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Capítulo 8 Cálculos de Termodinâmica Para Engenharia QuíMica

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As leis da termodinâmica...

expressam o comportamento aproximado e

provável de sistemas de um grande número de partículas.

– J. Willard Gibbs1

O princípio de conservação de energia discutido em capítulos anteriores apenas afirma que a energia total do universo é constante, e que as interconversões entre diferentes formas de energia são exatamente equilibradas. O princípio não oferece nenhuma indicação da viabilidade de determinada transformação de energia. Nada se pode inferir quanto à espontaneidade da transformação que determinado sistema pode sofrer. A termodinâmica é aquele ramo da Física e da Ciência da Engenharia que nos permite determinar e quantificar o comportamento dos sistemas em tais interconversões [1]. O princípio da conservação de energia aparece em termodinâmica como sua primeira lei. A segunda lei da termodinâmica fornece a base para a determinação da direção das transformações de energia que ocorrem espontaneamente [2]. O tratamento matemático baseado em princípios teóricos de termodinâmica permite-nos determinar não apenas a direção da transformação, mas também a eficiência da transformação, bem como as condições ao final da transformação. A termodinâmica também permite-nos determinar a energia requerida para todas as transformações desejadas.

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Capítulo 2 Indústrias Químicas e Afins

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A indústria química é de importância estratégica para

o desenvolvimento sustentável das economias nacionais.

– Organização Internacional do Trabalho1

Os engenheiros químicos têm tradicionalmente encontrado emprego nas indústrias químicas e afins, e estas indústrias continuam a ser seus maiores empregadores. As indústrias químicas e afins compreendem um dos mais importantes setores de transformação da economia de uma nação. Entretanto, apesar de sua significância, as indústrias não são bem entendidas pelo público em geral, parcialmente porque apenas uma pequena fração da produção dessas indústrias é um produto para o consumidor; o grosso dessa produção é matéria-prima para outras indústrias. Este capítulo apresenta uma visão geral das indústrias químicas e afins, com o objetivo de propiciar aos estudantes de Engenharia Química um entendimento de sua fonte mais provável de oportunidades de emprego.

A seção 2.1 descreve a classificação das indústrias com uma breve introdução para os sistemas usados pelos Estados Unidos e outros governos para monitorar e analisar a economia. As indústrias químicas e relacionadas são descritas nas seções 2.2 e 2.3, respectivamente, seguidas por uma discussão das maiores companhias químicas na seção 2.4. A seção 2.5 descreve alguns dos importantes produtos químicos e a seção 2.6 descreve as características gerais da indústria química. Os leitores se tornarão familiarizados com o significado das indústrias químicas e afins na economia de uma nação, assim como poderão valorizar o papel indispensável dos produtos químicos na sociedade moderna.

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Apêndice

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FIGURA A.1
Centroides e momentos de inércia de áreas planares.

Fórmulas de volumes e áreas:

TABELA A.1 Tabelas de Escoamento Compressível para um Gás Ideal com k = 1,4

M ou M1 = número local ou número de Mach a montante de uma onda de choque normal; p/pt = razão entre a pressão estática e a pressão total; ρ/ρt = razão entre a densidade estática e a densidade total; T/Tt = razão entre a temperatura estática e a temperatura total; A/A* = razão entre a área de seção transversal local de um tubo de corrente isentrópica e a área de seção transversal no ponto em que M = 1; M2 = número de Mach a jusante de uma onda de choque normal; p2/p1 = razão entre pressões estáticas através de uma onda de choque normal; T2/T1 = razão entre temperaturas através de uma onda de choque normal; = razão entre pressões totais através de uma onda de choque normal.

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Capítulo Onze Arrasto e Sustentação

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OBJETIVO DO CAPÍTULO Os capítulos anteriores descreveram a força hidrostática sobre um painel, a força de empuxo sobre um objeto submerso, e a força de cisalhamento sobre uma placa plana. Este capítulo expande essa lista introduzindo as forças de sustentação e de arrasto.

COMPREENDENDO A FORÇA DE ARRASTO (§11.1, §11.2).

• Definir o arrasto.

• Explicar como o arrasto está relacionado com a tensão de cisalhamento e com as distribuições de pressão.

• Definir o arrasto de forma e o arrasto de fricção.

• Para o escoamento sobre um cilindro circular, descrever os três regimes de arrasto e a crise do arrasto.

CALCULANDO A FORÇA DE ARRASTO (§11.2 a §11.4).

• Definir o coeficiente de arrasto.

• Encontrar valores de CD.

• Calcular a força de arrasto.

• Calcular a potência exigida para superar o arrasto.

• Resolver problemas de velocidade terminal.

