Introdução aos Processos da Engenharia Química/Unidades

Grandezas e unidades

Uma grandeza é uma propriedade de um objeto ou fenômeno que pode ser medida ou calculada. Em outras palavras são propriedades que podem ser associadas a um número. Alguns exemplos de grandezas simples são massa, comprimento, volume, densidade, tempo, temperatura, quantidade de matéria, corrente elétrica e intensidade luminosa e cada uma delas está associada a uma unidade de medida, ou seja, uma referência para o entendimento do significado da medida.

Por exemplo, ao ser informado de que a distância entre João e Maria é de 5,9 você não tem como saber se eles estão próximos ou longe um do outro - seriam 5,9 metros? Ou 5,9 pés? Ou 5,9 milhas náuticas? Sem se especificar uma unidade a distância de 5,9 pode significar qualquer coisa, João e Maria podem estar lado a lado ou em continentes diferentes. Assim, sabendo que um ponto está separado do outro por 5,9 centímetros temos a idéia de que um centímetro cabe dentro da grandeza medida 5,9 vezes. Centímetros, gramas, Newtons, polegadas cúbicas e libras-força por pé quadrado são exemplos de unidades.

As grandezas citadas no primeiro parágrafo (também conhecidas como dimensões) são especialmente importantes porque suas unidades integram o seleto grupo das unidades de base do Sistema Internacional de Unidades (SI) e isso é tão especial porque grande parte das demais grandezas físicas podem ser escritas em termos delas. Por exemplo, quem já entrou em um carro alguma vez na vida sabe que sua velocidade é medida em quilômetros por hora, ou seja, uma unidade de comprimento por uma de tempo. Mas nem o quilômetro e nem a hora são as unidades de base do SI. Recordemos então quais são elas:

Grandeza	Unidade	Símbolo
Comprimento	metro	m
Massa	quilograma	kg
Tempo	segundo	s
Corrente elétrica	ampère	A
Temperatura termodinâmica	kelvin	K
Quantidade de matéria	mol	mol
Intensidade luminosa	candela	cd

Talvez possa parecer mais intuitivo que em vez de corrente elétrica se utilizasse a carga elétrica como dimensão de referência para medidas envolvendo eletricidade, já que a corrente elétrica nada mais é do que a quantidade de carga que passa por uma seção por unidade de tempo. Mas a escolha da corrente se deve ao fato de ela ser mensurável com mais facilidade do que a carga.

Outra peculiaridade entre as unidades básicas do Sistema Internacional é que é o quilograma (kg) e não o grama (g) a unidade básica para a massa, o que é uma característica herdada do sistema MKS, no qual é baseado. O prefixo quilo é usado para indicar um produto por mil, ou seja, um quilograma são mil gramas e um quilômetro são mil metros. Há outros prefixos usados no sistema internacional para representar um determinado múltiplo de uma unidade, os mais usados são os seguintes:

Múltiplos			Sub-múltiplos
Fator	Nome	Simbolo	Fator	Nome	Simbolo
10¹	deka	da	10^-1	deci	d
10²	hecto	h	10^-2	centi	c
10³	kilo	k	10^-3	milli	m
10⁶	mega	M	10^-6	micro	µ
10⁹	giga	G	10^-9	nano	n
10¹²	tera	T	10^-12	pico	p
10¹⁵	peta	P	10^-15	femto	f
10¹⁸	exa	E	10^-18	atto	a

Para utilizá-los, basta juntar o prefixo aportuguesado e o nome da unidade, como em nanometro, micrometro, miliampère (miliampere) e deciwatt. Para formar o símbolo, basta juntar os símbolos básicos: nm, µm, mA e dW

Um problema que o engenheiro pode encontrar no seu dia-a-dia é que o Sistema Internacional de Unidades não é o único que existe. Nos Estados Unidos e parte do Reino Unido se utiliza um sistema de unidades tradicional e é comum que instrumentos importados desses países forneçam medidas nessas unidades, sendo preciso convertê-las para usá-las em conjunto com medidas feitas no sistema internacional.

