sistema de ar comprimido Válvula de escape rápido Todas as vezes que para o desenvolvimento da bomba necessita se de velocidades mais altas no pistão usase a válvula de escape rápido O movimento rápido do pistão se relaciona com a velocidade de escape do ar que se encontra contido no interior do cilindro Vejamos a figura a seguir Figura 18 Válvula de escape rápido Fonte Parker 2000 p 67 É a pressão no interior das câmaras que cai de forma significativa antes que a pressão do lado oposto sofra aumento de modo a superála Hidropneumática 30 SAIBA MAIS Assista ao vídeo e veja a funcionalidade de uma válvula de escape rápido de forma precisa Acesse clicando aqui Nesse tipo de válvula como a pressão no interior da câmara cai toda a resistência que é oferecida pelo ar residual é muito pequena Assim o ar emerge diretamente para a atmosfera Válvula de isolamento É um tipo de válvula dotada de três orifícios dois para a entrada de pressão e o outro sendo um ponto de utilização Vejamos essa válvula na Figura 19 Figura 19 Válvula de isolamento Fonte Parker 2000 p 67 Hidropneumática 31 Nesse tipo de válvula o ar que foi utilizado é reutilizado pelo mesmo caminho Toda vez que é cortado o fornecimento o elemento seletor interno mostrase na mesma posição em decorrência do último sinal Dilatação térmica No processo de funcionamento de uma bomba hidráulica ocorrem variações de temperatura o que torna importante a análise dos efeitos do aumento de temperatura nos corpos Aqui vamos nos restringir a investigar os fenômenos de dilatação linear e volumétrica em sólidos A figura adiante nos mostra uma liga bimetálica constituída de dois materiais uma tira de latão e outra de aço Essas tiras estão soldadas a uma temperatura Quando aquecido o ambiente a uma temperatura maior que percebemos que a tira se enverga para baixo quando a temperatura ambiente é menor ela se enverga para cima Figura 20 Efeitos de aumento de temperatura em uma liga bimetálica Latão Aço T T0 a T T0 b Fonte Halliday Resnick e Walker 2013 Se temos uma barra metálica de comprimento L e esta por sua vez sofre um aumento de temperatura T o comprimento da barra sofre aumento proporcional a L LαT Em que α é uma constante conhecida como coeficiente de dilatação linear cuja unidade é o ºC1 ou o K1 Este é chamado de linear porque acarreta apenas o aumento de comprimento do corpo Veremos adiante os coeficientes de dilatação superficial e volumétrica que estão associados ao aumento de área e volume respectivamente O coeficiente de dilatação muito embora chamado de constante na verdade pode Hidropneumática 32 sofrer pequenas mudanças quando ocorrem variações de temperatura muito embora em média permaneça mesmo com um valor constante Vale destacar que cada material possui seu valor para o coeficiente de dilatação Na tabela a seguir podemos ver alguns desses valores para certos materiais Tabela 1 Coeficiente de dilatação para alguns materiais Material Gelo 51 Chumbo 29 Alumínio 23 Latão 19 Cobre 17 Concreto 12 Aço 11 Vidro Comum 9 Vidro Pyrex 32 Diamante 12 Invar 07 Quartzo fundido 05 Fonte Elaborada pelo autor 2022 IMPORTANTE A dilatação linear que ocorre nos sólidos se aplica a todas as dimensões do corpo Isso nos traz consequências importantes uma vez que aumentando as dimensões do corpo outras características também se alteram como a área e o volume como citado anteriormente Veremos agora o caso mais geral quanto ao aumento do volume do corpo conhecido como dilatação volumétrica Hidropneumática 33 Se a temperatura de um sólido qualquer e de um líquido de volume V aumentam expressivamente quando sofrem uma variação de temperatura T o volume do corpo ou líquido sofre um aumento da seguinte forma Em que o termo β é o chamado coeficiente de dilatação volumétrica que possui relação com o coeficiente de dilatação linear conforme β 3α O valor 3 se dá porque o volume em um sólido se define pelos valores de comprimento largura e altura ou seja três dimensões RESUMINDO Neste capítulo foi possível identificar as principais propriedades das bombas hidráulicas e suas funcionalidades Descrevemos de forma explícita as suas classificações e sobretudo as suas aplicações observando que elas estão