Apostila Tecnologia Do Vacuo

Pa. Cel. Fernando Prestes, 30 - CEP 01124-060 So Paulo - SP, Brasil Tel: (011) 3322-2217 Fax: (011) 3315-0383

Laboratrio de Tecnologia do Vcuo LTV [email protected]

www.fatecsp.br

FATEC - SPFaculdade de Tecnologia de So PauloLaboratrio de Tecnologia do Vcuo - LTV

CCUURRSSOO DDEE MMAATTEERRIIAAIISS,, PPRROOCCEESSSSOOSS EECCOOMMPPOONNEENNTTEESS EELLEETTRRNNIICCOOSS -- MMPPCCEE

LLAABBOORRAATTRRIIOO DDEE TTEECCNNOOLLOOGGIIAA DDOO VVCCUUOO LLTTVV

DDIISSCCIIPPLLIINNAA DDEE TTEECCNNOOLLOOGGIIAA DDOO VVCCUUOO

PPrrooff.. MMee.. FFrraanncciissccoo TTaaddeeuu DDeeggaassppeerrii

SSoo PPaauulloo SSPP BBrraassiill

22 00 00 66
http://www.fatecsp.br



www.fatecsp.br


CCRRIITTRRIIOO DDEE AAVVAALLIIAAOO EE BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAADisciplina de Tecnologia do Vcuo 1o Semestre de 2006

CCrriittrriioo ddee AAvvaalliiaaooPara efeito de avaliao na disciplina de Tecnologia do Vcuo, temos as seguintes provas eatividades:

- Atividades: A1, A2, A3 E A4.- Atividade de Projeto: A5.- Provas: P1, P2 e P3.- Prova Substitutiva: PV. Esta prova pode substituir a mais baixa nota de uma das provas. Critrio Matemtico:

(A1+A2+A3+A4+2xA5)/6 = A

(P1+P2+P3)/3 = P

Se MF < 5,0: Reprovado com conceito C.Se 5,0



www.fatecsp.br


BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAALLiivvrrooss ee CCaattllooggooss ddaa rreeaa ddee TTeeccnnoollooggiiaa ddoo VVccuuoo

Temos na biblioteca da Fatec-SP um bom, ou melhor, um muito bom acervo referente a rea de

Tecnologia do Vcuo. H livros com diferentes enfoques e graus de profundidade. Para um bom

acompanhamento da disciplina, alm de um eficiente aprendizado, os estudantes devem estar em

constante contato com os livros. Os livros listados a seguir esto em ordem de profundidade:

- Basic Vacuum Technology, A. Chambers e outros. Adam Hilger. LIVRO-TEXTO;

- Tecnologia do Vcuo, ACM, Montinho e outros Editora Universidade Nova Lisboa;

- Curso de Tecnologia do Vcuo Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo. Apostilas;

- Fundamentos de la Ciencia y Tcnica del Vaco, G. Lewiss Editora Aguilar;

- Vacuum Physics and Techniques, T.A. Delchss. Chapman Hall;

- Modern Vacuum Practice, U. Harris. McGraw-Hill Books Company;

- Vacuum Technology. Its Foundation - Leybold Company;

- High Vacuum Productions in the Microelectronics Industry, P. Duval Elsevier Science

Publishers;

- A Users Guide to Vacuum Technology, J.F. OHanlon Wiley Interscience;

- Vacuum Technology, A. Roth North Holland, e

- E muitos outros livros e textos disponveis na biblioteca da Fatec-SP.

H tambm textos sobre Tecnologia do Vcuo disponveis no site da Fatec-SP, em Servios &Pesquisa, no Laboratrio de Tecnologia do Vcuo. Os textos disponveis so muito bons e tm oenfoque de aplicao, apesar de trazerem bastante bem a parte bsica. No incio de cada semestreletivo ser passado ao representante da turma uma cpia eletrnica com alguns textos e livros darea de tecnologia do vcuo. Este material de alta qualidade e escrito por profissionais que atuamem projetos tanto em empresas com em centros de pesquisa.



www.fatecsp.br


Temos disponveis em nossa biblioteca os seguintes catlogos de empresas importantes na rea de

tecnologia do vcuo. H tambm os catlogos em forma eletrnica disponveis nos sites das

empresas.

Balzers-Feiffer, Leybold-Inficon, BOC-Edwards, Kurt Lesker, MKS, Varian, MDC,

Perkins-Elmer, Alcatel, Huntington e muitos outros.

Alm dos livros, h tambm na nossa biblioteca catlogos de empresas na rea de tecnologia

do vcuo. H tambm os catlogos eletrnicos que poder consultados nos sites das empresas. Os

catlogos das empresas de produtos de vcuo so bons e uma fonte segura de informaes. Ele

complementaro o seu estudo. Faa uma busca!

Alm da nossa biblioteca temos a do Instituto de Fsica da USP com vrios outros ttulos e

tambm revistas peridicas especializadas na rea da tecnologia do vcuo, tais como: Vacuum,

Journal of Vacuum Science and Technology AVS e a Revista de Aplicaes de Vcuo SBV.

Entre no site Sociedade Brasileira de Vcuo SBV, voc ter como encontrar muitas informaes

importantes.



www.fatecsp.br


PPllaannoo ddee EEssttuuddoo ee aa UUttiilliizzaaoo ddooss RRootteeiirrooss ddee EEssttuuddooss eeEExxeerrcccciiooss ddee FFiixxaaoo ddaa DDiisscciipplliinnaa ddee TTeeccnnoollooggiiaa ddoo VVccuuoo

A disciplina de Tecnologia do Vcuo ministrada no Curso de Materiais, Processos eComponentes Eletrnicos MPCE da Faculdade de Tecnologia de So Paulo FATEC-SP doCentro Estadual de Educao Tecnolgica Paula Souza CEETEPS tem como objetivos principaisfornecer ao estudante os conceitos necessrios para o entendimento do comportamento dos gases evapores em baixas presses e dos sistemas de vcuo, com sus instrumentos, mtodos, e tcnicas detrabalho. O contedo programtico da disciplina de tecnologia do vcuo est mostrado abaixo.SEMANA MATRIA

1. Abertura e apresentao da disciplina.

Consideraes gerais para um bom aproveitamento da disciplina.

Objetivos da disciplina.

O "mundo" da tecnologia do vcuo.

2. Comportamento dos gases ideais.

O conceito de presso de vapor.

Os gases reais.

3. Teoria cintica dos gases.

Escoamento dos gases.

Regimes de escoamento dos gases em sistemas de vcuo.

4. Condutncia nos sistemas de vcuo e sua dependncia com o regime de escoamento.Velocidade de bombeamento.

Associao de condutncias.

Velocidade de bombeamento efetiva.

5. Recordao dos principais conceitos at o momento.

Clculo de condutncias.

As vrias fontes de gases nos sistemas de vcuo. O processo de bombeamento em tecnologia do vcuo.

6. Medidores de vcuo de presso total.

7. Recordao e Prova P1.

8. Materiais empregados na construo de sistemas de vcuo.

Procedimentos de Limpeza. Aspectos e detalhes construtivos.



www.fatecsp.br


9. Bombas de Vcuo.

10. Bombas de Vcuo.

11. Acessrios e componentes auxiliares (vlvulas, filtros, anteparos, armadilhas geladas, flanges, vedaes, tubos e outros).

12. Utilizao de catlogos na rea.

As revistas especializadas na rea.

Primeira discusso sobro o projeto (Atividade A5).

Prova P2.

13. Sistemas de vcuo de uso geral. Operao de sistemas de vcuo.

14. Medidores de vcuo de presso parcial.

Medidores e controladores de vazo de gases para baixas presses.

15. Sistemas de vcuo para altas vazes.

Sistemas de vcuo resistentes a gases corrosivos.

Segunda discusso sobre o projeto (Atividade A5).

16. Deteco de vazamentos.

Terceira discusso sobre o projetos (Atividade A5).

17. Prova P3.

Apresentao do projeto (Atividade A5).

18. Prova substitutiva.

Apresentao do projeto (Atividade A5).

Com o propsito de auxiliar e orientar o estudo dos estudantes que cursam a disciplina de

tecnologia do vcuo temos a seguir a relao dos tpicos dos Roteiro de Estudos e Exerccios de

Fixao REEF. Nos REEF temos uma introduo ao assunto, exerccios propostos dentro do

contexto das aplicaes em casos reais encontrados na tecnologia do vcuo e comentrios desses

exerccios proposto. So recomendados livros e catlogos pertinentes ao assunto em questo.

REEF 1: Comportamento dos Gases Ideais Teoria Cintica dos Gases.

REEF 2: Comportamento dos Gases Reais Teoria Cintica dos Gases.

REEF 3: Regimes de Escoamento dos Gases, Condutncia e Velocidade de Bombeamento.



www.fatecsp.br


REEF 4: Clculo das Condutncias e Velocidade Efetiva de Bombeamento.

REEF 5: Os Vrios Tipos de Fontes de Gases e o Processo de Bombeamento em Tecnologia

do Vcuo.

REEF 6: Medidores de Vcuo. Sensores Diretos e Indiretos de Presso Total.

REEF 7: Materiais Utilizados na Construo de Sistemas de Vcuo. Critrios e Requisitos na

sua Escolha.

REEF 8: Bombas de Vcuo.

REEF 9: Componentes Auxiliares dos Sistemas de Vcuo.

REEF 10: Sistemas de Vcuo de Aplicao Geral e sua Operao.

