Instruções sobre o Experimento
Esse manual deve ser guardado junto com a unidade. Antes de operar a unidade:
- Leia esse manual.
- Todos os participantes devem ser instruídos quando ao manuseio da unidade e, onde apropriado, sobre as precauções necessárias de segurança.
ÍNDICE Índice 1. Introdução 1 1.1. Uso pretendido 1 2. Segurança 2
2.1. Estrutura das instruções de segurança 2
2.2. Instruções de segurança 3
3. Descrição do dispositivo 5
3.1. Modelo e função do dispositivo 5
3.2. Preenchimento com óleo 7
3.3. Registro dos dados de medição 7
3.3.1. Instalação do cartão e software 8
3.3.2. Operação do programa 8 3.3.2.1. Janela principal 8 3.3.2.2. Diagrama do sistema 9 3.3.2.3. Gráficos 10 3.3.2.4. Diagrama de medição 12 4. Princípios 13 5. Experimentos 15 5.1. Compressão isotérmica 15 5.1.1. Expansão isotérmica 17 5.1.2. Aquecimento isocórico 18 5.1.3. Resfriamento isocórico 19 6. Anexo 21 6.1. Dados Técnicos 21 7. Índice 22
1.INTRODUÇÃO
1. Introdução
A unidade de mesa WL102 é para representar a lei de Boyle e verificar a equação do estado para os gases ideais.
Ela claramente mostra a relação entre a mudança no volume e a mudança associada na pressão de um gás integrado.
Para esse experimento, o ar é usado como gás experimental, ele pode ser comprimido ou expandido em um recipiente com material plástico transparente. O líquido de vedação funciona como um pistão. Ele aumenta ou reduz o volume de gás. Os processos durante o experimento são suficientemente lentos para garantirem as mudanças isotérmicas.
Em outro recipiente, um volume fixo de ar pode ser aquecido, a fim de verificar a equação do estado e a mudança correspondente de pressão observada.
A aquisição de dados com as quais a unidade experimental é equipada facilita o registro e processamento de todos os valores medidos em um PC.
A unidade é apropriada para ambas as demonstrações realizadas pelo treinador, e, também para os experimentos do aluno como parte dos experimentos práticos laboratoriais.
1.1. Uso Pretendido
2.SEGURANÇA
2. Segurança
2.1. Estrutura das Instruções de Segurança
As palavras chaves PERIGO, ADVERTÊNCIA OU CUIDADO indicam a probabilidade e possível gravidade de um ferimento.
Um símbolo adicional indica a natureza do risco ou uma ação necessária.
Palavra chave Explicação
Indica uma situação que, se não evitada, resultará em morte ou ferimento grave.
Indica uma situação que, se não evitada, pode resultar em morte ou ferimento grave.
Indica uma situação que, se não evitada, pode resultar em ferimento de menor proporção ou moderadamente grave. OBSERVAÇÃO
Indica uma situação que pode resultar em prejuízos para o equipamento ou apresenta instruções sobre a operação do equipamento.
Símbolo Explicação
Tensão elétrica
Risco (geral)
2.SEGURANÇA Símbolo Explicação Observação Usar luvas 2.2. Instruções de Segurança
Tocar na caixa de controle aberta pode causar choques elétricos.
- Desconectar da fonte de alimentação antes de abrir. - A operação somente deve ser realizada por eletricistas qualificados.
- Proteger a caixa de controle contra a umidade.
Risco de queimaduras nas superfícies quentes
- Não retirar os dispositivos de segurança, por exemplo, proteção.
- Esfriar a unidade antes de retirar a proteção. - Usar luvas adequadas ao retirar a proteção.
2.SEGURANÇA
Risco de explosão devido à sobrepressão
- Comprimir o ar contido no cilindro de pressão ao máximo a um volume residual de 1 litro.
OBSERVAÇÃO
- Antes de comprimir o ar no cilindro de pressão, é importante garantir que a válvula de descarga do ar na parte superior do cilindro de pressão esteja fechada. - Risco de escape e perda do líquido de vedação.
OBSERVAÇÃO
- Não operar a unidade sem supervisão.
OBSERVAÇÃO
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
3. Descrição do Dispositivo
3.1. Modelo e Função do Dispositivo
Fig. 3.1. Visão completa do WL102
Os experimentos no WL102 são realizados em dois diferentes recipientes. Um líquido pode ser bombeado em um cilindro de pressão (1) com a ajuda de um compressor. Desse modo, o volume de ar integrado no cilindro é comprimido.
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
Fig. 3.2. Princípio básico da compressão do ar dentro de um
cilindro
Fig. 3.3.
As vantagens dessa técnica são, primeiramente, o líquido de vedação à prova de gás que impede perdas através de vazamentos em um fluxo de ar e, em segundo lugar, o efeito do dissipador de calor que contribui significativamente para as características isotérmicas de testes.
