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Fenômeno dos Transportes I

Prof. Daniel Lucas

1° Semestre 2017

FENÔMENOS DOS TRANSPORTES

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Conteúdo ProgramáticoEmenta do Curso:

Mecânica dos Fluidos:

• Definições e Propriedades Físicas dos Fluidos;• Estudo da viscosidade – Lei de Newton para viscosidade;• Pressão e Estática dos Fluidos;• Teorema de Stevin e Lei de Pascal;• Princípio de Archimedes e suas aplicações;• Fundamentos da cinemática dos fluidos;• Equações gerais da cinemática dos fluidos;• Dinâmica dos fluidos: conceitos gerais, equação da continuidade, de

Bernoulli, da quantidade de movimento;• Estudos de modelos de escoamento em condutos;• Noções de perdas de carga;


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• Bibliografia:

1) BRUNETTI, FRANCO. Mecânica dos Fluidos. 2ª Edição - PearsonEditora 2008.

2) ÇENGEL, YUNUS A.; CIMBALA, JOHN M. Mecânica dos Fluidos –Fundamentos e Aplicações. 3° Edição – McGraw Hill Editora 2015

3) FOX, ROBERT W.; PRITCHARD, PHILIP J. Introdução a Mecânica dos Fluidos – 7° Edição – LTC Editora 2009.

4) Roma, Woodrow Nelson. Fenômenos de Transportes para Engenharia – 2ª Edição - Rima Editora 2006.


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• Critério de Avaliação:

A avaliação será composta de duas provas e listas de exercícios. O valor final da média será:

=0,8 +0,2

MF – Média FinalMP – Média das ProvasME – Média dos Exercícios.


Introdução:

O estudo de fenômenos de transporte tem aplicações muitoimportantes na engenharia, pois permite conhecer assuntosdiversos, como o transporte de fluidos ao longo de canalizaçõesou a quantificação da dissipação de calor de motores, dando aoestudante uma ferramenta importante para a otimização dosprocessos de fabricação e produção.

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Fenômenos de Transferência

Os fenômenos de transferência, tratam da movimentação de uma grandeza física de um ponto para outro do espaço e dão corpo à disciplina de fenômenos do transporte. São eles:

• Transporte de quantidade de movimento;• Transporte de energia térmica;• Transporte de massa.

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Civil e Arquitetura: constitui a base do estudo de hidráulica ehidrologia e tem aplicações no conforto térmico em edificações;

Ambiental: no estudo da difusão de poluentes no ar e no solo;

Elétrica e Eletrônica: no calculo de dissipação de potencia,seja nas máquinas produtoras ou transformadoras de energiaelétrica, seja na otimização de gasto de energia noscomputadores e dispositivos de comunicação.

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Os Fenômenos de transporte na Engenharia

Química: Constituem a base das operações unitárias(homogenização, aquecimento, resfriamento, etc), que por suavez constituem a base da Engenharia Química.

Eng. de Produção: na otimização dos processos produtivos ede transporte de fluidos e nos estudos de ciclo de vida dosprodutos industrializados.

Mecânica: nos processos de usinagem, tratamento térmico, nocalculo de máquinas hidráulicas, máquinas térmicas e frigorificasalém de fundamental no desenvolvimento da aerodinâmica decarros e aviões.

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Sendo assim, podemos definir “fluido” como uma substanciaque se deforma continuamente, isto é, escoa, sob ação deuma força tangencial, por menor que ela seja.

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Outra definição mais simples é: “Substancia que adquire aforma do recipiente que a contem”.

“Fluido” também pode ser definido como é uma substância que,quando submetida a uma força tangencial constante, se deformacontinuamente.

O QUE É UM FLUIDO?

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- IMPORTANTE:

O fluido permanecerá em deformação e em movimentoenquanto estiver sob ação da força tangencial.

Ao cessar essa ação, o fluido conseguirá novamente atingir umasituação de equilíbrio estático.

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• O que é Mecânica dos Fluidos?