REEF 11: Sistemas de Vcuo para Altas Vazes e Gases Corrosivos.

REEF 12: Sensores de Presso Parcial e Anlise de Gases Residuais.

REEF 13: Medidores e Controladores de Fluxo de Gases e Vapores.

REEF 14: Deteco de Vazamentos.

As sugestes e crticas dos estudantes so bem-vindas no sentido de procurar aprimorar o

material agora disponvel na tentativa de ser um instrumento de auxlio ao estudo sistemtico na ra

de tecnologia do vcuo.

- [email protected]

PPrrooff.. MMee.. FFrraanncciissccoo TTaaddeeuu DDeeggaassppeerrii

LLaabboorraattrriioo ddee TTeeccnnoollooggiiaa ddoo VVccuuoo LLTTVV

FFaaccuullddaaddee ddee TTeeccnnoollooggiiaa ddee SSoo PPaauulloo FFAATTEECC--SSPP CCEEEETTEEPPSS SSoo PPaauulloo SSPP BBrraassiill..



www.fatecsp.br


ROTEIRO PARA ESTUDOS E EXERCCIOS DE FIXAO 1

Comportamento dos Gases Ideais Teoria Cintica dos Gases

O objetivo principal da Tecnologia do Vcuo criar condies para a produo de baixas

presses. Para que a remoo de gases dos volumes seja feita de maneira eficiente, devemos

conhecer o comportamento da matria no estado gasoso. O modelo de gs ideal, no obstante a

sua simplicidade, lana luz sobre o entendimento de muitas caractersticas fsicas importantes

dos sistemas gasosos. Em condies de baixas densidades e temperaturas acima da

temperatura crtica os gases tm comportamento bem prximo aos gases ideais. Todas as

tecnologias disponveis tm uma sustentao fsica bsica, em geral bem alicerada. Apesar de

na maioria dos casos a rea tecnolgica criar as suas prprias abordagens e mtodos de anlise

e modelagem, no podemos deixar de ter uma boa compreenso do fenmeno fsico em suas

bases. Caso essa compreenso fsica no for atingida, pagaremos o preo de dificilmente

poderemos propor situaes inusitadas e com isso estaremos sempre reboque daqueles que

tm esse domnio. O modelo atmico da matria um daqueles modelos cuja maturidade

demorou sculos, desde a proposio essencialmente filosfica dos gregos e muito depois ter

alado para uma teoria cientfica somente no sculo XIX. Neste momento nasce a qumica

como cincia. Uma das grandes conquistas da cincia foi a aplicao das leis de Newton teoria

atmica da matria, muitos resultados e interpretaes foram alcanadas a partir desse

audacioso empreendimento intelectual. Por exemplo a presso e a temperatura somente foram

interpretados luz da suposio de que o mundo microscpico fosse governado por leis da

mecnica. Este projeto foi intensificado e no final do sculo XIX ocorreu um cisma no

pensamento cientfico da fsica. Tivemos um embate entre duas grandes linhas de pensamento

cientfico na poca: os atomistas e o energeticistas. Certamente uma das pginas mais belas da

histria da cincia e tambm das mais importantes. Os atomistas advogavam em favor da

concepo atmica da matria, e mais que isso, acreditavam que a cincia deveria ser

sustentada na hiptese atmica e com isso as leis da fsica deveriam ser aplicadas aos tomos e

molculas, e a partir dos resultados obtidos compar-los com os resultados macroscpicos, ou

seja, termodinmicos. Em contrapartida, os energeticistas acreditam essencialmente na

termodinmica, uma vez que consideram a teoria atmica inacessvel realidade das



www.fatecsp.br


medies. Durante quase duas dcadas este cenrio cientfico-cultural dominou o debate

filosfico da fsica e da qumica. Muito avano ocorreu em torno das idias lanadas, e por fim,

os atomistas triunfaram. Podemos dizer que at hoje a cincia persegue o caminho aberto pelos

atomistas. Neste caldo cultural tivemos uma verdadeira revoluo nas idias da fsica que

acabaram por abrir as portar fsica do sculo XX, com isto queremos dizer, a teoria da

relatividade e a mecnica quntica. Voltando ao gs ideal, podemos dizer que o seu estudo foi a

porta de entrada s idias atomistas cientficas. Mais ainda, do ponto de vista prtico e voltado

tecnologia o modelo de gs ideal tem grande alcance e no devemos interpretar o termo gs

ideal como sendo um gs inexistente na prtica, ou seja, como sendo apenas uma idealizao

terica. Ele alcanado desde que sejam obedecidas certas condies. Ele to real e preciso

que o seu conceito utilizado em metrologia de vcuo.

1. Quais so os estados da matria? Quais so as caractersticas fsicas macroscpicas dos vriosestados? Como podemos entender os vrios estados de agregao da matria a partir da TeoriaAtmica da Matria? Discuta a mobilidade dos tomos e molculas nos trs estados da matria. Asfiguras abaixo mostram de forma pictrica o estado de agregao da matria, insinuando a extensopossvel do movimento entre os tomos e molculas vizinhos. Discuta esta questo complementar asquestes anteriores.

Figuras mostrando de forma pictrica os estados de agregao da matria e suas mobilidades.



www.fatecsp.br


2. Fenomenologicamente, como voc define as seguintes grandezas: volume, presso, temperatura,quantidade de gs? Para um aprofundamento do estudo fsico, estas definies so suficientes? Oque mol de uma quantidade? Discuta a mobilidade dos tomos e molculas nos gases e vapores.

3. Explique em detalhe as leis de BoyleMariotte (p.V = constante) e a de Charles (p/T =constante). Faa grficos.

4. O que so Gases Ideais ou Gases Perfeitos? Quais so as caractersticas fsicas marcantes dessesistema de agregao da matria? Quando os Gases Reais podem ser aproximados por Gases Ideais?Exiba e discuta a Equao dos Gases Perfeitos ou Equao de Clapeyron-Mendeleiev.

5. De posse do conhecimento da Teoria Cintica dos Gases, podemos conhecer muito docomportamento dos gases, mas alguns conceitos so importantes. Assim, o que velocidade mdia?O que livre caminho mdio? O que difuso de gases? O que efuso dos gases?

6. Questo para Pesquisar. Como podemos entender, luz da Teoria Cintica dos Gases, osseguintes fenmenos de transporte atravs da matria gasosa:- condutividade trmica;- viscosidade;- transpirao trmica.Alm de conseguirmos um bom entendimento do comportamento dos gases quando em movimento,h uma srie de sensores de presso cujo princpio de funcionamento est baseado nesses conceitos.7. Uma vez utilizado o modelo da Teoria Atmica da Matria com a Teoria Cintica dos Gases,como interpretamos fisicamente as seguintes grandezas: presso e temperatura. Agora pesquise: Oque so graus de liberdade para a energia?

8. Descreva em detalhe o princpio de funcionamento e o mecanismo dos seguintes dispositivos,aes ou equipamentos bastante presentes em nosso cotidiano:- Desentupidor de pia.- Tomar suco de canudinho.- Aspirador de p.- Ventosa.- Limpar a calada com um esguicho de gua.- Afastar duas placas de vidro, ou outra superfcie bastante lisa e plana, com gua entre elas.- Discuta dentro do assunto das ventosas como voc poderia medir a fora suportada por ela.- Faa um modelo fsico e um possvel arranjo experimental.- Conta-gotas e a pipeta para determinar um determinado volume de lquido.- Depois de usar um guarda-chuva, gir-lo vigorosamente para remover a gua de sua superfcie.

Estas ltimas questes parecem simples talvez sejam! , acredito que no. Explique os seusmecanismos fsicos de funcionamento a partir de primeiros princpios. Este tipo de exerccio



www.fatecsp.br


bastante instrutivo, pois possibilita entender o que significa realizar o primeiro passo para aconstruo de um modelo fsico de um fenmeno. Isto essencial para aplicarmos o nossoconhecimento realidade.

9. Digamos que temos um recipiente e o conectamos a uma bomba de vcuo. A medida que passa otempo, verificamos que a presso vai diminuindo. Voc pode tambm dizer que com a diminuio dapresso a gravidade dentro do recipiente tambm diminui? Ainda mais, se pudssemos removercompletamente as molculas do gs do interior do recipiente, teramos uma gravidade tambm nulano interior do recipiente? Discuta esta questo. Uma situao tem a haver com outra, ou seja,gravidade e presso atmosfrica esto ligadas entre si? Somente como comentrio, h muitaconfuso referente a estes aspectos, existncia e ausncia de gravidade e existncia e ausncia depresso atmosfrica.

Comentrio: Este roteiro to longo como importante. Mas est plenamente justificado dados aimportncia e o alcance dos conceitos tratados. Muitos conceitos e instrumentos da Tecnologia doVcuo esto apoiados nos aspectos fenomenolgicos dos gases ideais. Um ponto chave para umbom domnio da tecnologia do vcuo tanto do ponto de vista do projeto como de sua instrumentaoassim como dos inmeros processos industriais e cientficos uma compreenso dos seus conceitosbsicos. Alm dos livros indicados logo abaixo consulte tambm livros referentes fsico-qumicados gases e vapores. Nunca devemos perder de vista os conceitos bsicos e a sustentao fsica dastecnologias existentes. Tanto para entender profundamente os vrios aspectos das tecnologias assimcomo para gerar idias novas, a teoria imprescindvel. Utilize tambm os textos disponveis no siteda Fatec-SP dentro do Laboratrio de Tecnologia do Vcuo LTV. As referncias maisimportantes, ao nvel de nossa disciplina, so:- Tecnologia do Vcuo, A. M. C. Montinho e outros (captulo 1);- A Users Guide to Vacuum Technology, J. F. OHanlon (captulo 2);- Fundamentos de la Ciencia y Tcnica del Vaco, G. Lewin (captulo 1);- Modern Vacuum Practice, N. Harris (captulo 2);- Vacuum Physics and Techniques, T. A. Delchar (captulo 1);- Curso de Fsica: Calor, M. Ference Jr. e outros (captulo3);- An Introduction to Fundamental of Vacuum Technology, H. Tompkins, e- Alm do livro-texto e ainda muitos outros.