Os visores para temperatura, pressão e volume
comprimido (2) indicam os valores correspondentes
medidos no recipiente. O comutador seletor (4) é usado para comutar entre a compressão e expansão do ar dentro do recipiente de pressão. Um comutador (3) é usado para acionar o compressor.
Em segundo lugar, um cilindro capaz de ser
esquentado (5), sob um volume constante e fechado de
ar, é aquecido e a mudança resultante na pressão é observada. O aquecedor é ativado por um comutador (8). Um controle do aquecedor (6) permite o ajuste da temperatura desejada por meio das teclas com seta para cima e para baixo e indica a temperatura atual. A pressão resultante dentro do cilindro é indicada por um
visor (7).
O dispositivo experimental é ligado e desligado através de um comutador principal (9), que está localizado na parede lateral do dispositivo. Próximo a isso, há uma
conexão USB (10) para conectar o PC e o dispositivo
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
3.2. Preenchimento com óleo
Fig. 3.4. Visão da parte de trás do
WL102 com painel posterior
desmontado.
Tocar na caixa de controle aberta pode ocasionar em choques elétricos.
- Desconectar da fonte de alimentação antes de abrir. - Não tocar os componentes elétricos.
- Proteger a caixa de controle contra a umidade.
Para encher com óleo, primeiro, desparafusar o painel traseiro. Na parte inferior, no lado direito, você encontrará o reservatório (2).
- Desapertar o parafuso de vedação (1) no reservatório, através da ajuda de uma chave Allen, (chave de tamanho 10).
- Usar, por exemplo, um funil de preenchimento para preencher o óleo no reservatório.
- Para a devida operação, uma quantidade de aproximadamente 3 a 3,5 litros de óleo é necessária. Antes de iniciar a operação do aparelho, o painel traseiro deve ser devidamente fixado.
3.3. Registro dos dados de medição
Esse dispositivo experimental é entregue juntamente com um programa para registro dos dados de medição em um PC. O software de registro oferece as seguintes vantagens:
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
- Os valores medidos de pressão, volume e temperatura estão disponíveis como dados que podem ser diretamente processados e salvos.
- Visores da tela claramente combinados esclarecem as relações e facilitam o entendimento dos processos envolvidos.
- Valores nas tabelas e diagramas podem ser registrados em uma impressora.
3.3.1. Instalação do Cartão e Software
Consultar as instruções separadas sobre a instalação.
3.3.2. Operação do Programa 3.3.2.1. Janela Principal
Fig. 3.5. Menu
Após ter sido instalado, o programa é acessado através do seguinte menu: “Iniciar – Programa – Gunt –
WL102”. A partir da janela principal que, então, aparece,
a seguinte janela pode ser acessada: - Gráficos
- Diagrama de medição - Diagrama do sistema - Sobre GUNT
- Sair
Acionando um dos botões disponíveis, é acessada a opção correspondente e exibida a janela do programa relacionado.
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
3.3.2.2. Diagrama do Sistema
Fig. 3.6. Diagrama do Sistema
O diagrama do sistema mostra o aparelho com o cilindro de pressão à esquerda e o cilindro que pode ser esquentado à direita.
Próximos ao cilindro de pressão são indicados a pressão atualmente medida, volume e temperatura do ar integrado nela. Os valores calculados de ( p x V) e (p/T) são também indicados.
Próximos ao cilindro que pode ser esquentado são indicadas a temperatura atualmente medida e a pressão do ar integrado nela. Os valores calculados de ( p x V) e (p/T) são também indicados.
O botão “Modo de Distribuição” é utilizado para visualizar as duas direções de bombeamento do compressor. Ao acionar esse botão, somente, muda a visualização
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
A alteração atual precisa ser realizada ao configurar o comutador seletor no dispositivo.
3.3.2.3. Gráficos
Fig. 3.7. Janela de “Gráficos”
Essa seção do programa exibe um diagrama da curva em que o volume, pressão e temperatura do ar dentro dos cilindros são descritas continuamente como funções do tempo.
Ao clicar nos valores nas extremidades do eixo Y permite o máximo e o mínimo e, portanto, a escala a ser ajustada.
Os parâmetros e representação da curva podem ser ajustados ao clicar com o botão esquerdo do mouse na legenda correspondente.
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
Fig. 3.8.
O botão de “configuração” pode ser usado para abrir o seguinte diálogo:
Os parâmetros de registro de dados de medição são configurados nessa janela.
- O campo “arquivo de dados de medição” indica o nome e caminho do arquivo de medição salvo. Clicar duas vezes no ícone adjacente (1) para mudar o nome ou via do arquivo.
Importante! Um novo nome de arquivo deve ser especificado para cada nova série de medição.
