8/8/2019 UNIFEB Fenômenos de Transporte Mecânica dos Fluidos – Aula 1 Introdução Propriedades Básicas dos Fluidos Prof. Antonio Batista de Oliveira Jr Introdução Introdução Mecânica: Ciência que estuda o equilíbrio e o movimento de corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este movimento; Em se tratando somente de líquidos e gases, que são denominados fluidos, recai-se no ramo da mecânica conhecido como Mecânica dos Fluidos. Por que estudar Mecânica dos Fluidos? Mecânica dos Fluidos: Ciência que trata do comportamento dos fluidos em repouso e em movimento. Estuda o transporte de quantidade de movimento nos fluidos. O conhecimento e entendimento dos Exemplos de aplicações: Mecânica dos Fluidos são essenciais na 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; princípios e conceitos básicos da análise e projeto de qualquer sistema no qual um fluido é o meio atuante. 1 8/8/2019 Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios de Mecânica dos Fluidos. Exemplos: as asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos máquinas de grande efeito aerobarcos pistas inclinadas e verticais para decolagem cascos de barcos e navios projetos de submarinos e automóveis Por que estudar Mecânica dos Fluidos? Por que estudar 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; Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma (1940) 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; Inicialmente, sob a ação do vento, o vão central pôsse 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. 2 8/8/2019 Por que estudar Mecânica dos Fluidos? 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; 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. Importância 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: Aceno Histórico Produção de energia Produção e conservação de alimentos Obtenção de água potável Poluição Processamento de minérios Desenvolvimento industrial Aplicações da Engenharia à Medicina Desta forma, torna-se importante o conhecimento global das leis tratadas no que se denomina Fenômenos de Transporte. Sempre aparecem cálculos de: Perda de carga Forças de arraste Trocas de calor Troca de substâncias entre fases 3 8/8/2019 Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharia Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharias Civil e Arquitetura Sanitária e Ambiental Constitui a base do estudo de hidráulica e Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e hidrologia e tem aplicações no conforto térmico no solo; Engenharias em edificações Alimento e Química Estudos de transferência de calor e massa em processos de fabricação de alimentos e destilarias. Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharia Mecânica Processos de tratamento térmico, hidráulicas, Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharia usinagem, processos cálculo transferência de de Elétrica e Eletrônica de Importante nos cálculos de dissipação de máquinas potência, seja nas máquinas produtoras ou calor das transformadoras de energia elétrica, seja na máquinas térmicas e frigoríficas e Engenharia otimização aeronáutica computadores e dispositivos de comunicação; do gasto de energia nos 4 8/8/2019 Quais as diferenças fundamentais entre fluido e sólido? Passando para uma linguagem científica: A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular: Fluido é mole e deformável Sólido é duro e muito pouco deformável Fluidos:Líquidos e Gases Líquidos: - Assumem a forma dos recipientes que os contém; - Apresentam um volume próprio (constante); - Podem apresentar uma superfície livre; 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 e Gases 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. 5 8/8/2019 Teoria Cinética Molecular Estados Físicos da Matéria “Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem” Fluidos Fluidos x Sólidos 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. 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. 6 8/8/2019 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. F Fatores importantes na diferenciação entre sólido e fluido Já os sólidos, ao serem solicitados por esforços, podem resistir, deformar-se e ou até mesmo cisalhar. Fluidos x Sólidos Fluidos: outra definição 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. Um fluido pode ser definido como uma substância que muda continuamente de forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena. 7 8/8/2019 Massas específicas de alguns fluidos Propriedades dos fluidos Massa específica - ρ ρ (Kg/m3) Fluido massa m ρ= = volume V - 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 Água destilada a 4 Peso específico - γ γ= 1022 a 1030 Ar atmosférico à pressão atmosférica e 0 oC Ar atmosférico à pressão atmosférica e 15,6 oC Mercúrio Petróleo 1,29 1,22 13590 a 13650 880 Propriedades dos fluidos Relação entre peso específico e massa específica W peso G = volume V - 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 1000 Água do mar a 15 oC Propriedades dos fluidos oC γ= G W V = m×g = ρ× g V 8 8/8/2019 Propriedades dos fluidos Volume Específico - Vs Vs= 1/ρ =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 Propriedades dos fluidos Densidade Relativa - δ (ou Densidade) Para os líquidos a referência adotada é a água a 4oC Sistema SI.....................ρ0 = 1000kg/m3 Propriedades dos fluidos Densidade Relativa - δ (ou Densidade) δ=ρ ρo É a relação entre a massa específica de uma substância e a de outra tomada como referência Propriedades dos fluidos Densidade Relativa - δ (ou Densidade) Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0oC Sistema SI................. ρ0 = 1,29 kg/m3 9