BOM TRABALHO!!!

Disciplina de Tecnologia do Vcuo Curso MPCEProf. Francisco Tadeu Degasperi



www.fatecsp.br



Comportamento dos Gases Reais Teoria Cintica dos Gases

O modelo de gs ideal, no obstante a sua simplicidade, lana luz sobre o entendimento de

muitas caractersticas fsicas importantes dos sistemas gasosos. Apesar do modelo de gs ideal

ou gs perfeito lanar luz sobre o comportamento dos sistemas gasosos, h uma srie de

imperfeies neste modelo. Este o caso interessante cuja melhoria no modelo de gs ideal se

deu considerando aspectos inerentes teoria atmica da matria. Van der Waals considerou

interaes entre os tomos ou molculas que compe o gs. Explicitamente levou em

considerao as foras que agem entre as molculas do gs e tambm sups a existncia de um

volume prprio dessas molculas. Assim, essas partculas minsculas comeavam a tomar a

forma de uma estrutura mais complexa. Este modelo se deu em um momento da histria da

fsica em que muitos avanos estavam ocorrendo, por exemplo, as equaes de Maxwell do

eletromagnetismo estavam dadas e com isso o modelo da luz como sendo uma radiao

eletromagntica. A distribuio de energia de Maxwell-Boltzmann em um gs. A definio de

entropia e o incio dos estudos de descarga eltrica em gases. das Vamos, a seguir, estudar em

detalhe o modelo de gs real. Essas novas idias e teorias abriram as portas para a grande

revoluo na fsica sculo XX. O modelo de gs ideal vale para uma faixa relativamente

estreita de valores de presso e temperatura, e ainda depende do tipo de gs. Abaixo da

temperatura crtica e para densidades crescentes o modelo de gs ideal falha. O motivo fsico

est no fato de serem as foras de interao entre os tomos e molculas importantes frente a

energia cintica das partculas. Temos a proposio atualmente de mais de 30 equaes de

estado, algumas ainda so fenomenolgicas. Para as condies que usualmente encontramos

nos sistemas de vcuo, podemos adotar o modelo de gs ideal em muito boa aproximao. Nos

casos que temos os gases interagindo com as paredes do sistema de vcuo, deveremos levar em

considerao o potencial de Van der Waals. Um aspecto importante tanto na cincia como na

tecnologia a identificao do sistema fsico em estudo, ou seja, qual exatamente o nosso

objeto de estudo e trabalho. Em geral, esta etapa da modelagem de sistemas fsicos

fundamental. Devemos ter sempre em mente que qualquer problema real, por mais simples

que possa parecer, de soluo impossvel! Se formos levar em considerao todas as

interaes possveis que podem ocorrer com uma pedra que est prxima superfcie da



www.fatecsp.br


Terra, mal conseguiramos sequer montar o problema. Pense em todos os corpos do Universo

interagindo com essa pedra. Talvez seja impossvel para uma mente humana! E se fosse

possvel montar o problema, depois de pronto, uma grande parte dos corpos teriam mudado

de lugar, muitos sis teriam se apagado, etc. Assim, devemos ter claro que sempre

precisaremos fazer simplificaes, sempre, no tem como escapar. Parece paradoxal: para

fazer simplificaes, voc precisa conhecer muito sobre o assunto, justamente para desprezar

certas ocorrncias suprfluas. O conhecimento da teoria fundamental, mas devemos praticar

a sua aplicao realidade, ou seja, devemos aprender a fazer modelos de sistemas fsicos. Na

disciplina de tecnologia do vcuo, teremos a oportunidade de estudar e modelar sistemas reais,

encontrados em laboratrios e em linhas de produo. Veremos que dependendo da forma que

montamos um problema, ela dir se o problema solvel ou no. Em fsica dizemos que o

problema deve ser bem posto, ou seja, o problema deve ser enunciado de forma clara e com as

perguntas bem formuladas. Na vida real, nos montaremos os problemas e em seguida

deveremos resolv-los. Dependendo da forma como montarmos os problemas a sua soluo

poder quase que emergir naturalmente da modelagem. Em seguida, em geral, nos resta a

soluo matemtica do problema, que pode ser analtica, raramente conseguiremos desta

forma, ou pode ser numrico-computacional, que a forma a qual quase sempre a

conseguiremos. No h outra maneira seno fazermos para conseguir obter experincia em

qualquer que seja o assunto. Se a soluo realmente representa o fenmeno somente a

experincia poder nos dizer. Comparando os dados experimentais com os resultados da

modelagem poderemos dizer se fizemos um bom modelo, se as hipteses e os detalhes

introduzidos no modelo foram suficientes e representam bem a realidade.

1. Em que situao falha o modelo de gs ideal ou perfeito? Faa um grfico, para vriastemperaturas, no plano p-V. Explique o fenmeno de condensao. Quando podemos aproximar umgs real por um gs ideal?

2. O que so foras de Van der Waals? Quais so os dois ingredientes introduzidos na Equao deEstado dos Gases Reais? No limite, mostre que recai na Equao de Estado dos Gases Ideais. luzda teoria atmica da matria como voc explica a origem das foras de Van der Waals. Ainda, comoexplicar os estados de agregao da matria considerando esta importante fora. Considere opotencial de Lennard-Jonnes.

3. Descreva em detalhe o princpio fsico dos seguintes dispositivos, aes ou equipamentosbastante presentes em nosso cotidiano:



www.fatecsp.br


- Dificuldade em abrir uma geladeira logo aps ter sido fechada, isto em um dia mido.- Botijo de gs de cozinha.- Secar uma toalha. Ela fechada. Ela aberta. Com vento. Com aquecimento. Fale da eficincia de

cada forma de secagem.- Uma queijeira na geladeira apresenta condensao no uniforme de gua em sua superfcie.- Panela normal e panela de presso.- Cheirar um perfume a uma distncia de alguns metros dele em uma sala sem ventilao.- gua colocada em recipientes guardando um salgadinho que foi frito, como nas padarias.

Estas questes tambm parecem simples talvez sejam! , mas mais uma vez, acredito que no sosimples. Tudo vai depender de como encaramos o que seja uma explicao convincente e feita apartir de princpios fsicos bsicos. Assim, explique os seus mecanismos fsicos de funcionamento apartir de primeiros princpios. Este tipo de exerccio bastante instrutivo, pois possibilita entender oque significa realizar o primeiro passo para a construo de um modelo fsico de um fenmeno. Isto essencial para aplicarmos o nosso conhecimento realidade. Existem muitas aplicaes industriaisda tecnologia do vcuo sustentadas em conceitos exatamente os mesmos referentes aos casos acima.Ainda h bombas de vcuo cujo princpio de funcionamento o mesmo do exemplo da queijeira.

4. Sempre e de forma enftica dissemos que a propriedade mais marcante que os gases e vapores,isto , a matria no estado gasoso tem o fato de ocupar totalmente o espao ou o volume onde elasesto. Sendo que tanto a forma como o volume dos gases e vapores so totalmente determinadospelo recipiente que eles esto. Sendo assim, por que os vrios tipos de gases e vapores que compema nossa atmosfera no escapa da Terra e procura ocupar o espao de todo o Universo? Mais, na Luaa presso na sua superfcie da ordem de 10-7 torr. Por que l temos vcuo, mais precisamente alto-vcuo?

5. Diante da questo referente a atmosfera do nossa Terra, podemos nos aprofundar um pouco mais.Discuta e pesquise a questo sobre como varia a presso em relao a altitude. Veja que sabemosque a presso ao nvel do mar maior de a presso na cidade de So Paulo, que por sua vez maiorque a presso em Campos do Jordo. Pesquise sobre o assunto desta questo. Diga e interpretefisicamente a equao da lei da atmosfera isoterma.

Comentrio: Este roteiro no to extenso como o roteiro anterior, mas to importante como ele.Muitos conceitos, aplicaes e equipamentos da Tecnologia do Vcuo esto apoiados neles. Nadisciplina de tecnologia do vcuo temos a oportunidade de estudar os princpios e aplicaes deinmeros processos que ocorrem em baixas presses. Veja que retomamos em algumas questes oassunto referente aos gases perfeitos. O estudante deve-se convencer que apesar do nome gsperfeito, ele ocorre em condies de temperaturas relativamente altas e em baixas densidades. Portemperaturas relativamente altas queremos dizer acima da temperatura crtica. Sabemos que cadatipo de gs tem sua temperatura crtica. Mas cabe mencionar que mesmo que o gs esteja a



www.fatecsp.br


temperatura abaixo da sua temperatura crtica se ele estiver em densidades bastante baixaspoderemos ter a observncia bastante boa da lei de Boyle-Mariotte, Aproveitamos este espaotambm para apresentar as referncias mais importantes:

- Tecnologia do Vcuo, A. M. C. Montinho e outros (captulo 1);- A Users Guide to Vacuum Technology, J. F. OHanlon (captulo 2);- Fundamentos de la Ciencia y Tcnica del Vaco, G. Lewin (captulo 1);- Modern Vacuum Practice, N. Harris (captulo 2);- Vacuum Physics and Techniques, T. A. Delchar (captulo 1);- Curso de Fsica: Calor, M. Ference Jr. e outros (captulo3);- An Introduction to Fundamental of Vacuum Technology, H. Tompkins; e- Muitos outros.