Os arquivos gerados com esse programa contêm os seguintes valores na tabela:
- tempo de medição t
- volume V1 do ar integrado dentro do cilindro de pressão
- pressão p1 do ar integrado dentro do cilindro de pressão
- pressão p2 do ar integrado dentro do cilindro capaz de ser aquecido
- temperatura de ar T1 dentro do cilindro de pressão - temperatura de ar T2 dentro do cilindro capaz de ser aquecido
- Valor calculado p1xV1 de - Valor calculado p2 V2 de - Valor calculado p1 /T1 de - Valor calculado p2/T2 de
A lista de valores pode ser também exportada para outros programas, por exemplo, MS-EXCEL com o
3.DESCRIÇÃO DO DISPOSITIVO
3.3.2.4. Diagrama de Medição
Fig. 3.9. Janela “Diagrama de medição”
Essa seção do programa compreende um diagrama que permite que os valores medidos sejam representados graficamente através de uma função de valores livres medidos e selecionáveis no eixo x. Os pontos de medição são coletados manualmente através do botão de registro. A seleção dos valores medidos para o eixo x e y deve ser realizada no menu “Visualizar – escolher Eixo”.
4.PRINCÍPIOS
4. Princípios
Fig. 4.1. v~1/p
Em cada gás, há uma determinada pressão. Se o volume de uma quantidade integrada de gás for reduzido por compressão, essa pressão aumenta. Se o volume for aumentado, a pressão cai. A lei de Boyle descreve essa relação:
p x V = const. (T = const.) (4.1)
O produto da pressão e volume é constante.
Os dois parâmetros são inversamente proporcionais entre si. (vide Fig. 4.1).
Essa lei é, entretanto, somente aplicável, se a quantidade de gás e da temperatura não mudar.
Durante a realização dos experimentos, o calor produzido pela compressão pode resultar em resultados errôneos. O experimento deve, portanto, ser realizado de modo suficientemente lento para que a temperatura permaneça constante. Nesse caso, o termo mudança isotérmica do estado é usado.
O valor para a constante (p x V) representa, em termos formais, um parâmetro de energia, a então chamada energia interna.
Restritamente, a lei Boyle somente se aplica para os gases ideais. Se desvios claros ocorrerem, o termo gás real é usado, no caso de grandes desvios – vapor. No caso dos valores para pressão e temperatura na variação das condições normais, p.e., ar, hidrogênio e
4.PRINCÍPIOS
Outra relação é descrita pela Lei Gay-Lussac. Ela indica que se uma quantidade fixa de gás estiver contida em um volume constante, a pressão é proporcional à temperatura absoluta.
p ~T (V=const.) (4.2)
A combinação de ambas as leis leva à equação geral de gás:
5.EXPERIMENTOS
5. Experimentos
5.1. Compressão isotérmica
Fig.5.1. Configurações para o experimento de compressão: 1. Modo de Distribuição
2. Modo de Sucção
Nesse experimento, para verificar a lei de Boyler, uma quantidade fixa de gás de aproximadamente 3 litros de volume é comprimida em aproximadamente 1 litro sob a temperatura constante e a mudança da pressão associada medida.
- Ligar a unidade no comutador principal (4).
- Abrir a válvula de descarga de ar (1) na tampa do cilindro.
- Colocar o comutador do seletor (3) na posição A. - Ligar o compressor ao usar o comutador até que o nível do líquido tenha atingido a menor marca (2) na escala no recipiente.
- Desligar o compressor.
- Fechar a válvula de descarga de ar na tampa do cilindro!
- Iniciar o programa de aquisição de dados e fazer as configurações correspondentes.
- Ligar o compressor.
- No máximo a 1 litro de volume residual para o ar integrado, desligar o compressor.
- Abrir o gráfico dos valores medidos e interpretar.
- Deixar o cilindro de pressão inalterado e continuar imediatamente com o experimento da expansão.
5.EXPERIMENTOS
OBSERVAÇÃO:
Risco de escape do líquido de vedação.
- Certificar-se de que a válvula de descarga de ar está na posição correta.
Conforme pode ser visto no gráfico na Fig.5.2, a pressão claramente aumenta em proporção à redução no volume. A temperatura permanece quase constante.
5.EXPERIMENTOS
5.1.1. Expansão isotérmica
Fig. 5.3. Configurações para o experimento de compressão 1. Modo de Distribuição
2. Modo de Sucção
Como alternativa, durante esse experimento um volume fixo de ar é expandido e a mudança na pressão representada graficamente.
- Abrir cuidadosamente a válvula de descarga de ar (1) na tampa do cilindro de pressão e liberar o ar comprimido até a pressão ambiente ser atingida.
- Fechar a válvula de descarga de ar novamente. - Colocar o comutador seletor (3) na posição B.