presentes intrinsicamente em nosso cotidiano Descrevemos os principais tipos de válvulas e suas respectivas funções no processo de funcionamento das bombas hidráulicas Por fim mostramos as propriedades térmicas dos materiais tendo em vista que durante o processo de funcionamento ocorrem variações de temperatura e de pressão O conhecimento a respeito das condições de temperatura e de pressão são fundamentais para que se tenha maior segurança durante o uso das bombas hidráulicas Hidropneumática 34 Propriedades físicas dos fluidos OBJETIVO Ao término deste capítulo você será capaz de identificar as propriedades e conceitos relacionados à dinâmica dos fluidos Esse estudo é importante para o desenvolvimento de variados sistemas hidráulicos e pneumáticos E então Motivado para desenvolver essa competência Vamos lá Avante Estática dos fluidos A partir de agora vamos dar início ao estudo dos fluidos Fluido é toda substância que pode escoar os líquidos e os gases são exemplos de fluidos Uma característica dessas substâncias é que elas assumem a forma dos recipientes onde estão contidas líquidos Vamos começar abordando os fluidos em repouso e definir alguns conceitos importantes como a massa específica e a pressão Depois veremos fluidos em movimento com o processo de escoamento Massa específica A massa específica dos corpos é definida como a razão entre a sua massa e o seu volume conforme a fórmula a seguir Fórmula Essa quantidade varia de acordo com a substância em questão Os gases por exemplo possuem distância média entre duas moléculas maior em comparação ao próprio tamanho da molécula Nos líquidos e nos sólidos uma vez que a distância média entre as partículas é menor a força exercida uma sobre as outras é mais forte e nesse caso são comparadas às forças de ligação entre os átomos que formam as moléculas Hidropneumática 35 Considerando a análise para um pequeno elemento infinitesimal de massa contida em volume infinitesimal de uma certa substância devemos ter a massa específica dada por A letra grega denota a massa específica Por definição o grama é dado como a massa de um centímetro cúbico de água líquida A massa específica da água líquida em unidade cgs centímetrogamasegundo é de 1 grama por centímetro cúbico Se convertermos para a unidade do SI devemos ter A razão entre a massa específica de uma substância e a de uma substância tomada com referência usualmente a água é conhecida como densidade Outra unidade bastante usada para o volume em fluidos é o litro L que podemos ainda explicitar em termos do e de de acordo com a seguinte relação Nessa unidade a massa específica da água a é de Grande parte dos sólidos e dos líquidos se expandem muito pouco quando se aquecem e se contraem muito pouco quando são submetidos a aumento de pressão externa Na Figura 21 temos algumas substâncias com as suas respectivas massas específicas Hidropneumática 36 Figura 21 Massas específicas de certas substâncias Ósmio 225 x 103 Ouro 193 x 103 Mercúrio 136 x 103 Chumbo 113 x 103 Cobre 893 x 103 Ferro 796 x 103 Terra média 552 x 103 Cimento 2730 x 103 Alumínio 270 x 103 Vidro comum 24 x 103 Osso 1720 x 103 Tijolo1422 x 103 Água do mar 1025 x 103 Água 100 x 103 Gelo 092 x 103 Álcool etanol 0806 x 103 Gasolina 068 x 103 Madeira carvalho 0609 x 103 Ar 1293 x 103 Vapor dágua 06 100C Hélio 01786 Hidrogênio 008994 Fonte Tipler e Mosca 2014 p 1203 Hidropneumática 37 Exemplo Uma certa substância possui massa total de 2 kg contidos dentro de um volume definido por 2 metros cúbicos Determine a densidade da substância Solução Por substituição direta dos dados do problema teremos que Pressão em um fluido Quando um fluido está em contato com uma superfície sólida como a água em uma piscina este exerce sobre a superfície uma força normal Nesse caso como ele ocupa uma área nesse espaço para cada ponto nessa superfície ocorre uma força normal Assim definimos pressão como a razão entre a força e a área da superfície No sistema internacional a unidade da pressão é o Newton por metro quadrado que é chamado de Pascal Pa VOCÊ SABIA No sistema americano usual a unidade é a libra por polegada quadrada lbin2 Outra unidade bastante utilizada é a atmosfera ou atm que