Esta lista tem por objetivo marcar a presena no estudo dos gases reais, no mnimo de formabastante simples e rpida, sem perder os pontos principais. Tendo a oportunidade aprofunde-se noassunto.Como referncia, veja tambm o livro: Curso de Fsica: Calor, M. Ference Jr. e outros. Htambm inmeros livros de fsico-qumica que tratam muito bem deste assunto. Em geral nesteslivros o assunto dos gases e vapores abre para a teoria atmica da matria, como ocorreuhistoricamente.

BOM TRABALHO!!!

Disciplina de Tecnologia do Vcuo Curso MPCEProf. Francisco Tadeu Degasperi



www.fatecsp.br


Trabalho Adicional: Traduza e Estude o Texto a Seguir.

TEXTO SOBRE PRESSO DE VAPORExtrado da monografia de H. G. Tompkins, An Introduction to Fundamentals of Vacuum

Technology - American Vacuum Society AVS.

A vapor is a gas near its condensation temperature. The concept of vapor pressure is

equally valid when the condensed phase is a solid or a liquid, although in vacuum technology, the

solid form is usually the one encountered. We shall use the liquid form as an example simply

because it is easy to understand. Suppose we have a closed container held at constant

temperature and we put a liquid in the bottom, at suggested in figure 24. For simplicity let us

suppose that we remove the gases above the liquid. Molecules from the liquid evaporate and

become gas molecules at a rate, which is dependent on the surface area and the temperature. Let

us suppose these to be constant, thus the rate of molecules leaving the liquid is a constant.

At the same time, molecules from the gas phase strike the liquid surface and go from the

gas phase to the liquid phase (condense). The number of molecules condensing depends on how

many there are in the gas phase. In the beginning, there are very few molecules in the gas phase

hence the number going from liquid to gas is much greater than the number going from gas to

liquid, and the pressure of the molecules (the partial pressure) will increase. When the pressure

has increased to the point that there are as many molecules going into the liquid as going out of

the liquid, equilibrium has been reached and the gas phase is satured. Note also that the gas

phase molecules are striking the other surface of the container and forming a condensed layer

there also.



www.fatecsp.br


To be absolutely correct, the term vapor pressure refers to the partial pressure of the

vapor at any time. At saturation, the proper term is saturation vapor pressure or equilibrium vapor

pressure. Actually, common practice is to use the term vapor pressure when what is meant is

saturation vapor pressure. We shall follow the common practice and use the term vapor

pressure.

Suppose we now heat our closed container to a higher temperature. The rate of molecules

going from one phase to the other changes and as the pressure change, equilibrium is again

reached. The increased temperature affects both processes, liquid to gas, and gas to liquid. It does

not affect the processes equally, however, and the net effect is that increased temperature causes

higher vapor pressures.

Although we have used a liquid for illustration, the same phenomena occur for solids. The

process of atoms or molecules leaving the surface is called sublimation rather than evaporation but

it is essentially the same.

Figures 25 and 26 show the vapor pressure for several materials. If one were to insert a

piece of solid CO2 (dry ice) into an evacuated chamber, at 100 K, it would sublime until the partial

pressure of CO2 close to 10-4 Torr or until the dry ice were gone whichever came first. On the other

hand, at the temperature of 1500 K, tungsten has a vapor pressure below 10-11 Torr and very little

sublimation occurs. These are equilibrium curves and not kinetic curves. They say nothing about

how vapor pressures sublime faster than materials with low vapor pressure.



www.fatecsp.br


Of more practical interest is the fact that zinc, which is a constituent of brass, has somewhat

higher partial pressure. At 100 C or 373 K and below, the vapor pressure of zinc is below 10-11

Torr. A system which is being baked sometimes reaches 250 C or 523 K, the vapor pressure at

this temperature is about 10-4 Torr and one would probably find zinc at rather unexpected places

inside the system. Cadmium plated screws are to be avoided for the same reason.

_________________________________________________

TAREFAEste texto expe muito bem o fenmeno de presso de vapor e o seu enfoque voltado

tecnologia do vcuo. Aqui est uma boa oportunidade de reforar o aprendizado sobre o assunto,bastante discutido e enfatizado em sala de aula e nos exerccios. Como dissemos, exaustivamente, ofenmeno de presso de vapor muitssimo importante para entender inmeros processos queocorrem em vcuo e tambm para entendermos o princpio de bombeamento e limitaes de algumasbombas de vcuo. Os materiais que usamos na construo de sistemas de vcuo devem ter a suapresso de vapor verificada em funo da temperatura.

Tambm temos aqui a oportunidade de praticar a lngua inglesa. Como tarefa, traduza o texto efaa comentrios sobre o assunto. Separe a traduo dos comentrios.BOM TRABALHO!!

Disciplina de Tecnologia do Vcuo Curso MPCE

Prof. Francisco Tadeu Degasperi



www.fatecsp.br



Regimes de Escoamento dos Gases, Condutncia e Velocidade de Bombeamento

O objetivo principal da Tecnologia do Vcuo criar condies para a diminuio da presso

em recipientes, para tanto, o gs precisa ser transportado de uma regio para outra regio.

O estudo e clculo das condutncia dos tubos e orifcios so de suma importncia para um

eficiente projeto do sistema de vcuo no que se refere ao processo de remoo dos gases. Para

isso precisamos ter claro os regimes de escoamento dos gases. Em baixas presses os gases e

vapores podem escoar de quatro formas completamente diferentes entre si. Temos os regimes

de escoamento viscoso turbulento, viscoso laminar, intermedirio ou transio e molecular. O

processo fsico de cada um desses regimes de escoamento tem caracterstica prpria. Isto faz

com que as expresses matemticas sejam bem diferentes para cada regime de escoamento.

Matematicamente, o critrio para a identificao do tipo de escoamento que est ocorrendo

dado pelo nmero de Knudsen. Este nmero o quociente entre o livre caminho mdio com

uma dimenso tpica do tubo por onde escoa o gs, em geral o seu dimetro, se o tubo for de

seo circular. Diante de uma anlise fsica do processo de transporte dos gases em uma

tubulao, considerando a hiptese atmica, possvel entender as diferenas entre os vrios

tipos de escoamento. No escoamento viscoso laminar o gs se comporta como um meio

contnuo e o fluxo de gs ocorre como se fosse em camadas bem determinadas. No caso do

escoamento molecular o transporte dos gases se d completamente de forma aleatria. No

existe neste caso uma coerncia macroscpica no transporte. Isto tem conseqncias prticas:

no regime de escoamento molecular o transporte dos gases muito menos eficiente,

acarretando uma menor condutncia, considerando os outros dados fsicos constantes. Os

modelos de clculo de condutncia em tecnologia do vcuo so voltados essencialmente s

geometrias simples. Sistemas de vcuo complexos tm sua modelagem complicada. No

obstante, podemos fazer em muitos casos modelos factveis cujos clculos podem ser

realizados de forma simples e por meio deles obter uma boa compreenso do comportamento

dos sistemas de vcuo em anlise. Neste roteiro teremos a oportunidade de nos depararmos

com questes centrais da tecnologia do vcuo, sem esses conceitos, acredito que impossvel

de termos uma compreenso suficientemente profunda do processo de transporte e

bombeamento dos gases e vapores rarefeitos. Um outro ponto que nunca devemos perder de



www.fatecsp.br


vista quanto a questo da mobilidade dos tomos e molculas. Em todos os estados da

matria os tomos esto em movimento. Ocorre que no estado gasoso o movimento se d mais

livremente, podendo as trajetrias ser de grande comprimento, dependendo exclusivamente

da densidade do gs. Nos estados slido e lquido, intrinsecamente os movimentos so de

pequenas distncias. Este estudo deve ser aprofundado, devendo ser pesquisado e estudado,

pois nele est a essncia para o entendimento fsico dos estados da matria em conjunto com o

potencial de natureza eletromagntica que existem entre as partculas que compe o gs ou

vapor. O movimento constante e catico dos tomos e molculas, presente em todos os estados

da matria, e no caso do gs sem um centro de fora definido e com isso podendo ter

movimentos de longo alcance que garante a sua possibilidade de bombeamento. Explicando

melhor. Veja que a bomba de vcuo no tem nenhum mecanismo de atrair ou trazer para ela

os tomos e molculas que devero ser bombeados. So as partculas que devero chegar at a

bomba de vcuo, e em seguida essas bombas de vcuo vo fazer com estas partculas no

fiquem mais no ambiente do sistema de vcuo exercendo presso. Veremos no assunto das

bombas de vcuo com essas bombas fazem o processo de bombeamento. Devemos ter sempre

presente que os termos em geral empregados para designar o bombeamento dos gases e

vapores pelas bombas de vcuo, tais como, sugando, chupando, puxando, ou ainda

atraindo as partculas do gs, no tm sentido fsico. Estes preconceitos tm trazido e

introduzido muitos malefcios tecnologia do vcuo, uma vez que alm de levarem a uma

interpretao errada dos fenmenos, eles tm conseqncias do ponto de vista prtico nos

projetos e utilizao de sistemas de vcuo. Isto se d pois camufla a importncia do conceito

da condutncia, que ao meu ver a grandeza mais importante da tecnologia do vcuo. Assim

retomando o assunto, sempre so as partculas tomos e molculas que devero chegar s

bombas de vcuo e em seguida as bombas de vcuo faro alguma coisa com elas para no

voltarem ao sistema de vcuo. Isto que podemos definir como bombeamento das bombas de

vcuo, e mais frente, veremos quais os princpios fsicos que podem ser usados para que elas

bombeiem. Desta forma, mais uma vez enfatizamos como os conceitos, por exemplo, o da

condutncia, so fundamentais. No caso da condutncia, deveremos ter a tubulao com

suficiente passagem para as partculas poderem atingir com facilidade s bombas de vcuo.