Nem todas as grandezas, porém, precisam estar associadas a uma unidade e você vai encontrar várias delas em Engenharia Química, são os chamados adimensionais, mas voltaremos a falar neles mais tarde. Por ora é importante se ter em mente que para se resolver um problema corretamente é imprescindível se manter uma coerência de unidades, ou seja, se você espera encontrar um volume como resultado você deve esperar obter um resultado em metros cúbicos, litros ou coisa que o valha, mas não em metros quadrados por segundo, por exemplo.

Unidades de Propriedades Físicas Comuns

Todo sistema de unidades tem uma vasta lista de unidades derivadas que são, como o nome sugere, derivadas das unidades de base. Essas novas unidades são baseadas na definição de novas grandezas que envolvem uma combinação particular das unidades de base. Abaixo segue uma pequena lista de algumas propriedades físicas comuns.

Grandeza	Unidade SI longa	Unidade SI	Abreviação	Equivalências
Força	${\frac {kg*m}{s^{2}}}$	newton	N	Massa * Aceleração
Energia	${\frac {kg*m^{2}}{s^{2}}}$	joule	J	$Nm$ , $Pam^{3}$
Potência	${\frac {kg*m^{2}}{s^{3}}}$	watt	W	${\frac {N*m}{s}}$ or ${\frac {J}{s}}$
Pressão	${\frac {kg}{m*s^{2}}}$	pascal	Pa	${\frac {N}{m^{2}}}$

Note que os nomes das unidades vindas de nomes pessoas não começam com letra maiúscula, mas a abreviação sim. Os prefixos apresentados anteriormente são usados normalmente com as unidades derivadas.

Unidades permitidas no SI

Algumas unidades não são simplesmente derivadas simples das unidades básicas ou são apenas múltiplos das mesmas, mas no uso comum são permitidas pelo SI. Assim, embora períodos de tempo mais longos possam ser expressos em kilossegundos e megassegundos, é mais usual usar minutos, horas, dias e anos por exemplo. O termo 'litro' também é comum e corresponde a 1 dm³ e o termo tonelada é usado para representar a massa de 1 000 kg. O bar é uma unidade de pressão equivalente a 100 kPa, que é muito próximo da "atmosfera padrão" (que vale 101,325 kPa); outra unidade de pressão comum é a atmosfera, onde 1 atm vale uma atmosfera padrão, mas o uso dessa unidade é desencorajado atualmente. A escala Celsius de temperatura é entendida como o número de kelvins acima de 273,15 K (ponto de congelamento da água à atmosfera padrão). Assim podemos escrever que "o reator químico tem uma taxa de transferência (ou throughput) de 4,3 toneladas por dia a 5 bar e 200 °C" e ser entendidos, entretanto é importante prestar atenção nas conversões necessárias para se realizar cálculos levando essas unidades em conta usando constantes e medidas que não estão escritas em função delas.

Sistema CGS (cm-g-s)

Esse foi o primeiro sistema métrico e em vez de usar o metro e o quilograma como unidades básicas de comprimento e massa, respectivamente, usava o centímetro e o grama. Hoje em dia, porém, esse sistema está praticamente em desuso e raramente será encontrado em Engenharia Química a não ser por livros antigos nos quais essas unidades e suas derivadas possam figurar. Nesse sistema a unidade de força era o dina, equivalente a ${1*10^{-5}}$ N e a de energia o erg, equivalente a ${1*10^{-7}}$ J. A unidade de viscosidade poise (P) é uma herança desse sitema que persiste até os dias de hoje.

Note que os químicos freqüentemente trabalham com unidades como gramas e centímetros, pois esses submúltiplos são mais convenientes para a escala de laboratório. Entertanto isso não quer dizer que eles trabalham no sistema CGS pois as unidades derivadas que eles utilizam ainda são submúltiplos das unidades SI.