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By Lucien Silvano Alhanati

  Física

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Teoremas Básicos da Hidrostática LIQ02

Teorema Fundamental da Hidrostática ou Teorema de Stevin LIQ0201

Qual é o Teorema Fundamental da Hidrostática ou Teorema de Stevin ? LIQ020101

A diferença de pressões p2 - p1 entre dois pontos da massa líquida é igual ao produto da diferença de nível h entre os pontos, pela massa específica m do líquido e pela aceleração g da gravidade.

p2 - p1 = hmg

Para calcularmos esta diferença de pressões vamos considerar um líquido de massa específica m em equilíbrio,
Vamos delimitar um cilindro do próprio líquido cujas bases de área
A contenham os pontos 1 e 2 e portanto de altura h. Sobre o cilindro líquido atuam forças de contato horizontais e verticais (F1 e F2), realizadas pelo líquido exterior ao cilindro, e a força peso P do cilindro líquido.

Se o líquido está em equilíbrio a soma das forças verticais (direção do eixo dos Y) é nula

F2 - F1 - P = 0 >>> F2 - F1 = P

mas P = mg onde m é a massa do cilindro líquido e portanto F2 - F1 = mg
Substituindo as forças pelo produto das pressões pelas áreas A teremos
p2.A - p1.A = mg
Sabemos que m = mV >>> m = mAh
logo p2.A - p1.A = mAhg
A diferença entre as pressões vale

p2 - p1 = h. m g

O que são pontos isóbaros ? LIQ020102

Pontos isóbaros são pontos onde as pressões são iguais.

Quando é que dois pontos são isóbaros ? LIQ020103

Dois pontos são isóbaros quando estão no mesmo nível (mesma horizontal) no interior de um mesmo líquido em equilíbrio.

Considere p2 - p1 = h. m g. Se os pontos estão no mesmo nível então h = 0 e conseqüentemente

p2 - p1 = 0 >>> p2 = p1

Em que consiste a Experiência de Torricelli ? LIQ020104

É uma experiência que permite avaliar a pressão atmosférica.
Torricelli tomou um tubo de vidro de 100cm de comprimento e encheu de mercúrio até a borda. Em seguida tampou a extremidade aberta, inverteu o tubo num recipiente contendo mercúrio e destapou a extremidade aberta.

Ao destapar a extremidade aberta a coluna de mercúrio desceu e atingiu uma altura h.

Acima do mercúrio numa região denominada de câmara barométrica passou a existir vácuo.
Marcamos em vermelho os pontos 1, 2 e 3. Sabemos que a pressão no ponto 3 é nula e que no ponto 1 é igual a pressão atmosférica.

p3 = 0 e p1 = patm

Sabemos também que os pontos 1 e 2 são isóbaros

p1 = p2

O Teorema de Stevin nos permite escrever que

p2 - p3 = h. m g.
p1 - 0 = h.  m  g.
patm = h.  m  g.

A pressão atmosférica é portanto proporcional a altura h da coluna de mercúrio.
Dizemos então que a

altura h representa a pressão atmosférica

Qual é a altura da coluna de mercúrio que na Experiência de Torricelli representa a pressão atmosférica normal ? LIQ020105

Quando a pressão atmosférica é considerada normal, chamamos esta pressão de uma atmosfera (1atm). Esta pressão corresponde a uma coluna de mercúrio de 76cm de altura e escrevemos

1atm = 76cm Hg

O que é pressão manométrica ? LIQ020106

Pressão manométrica pm num ponto é a diferença entre a pressão neste ponto (também chamada de pressão absoluta) e a pressão atmosférica.

pm = p - patm

Qual é o significado físico da pressão manométrica ? LIQ020107

A pressão manométrica representa a pressão utilizável.

Exemplo:
Consideremos um cilindro contendo CO2 a uma pressão de 5atm, num ambiente onde a pressão atmosférica é normal, isto é, 1atm.

Abrindo o registro, o CO2 escapa do interior do cilindro enquanto a sua pressão for maior que a pressão atmosférica. Quando a pressão no interior do cilindro igualar a pressão atmosférica, não haverá mais escapamento do CO2 e neste caso dizemos que "acabou" o CO2 .
A pressão utilizada do CO2 foi a sua pressão manométrica
pm = p - patm >>> pm = 5atm - 1atm >>> pm = 4atm

O que é um manômetro ? LIQ020108

É um dispositivo que mede a pressão manométrica.