1. Como voc define velocidade de bombeamento de uma bomba de vcuo? Considere oraciocnio da bomba de vcuo do tipo de uma seringa de injeo. Considere uma montagem bsica



www.fatecsp.br


em que podemos fazer vcuo em um recipiente. Ainda, como podemos entender o bombeamento departe do vapor de gua na atmosfera quando colocamos um copo com gua gelada sobre uma mesa.Mais ainda, quando cortamos um pedao de ferro. Temos com isso a construo de uma bomba devcuo? Discuta o assunto e fale sobre o seu mecanismo de fixao de gases. interessante observarque quase todas as bombas de vcuo existentes tm seus princpios de funcionamento que podemser entendidos por meio dos exemplos acima.

2. O que throughput? Exiba a expresso matemtica que define esta grandeza e explore a mesma.

3. Quais so os tipos de escoamento de gases em tecnologia do vcuo? Explique fisicamente cadaum deles; diga quais so as caractersticas marcantes de cada tipo de regime de escoamento.Dedique especial ateno a essa questo. Quase tudo em tecnologia do vcuo depende de umacompreenso clara sobre como se d o processo de escoamento dos gases.

4. O que condutncia em sistemas de vcuo? O que representa esta grandeza? Discuta adependncia com o regime de escoamento.

5. Qual o critrio matemtico que determina o tipo de regime de escoamento dos gases queestamos trabalhando? Faa um formulrio com as expresses para a condutncia dos tubos, tanto deseo circular como de seo retangular, e tambm para orifcios, nos vrios regimes de escoamentode gases.

6. O que velocidade de escoamento efetiva? Explore este assunto. Como este ponto liga-se velocidade de bombeamento e a condutncia?

7. Nas questes acima apresentamos vrias grandezas importantes no contexto dos sistemas devcuo. Para essas grandezas exiba as suas unidades. Apresente as unidades utilizadas usualmente etambm no Sistema Internacional de Unidades.

8. Com relao ao bombeamento de gases. Vamos explorar esta importante questo. Sabemoscomo bombear eficientemente uma quantidade de gua de uma caixa. Faa um modelo, bastantesimples, de uma caixa dgua sendo bombeada por uma bomba dgua. A soluo do problema simples. Veja que o lquido mantm o seu volume quando aplicamos uma presso nele. Isto bastante bem verificado experimentalmente. Agora, no caso do gs isso no ocorre. Ainda, como ogs ocupa todo o espao que fornecido para ele, temos que a maneira como se d o seubombeamento completamente diferente do caso do lquido. Discuta esta questo. Ela essencialpara entender o efeito de bombeamento de gases e vapores. Tente fazer um modelo fsico-matemtico do bombeamento de um gs em um recipiente com uma bomba de vcuo de velocidadede bombeamento constante.



www.fatecsp.br


Comentrio: Nos projetos em tecnologia do vcuo certamente intervm as grandezas estudadas

neste roteiro. Os conceitos apresentados so, acredito, os mais importantes da cincia e da

tecnologia do vcuo, pois a caracterstica mais marcante dos gases em baixas presso est ligada

ao modo como se escoam em uma tubulao. Como quase sempre interligamos a bomba de vcuo

cmara de vcuo por meio de uma tubulao de fundamental interesse considerar como esta

tubulao intervm no processo de transporte dos gases e vapores. Assim, trate este assunto com

muita dedicao, em todos os assuntos nesta disciplina, os conceitos vistos sero centrais, quer no

projeto, quer no desempenho dos equipamentos, quaisquer que sejam, bombas de vcuo, sensores

de vcuo, componentes auxiliares, etc. Uma discusso de caracter mais geral pode ser feito j nesta

altura da disciplina. Os alunos j devem estar notando que os problemas que esto sendo

discutidos e tratados requerem muitas consideraes referentes a aproximaes. Esta uma

caracterstica muito marcante dos problemas que ocorrem de fato no nosso dia a dia. Qualquer que

seja o problema, por mais simples que julgamos que seja, se tivermos que levar em conta tudo o

que ocorre com ele, as interaes de todos os tipos possveis, sequer teremos tempo ou capacidade

intelectual para montar matematicamente o modelo do problema. Um passo, no s importante,

mas crucial resoluo de problemas saber fazer aproximaes, saber considerar o essencial e

deixar de lado o suprfluo. Dependendo do problema, um aspecto para uma dada situao de

modelagem pode parecer que ele suprfluo, mas em outra situao pode ser essencial. Depende

do detalhamento que desejamos atingir. Por exemplo, para o movimento de um corpo na superfcie

da Terra, uma pedra, considerar a atrao gravitacional essencial, caso contrrio a pedra no

cair! Considerar a resistncia do ar, ir depender de fatores como o coeficiente de arraste da

pedra, que est relacionado com o seu perfil aerodinmico. Depender tambm da velocidade que

a pedra atingir. Assim, para baixas velocidades podemos desprezar esta fora. Mas veja, se uma

folha de papel estiver aberta e a deixarmos cair, certamente no poderemos desconsiderar a fora

de resistncia com o ar, mesmo no incio do movimento, cuja velocidade muito pequena, prximo

de zero. Voltando pedra. Certamente no precisaremos considerar a atrao gravitacional da

Lua, do Sol ou de Alfa-Centauro. Mas se estivermos, por exemplo, tratando das mars, certamente

deveremos considerar a atrao gravitacional da Lua, ela essencial para explicar o fenmeno, a

gravidade da Terra no explica as mars. Mas sem ela a gua no estaria presa Terra. O

movimento de um pra-quedas somente pode ser explicado caso haja gravidade e resistncia com o

ar. Sem gravidade o pra-quedista no cai, sem resistncia do ar ele no serve para nada o seu

pra-quedas. Assim, no mnimo, devem existir esses dois ingredientes na modelagem do movimento



www.fatecsp.br


do pra-quedista: a fora gravitacional e a fora de arraste do pra-quedas devido a resistncia

com o ar. Na Lua no existe o problema do pra-quedista, pois l a presso na sua superfcie da

ordem de 10-7 mbar.

BOM TRABALHO!!





www.fatecsp.br



Clculo das Condutncias e Velocidade Efetiva de Bombeamento

Uma etapa importante no trabalho de um projetista de Tecnologia do Vcuo a determinao

e especificao das bombas de vcuo a serem utilizadas. Para isto, devemos conhecer o valor

da velocidade de bombeamento da bomba de vcuo; este valor depende em geral de dois

outros valores, a saber: a velocidade efetiva de bombeamento e a condutncia da tubulao que

liga a cmara de vcuo bomba de vcuo. Assim, devemos saber calcular o circuito de vcuo e

como associar as condutncias. Este assunto est intimamente ligado ao do roteiro anterior.

Como ponto de partida para a determinao matemtica das condutncias, devemos ter a

identificao do regime de escoamento. Isto se faz necessrio, uma vez que a expresso

matemtica correta depende fortemente do regime de escoamento. Como exemplo, considere

um tubo de certos dimetro e comprimento, um certo tipo de gs a uma da temperatura;

podemos ter uma variao de mais de 100.000 vezes entre a condutncia no regime de

escoamento laminar, prximo presso atmosfrica, e no regime de escoamento molecular.

Diante disso devemos identificar o regime de escoamento para os clculos relativos

determinao da velocidade efetiva de bombeamento. Neste roteiro voc ter oportunidade de

calcular condutncia, e ver que podemos estar diante de um problema que pode ser

extremamente simples ou diante de um problema extremamente complicado. De certa forma

isto reflete o fato de termos maneiras muito distintas entre si para o processo de transporte

dos gases em sistemas de vcuo. O que considero importante neste estgio da disciplina que

comece a ficar claro ao estudante o papel crucial da condutncia no transporte dos gases e

suas conseqncias do ponto de vista do desempenho dos sistemas de vcuo. Veja que este

assunto requer bastante reflexo e espero que os iniciantes na tecnologia do vcuo comecem a

pensar no assunto e faam uma imagem consciente da sua importncia. Alm de clculos de

sistemas de vcuo, no que se refere ao bombeamento de gases e vapores, o assunto sempre

estar presente. Um exemplo pode ser dado quanto a instalao de medidores em uma cmara

de vcuo ou qualquer outra posio no sistema de vcuo. A conexo do medidor no pode

adulterar a medio da presso, assim, o assunto da condutncia novamente coloca. O

conceito de condutncia tambm intensamente utilizado para podermos fazer injees

controladas de gases e vapores em sistemas de vcuo.



www.fatecsp.br


1. Calcular as condutncias do orifcio e dos tubos abaixo desenhados.

Considere a presso de trabalho ao redor de 10-6 mbar, o gs a mistura da atmosfera ar , estando temperatura ambiente de 20C.

a) Orifcio. b) Tubo de seo transversal circular.