“É a ciência que estuda o comportamento físico dos fluidos, bemcomo as leis que regem esse comportamento.”

Sua fundamentação faz parte da solução de diversos problemas deengenharia em máquinas hidráulicas, aplicações pneumáticas ehidráulicas industriais, escoamento de líquidos e gases, indústriaquímica e de processamento, sistemas de ventilação, etc.


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• AplicaçõesDentre as principais aplicações práticas de Mecânica dos Fluidos,destacam-se:

BARRAGENS(Esforços aplicados porlíquidos em superfíciessubmersas)


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EMBARCAÇÕES(Equilíbrio de Corpos Flutuantes /Princípio de Archimedes)

AÇÃO DOS VENTOS(Pressão / Esforços sobreSuperfícies)


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OLEODUTOS(Viscosidade / Dinâmicados Fluidos)


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AERODINÂMICA


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MECÂNICA DOS FLUIDOS

Tipos de Escoamentos – Escoamento Viscoso versusnão Viscoso

Quando duas camadas de fluido movem-se uma em relação àoutra, desenvolve-se uma força de atrito entre elas e a camadamais lenta tenta reduzir a velocidade da camada mais rápida. Talresistência interna ao escoamento é quantificada pelapropriedade de viscosidade do fluido, uma medida de aderênciainterna do fluido. A viscosidade é causada por forças coesivasentre as moléculas de um líquido e por colisão molecularesentre os gases. Não existe fluido com viscosidade nula, todofluido envolve efeitos viscosos de algum grau.

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FENÔMENOS DOS TRANSPORTES I

O escoamento dos fluidos é classificado como interno ou externo,dependendo do fato de o fluido ser forçado a escoar num canal confinadoou sobre uma superfície. O escoamento de água num cano, por exemplo,é um escoamento interno e o escoamento de ar sobre uma bola ou sobrea superfície de um veiculo exposto durante uma ventania é umescoamento externo.

Escoamento Interno versus Externo

Escoamento interno Escoamento externo

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FENÔMENOS DOS TRANSPORTES I

Alguns Escoamentos são suaves e ordenados enquanto outros são umtanto caóticos. O movimento altamente ordenado dos fluidoscaracterizado por camadas suaves do fluido é denominado laminar. Apalavra laminar vem do movimento do fluido agrupado em “lâminas”. Omovimento altamente desordenado dos fluidos que ocorre emvelocidades altas e é caracterizado por flutuações de velocidade échamado de turbulento. Um escoamento que se alterna entre laminar eturbulento é chamado de transitório.

Escoamento Laminar versus Turbulento


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Escoamento Natural versus Forçado

O escoamento de um fluido é dito natural ou forçado, dependendo decomo o movimento do fluido foi iniciado. No escoamento forçado, ofluido é obrigado a fluir sobre uma superfície ou num tubo por meiosexternos como bomba ou ventoinha.

No escoamento natural, qualquer movimento do fluido é devido a meiosnaturais quase sempre gerado por convecção.


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CAMADA LIMITEUm fluido em contato direto com um sólido com uma superfície nãoporosa (impermeável) “gruda” na superfície devido aos efeitosviscosos e não há escorregamento. Tal fato é conhecido comocondição de não-escorregamento responsável pelo desenvolvimentodo perfil da velocidade variando de acordo com a viscosidade dofluido.


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A camada que “gruda” sobre a superfície desacelera a camada defluido adjacente devido ás forças viscosas entre as camadas dofluido. A região de escoamento adjacente à parede na qual os efeitosviscosos são significativos é chamada de camada limite.


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FLUIDOS COMPRESSÍVEIS x FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS

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líquido

F só para valores elevadíssimos causariamínima variação do volume líquido

Vf = Vi = constante

Diz-se então que os líquidos são fluidosincompressíveis.

Mesmo para valores pequenos de F hádeformação do gás (varia o volume)

Vf < Vi

Os gases então são considerados fluidoscompressíveis.

