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Princípio da Parede Fria

Princípio de Watt

Ebulidor de Franklin

 

Prof. Luiz Ferraz Netto
leo@feiradeciencias.com.br

Enunciado
O princípio de Watt ou
princípio da parede fria rege que:

"Quando a temperatura não é uniforme em todos os pontos de um recinto fechado, o líquido destila da região mais quente para a região mais fria e a pressão de vapor em todo o recinto, no equilíbrio final, tem o valor máximo correspondente à temperatura da região mais fria".

Teoria
Considere dois balões de vidro A e B ligados entre si por um tubo de vidro e preenchidos, parcialmente, por um mesmo líquido (éter com tintura). Os balões serão considerados como mantidos à temperaturas diferentes, porém constantes,
q A e q B, com q A > q B.

Sejam PA e PB as pressões do vapor nas temperaturas q A e q B, respectivamente.  Então,  PA > PB , pois, q A > q B, de acordo com as leis dos gases reais.

Em cada balão o líquido tende a entrar em equilíbrio com o próprio vapor, portanto, tende a estabelecer em A a pressão PA e em B a pressão PB. A saída do vapor de A, via tubo de comunicação, determina que haja a continuação da vaporização (na tentativa de manter o equilíbrio líquido/vapor), ao passo que, em B ocorrerá constante condensação, pela mesma razão.

Em suma, tendendo para a situação de equilíbrio da pressão, o líquido vaporiza em A e se liquefaz em B. É a própria destilação. Esse processo continua até que todo o líquido de A tenha passado para B, quando se atinge o equilíbrio. A pressão máxima de vapor será, portanto, PB, correspondente à temperatura da 'parede mais fria', q B.

Aplicações
Numa sauna, por exemplo (considerada idealmente recinto fechado, o que não foge muito à realidade), a pressão máxima de vapor será a correspondente à temperatura da parede mais fria do recinto (suposta constantes as demais temperaturas do ambiente). Watt aplicou esse princípio em seu condensador da máquina a vapor. Funciona também, baseado nesse princípio, os alambiques de destilação e o higrômetro de Daniel.

Ebulidor de Franklin
O ebulidor de Franklin (exibido na foto acima) é apresentado ao público nos mais variados formatos e dentre os mais comuns está aquele que lembra um 'ampulheta' interligada por tubo interno. Alguns os nomeiam por 'tesômetros'.

Didaticamente, o melhor modelo, é constituído pois dois balões de vidro (cerca de 4 cm de diâmetro) interligados por um tubo de vidro (cerca de 1 cm de diâmetro e comprimento 20 cm). No seu interior é colocado éter ou álcool tingido de vermelho (um corante que 'não suja o vidro') até cerca da metade da capacidade de cada reservatório. Aquece-se ligeiramente os bulbos (para produzir boa quantidade de vapor e extrair o ar interno) e o tubo de vidro (que tem uma ligeira derivação em sua parte central, por onde se introduz o líquido) é selado a fogo. No interior resta líquido e seu vapor.

Colocando-se a mão sobre um dos balões e deixando o outro exposto ao ambiente, haverá um desequilíbrio de temperaturas; o líquido evapora do balão quente e transfere-se ao balão frio, onde se condensa.

Quando o sistema é disposto com os balões para cima, como se ilustra a seguir, ao se colocar a mão envolvendo um dos bulbos (a foto de abertura ilustra bem isso), prevalece a dilatação dos gases e a transferência do líquido de um balão para outro é imediata e turbulenta. Este é tipicamente o funcionamento dos 'tesômetros'. Nessa situação, o princípio de Watt em pouco ou nada participa.

Para Feiras de Ciências há um modo interessante para observar essa passagem do líquido de um bulbo para o outro (sem que o visitante tenha que colocar sua mãozinha sobre equipamento tão frágil). É o sistema 'gangorra térmica' ilustrado acima, usando da disposição 'tesômetro'. Cada bulbo tem a região que defronta a lâmpada (110 V x 40 W) enegrecida com fumaça. O desequilíbrio leva o bulbo com mais líquido para baixo e isso o coloca defrontando uma lâmpada. Com o aquecimento, o líquido é transferido para o outro bulbo e o sistema entra em ciclo; o balanço da gangorra é intermitente. Envolva o pino de retenção da gangorra (fixado na haste vertical) com espuma de nylon, para evitar o rompimento do tubo de vidro.

 


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