é na verdade a pressão ao nível do mar Essa unidade é definida como aproximadamente 101325 kPa o que equivale a aproximadamente 1770 lb in2 Existe uma relação entre o aumento da pressão e o decréscimo relativo do volume Essa relação é conhecida como módulo volumétrico B dado por Hidropneumática 38 Essa relação indica que quanto mais difícil for comprimir um material menor será seu decréscimo relativo do volume e portanto maior será o seu módulo de volumétrico A compressibilidade é o inverso do módulo volumétrico SAIBA MAIS Leia o material e tenha uma visão geral sobre o módulo volumétrico acesse clicando aqui Em boa parte dos líquidos a pressão aumenta com o aumento da profundidade Isso pode ser observado quando alguém mergulha em um lago ou no oceano Da mesma forma observase que a pressão atmosférica diminui com a altitude Se consideramos um líquido com densidade constante a pressão aumenta quase linearmente com a profundidade Para melhor visualizar essa relação analise a figura a seguir Figura 22 Pressão em um fluido Fonte Tipler e Mosca 2014 p 1209 Hidropneumática 39 Na figura precedente temos uma coluna de um líquido de área de seção A Para que suporte o peso do líquido em uma altura h a pressão na base da coluna deve ser maior do que na parte superior A força que exerce essa pressão é clara a força gravitacional Explicitando a massa do líquido em termos da densidade e do volume teremos que Como o volume tem o formato de um cilindro Em que a é a área da base e é a altura do cilindro que no nosso caso essa altura é nesse caso substituindo a equação Fg na equação Vcil reescrevemos a força gravitacional como Considerando a pressão no topo e a pressão na base podemos considerar a força resultante exercida para cima e de modo que Perceba que a resultante é dada em termos da diferença de pressão Considerando que a resultante das forças é o próprio peso do líquido devemos igualar a equação Fr à equação Fg isso nos fornecerá como resultado Simplificando teremos Aqui estamos considerando que a densidade seja constante A relação vista é conhecida como a principal relação para a pressão em um fluido e estabelece que esta aumenta linearmente com o aumento da profundidade Hidropneumática 40 Com base nessa relação podemos enunciar um dos principais princípios para o estudo de fluidos em repouso que é conhecido como o princípio de Pascal e é enunciado como uma variação de pressão aplicada a um fluido incompressível contido em um recipiente é transmitida integralmente a todas as partes do fluido e das paredes do recipiente TIPLER 2014 p 1212 Podemos considerar o princípio de Pascal como um dos princípios mais fundamentais da dinâmica dos fluidos utilizado nas mais variadas aplicações em engenharia A figura subsequente nos mostra de maneira mais clara o princípio de Pascal Figura 23 Ilustração do Princípio de Pascal Bolinhas de chumbo Êmbolo Fonte Halliday Resnick e Walker 2013 p 142 Temos na figura apresentada um líquido dentro de um recipiente com um êmbolo móvel Sob o êmbolo existem bolinhas de chumbo que criam uma pressão externa Pext na parte de cima do líquido que se encontra confinado dentro do cilindro Se colocarmos mais bolinhas de chumbo fazemos aumentar o valor de Pext Nesse caso a pressão aumenta do mesmo valor em todos os pontos do líquido Como os parâmetros Hidropneumática 41 permanecem constantes a variação de pressão em um ponto F do líquido é Ou seja como essa variação de pressão não depende de h ela é a mesma para todos os pontos do líquido o que satisfaz o princípio de Pascal Como sabemos há uma relação entre a área e a força de aplicação que define a pressão Nesse caso podemos visualizar melhor essas relações de proporcionalidade usando os chamados vasos comunicantes e elevadores hidráulicos Na figura a seguir temos um elevador hidráulico com duas aberturas uma maior e a outra menor com dois pistões móveis Concluímos que quando aplicamos uma força F1 sobre o pistão pequeno uma pressão F1 A1 é transmitida pelo líquido até o pistão grande Pelo princípio de Pascal como as variações de pressão são iguais em todo o fluido as forças nos pistões estão relacionadas como na definição de pressão No entanto como a área