COMPREENDENDO E CALCULANDO A FORÇA DE SUSTENTAÇÃO (§11.1, §11.8).

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Capítulo Cinco A Abordagem do Volume de Controle e a Equação da Continuidade

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OBJETIVO DO CAPÍTULO Este capítulo descreve como a conservação de massa pode ser aplicada a um fluido em escoamento. A equação resultante é denominada a equação da continuidade. É aplicada a uma região espacial chamada volume de controle, o qual também é introduzido.

VAZÃO (§5.1).

• Conhecer os principais conceitos sobre vazão mássica e vazão volumétrica.

• Definir velocidade média e conhecer seus valores típicos.

• Resolver problemas que envolvem as equações de vazão.

A ABORDAGEM DO VOLUME DE CONTROLE (§5.2).

• Descrever os seis tipos de sistemas.

• Distinguir entre propriedades intensivas e extensivas.

• Explicar como usar o produto escalar para caracterizar o escoamento resultante de saída.

• Conhecer os principais conceitos do Teorema do Transporte de Reynolds.

A EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE (§5.3, §5.4).

• Conhecer os principais conceitos sobre a equação da continuidade.

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Capítulo 18: Volantes e Rotores de Alta Velocidade

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Os volantes são massas girantes instaladas em sistemas girantes de elementos de máquinas para atuarem como um reservatório de armazenamento de energia cinética, conforme mostrado na Figura 18.1. Normalmente,1 a tarefa principal de um volante é controlar, dentro de uma faixa aceitável, as flutuações da velocidade angular e do torque inerentes à fonte de potência, à carga ou ambos. A Figura 18.2 ilustra as curvas sobrepostas de torque versus deslocamento angular para um acionador flutuante e uma carga flutuante.

Por definição, o torque motriz, Tm, é considerado positivo quando o seu sentido coincide com o sentido da rotação do eixo e o acionador está fornecendo energia ao sistema eixo-volante. O torque da carga, Tc, é considerado positivo quando o seu sentido coincide com o sentido da rotação e o sistema eixo-volante está fornecendo energia à carga. Pode-se observar que durante os instantes de tempo em que o torque motriz fornecido excede o torque da carga necessário, a massa do volante é acelerada e a energia cinética adicional é armazenada no volante. Durante incrementos de tempo em que o torque da carga necessário excede o torque motriz fornecido, a massa do volante é desacelerada e parte da energia cinética do volante é retirada.

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Capítulo 17: Correias, Correntes, Cabos de Aço e Eixos Flexíveis

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Na discussão introdutória de transmissão por engrenagens em 15.1, foi observado que a transmissão de potência ou de movimento de um eixo rotativo para outro eixo rotativo pode ser realizada de muitas maneiras diferentes. As escolhas incluem correias planas, correias em V, correias dentadas, correntes de transmissão, eixos flexíveis, transmissão por rodas de atrito e engrenagens. Os cabos de aço também são utilizados na transmissão de potência, mas são, usualmente, limitados às aplicações de elevação ou de reboque, nas quais um eixo de entrada acionado pelo motor gira um tambor de forma a suspender ou baixar uma carga útil pelo bobinamento ou desbobinamento do cabo de aço. A transmissão por rodas de atrito ou por engrenagens já foi discutida no Capítulo 15. Os outros elementos de transmissão de potência listados são discutidos neste capítulo.

A transmissão por correia é bem adequada para utilizações em que a distância entre centros de eixos rotativos é grande, e é usualmente mais simples e mais econômica que as outras formas alternativas de transmissão de potência. A transmissão por correia frequentemente elimina a necessidade de um arranjo mais complicado de engrenagens, mancais e eixos. Com discernimento apropriado de projeto, correias são usualmente silenciosas, de fácil reposição e, em muitos casos, em função da sua flexibilidade e capacidade de amortecimento, reduzem a transmissão de choques mecânicos e vibrações espúrias entre eixos. A simplicidade de instalação, as exigências mínimas de manutenção, a alta confiabilidade e a adaptação a uma variedade de aplicações também são características da transmissão por correia. Porém, em função do escorregamento e/ou da fluência,1 a razão da velocidade angular entre dois eixos rotativos pode não ser constante, e as capacidades de transmissão de potência e de torque são limitadas pelo coeficiente de atrito e pela pressão de contato entre a correia e a polia.2 As correias são comercialmente disponíveis com diversas seções transversais, como ilustrado na Figura 17.1.3 Configurações típicas de polias (roldanas) com vários tipos de correias são mostradas na Figura 17.2.