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FENÔMENOS DOS TRANSPORTES II

Tipos de Transmissão de Energia (Calor)

- Convecção: Troca de calor entre fluidos. As partículas do fluido contendomaior energia interna são movimentadas através da diferença de temperatura.

- Condução: Troca de calor entre corpos colocados em contato. Tendência do calor mover-se no sentido da menor temperatura.

- Radiação: Troca de calor na forma de ondas eletromagnéticas. Enquanto a convecção e condução requer a presença de um meio material, a radiação não necessita dele, ocorrendo com mais eficiência do vácuo.

Os fluidos trocam calor das seguintes formas:


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PRESSÃO

Pressão é definida como a força normal exercida por um fluido porunidade de área. Só falamos de pressão quando lidamos com gás oulíquido. O equivalente da pressão nos sólidos é a tensão normal.

É possível determinar a pressão através de alguns instrumentos,entre eles o manômetro, o barômetro, o piezômetro e o vacuômetro.

Segundo o Sistema Internacional, a pressão é medida na unidadeN/m² (Newton por metro quadrado), unidade igualmente conhecidacomo pascal. Existem outras unidades como bar, PSI (equivale a0,07 bar), mmHg, milibar, atm.


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PRESSÃO ATMOSFÉRICA

Também chamada de Pressão Barométrica, é a pressão exercida pelaatmosfera terrestre, depende principalmente da altitude do local. Ao níveldo mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.

PRESSÃO ABSOLUTAÉ a pressão medida em relação ao vácuo absoluto. O vácuo absoluto sempre tem a pressão igual a zero. A pressão absoluta independe da pressão atmosférica do local onde ela é medida


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PRESSÃO ESTÁTICA

É a pressão medida na parede interna da tubulação por onde passa o fluido. Ela é chamada de estática porque o fluido está em repouso ou sua velocidade é muito baixa.

PRESSÃO RELATIVATambém chamada de manométrica, é a pressão medida em relação àpressão atmosférica, ou seja, é aquela que se adota como zero apressão atmosférica local. Pode ser obtida da seguinte forma:


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PRESSÃO DE NEGATIVA OU “VÁCUO”

Se a pressão é menor que a atmosférica, costuma ser chamadaimprópriamente de “vácuo” e mais corretamente de pressão negativa oudepressão.

As pressões absoluta, manométrica e de “vácuo” são todas quantidadespositivas.

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A escala de pressão é importante porque todos os aparelhos demedida de pressão (manômetros) registram zero quando abertos áatmosfera, medindo, portanto, a diferença entre a pressão do fluido ea do meio em que se encontram.

As unidades de pressão podem ser divididas em:

1) Unidades de pressão baseadas na definição ( ), onde temos:; ; = ; = ; = .

A relação entre as unidades de medida temos:

Escalas de Pressão

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2) Unidades definidas. Entre elas, destaca-se a unidade atmosférica(atm), que por definição, é a pressão que poderia elevar de 760 mmuma coluna de mercúrio. Logo:

Lembrando que a pressão atmosférica é medida pelo barômetro e acoluna h formada é devida a pressão atmosférica e tem-se:

O líquido utilizado é, geralmente o mercúrio, já que seu pesoespecifico é suficientemente elevado de maneira a formar umpequeno h. Como a pressão atmosférica padrão é muito utilizadatemos:


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TENSÃO DE CISALHAMENTO

Na estática a tensão é definida como força por unidade de área. Acomponente normal da força que atua sobre a superfície é chamadade tensão normal, a componente tangencial da força que atua sobreuma superfície por unidade de área é chamada de tensão decisalhamento.


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1) O que é um fluido? Como o fluido se difere de um sólido? Como o gásse difere de um líquido?

2) O que são fluidos compressíveis e incompressíveis?

3) O que é a condição de não escorregamento? Qual é a sua causa?

4) Considere o escoamento de ar sobre as asas de um avião. Esteescoamento é interno ou externo? E o escoamento de gases atravésde um motor a jato?

5) Qual a diferença de pressão manométrica e pressão absoluta?

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