do pistão dois é maior será necessária uma força muito maior do que a do pistão 1 Figura 24 Elevador hidráulico e o princípio de Pascal Fonte Tipler 2014 p 1220 Hidropneumática 42 Exemplo O pistão grande de um elevador hidráulico tem raio de 20 cm Qual a força que deve ser aplicada ao pistão pequeno de 2 cm de raio para levantar um carro de 1500 kg de massa Solução Considerando que a pressão é a mesma em todos os pontos do líquido devemos ter a seguinte relação Lembrando que aqui convertemos as unidades de centímetros para metros e consideramos a força no pistão 1 o peso do carro O princípio de Arquimedes Todo corpo que é mergulhado na água sofre a ação de uma força exercida para cima que equilibra parcialmente a força da gravidade A força exercida por um fluido sobre um corpo total ou parcialmente imerso nele é chamada de força de empuxo Essa força é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo Com essas informações podemos enunciar o princípio de Arquimedes como um corpo total ou parcialmente mergulhado em um fluido sofre um empuxo de baixo para cima igual ao peso do fluido por ele deslocado HALLIDAY RESNICK WALKER 2013 p 150 Hidropneumática 43 Em termos quantitativos teremos que a força de empuxo é dada por Dois corpos flutuam em um líquido quando a força de empuxo se torna igual ao módulo da força gravitacional do corpo Nesse caso devemos ter Destacamos mais uma vez que a massa que aparece na equação Fe é na verdade a massa do fluido que foi deslocada quando o corpo se encontra em seu meio Na figura seguinte temos um exemplo dessa situação Figura 25 Corpo flutuando Fonte Tipler 2014 p 1225 O princípio de Arquimedes juntamente com o princípio de Pascal constituem o que chamamos de fundamentos da hidrostática Diversas são as aplicações desse princípio e destacamos aqui que ele não fica restrito apenas aos líquidos Os gases são fluidos e esses princípios também são válidos nessa situação a exemplo de um balão sobre os céus devido ao empuxo Hidropneumática 44 RESUMINDO Neste capítulo observamos as propriedades e conceitos relacionados à dinâmica dos fluidos Mais precisamente tratamos dos fluidos em repouso Vimos sua diferença crucial em relação ao estudo da mecânica dos sólidos uma vez que ao contrário destes os fluidos são substâncias que podem escoar Destacamos a importância dos conceitos de densidade e pressão para a compreensão das propriedades dos fluidos Após entendermos esses conceitos observamos os dois principais princípios que alicerçam o estudo dos fluidos o princípio de Pascal e o princípio de Arquimedes Percebemos no princípio de Pascal que a pressão em um fluido aumenta com o aumento da profundidade já o princípio de Arquimedes estabelece que existe uma força no interior do fluido que se opõe à força da gravidade e isso justifica o aparente menor peso de um corpo dentro de um fluido Hidropneumática 45 Propriedades físicas dos gases OBJETIVO Ao término deste capítulo você será capaz de entender os principais conceitos sobre a termodinâmica parte da física que estuda as propriedades térmicas dos gases essencial para o desenvolvimento do estudo da pneumática Então Motivado para desenvolver essa competência Vamos lá Avante Conceitos fundamentais de termodinâmica Agora chegou o momento de voltarmos nosso estudo sobre os gases tratando de dos conceitos fundamentais que alicerçam essa grande área da física conhecida como termodinâmica que pode ser considerada como aquela que estuda os fenômenos relacionados ao calor Também teremos a oportunidade de conhecer o conceito de equilíbrio térmico que fundamenta a chamada Lei Zero da Termodinâmica IMPORTANTE Muitos corpos na natureza sofrem mudanças em suas propriedades quando são aquecidos ou resfriados a exemplo de uma barra metálica que aumenta de tamanho um líquido que transborda em um recipiente em dado volume Qualquer mudança em suas características é usada como instrumento para medir a temperatura do referido corpo Para encontrar a temperatura de um corpo vamos considerar um instrumento construído de tal forma que quando o corpo é aquecido os números observados em seu painel aumentem e quando resfriado colocado dentro de uma geladeira por exemplo