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INTRODUÇÃO AOS FENÔMENOS DE TRANSPORTE DE FLUIDO
FENÔMENO DE TRANSPORTE
Esta disciplina trata do meio mais eficiente de transmitir o conhecimento
das áreas de transferência de massa, energia térmica e quantidade de
movimento.
MECÂNICA DOS FLUIDOS
Propriedades Básicas dos Fluidos
Mecânica: Ciência que estuda o equilíbrio e o movimento de corpos
sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este
movimento;
líquidos
Fluidos: {
Gases
Em se tratando somente dos líquidos e gases que são denominados fluidos,
recai-se no ramo da mecânica conhecido como mecânica dos fluidos.
A mecânica dos fluidos é a ciência que trata do comportamento destes
fluidos em repouso e em movimento.
Exemplos de aplicações:
Este amplo campo tem chegado a incluir muitas áreas extremamente
especializadas como:
O estudo do comportamento de um furacão;
O fluxo de água através de um canal;
As ondas de pressão produzidas na explosão de uma bomba;
As características aerodinâmicas de um avião supersônico;
O conhecimento e entendimento dos princípios e conceitos básicos da
mecânica dos fluidos são essenciais na análise e projeto de qualquer
sistema no qual um fluido é o meio atuante.
O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios
de Mecânica dos Fluidos. Exemplos:
as asas de aviões
aerobarcos
pistas inclinadas e verticais para decolagem
cascos de barcos e navios
projetos de submarinos e automóveis
Outros exemplos de utilização dos princípios básicos da mecânica dos
fluidos:
projeto de carros e barcos de corrida (aerodinâmica)
sistemas de propulsão para vôos espaciais
sistemas de propulsão para fogos de artifício
projeto de todos os tipos de máquinas de fluxo incluindo bombas,
separadores, compressores e turbinas
lubrificação
sistemas de aquecimento e refrigeração para residências particulares e
grandes edifícios comerciais
Na saúde:
o sistema de circulação do sangue no corpo humano é essencialmente um
sistema de transporte de fluido e como conseqüência o projeto de
corações e pulmões artificiais são baseados nos princípios da Mecânica
dos Fluidos
Na recreação:
O posicionamento da vela de um barco para obter maior rendimento com o
vento e a forma e superfície da bola de golfe para um melhor
desempenho são ditados pelos mesmos princípios.
O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma em 7 de novembro de 1940,
aproximadamente às 11:00h da manhã, evidencia as possíveis conseqüências
que ocorrem, quando os princípios básicos da Mecânica dos Fluidos são
negligenciados;
A ponte suspensa apenas 4 meses depois de ter sido aberta ao tráfego, foi
destruída durante um vendaval;
Com extensão total de 1530m inicialmente, sob a ação do vento que soprava
a 68 km/h, o vão central de 850 m pôs-se a vibrar no sentido vertical,
passando depois a vibrar torcionalmente, com as torções ocorrendo em
sentido oposto nas duas metades do vão. Uma hora depois, o vão central se
despedaçava.
Esta lista de exemplos é extremamente extensa, porém não é de interesse
puramente acadêmico, mas sim uma ciência de enorme importância para as
experiências do dia a dia e para a tecnologia. Iremos estudar apenas uma
pequena parcela desta ciência. Veremos leis básicas e conceitos físicos
associados que serão um ponto de partida para a análise de qualquer
problema de mecânica dos fluidos.
ACENO HISTÓRICO
Até o início do século o estudo dos fluidos foi efetuado
essencialmente por dois grupos – Hidráulicos e Matemáticos;
Os Hidráulicos trabalhavam de forma empírica, enquanto os Matemáticos
se concentravam na forma analítica;
Posteriormente tornou-se claro para pesquisadores eminentes que o
estudo dos fluidos deve consistir em uma combinação da teoria e da
experiência;
IMPORTÂNCIA
Nos problemas mais importantes, tais como:
Produção de energia
Produção e conservação de alimentos
Obtenção de água potável
Poluição
Processamento de minérios
Desenvolvimento industrial
Aplicações da Engenharia à Medicina
Sempre aparecem cálculos de:
Perda de carga
Forças de arraste
Trocas de calor
Troca de substâncias entre fases
Desta forma, torna-se importante o conhecimento global das leis tratadas no
que se denomina Fenômenos de Transporte.
OS FENÔMENOS DE TRANSPORTE NA ENGENHARIA
As aplicações de Fenômenos de transportes na Engenharia são inúmeras,
principalmente por formarem um dos pilares básicos em todos os ramos dela.
Podemos citar:
Engenharia Civil e Arquitetura
Constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia e tem aplicações no
conforto térmico em edificações
Engenharias Sanitária e Ambiental
Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo
Engenharia Mecânica
Processos de usinagem, processos de tratamento térmico, cálculo de máquinas
hidráulicas, transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas e
Engenharia aeronáutica
Engenharia Elétrica e Eletrônica
Importante nos cálculos de dissipação de potência, seja nas máquinas
produtoras ou transformadoras de energia elétrica, seja na otimização do
gasto de energia nos computadores e dispositivos de comunicação;
Engenharia de Produção
Importante na otimização de processos produtivos e de transporte de
fluídos, por intermédio do conhecimento dos fenômenos de troca de calor e
da movimentação de fluidos ao longo de tubulações. Importantes também para
aplicações nos estudos de ciclo de vida dos produtos industrializados;
Alem destas, é também de grande importância na Engenharia Química.