- Iniciar o programa de aquisição de dados e fazer as configurações correspondentes.
- Ligar o compressor e expandir o volume do gás até a menor marca (3) na escala no recipiente ser atingida. - Abrir o gráfico de valores medidos e interpretar.
- Abrir cuidadosamente a válvula de descarga do ar na tampa do cilindro de pressão e deixar que o ar flua no cilindro de pressão até a pressão ambiente ser atingida. Similar ao experimento de compressão, esse experimento fornece um resultado comparável medido.
5.EXPERIMENTOS
5.1.2. Aquecimento isocórico
Fig. 5.4. Cilindro capaz de ser esquentado
Verificar a lei Gay-Lussac, nesse experimento um volume fixo constante de ar é aquecido e a pressão resultante registrada.
- O cilindro deve estar na temperatura ambiente do sensor (1) de temperatura.
- Ligar a unidade no comutador principal.
- Abrir a válvula de descarga de ar na tampa do cilindro capaz de ser esquentado e ajustar o recipiente à pressão ambiente.
- Fechar a válvula de descarga de ar novamente.
- Ajustar a temperatura final exigida no regulador de aquecimento ao usar as teclas com seta.
- Iniciar o programa de aquisição de dados e fazer as configurações correspondentes.
- Acionar o aquecedor e operar, desde que seja necessário, até a temperatura final ser atingida.
- Abrir o gráfico dos valores medidos e interpretar. - Deixar o cilindro inalterado e continuar imediatamente com o experimento de resfriamento.
Tempo t em min Temperatura T em ºC Pressão p em bar P em bar/T em k
0 21.9 1.05 0.048 2 30.4 1.14 0.038 4 43 1.22 0.028 6 62 1.28 0.021 8 81 1.34 0.017 10 100 1.38 0.014
5.EXPERIMENTOS
Conforme esperado, a pressão aumenta proporcionalmente ao aumento da temperatura de gás no cilindro (vide Tab. 5.1, pág. 18). O coeficiente (p/T) permanece quase constante, conforme esperado. Apesar da variação nos valores de ~85%, essa afirmação ainda é correta.
5.1.3. Resfriamento isocórico
- Desligar o aquecedor.
- Abrir a válvula de descarga de ar na tampa do cilindro capaz de ser esquentado e ajustar o recipiente à pressão ambiente.
- Fechar novamente a válvula de descarga de ar.
- Iniciar o programa de aquisição de dados e fazer as configurações correspondentes. - Deixar que o recipiente se esfrie a temperatura ambiente.
- Abrir o gráfico dos valores medidos e interpretar.
- Abrir a válvula de descarga de ar na tampa do cilindro e ajustar o recipiente à pressão ambiente.
- Desligar a unidade no comutador principal.
Temperatura T em ºC Pressão p em bar P em bar/T em K
81.1 1.00 0.0123 71.6 0.98 0.0137 60.0 0.94 0.0157 50.0 0.92 0.0184 39.8 0.90 0.0226 35.0 0.89 0.0254 33.2 0.88 0.0265 26.2 0.87 0.0330 23.4 0.86 0.0368
5.EXPERIMENTOS
A pressão no cilindro cai proporcionalmente ao resfriamento, conforme esperado (vide Tabela 5.2, pág. 19). O coeficiente (p/T) permanece quase constante. Apesar da variação nos valores de ~7%, essa afirmação ainda é correta.
6.ANEXO 6. Anexo 6.1. Dados Técnicos Dimensões: C X L X A: 900 x 550 x 900 mm Peso: aprox. 45 kg Fornecimento: 230V, ~50Hz
Alternativas opcionais, consultar tipo de placa Volume total da pressão
Recipiente: aprox. 3,5 litros
Volume do experimento: min. 1 litro máx. 3 litros
Variação da medição da pressão: 0-4 bar (abs.) Compressor do diafragma
Sobrepressão: máx.2bar Saída: Max. 23 litros/min.
Líquido de vedação: Óleo hidráulico
Volume do recipiente capaz de ser aquecido de aproximadamente 2,3 litros Potência nominal do aquecedor: 300W
Temperatura do aquecedor: max.80ºC
Variação da medição da pressão: 0-2 bar (abs.)
7.ÍNDICE 7. Índice A Aquecimento, isocórico 18 B Boyle-Mariotte 1,13-15 C Cilindro de pressão 5 Compressão 13 Compressor 5 Comutador principal 6 Controle do aquecedor 6 D Diagrama da curva 10 Diagrama do sistema 9 E Equação do gás 14 Expansão 15 G Gás, ideal 13 Gás, real 13 Gay-Lussac 18 J Janela principal 8
7.ÍNDICE
R
Registro dos dados de medição 7
Resfriamento, isocórico 19
V
Válvula de descarga de ar 15-19
Vapores 13