diminuem Os números não estão calibrados e nesse caso não representam nenhum sentido físico ainda então chamaremos esse aparelho de termoscópio não de termômetro Hidropneumática 46 O procedimento ocorre da seguinte maneira vamos colocar o termoscópio que definiremos pela letra em contato com dois corpos e que estão separados por material isolante ou seja não trocam calor entre si Para melhor visualizar esse processo considere a Figura 26 nela temos três situações distintas Na situação a o termoscópio é colocado em contato com um corpo Após algum tempo o leitor do termoscópio estabilizase em um valor qualquer Quando isso acontece dizemos que esses corpos estão em equilíbrio térmico Mesmo sabendo que as leituras não estão calibradas concluímos que eles possuem a mesma característica ou propriedade em comum que ainda não sabemos o que é Na situação b colocamos o termoscópio em contato com o corpo que se encontra isolado de Considerando que após certo tempo os dois atingem a mesma leitura afirmamos mais uma vez que eles estão em equilíbrio térmico Figura 26 Representação esquemática para a Lei Zero da Termodinâmica Fonte Halliday Resnick e Walker 2013 p 185 Hidropneumática 47 Agora se colocarmos A e B em contato térmico o que ocorre Experimentalmente observase que os corpos A e B estão em equilíbrio térmico entre si De forma mais objetiva a Lei Zero da Termodinâmica afirma que todo corpo possui uma propriedade chamada temperatura e quando dois corpos estão em equilíbrio térmico eles possuem essa mesma propriedade ou seja a mesma temperatura aquela propriedade que antes era desconhecida Calor trabalho e energia interna e a Primeira Lei da Termodinâmica Vamos adentrar agora no conceito de calor Chamamos de calor a forma de energia que é transferida de um sistema para o ambiente ou de um ambiente para um sistema por conta da diferença de temperatura entre eles Vejamos como exemplo a seguinte situação considere que você retire uma lata de refrigerante da geladeira e a coloque sobre a mesa Vamos considerar aqui o sistema sendo a lata de refrigerante e o ambiente a cozinha onde se encontra a mesa Com o passar do tempo você percebe que a lata de refrigerante fica aquecida até atingir o equilíbrio térmico com o ambiente Outra situação pode ser esta você retira do fogo uma xícara de café e a coloca sobre a mesa Com o passar do tempo o café e o ambiente ficam na mesma temperatura e mais uma vez ocorre o equilíbrio térmico Assim concluímos que o calor representado pela letra possui dois sinais positivo e negativo O sinal negativo significa que o calor é transferido da energia térmica do sistema para o ambiente já o calor positivo o processo é inverso a energia é transferida do ambiente para a energia térmica do sistema Hidropneumática 48 IMPORTANTE O calor foi inicialmente medido em termos da capacidade de aumentar a temperatura da água Nesse caso a caloria cal foi definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1g de água de para Nos países de língua inglesa a unidade de calor era a British thermal unit Btu definida como a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 libra de água de 63ºF para 64ºF O calor em um corpo pode ser definido em termos de uma grandeza conhecida como capacidade térmica Todos os corpos possuem uma característica conhecida como calor específico Essa quantidade é definida como a razão entre a capacidade térmica e a massa do corpo A unidade do calor específico é Assim podemos definir o calor explicitamente em termos do calor específico Se tomarmos a definição de caloria em Btu o calor específico da água é dado como segue SAIBA MAIS Assista ao vídeo que nos traz informações a respeito do calor sensível e do calor latente aquele que está associado aos corpos durante uma mudança de fase Acesse clicando aqui Hidropneumática 49 Nesse ponto vamos investigar a relação existente entre a quantidade de calor recebida ou cedida por um determinado sistema e o trabalho Nessa situação o trabalho nada mais é do que o próprio calor que foi transferidocedido Para compreender melhor essa relação considere a figura a seguir na qual temos um sistema gás confinado dentro de um cilindro de paredes constituídas