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Capítulo 10: Mancais de Deslizamento e Lubrificação

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Mancais são elementos de máquinas que permitem movimento relativo orientado entre dois componentes, enquanto transmitem forças de um componente para o outro sem permitirem movimento na direção da aplicação das cargas. Por exemplo, cada uma das utilizações de transmissão mostradas na Figura 8.1 necessita de um conjunto de mancais para sustentar estavelmente o eixo com suas cargas aplicadas, enquanto ao mesmo tempo permite que o eixo gire livremente. As cargas aplicadas no eixo são tipicamente produzidas por engrenagens, correias, correntes, volantes ou outros elementos especializados montados no eixo. Todo dispositivo mecânico com partes móveis necessita de pelo menos um mancal de algum tipo para permitir o movimento relativo desejado enquanto provê as restrições necessárias e a capacidade de carregamento.

Todos os mancais podem ser classificados de forma ampla em dois tipos:

1. Mancais de deslizamento

2. Mancais de rolamentos

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Capítulo 3: Seleção de Materiais

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Os objetivos fundamentais da atividade de projeto mecânico foram caracterizados no Capítulo 1, como (1) a seleção do melhor material possível e (2) a determinação da melhor geometria possível para cada parte. Em contraste com a tarefa dos engenheiros de materiais de desenvolver novos e melhores materiais, um projetista mecânico deve ser eficaz em selecionar o melhor material disponível para cada aplicação, considerando todos os critérios importantes de projeto. Embora os engenheiros de materiais sejam frequentemente membros-chave de uma equipe de projeto, o projetista mecânico deve também ter conhecimentos sólidos dos tipos e propriedades dos materiais disponíveis para atender às necessidades específicas do projeto.

A seleção dos materiais é tipicamente realizada como uma parte do estágio intermediário de projeto, mas em alguns casos deve ser considerada antes, durante o estágio preliminar do projeto. As etapas básicas na seleção de materiais candidatos para dada aplicação são:

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4 Esforços Internos Solicitantes nos Elementos Estruturais

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Habilidades e competências

■ Compreender e conceituar os esforços internos solicitantes nos elementos estruturais.

■ Calcular os esforços internos solicitantes em barras.

■ Compor equações paramétricas de esforços internos solicitantes.

■ Elaborar diagramas de esforços internos solicitantes.

Contextualização

As estruturas estão sujeitas a cargas externas, que se combinam e atuam na matéria presente nas peças componentes de uma estrutura, passando pelos vínculos internos, até atingir seus apoios externos, onde serão equilibradas. Nesse trajeto interno nas peças estruturais, surgem os esforços internos solicitantes, que irão gerar tensões e deformações. Por isso, é muito importante determinar esses esforços internos solicitantes, em cada ponto de cada elemento estrutural.

Problema 4.1

Uma estrutura deverá ser capaz de receber as solicitações externas e ter capacidade de suportá-las, em termos de tensões e deformações. Se a tensão atuante em uma peça estrutural for maior que a tensão por ela suportada, ela entrará em colapso. Se a deformação causada na peça estrutural for maior que a deformação aceita, a peça poderá perder sua condição estética, ou sua condição de estabilidade, ou mesmo ambas. Como avaliar as tensões e as deformações que irão atuar nas peças estruturais? Qual a complexidade desse estudo em construções complexas, como a da estrutura apresentada na Figura 4.1?

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Capítulo 13 Medição de Nível

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Pode-se definir nível como a altura de preenchimento de um líquido ou de algum tipo de material em um reservatório ou recipiente. A medição normalmente é realizada do fundo do recipiente em direção à superfície ou a um ponto de referência do material a ser medido.

A aplicação de medidas de nível é necessária em muitos processos, podendo ser citadas a medição de nível de grãos em silos, em reservatórios de combustíveis, em reservatórios de água, o nível de lagos e oceanos, entre tantos outros.

A variedade de métodos nesse tipo de medição também é grande. Nos dias atuais, existem medidores que empregam técnicas, como flutuadores, medição de pressão por ultrassom, por pressão diferencial, entre outros. Outro fator comum, devido principalmente à introdução de processadores eletrônicos na instrumentação, é a integração de medidas de nível a outras tarefas do processo, tais como transmissão, controle, filtros, além da possibilidade de procedimentos remotos, como calibração e interação com outras partes do processo.