QUAIS AS DIFERENÇAS FUNDAMENTAIS ENTRE FLUIDO E SÓLIDO?
Fluido é mole e deformável
Sólido é duro e muito pouco deformável
PASSANDO PARA UMA LINGUAGEM CIENTÍFICA:
A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a
estrutura molecular:
Sólido: as moléculas sofrem forte força de atração (estão muito
próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tem
um formato próprio;
Fluido: apresenta as moléculas com um certo grau de liberdade de
movimento (força de atração pequena) e não apresentam um formato
próprio.
FLUIDOS
Líquidos:
- Assumem a forma dos recipientes que os contém;
- Apresentam um volume próprio (constante);
- Podem apresentar uma superfície livre;
Gases e vapores:
- apresentam forças de atração intermoleculares desprezíveis;
- não apresentam nem um formato próprio e nem um volume próprio;
- ocupam todo o volume do recipiente que os contém.
TEORIA CINÉTICA MOLECULAR
"Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados
físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se
encontrarem"
ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA
SÓLIDO – madeira, pedra, gelo
LÍQUIDO – água, leite, gasolina e mel
GASOSO – hidrogênio, oxigênio e gás carbônico
O diagrama mostra as mudanças de estado com os nomes particulares que cada
uma delas recebe.
Dois fatores são importantes nas mudanças de estado: Temperatura e Pressão
De um modo geral, cada substância apresenta um ponto de fusão (ou
solidificação) e um ponto de ebulição (ou condensação) específico.
FLUIDOS
De uma maneira geral, o fluido é caracterizado pela relativa mobilidade de
suas moléculas que, além de apresentarem os movimentos de rotação e
vibração, possuem movimento de translação e portanto não apresentam uma
posição média fixa no corpo do fluido.
FLUIDOS X SÓLIDOS
A principal distinção entre sólido e fluido, é pelo comportamento que
apresentam em face às forças externas.
Por exemplo, se uma força de compressão fosse usada para distinguir um
sólido de um fluido, este último seria inicialmente comprimido, e a partir
de um certo ponto ele se comportaria exatamente como se fosse um sólido,
isto é, seria incompressível.
FATORES IMPORTANTES NA DIFERENCIAÇÃO ENTRE SÓLIDO E FLUIDO
O fluido não resiste a esforços tangenciais por menores que estes sejam, o
que implica que se deformam continuamente.
Já os sólidos, ao serem solicitados por esforços, podem resistir, deformar-
se e ou até mesmo cisalhar.
FLUIDOS X SÓLIDOS
Os sólidos resistem às forças de cisalhamento até o seu limite elástico ser
alcançado (este valor é denominado tensão crítica de cisalhamento), a
partir da qual experimentam uma deformação irreversível, enquanto que os
fluidos são imediatamente deformados irreversivelmente, mesmo para pequenos
valores da tensão de cisalhamento.
FLUIDOS: OUTRA DEFINIÇÃO
Um fluido pode ser definido como uma substância que muda continuamente de
forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena.
PROPRIEDADES DOS FLUIDOS
Massa específica - (
- É a razão entre a massa do fluido e o volume que contém essa massa (pode
ser denominada de densidade absoluta)
Sistema SI............................Kg/m3
MASSAS ESPECÍFICAS DE ALGUNS FLUIDOS
"Fluido "( (Kg/m3) "
"Água destilada a 4 oC "1000 "
"Água do mar a 15 oC "1022 a 1030 "
"Ar atmosférico à pressão atmosférica e 0 oC "1,29 "
"Ar atmosférico à pressão atmosférica e 15,6 oC "1,22 "
"Mercúrio "13590 a 13650 "
"Petróleo "880 "
Peso específico - (
- É a razão entre o peso de um dado fluido e o volume que o contém;
- O peso específico de uma substância é o seu peso por unidade de volume;
Sistema SI............................N/m3
Relação entre peso específico e massa específica
Volume Específico - Vs
Vs= 1/( =V/m
- É definido como o volume ocupado pela unidade de massa de uma substância,
ou seja, é o inverso da massa específica
Sistema SI............................m3/Kg
Densidade Relativa - δ (ou Densidade)
É a relação entre a massa específica de uma substância e a de outra tomada
como referência
Densidade Relativa - δ (ou Densidade)
Para os líquidos a referência adotada é a água a 4°C
Sistema SI.....................ρ0 = 1000kg/m3
Densidade Relativa - δ (ou Densidade)
Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0oC
Sistema SI................. ρ0 = 1,29 kg/m3
Pressão – P
P= F/A
É a razão entre a intensidade da força resultante e a área da superfície
que ela está inserida.
Sistema SI....................... kgf/cm2
-----------------------
F