de material isolante que não permitem troca de calor com o meio Figura 27 Relação entre o calor cedidorecebido de um sistema e o trabalho Fonte Halliday Resnick e Walker 2013 p 197 Na figura temos além do gás confinado um êmbolo sobre o qual se encontram esferas de chumbo A base do cilindro repousa em um reservatório térmico que pode ter sua temperatura controlada Consideramos o sistema em um estado inicial i que é descrito por uma pressão inicial pi uma temperatura inicial Ti e um volume inicial Vi Essas três variáveis são conhecidas como variáveis de estado O objetivo é levar o sistema para um estado final pf Tf e Vf Esse processo de mudança de estado é conhecido como processo termodinâmico Hidropneumática 50 Durante o processo a energia pode ser transferida do sistema para as esferas de chumbo trabalho realizado pelo gás positivo ou das esferas de chumbo para o sistema trabalho realizado sobre o gás negativo Vamos considerar aqui que todas essas mudanças ocorram lentamente de modo que o sistema esteja praticamente em equilíbrio térmico Se considerarmos que as esferas de chumbo são retiradas do êmbolo o gás o empurra e também as esferas restantes com uma força causando m deslocamento infinitesimal Considerando o deslocamento pequeno podemos concluir que a força é praticamente constante Sendo assim podemos escrevêla em termos da área do êmbolo e da pressão do gás Nesse caso o trabalho infinitesimal realizado pelo gás sobre as esferas de chumbo e o êmbolo é dado por Como estamos considerando a força constante devemos ter Assim da equação 16 ficamos com Ainda podemos escrever essa equação em termos do volume infinitesimal Sendo assim ficamos com o seguinte termo Note que esse trabalho está analisado em cada elemento quando o êmbolo se move no cilindro Se desejarmos encontrar o trabalho total realizado pelosobre o gás devemos analisar em um dado volume inicial Vi até um volume final Vf Assim esse valor é dado quando integramos o elemento de volume neste intervalo Hidropneumática 51 Por definição uma força conservativa é toda força em que o trabalho realizado por ela em uma trajetória fechada é nulo Dessa forma podemos considerar que o trabalho independe da trajetória ou seja depende apenas da posição inicial e final do corpo Aqui quando estamos tomando uma análise no que diz respeito às propriedades térmicas temos uma situação um pouco diferente Na forma como um sistema como exemplo um gás é levado de um estado inicial para um estado final o trabalho e o calor possuem valores distintos em cada processo Dessa observação experimental temos uma conclusão importante o calor e o trabalho são grandezas dependentes da trajetória Isso é o gérmen para a compreensão da Primeira Lei da Termodinâmica que veremos agora É experimentalmente provado que quando combinamos a quantidade Q W essa relação fornece uma grandeza que depende apenas do estado inicial e final e não da forma como o sistema foi levado de um estado a outro Ou seja é uma variável de estado como pressão e temperatura por exemplo Isso sugere que essa quantidade forneça na verdade a variação de uma quantidade intrínseca do sistema que chamamos de energia interna do sistema Escrevemos quantitativamente essa relação da seguinte forma Se estamos em uma análise infinitesimal dessas quantidades podemos escrever a equação conforme a seguinte expressão Essas equações são as expressões matemáticas para a Primeira Lei da Termodinâmica Cumpre destacar que essa lei nada mais é que uma extensão da lei de conservação da energia vista por exemplo no caso mecânico pelo fato dela valer também para sistemas que não estejam isolados Adiante veremos alguns casos particulares de processos termodinâmicos em que pode ser aplicada a Primeira Lei da Termodinâmica Hidropneumática 52 Entropia máquinas térmicas e a Segunda Lei da Termodinâmica Podemos considerar a Segunda Lei da Termodinâmica aquela que carrega uma importante discussão física a chamada seta do tempo O tempo possui um sentido o sentido em que envelhecemos Boa parte dos fenômenos que ocorrem na natureza possuem o caráter unidirecional ou seja eles ocorrem em uma certa ordem o que chamamos de ordem correta Um prato cai no chão e