Exemplo:
A figura nos mostra um manômetro simples. 

Consideremos um gás contido num recipiente ligado a um tubo em U contendo um líquido de massa específica m .
Marcamos em vermelho os pontos 1, 2 e 3.
Sabemos que a pressão no ponto 3 é igual a pressão atmosférica e que no ponto 1 é a pressão p do gás

p3 = patm e p1 = p

Sabemos também que os pontos 1 e 2 são isóbaros

p1 = p2 = p

O Teorema de Stevin nos permite escrever que

p2 - p3 = h.  m  g.
p - patm = h.  m  g.
pm = h.  m  g.

A pressão manométrica é portanto proporcional a altura h da coluna de líquido.
Dizemos então que a

altura h representa a pressão manométrica

Se o líquido for mercúrio e a altura h for 25cm dizemos que a pressão manométrica é

pm = 25cm Hg

Qual é a propriedade dos vasos comunicantes contendo um líquido e abertos para a atmosfera ? LIQ020109

Vasos comunicantes contendo um líquido e abertos para a atmosfera possuem as superfícies livres abertas para a atmosfera no mesmo nível.

Nos pontos 1 e 2 a pressão é a pressão atmosférica, logo são pontos isóbaros e conseqüentemente estão no mesmo nível.
Exemplo:
Esta propriedade é usada em construção civil para nivelar uma obra, utilizando um tubo flexível de material transparente contendo água.
Esta propriedade é também utilizada na agricultura para a plantação em curvas de nível, isto é, a plantação de mudas em mesmo nível.

Qual é a relação entre as alturas das colunas de líquidos diferentes que não se misturam colocados em vasos comunicantes abertos para a atmosfera ? LIQ020110

Consideremos dois vasos comunicantes contendo um líquido A de massa específica mA e um líquido B de massa específica mB . A altura da coluna do líquido A contido no recipiente da esquerda é hA e corresponde a uma coluna de altura hB do líquido B contido no recipiente da direita.

Marcamos em vermelho os pontos 1, 2, 3 e 4.
Sabemos que a pressão nos pontos 1 e 2 é igual a pressão atmosférica e as pressões nos pontos 3 e 4 são iguais (pontos isóbaros) uma vez que estão no mesmo nível no líquido B.

p1 = p2 = patm e p3 = p4

O Teorema de Stevin nos permite escrever que

p3 - p1 = hA mA g.
p4 - p2 = hB mB g.
como p3 - p1 = p4 - p2
então hA mA g.= hB mB g.
ou
hAmA = hBmB
conseqüentemente
as alturas das colunas líquidas são inversamente proporcionais as suas massas específicas

Exemplo:
se o líquido A possui massa específica 1g/cm3 e o B massa específica 3g/cm3 a altura hA = 3 hB

O que é e como funciona um sifão ? LIQ020111

O sifão é um tubo em U invertido que completamente cheio de líquido promove o deslocamento de um recipiente A em nível mais elevado para um recipiente B em nível mais baixo.

Para justificar o deslocamento do líquido da esquerda para a direita vamos considerar inicialmente fechada a comunicação entre os dois recipientes por meio de um registro na parte mais elevada do sifão conforme mostra a figura.

Marcamos em vermelho os pontos 1, 2, 3, 4, 5 e 6.
Sabemos que a pressão nos pontos 1 e 6 é igual a pressão atmosférica.

p1 = p6 = patm

As pressões nos pontos 1 e 2 são iguais (pontos isóbaros) uma vez que estão no mesmo nível, da mesma forma que as pressões nos pontos 5 e 6

p1 = p2 = patm e p5 = p6 = patm

O Teorema de Stevin nos permite escrever que

p2 - p3 = hAm g >>> p3 = patm - hAmg
p5 - p4 = hBmg >>> p4 = patm - hB
m g
como hA < hB
então p3 > p4
aberto o registro o deslocamento do líquido

se fará no sentido da maior pressão para a menor
ou seja da esquerda para a direita

ou ainda do recipiente mais alto para o mais baixo


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