Dentro desta mesma questo, considere o texto a seguir. Discuta os casos apresentados acimaadotando outras presses em que ocorre o escoamento dos gases ou ainda vapores. Isto quer dizer:Considere os outros regimes de escoamento dos gases. Somente esboce a soluo do problema.Como possvel verificar, nos regimes de escoamento viscoso laminar e intermedirio os clculosdas condutncias no so to simples como no regime de escoamento molecular. Neste regimeestudamos que a condutncia no depende da presso.

c)Tubo de seo transversal retangular.



www.fatecsp.br


2. Considere o circuito de vcuo abaixo desenhado. O gs de trabalho a mistura atmosfrica temperatura de 200C. Calcule a condutncia do circuito de vcuo operando presso de 10-7 mbar.

Continuando dentro da mesma questo. Faa agora os clculos considerando a temperaturaambiente. O circuito de vcuo simples mostrado acima bastante comum e expe as principaiscaractersticas de circuitos de vcuo mais gerais.

Faa uma discusso da questo da passagem do gs de um tubo de maior dimetro para um tubo demenor dimetro, como mostrado no caso acima. Agora, e se fosse o sentido de escoamento dosgases, do menor dimetro para o maior dimetro.

Na mesma questo: como devemos considerar o cotovelo no clculo da condutncia? Esta parte daquesto para pesquisar. Veja o livro de A.Roth, Vacuum Technology. Ainda h outras publicaesem nossa biblioteca que trata bastante bem questo mais refinada. Tambm como refinamento,considerando a passagem abrupta de um dimetro para outro valor de dimetro em uma seqnciade tubos, como podemos tratar esta questo.

3. Para um processo industrial operando presso de 10-1 mbar, presso mdia, avalie acondutncia e a velocidade de bombeamento efetiva. O circuito de vcuo mostrado abaixo.

Considere o gs sendo a mistura atmosfrica temperatura ambiente de 20C.

Faa as simplificaes necessrias para o clculo e exponha com clareza o seu raciocnio.



www.fatecsp.br


Bomba de vcuo com Sb = 100 litros / minuto

Continuando. Qual a dificuldade no clculo de condutncias nos regimes viscoso e intermedirio?

Esta questo no muito fcil. Para situaes como essa muitas vezes iremos necessitar de umclculo feito por meio de mtodos numricos.

Apresente as unidades das grandezas utilizadas nesta questo. Faa o mesmo se voc estivessetrabalhando no Sistema Internacional de Unidades. Infelizmente, ainda na tecnologia do vcuo,utilizamos unidades fora do sistema internacional. Acredito que teremos que esperar alguns anospara incorporar o SI nossa disciplina. No obstante, precisamos estar atentos, pois muito comumem tecnologia do vcuo e suas ramificaes a utilizao de unidades das mais diversas, misturandoinclusive inmeras unidades. Devemos estar sempre atentos a est questo, pois podemos errar porordens de grandeza se no prestarmos ateno a este aspecto.

Comentrio: Faa uma exposio clara dos raciocnios adotados, escreva as expresses gerais e

somente depois faa as simplificaes e as particularizaes necessrias resoluo do problema

especfico. Muitas vezes usamos expresses matemticas e concluses sem antes fazermos uma

verificao se so aplicveis s situaes que estamos tratando. Isto um grande risco! Sempre

devemos verificar o universo de validades dos conceitos e dos teoremas.Este tipo de questo

apresentado mostra-nos como j comeamos a esbarrar em problemas cuja soluo requer a

interveno de ferramentas matemticas mais sofisticadas, e ainda a sua soluo por meio de

mtodos numrico-computacionais. Os clculos de sistemas de vcuo em geral recaem em equaes

diferenciais no lineares, que so de difcil soluo sem a interveno dos mtodos numricos. Esta

uma caracterstica geral tanto da cincia como da tecnologia. Um fato absolutamente dentro do

cotidiano dessas atividades. Assim, temos que comear a conviver com elas e aprender a utiliz-



www.fatecsp.br


las! Nos projetos em tecnologia do vcuo certamente intervm as grandezas estudadas neste

roteiro, como no caso do roteiro anterior. A aplicao dos conceitos apresentados so, acredito, os

mais importantes da cincia e da tecnologia do vcuo, pois a caracterstica mais marcante dos

gases em baixas presso est ligada ao modo como se escoam em uma tubulao. Do ponto de vista

do projeto, quase sempre interligamos a bomba de vcuo cmara de vcuo por meio de uma

tubulao de fundamental interesse considerar como esta tubulao intervm quantitativamente

no processo de transporte dos gases e vapores. Assim, para determinar a bomba de vcuo

necessria ao sistema de vcuo, certamente deveremos calcular condutncias e suas associaes.

Assim, nos projetos e tambm conceitualmente os clculos feitos aqui sero determinantes para o

desempenho dos equipamentos, quaisquer que sejam, bombas de vcuo, sensores de vcuo,

componentes auxiliares, etc. Finalizamos este roteiro, reafirmando a necessidade de sempre termos

de construir modelos de sistemas fsicos, no caso voltados tecnologia. No roteiro anterior fizemos

uma discusso sobre o essencial e o suprfluo na construo de modelos. O julgamento de ser ou

no ser essencial um determinado aspecto na modelagem de sistemas fsicos e tambm em outras

reas, como economia, biologia, sociologia de suma importncia. Vemos em geral que ao

introduzir de um detalhe a mais no modelo de um determinado sistema a sofisticao matemtica

cresce muito. Assim, ser razovel diante dessas situaes a atitude mais importante. A questo

toda saber at onde podemos ir, ou seja, qual o grau de detalhamento que devemos atingir. No

h frmula para esse problema, somente nossa vivncia no assunto e a comparao dos resultados

obtido na modelagem com os dados experimentais podem dizer se aquela modelagem foi ou no

um sucesso. A partir da exposio do estudante ou do profissional com problemas novos que

poderemos adquirir capacidade de fazer modelos. Certamente um ponto que sustenta tudo isso o

nosso conhecimento terico, pois com a teoria sobre o assunto que poderemos incluir no modelo

e supor como funciona aquele sistema. Voc pode estudar muito sobre natao, conhecer bem

muitos dos aspectos importantes para aprender como obter um bom condicionamento fsico, e uma

srie de outros conhecimentos que certamente ajudaro voc a se desempenhar melhor ao nadar,

mas veja, voc vai ter que cair na piscina. No tem escapatria, voc dever se expor ao fato.

Assim, faa!

BOM TRABALHO!!!Disciplina de Tecnologia do Vcuo Curso MPCE




www.fatecsp.br


ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCCIOS DE FIXAO 5

Os Vrios Tipos de Fontes de Gases e o Processo

de Bombeamento em Tecnologia do Vcuo

Uma etapa importante no trabalho de um projetista de sistemas de vcuo a determinao e

especificao das possveis fontes de gases e vapores que podem estar presentes no sistema de

vcuo sendo analisado. Para poder especificar a instrumentao necessria para o

bombeamento dos gases e vapores, devemos ter bastante claro quais os tipos de fontes gasosas

que participam do processo em vcuo e tambm a sua intensidade. Este fato ser

determinante para podermos dimensionar as bombas de vcuo e tambm escolher as mais

adequadas dependendo do tipo de gs presente no processo. Para poder resolver

matematicamente o problema devemos quantificar as fontes de gases e vapores. Esta tarefa

em geral no simples, uma vez que para cada tipo de fonte de gs h uma fsica especfica

para ela. Por exemplo, o vazamento virtual completamente diferente da degaseificao. Os

problemas matemticos referentes ao processo de bombeamento em geral recaem em uma

equao diferencial ordinria. A sua soluo por meio de procedimentos analticos bastante

restrito, isto quer dizer que h pouqussimos casos cuja soluo pode ser alcanada e

representada em forma analtica. A grande maioria dos casos a soluo matemtica do

problema somente conseguida por meio de ferramentas matemticas do clculo numrico.

Nestes casos, alm do conhecimento detalhado das fontes gasosas e sua quantificao

deveremos ter as expresses matemticas, ou ainda, por meio de tabelas das condutncias e

das velocidades das bombas de vcuo em funo da faixa de presso de operao. Uma

caracterstica que encontramos nos sistemas de vcuo e presentes em outras tecnologias

tambm a necessidade permanente dos conceitos vistos anteriormente. Os estudantes devem

estar atentos para este fato importante. Assim, no podemos nos descuidar de nenhum ponto

da teoria visto at o momento. Esta caracterstica do conhecimento ir acompanhar o

estudante at o final do curso e certamente continuar em sua vida profissional. Geralmente

em tecnologia do vcuo os modelos realizados so muito simplificados, em parte isto ocorre

devido a falta de uma plataforma adequada para resolver matematicamente os modelos fsicos

que deveriam estar sendo propostos. As bases fsicas para o entendimento do que ocorre com



www.fatecsp.br


a degaseificao, que tem origem na desorpo, a adsoro, a absoro, o outgassing , e outros

efeitos importante que so importantes tecnologia

1. Cite e caracterize fisicamente os vrios tipos de fontes de gases e vapores que podem ocorrerem sistemas de vcuo. Temos esquematicamente mostrado abaixo um sistema de vcuo genricocom as vrias fontes de gases e vapores possveis. Todos os sistemas de vcuo, simples oucomplexos, tm suas partes conforme mostrado no esquema a seguir. Apresente a equaodiferencial mostrando explicitamente os termos relativos s fontes de gases e vapores importantespara a modelagem de sistemas de vcuo.