se quebra um carro bate em um poste esses são exemplos de fenômenos que possuem o caráter unidirecional Esses fenômenos possuem uma característica universal são irreversíveis VOCÊ SABIA Se você por acaso colocasse a mão em uma xícara de café quente iria se surpreender se sentisse sua mão esfriar e a xícara ficar mais quente Como vimos na Lei Zero da Termodinâmica esse processo estaria acontecendo no sentido errado No entanto uma observação fantástica é vista por mais que esse sentido improvável ocorresse ele não violaria a conservação da energia Concluímos assim que não são as mudanças de energia em um sistema fechado que determinam o sentido dos processos irreversíveis esse sentido é determinado por outra propriedade conhecida como variação de entropia A entropia difere drasticamente da energia por não obedecer a uma lei de conservação ou seja em um sistema fechado a energia do sistema permanece constante Para os processos irreversíveis a entropia do sistema fechado aumenta Essa propriedade é conhecida muitas vezes como a seta do tempo HUANG 2002 Por exemplo associamos a explosão de um milho de pipoca ao sentido positivo do tempo e ao aumento de entropia O sentido negativo do tempo seria você observar a pipoca se transformando em milho isso representaria uma diminuição de entropia e jamais acontece Um modo de determinar a variação de entropia de um sistema é em termos da temperatura da energia do sistema que ganha ou perde na Hidropneumática 53 forma de calor Outra forma é do ponto de vista microscópico que tem relação com o número de microestados do sistema Para compreender melhor essa relação entre a temperatura e energia na forma de calor e a variação de entropia vamos considerar a figura subsequente Figura 28 Ilustração de um processo irreversível b Estado final f Sistema Válvula fechada Vácuo a Estado inicial i Isolamento Processo irreversível Válvula aberta Fonte Halliday Resnick e Walker 2013 p 249 Na Figura 28 temos uma expansão livre A expansão livre é um processo pelo qual o sistema gás vai de um estado inicial para um estado final mantendo a temperatura constante ou seja Na figura temos duas situações Na primeira temos o gás em um recipiente preso por uma válvula o sistema está isolado termicamente e não perde calor para o meio Quando a válvula é aberta o gás se expande para ocupar o outro recipiente e após determinado tempo atinge o estado de equilíbrio final f Esse processo de expansão é na verdade um processo irreversível uma vez que o gás não retorna ao estado inicial Hidropneumática 54 Como a pressão e o volume são propriedades do estado eles só dependem dos estados inicial e final no processo Vamos considerar que além do volume e pressão a variação de entropia seja também uma variável de estado Podemos relacionar a variação de entropia a temperatura e o calor por meio da equação Em que Q é o calor que é absorvido ou cedido durante o processo e T é a temperatura do sistema dada aqui em Kelvin Como nessa escala a temperatura é sempre positiva o sinal da entropia depende do sinal de Q Vejamos agora um enunciado alternativo para a Segunda Lei da Termodinâmica Nesse caso veremos o princípio de funcionamento das máquinas térmicas Chamamos de máquinas térmicas todo dispositivo que extrai energia do ambiente na forma de calor e realiza trabalho útil SALINAS 2008 Toda máquina térmica necessita de uma substância de trabalho é essa substância que faz com que a máquina realize trabalho Tal substância opera em ciclos que nada mais são do que uma sequência de processos termodinâmicos fechados comumente chamados de tempo O processo de funcionamento de uma máquina térmica se torna mais claro quando idealizamos uma máquina térmica conhecida como máquina térmica ideal Podemos conceituálas de maneira a termos o seguinte postulado IMPORTANTE Chamamos a máquina ideal de máquina de Carnot em homenagem ao engenheiro francês Sadi Carnot De todas as máquinas térmicas a máquina de Carnot é a que mais utiliza calor com maior eficiência para realizar trabalho útil A Figura 29 nos mostra como funciona uma máquina de Carnot Hidropneumática 55 Figura 29 Esquema de uma máquina de Carnot Fonte Halliday Resnick e Walker 2013 