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Capítulo 8 Efeitos Físicos Aplicados em Sensores

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Este capítulo, diferentemente dos demais deste volume, apresenta os efeitos naturais específicos de certos materiais e/ou fenômenos. Isto se faz necessário porque os transdutores e sensores de grandezas físicas têm, em geral, muitos princípios em comum. Por exemplo, o efeito capacitivo pode ser utilizado na medição de deslocamento, pressão e nível, entre outras grandezas físicas. De modo geral, os efeitos utilizados em sensores surgem de pesquisas de propriedades de materiais, sendo esta uma área abrangente e de grande interesse nos dias atuais. O surgimento de técnicas para o desenvolvimento de novos materiais com características específicas, juntamente com o avanço da eletrônica e da microeletrônica, possibilitou a miniaturização e a otimização de propriedades que culminaram em sensores precisos, robustos e de dimensões reduzidas. Nesta obra serão apresentados de forma sucinta alguns dos principais efeitos sensores, bem como as bases físicas dos mesmos. As aplicações desses efeitos sensores podem ser encontradas especificamente nos demais capítulos desta obra, quando forem pertinentes. Para mais detalhes, sugerimos a pesquisa nas referências específicas.

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Capítulo 7 Procedimentos Experimentais (capítulo on-line disponível integralmente no GEN-IO)

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Aplicar os conceitos básicos de estatística. Utilizar ferramentas gráficas para representação de dados experimentais. Aplicar conceitos de medição de grandezas elétricas.

Ohmímetro. Ao se utilizar o medidor de resistência elétrica, deve-se verificar um bom contato entre os terminais do componente a ser medido. Além disso, deve-se ter o cuidado de não executar a medição segurando esses terminais com as mãos. Se isso ocorrer, a impedância do corpo humano estará influenciando, e a resistência medida será o paralelo do corpo e do resistor. Deve-se, portanto, garantir que o instrumento meça apenas a resistência de interesse.

Voltímetro. Ao se utilizar o medidor de tensão elétrica, deve-se primeiramente ajustar uma escala de tensão, a qual deve ser ligeiramente superior que a tensão a ser medida. Ao utilizar-se o medidor de tensão elétrica, deve-se ligá-lo em paralelo aos pontos em que é necessário executar a medida.

Amperímetro. Ao se utilizar o medidor de corrente elétrica, deve-se primeiramente ajustar uma escala de corrente, a qual deve ser ligeiramente superior que a corrente a ser medida. Em seguida, a ligação deve ser feita em série com o circuito.

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Capítulo 0 Breve História da Instrumentação

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A história da instrumentação, assim como qualquer outro tema envolvendo tecnologia, está relacionada com os desenvolvimentos e questionamentos de épocas passadas. As invenções que de alguma maneira revolucionaram o estilo de vida das pessoas, ou mesmo aqueles pequenos inventos que facilitaram algum processo, trouxeram avanço à ciência, bem como nos meios de se medirem grandezas físicas. Esse breve histórico cobre alguns instrumentos que foram importantes para o desenvolvimento das sociedades e da ciência, bem como da tecnologia. De modo algum esse assunto é esgotado. Desde tempos muito antigos, em que a necessidade impeliu sociedades a desenvolverem processos simples e úteis à sua subsistência, até os tempos atuais, em que muitos gênios protagonizaram a cena por grandes realizações e descobertas, a necessidade de medir quase sempre esteve presente.

Nos dias atuais, toda descoberta científica necessita de comprovação experimental. Geralmente o processo de comprovação leva à necessidade de medição de grandezas que remetem às teorias e leis que fundamentam a ciência. Entretanto, alguns milhares de anos atrás as prioridades eram diferentes. A observação permitia verificar que o tempo passava e de alguma maneira as propriedades climáticas eram cíclicas. A observação também permitia concluir que existiam períodos favoráveis tanto para o plantio como para a colheita de culturas agrícolas. Também era possível observar que os dias eram cíclicos, de modo que provavelmente o tempo terá motivado uma das primeiras necessidades de medição.

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Apêndice – Instalação de Python

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Este apêndice ensina como instalar Python no seu computador de modo que você possa usufruir de todos os seus recursos. Os detalhes da instalação podem variar dependendo do seu sistema operacional, Windows ou Linux, e também da versão do sistema utilizada.

Este livro usa a versão 3 de Python. A versão 2 continua disponível, mas deve ser descontinuada em 2020.

As instruções de instalação deste capítulo foram extraídas do site https://python.org.br/. Este site é uma boa referência em português para a linguagem Python.

Antes de tudo é necessário estar conectado à internet.

A primeira coisa a fazer é baixar a versão de Python de https://www.python.org/downloads/. Este é o site oficial da linguagem, e você deve baixar a versão de acordo com o seu sistema. Prefira a versão mais atual, ou seja, da 3a para cima.

Figura A.1 Passo 1: Download da versão mais recente de Python 3.

Normalmente, o próprio site detecta seu sistema operacional e também a versão. Depois de alguns minutos o arquivo deve ter sido baixado em sua pasta de downloads. Clique duas vezes no nome do arquivo para começar a instalar. Em geral, o Windows dá um aviso de segurança sobre instalação de software. Basta clicar em “Executar”.

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