Desenho esquemtico de um sistema de vcuo geral, mostrando as suas partes principais: a cmarade vcuo com as possveis fontes de gases e vapores, a linha de bombeamento ou transporte degases e o conjunto de bombas de vcuo.

Na questo seguinte voc ter oportunidade de aprofundar o assunto relativo s fontes gasosas etambm referente a origem fsica delas. Ns no estamos interessados no momento em resolvermatematicamente a equao diferencial para os casos gerais encontrados em tecnologia do vcuo.

QVR QIC

QVap

QGP

QPerm QFBV

Deg

QVV QSub

Cmara deVcuo

Linha deBombeamento

Bombas deVcuo

QBV



www.fatecsp.br


Mais frente resolveremos para duas situaes bastante simples, no obstante, bastante elucidativase importantes no contexto da modelagem de sistemas de vcuo e a considerao das hiptesessimplificadoras a serem sempre feitas. Isto ser tratado em detalhe. Veremos que a resoluomatemtica desses modelos que construiremos ser muito simples, mesmo assim, os resultados teroum alcance bastante grande.

Para mais detalhes, veja a pgina 57 do livro A Users Guide To Vacuum Technology, de John F.OHanlon, 2 edio Wiley. Veja tambm o trabalho de mestrado do professor desta disciplina.Este livro temos em nossa biblioteca.

2. Explique fisicamente os seguintes termos e conceitos dentro da tecnologia do vcuo:

- Sorpo.

- Absoro.

- Adsoro.

- Desorpo.

- Outgassing (este termo no traduzido).

- Degassing (este termo em geral traduzido como degaseificao).- - Taxa de degaseificao especfica de um certo material.Complementando esta questo. Exiba a Equao Diferencial do Processo de Bombeamento deGases e Vapores em Baixas Presses. Faa uma discusso detalhada sobre os seus termos einterprete-os fisicamente.

Obs.: Veja o catlogo da Balzers. Compare com os livros disponveis na biblioteca e ainda ostextos disponveis em formato eletrnico e que esto no site da Fatec-SP Laboratrio deTecnologia do Vcuo LTV. H muitos outros que expem bem o assunto sobre as possveis formasde liberao de gases e vapores em sistemas de vcuo. Este assunto central em tecnologia dovcuo.O ponto de partida para o projeto de sistemas de vcuo a identificao da fontes gasosaspertinentes ao processo.

3. Vamos integrar os conceitos trabalhos nos roteiros anteriores e este presente. De um modo geralos sistemas de vcuo podem ser concebidos conforme mostrado na figura a seguir. Temos a cmarade vcuo, a linha de bombeamento e as bombas de vcuo. Como tratamos anteriormente, integre asidias e os conceitos referentes ao processo de bombeamento com a condutncia e velocidade dabomba de vcuo. Considere tambm as vrias fontes de gases e vapores que podem existir nossistemas de vcuo.



www.fatecsp.br


Esquema geral de sistemas de vcuo, mostrando a cmara de vcuo, a linha de bombeamento e abomba de vcuo. Vemos tambm a relao entre a velocidade de bombeamento da bomba de vcuo,com a condutncia total da linha de bombeamento e a velocidade efetiva de bombeamento.

Comentrio: Esta lista tem por objetivo fazer com que o estudante fixe os conceitos e nomenclaturautilizados em tecnologia do vcuo quando refere-se s vrias fontes de gases possveis e como estaspodem ser minimizadas durante o processo de bombeamento. Os conceitos fsicos vistos nesteroteiro formalizam a construo terica da tecnologia do vcuo no que refere construomatemtica de modelos dos sistemas de vcuo. H ainda, em continuidade aos exerccios propostosacima, um texto em ingls extrado do catlogo da Balzers. Fica aqui um convite ao estudantetraduzir e certamente estudar mais esta fonte importante de informaes em tecnologia do vcuo.Junto com os livros, os catlogos so bons companheiro de estudo!

BOM TRABALHO!!!





www.fatecsp.br


Trabalho Adicional: Traduza e Estude o Texto a Seguir.

DEFINIES E TERMOS EMPREGADOS NA TECNOLOGIA DO VCUO

Os termos seguintes, muito empregados na Tecnologia do Vcuo, foram extrados doCatlogo da Balzers 88/89.

- Gas

Gas is matter in a state of aggregation in which the mean distances between the molecules are largein comparison with their dimensions, and the mutual arrangement of individual molecules isconstantly changing.

Gas in the stricter sense is matter in gaseous state which cannot be brought to a liquid or solid stateby compression at the prevailing temperature.

- Gas ballast

Inlet of a controlled quantity of a gas, usually into the compression chamber of a positivedisplacement pump, so as to prevent condensation within the pump.

- Gettering

Gettering means bonding of gas, preferably by chemical reactions. Getter (getter materials) oftenhas large real surfaces.

- Leak

Leaks in a vacuum system are holes or voids in the walls or at joints, caused by faulty material ormachining or wrong handing of the seals.

- Leak rate

The leak rate is the throughput of a gas through a leak. It is a function of the type of gas, pressuredifference and temperature.

- Maximum tolerable water vapor inlet pressure pwo

The maximum tolerable water vapor inlet pressure is the highest inlet pressure at which a vacuumpump can continuously pump pure water vapor under ambient conditions of 20oC and 1013mbar. Itis given in mbar.

- Mean free path

The mean free path is the average distance which a molecule travels between two successivecollisions with other molecules.

- Outgassing

Outgassing is a spontaneous desorption.



www.fatecsp.br


- Partial pressure

The partial pressure is the pressure due to a specified gas or vapor component of a gaseous and/orvapor mixture.

- Permeation

Permeation is the passage of gas through a solid barrier or a liquid of finite thickness. Permeationinvolves diffusion and surface phenomena.

- Pressure

The pressure of a gas on a boundary surface is the normal component of the force exerted by the gason an area divided by that area.

- Pressure units

The pressure units are Pascal as the S.I. unit, abbreviation Pa, and bar as a special unit designationfor 105 Pa.

1 Pa = 1 Nm-2

1 bar = 1000 mbar = 105 Nm-2 = 105 Pa.

The unit commonly used in the vacuum technology is the milibar.

- Quantity of gas (pv value)

The pv value is the product of the pressure and volume of a specified quantity of gas at theprevailing temperature. If the pv value is to be used as a measure for the quantity of substance orgas, this must be an ideal gas whose temperature must be specified.

- Resistance

The resistance is the reciprocal of the conductance.

- Reynolds number

Nondimensional quantity

Re = d.v.l / n

d = Density of fluid

v = Average flow velocity

l = Characteristic length (e.g. pipe diameter)

n = Dynamic viscosity

Re < 2300 Laminar flow

Re > 4000 Turbulent flow



www.fatecsp.br


- Saturation vapor pressure

The saturation vapor pressure is the pressure exerted by a vapor which is in thermodynamicequilibrium with one of its condensed phases at the prevailing temperature.

- Sorption

Sorption is the taking up of gas (sorbate) by a solid or a liquid (sorbent). Sorbents are also calledsorption agents.

- Standard reference condition

The standard reference condition is the condition of a solid, liquid or gaseous substance determinedby the standard temperature and standard pressure.

- Standard temperature

Tn = 273.15 K

- Standard pressure

Pn = 101325 Pa = 1013.25 mbar

- Throughput

The throughput is the quantity of gas (in pressure volume units) passing through a cross sectionin a given interval of time at the prevailing temperature, divided by that time.

- Throughput of a pump

The throughput of a vacuum pump is the throughput of gas pumped.

- Total pressure

The total pressure is the sum of all partial pressures present. This term is used in contexts where theshorter term pressure might not clearly distinguish between the individual partial pressures andtheir sum.

- Ultimate pressure

The ultimate pressure is the value which the pressure in a standardized test dome approachesasymptotically with normal operation of the vacuum pump and without gas inlet.

Distinction can be made between the ultimate pressure which is due to no condensable gases, andthe ultimate pressure which is due to gases and vapors (ultimate total pressure).

The terms used in descriptions and technical data for the pumps and components in the catalog arestandardized. The choice of the most important terms given below is intended to contribute to theiruniform use and assist the less experienced user of vacuum technology in the use of the catalog.

PNEUROP is the association of manufactures of compressors, vacuum pumps and pneumatic toolsfrom twelve European countries, with a Vacuum Technology Committee. Its aim is to promoteinternational standardization of vacuum components and vacuum test methods. The PNEUROP



www.fatecsp.br


proposals were submitted to ISO as a standards recommendation, and the majority of them has beenincorporated in the standards of the European industrial countries for instance Germany, GreatBritain and France.

The PNEUROP recommendations contain the definitions, test methods and performance data forvacuum pumps, gauges and components which are binding for PNEUROP members. The productsof Balzers Aktiengesellschaft and Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH conform toPNEUROP rules.