Existem duas fontes em uma máquina de Carnot a fonte quente de onde é retirado o calor Qq a uma temperatura Tq e uma fonte fria que fornece calor quando a máquina realiza trabalho As setas indicam o sentido da transferência de calor entre as fontes As setas pretas horizontais representam a substância de trabalho operando em ciclos e um trabalho W é realizado pela máquina térmica Podemos também construir um diagrama p V para o ciclo de Carnot As quantidades de interesse para avaliarmos a máquina de Carnot são sem dúvidas o trabalho e a variação de entropia Para analisarmos o trabalho realizado por uma máquina de Carnot devemos aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica para a substância de trabalho Como a máquina opera em ciclos qualquer quantidade retorna repetidamente ao estado inicial de maneira que a variação de qualquer quantidade como pressão temperatura volume e entropia é sempre nula Se tomarmos essa quantidade como a energia interna do sistema teremos que Assim a Primeira Lei da Termodinâmica nos garante que Sendo Q o calor líquido resultante podemos reescrever a Primeira Lei da Termodinâmica para o ciclo de Carnot da seguinte forma Hidropneumática 56 Em que as quantidades representam o calor líquido da fonte quente e da fonte fria respectivamente Como a variação de entropia também é uma função de estado em um ciclo completo teremos que Isso nos leva a definir para o ciclo de Carnot a variação de entropia como sendo Aqui as quantidades representam as variações de entropia associadas ao calor e à temperatura da fonte quente e fria respectivamente Usando a equação e sabendo que a variação de entropia em um ciclo fechado é nula podemos saber a forma da variação de entropia para o ciclo de Carnot dada por Perceba que como devemos ter sempre ou seja teremos mais energia extraída na forma de calor da fonte quente do que fornecida para a fonte fria De maneira prática o objetivo maior de toda máquina térmica é converter o máximo de energia disponível em em trabalho útil A quantidade que define essa propriedade é conhecida como eficiência térmica da máquina que é definido como o trabalho que a máquina realiza energia utilizada por ciclo dividido pela energia que recebe em forma de calor energia adquirida ou seja teremos Em termos quantitativos teremos Ou ainda teremos manipulando Hidropneumática 57 Essa é a eficiência de uma máquina de Carnot Perceba que para ela operar em de eficiência deveríamos ter ou seja todo o calor que viesse da fonte quente deveria ser produzido todo em trabalho útil o que na prática é impossível Como vimos no mundo real as máquinas térmicas são a melhor forma de ver essa quantidade conhecida como entropia RESUMINDO Neste capítulo observamos as propriedades dos gases com as chamadas leis da termodinâmica Foi possível identificar a chamada Lei Zero da Termodinâmica que trata do equilíbrio térmico entre dois sistemas Partindo dessa ideia vimos o conceito de calor e de trabalho e com esses conceitos foi possível ver uma quantidade que permanece constante em um processo conhecida como energia interna do sistema Com essas informações compreendemos a Primeira Lei da Termodinâmica uma das mais fundamentais leis da natureza que na verdade traz uma extensão do princípio da conservação da energia Por fim vimos a Segunda Lei da Termodinâmica que carrega um dos temas mais profundos de toda física a chamada seta do tempo que caracteriza a maior parte dos fenômenos da natureza ocorrerem em apenas uma dimensão no tempo Hidropneumática 58 REFERÊNCIAS HALLIDAY D RESNICK R WALKER J Fundamentos de física eletromagnetismo v 3 9 ed Rio de Janeiro LTC 2013 HUANG K Introduction to Statistical Phisycs 2 ed London Taylor Francis 2002 MUGGE T DORNELES V Pneumática básica São Leopoldo Editora Senai 2008 PARKER H Ind Com Ltda Tecnologia pneumática industrial Apostila M10011 BR 2000 Disponível em httpproalphacombrone webmediaApostila20Parker2020Tecnologia20pneumC3A1ti ca20Industrialpdf Acesso em 19 fev 2022 SALINAS S R A Introdução à física estatística 2 Ed São Paulo Editora da Universidade de São Paulo 2008 TIPLER P MOSCA G Física para cientista e engenheiros v 2 6 ed Rio de Janeiro LTC 2014 Hidropneumática