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

F

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 - r

- 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 r (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 - g

- 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/r =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