- Absolute pressure gauge

An absolute pressure gauge is a pressure gauge used to determine the pressure from the normalforce exerted on a surface divided by its area. An absolute pressure gauge is independent of the gastype used.

- Absorption

Absorption is a type of sorption in which the gas (absorbate) diffuses into the bulk of the solid orliquid (absorbent).

- Adsorption

Adsorption is a type of sorption in which the gas (absorbate) is retained at the surface if the solid orliquid (absorbent).

- Backing pressure

The backing pressure is the pressure at the outlet of a pump which discharges gas to a pressurebelow atmospheric only.

- Compression ratio

The compression ratio is the ratio between the outlet pressure and the inlet pressure of a pump for aspecific gas.

- Concentration of molecules

The concentration of molecules is the number of molecules contained in an adequately chosenvolume divided by that volume.

- Conductance

The conductance is the conductance in the special case where the orifice or duct connects twovessels on which Maxwellian velocity distribution prevails. In the case of molecular flow, theintrinsic conductance is the product of the conductance of the inlet port of the duct section and thetransmission probability of the molecules. In this flow range, it is dependent of the pressure.

- Degassing



www.fatecsp.br


Degassing is a desorption which is accelerate by physical processes.

- Desorption

Desorption is the liberation of gases sorbed by a sorbent material. The liberation can be spontaneousor can be accelerate by physical processes.

- Diffusion

Gas diffusion is the movement of a gas in another medium due to its concentration gradient. Themedium may be gaseous, liquid or solid.

- Flow

Viscous flow

Viscous flow is the passage of a gas through a duct under conditions such that the mean free path isvery small in comparison with the smallest internal dimension of a cross section of the duct. Theflow is therefore dependent on the viscosity of the gas and may be laminar or turbulent. In the caseof viscous flow, the resistance is a function of the pressure.

Turbulent flow

Turbulent flow (eddy flow) is a viscous flow with mixing motion above a critical Reynolds number(for circular cylindrical pipes Re = 2300).

Laminar flow

Laminar flow (parallel flow) is a viscous flow without mixing motion at small Reynolds numbers.

Molecular flow

Molecular flow is the passage of a gas through a duct under conditions such that the mean free pathis very large in comparison with the largest internal dimensions of a cross section of the duct. In thecase of molecular flow, the resistance is independent of the pressure.

- Vacuum

Vacuum is the state of a gas with the concentration of molecules being less than that of theatmosphere at the earth surface.

Vacuum is the state of a gas with a pressure below atmospheric pressure, i.e. the air pressureprevailing at the respective location.

The relationship between pressure p and concentration of molecules n (for ideal gases) is a follows:

p * V= NMolecule * k * T

k = 1.3807*10-23 JK-1 Boltzmann constant



www.fatecsp.br


T = thermodynamic temperature

The molecule concentrations refer to a temperature of 20C.

- Vapor

Vapor is a substance in gas phase which is either in thermodynamic equilibrium with its liquid orsolid phase (saturated vapor).

Note: in vacuum technology, the word gas has been loosely applied to both the non-condensablegas and the vapor, if a distribution is not required.

- Vapor pressure

Vapor pressure is the partial pressure of a vapor.

- Volume flow rate

The volume flow rate is the volume of gas passing through the duct cross-section in a given intervalof time at a specified temperature and pressure divided by that time.

- Volume flow rate

The volume flow rate S is the average volume flow from a standardized test dome through the crosssection of the pumps intake port.

Units for the volume flow rate are m3*s-1, l*s

-1, m3*h-1.

- Water vapor capacity Cwo

The water vapor capacity is the maximum mass of water per unit of time which a vacuum pump cancontinuously take in and discharge in the form of water vapor under ambient conditions of 20C and1013 mbar. It is given in g*h

-1.

The relationship between water vapor capacity cwo and maximum tolerable water vapor inletpressure pwo is as follows:

cwo = 217 * S * pwo /T in g*h-1

S = volume flow rate, in m3*h-1, at inlet pressure pwo

Vacuum ranges mbar Molecule Concentration

Low vacuum (GV) 1000-1 2.5*1025 2.5*10

22 m-3

Medium vacuum (FV) 1 - 10-3 2.5*1022 2.5*10

19 m-3

High vacuum (HV) 10-3 10-7 2.5*1019 2.5*10

15 m-3

Ultra-high vacuum (UHV)



www.fatecsp.br


pwo = maximum tolerable water vapor inlet pressure, in mbar

T = thermodynamic temperature of the water vapor pumped, in K.

________________________

________________

Comentrio: mais uma vez temos a oportunidade de nos depararmos com um contedo rico eadequado ao estudo da tecnologia do vcuo. Os catlogos so uma fonte rica de informao eauxiliar no ensino. Alm de trazer o estado da arte no que se refere a instrumentao certamentepara os catlogos atuais! , eles tambm trazem muitas vezes resumos tericos e princpios defuncionamento de medidores e bombas de vcuo, e outros mais. Alm dos livros, estudar com oscatlogos, verificando a instrumentao e como especific-las certamente um complementoimportante ao estudo de uma escola de tecnologia. Entender um catlogo, qualquer que seja a reaque o estudante futuramente ir abraar, um passo importante sua vida profissional. Assim,aproveite a oportunidade, mesmo que voc no venha trabalhar com tecnologia do vcuo, aprendaa transitar em um catlogo. Certamente voc far isto no futuro em sua rea de atuao. Alm detudo que dissemos, muitos catlogos esto escritos na lngua inglesa, mais um bom motivo parapraticarmos esta lngua. Os conceitos e definies tratados neste texto so importantes, pois estono centro da determinao de grandezas que devem ser encontradas para o projeto de sistemas devcuo e de suas aplicaes. Os catlogos que vocs tm disponveis seja na biblioteca seja noLaboratrio de Tecnologia do Vcuo LTV so os mesmos em qualquer lugar no mundo. Assim,junto com os livros, mos obra e tambm aos catlogos!

BOM TRABALHO!!!





www.fatecsp.br


ROTEIRO PARA ESTUDO E EXERCCIOS DE FIXAO 6

Medidores de Vcuo. Sensores Diretos e Indiretos de Presso Total

No trabalho de um projetista de Tecnologia do Vcuo uma etapa importante a determinao

e especificao dos instrumentos a serem utilizados no sistema de vcuo. Fazem parte: a

cmara de vcuo, as bombas de vcuo, os medidores de presso, os componentes auxiliares, e

muitos outros. Para isto, devemos conhecer muito bem o princpio de funcionamento dos

vrios instrumentos e componentes a serem comprados. Assim, devemos entre outros saber

medir a presso em toda a faixa de operao do sistema de vcuo. Tambm devemos conhecer

bem os detalhes do processo em vcuo a fim de no expormos os sensores de presso a

atmosferas contaminantes, ou ainda, explosivas ou corrosivas. Com relao aos sensores de

coluna de mercrio, vemos que estes sensores, os mais antigos medidores de presso, tm o seu

princpio determinado a partir das leis da mecnica. Este tipo de medidor de presso coloca

muito claramente a questo do que significa medir a presso a partir da sua definio, que a

fora agindo em uma rea. Alm do aspecto instrutivo, este tipo de sensor bastante usado em

metrologia de presso, uma vez que pelo fato de depender de aspectos da mecnica, e no

depender do tipo do gs, o torna indicado na metrologia. Alm desse medidor, estudaremos o

sensor Pirani e o termopar, baseados na conduo trmica dos gases. O medidor Pirani

extensamente utilizado na medio de pr-vcuo. O sensor de membrana capacitava um

medidor tambm baseado em princpios mecnicos, apesar dessa medio mecnica ser feita

por procedimento eltrico. Os sensores de medio Penning, ou catodo frio e o sensor Bayard-

Alpert, ou catodo quente, tm a medio de presso em alto-vcuo baseado na conduo

eltrica dos gases e vapores. Neste roteiro o assunto a medio de presso no seu sentido

mais amplo, que so os seus princpios fsicos, o princpio de funcionamento dos sensores e a

sua utilizao. Tambm devemos ter claro os limites de operao dos sensores. Como ponto de

partida conhecer se o processo de medio direto ou indireto. Levar em considerao a sua

instalao no sistema de vcuo, observando o efeito da condutncia da conexo do sensor a

parte em que est sendo feita a medio de presso. Veja mais uma vez nos deparamos com o

conceito de condutncia. Este um aspecto marcante da tecnologia do vcuo, a condutncia

sempre estar presente. Como exemplo, considere que o tubo de conexo do sensor devem ter



www.fatecsp.br


o seu dimetro e seu comprimento observado, caso contrrio corremos o risco de ter a

medio de presso adulterada. Do mesmo modo devemos observar os campos magnticos e

eltricos e a temperatura circunstante ao sensor de vcuo. Finalmente, mais uma

considerao, no podemos nos distanciar da calibrao dos sensores, aspecto to importante

no mundo industrial, uma vez que os certificados de qualidade exigem esta observao.

1. Explique a lei de Dalton; como relacionar as presses parciais com a presso total? A lei deDalton obvia? Ela tem validade geral ou depende da suposio bsica do conceito de gasesperfeitos?

2. O que so sensores diretos ou absolutos e indiretos? Exemplifique, exibindo uma lista de ambosos tipos de sensores. Fale em detalhe.

3. Por que em um manmetro de coluna de mercrio a rea transversal do tubo da coluna nointervm nos clculos? Explique de

Documents

Apostila Tecnologia Do Vacuo