Fenômeno dos Transportes I

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1 Fenômeno dos Transportes I Prof. Daniel Lucas 1 Semestre

2 Ementa do Curso: Mecânica dos Fluidos: Conteúdo Programático 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; 2

3 Bibliografia: 1) BRUNETTI, FRANCO. Mecânica dos Fluidos. 2ª Edição - Pearson Editora ) ÇENGEL, YUNUS A.; CIMBALA, JOHN M. Mecânica dos Fluidos Fundamentos e Aplicações. 3 Edição McGraw Hill Editora ) FOX, ROBERT W.; PRITCHARD, PHILIP J. Introdução a Mecânica dos Fluidos 7 Edição LTC Editora ) Roma, Woodrow Nelson. Fenômenos de Transportes para Engenharia 2ª Edição - Rima Editora

4 Critério de Avaliação: A avaliação será composta de duas provas e listas de exercícios. O valor final da média será: MF Média Final MP Média das Provas ME Média dos Exercícios. =0,8 +0,2 4

5 Introdução: O estudo de fenômenos de transporte tem aplicações muito importantes na engenharia, pois permite conhecer assuntos diversos, como o transporte de fluidos ao longo de canalizações ou a quantificação da dissipação de calor de motores, dando ao estudante uma ferramenta importante para a otimização dos processos de fabricação e produção. 5

6 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. 6

7 Os Fenômenos de transporte na Engenharia Civil e Arquitetura: constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia 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 energia elétrica, seja na otimização de gasto de energia nos computadores e dispositivos de comunicação. 7

8 Química: Constituem a base das operações unitárias (homogenização, aquecimento, resfriamento, etc), que por sua vez constituem a base da Engenharia Química. Eng. de Produção: na otimização dos processos produtivos e de transporte de fluidos e nos estudos de ciclo de vida dos produtos industrializados. Mecânica: nos processos de usinagem, tratamento térmico, no calculo de máquinas hidráulicas, máquinas térmicas e frigorificas além de fundamental no desenvolvimento da aerodinâmica de carros e aviões. 8

9 O QUE É UM FLUIDO? Sendo assim, podemos definir fluido como uma substancia que se deforma continuamente, isto é, escoa, sob ação de uma força tangencial, por menor que ela seja. Fluido também pode ser definido como é uma substância que, quando submetida a uma força tangencial constante, se deforma continuamente. Outra definição mais simples é: Substancia que adquire a forma do recipiente que a contem. 9

10 - IMPORTANTE: O fluido permanecerá em deformação e em movimento enquanto estiver sob ação da força tangencial. Ao cessar essa ação, o fluido conseguirá novamente atingir uma situação de equilíbrio estático. 10

11 O que é Mecânica dos Fluidos? É a ciência que estuda o comportamento físico dos fluidos, bem como as leis que regem esse comportamento. Sua fundamentação faz parte da solução de diversos problemas de engenharia em máquinas hidráulicas, aplicações pneumáticas e hidráulicas industriais, escoamento de líquidos e gases, indústria química e de processamento, sistemas de ventilação, etc. 11

12 Aplicações Dentre as principais aplicações práticas de Mecânica dos Fluidos, destacam-se: BARRAGENS (Esforços aplicados por líquidos em superfícies submersas) 12

13 EMBARCAÇÕES (Equilíbrio de Corpos Flutuantes / Princípio de Archimedes) AÇÃO DOS VENTOS (Pressão / Esforços sobre Superfícies) 13

14 OLEODUTOS (Viscosidade / Dinâmica dos Fluidos) 14

15 AERODINÂMICA 15

16 MECÂNICA DOS FLUIDOS Tipos de Escoamentos Escoamento Viscoso versus não Viscoso Quando duas camadas de fluido movem-se uma em relação à outra, desenvolve-se uma força de atrito entre elas e a camada mais lenta tenta reduzir a velocidade da camada mais rápida. Tal resistência interna ao escoamento é quantificada pela propriedade de viscosidade do fluido, uma medida de aderência interna do fluido. A viscosidade é causada por forças coesivas entre as moléculas de um líquido e por colisão moleculares entre os gases. Não existe fluido com viscosidade nula, todo fluido envolve efeitos viscosos de algum grau. 16

17 I Escoamento Interno versus Externo O escoamento dos fluidos é classificado como interno ou externo, dependendo do fato de o fluido ser forçado a escoar num canal confinado ou sobre uma superfície. O escoamento de água num cano, por exemplo, é um escoamento interno e o escoamento de ar sobre uma bola ou sobre a superfície de um veiculo exposto durante uma ventania é um escoamento externo. Escoamento interno Escoamento externo 17

18 I Escoamento Laminar versus Turbulento Alguns Escoamentos são suaves e ordenados enquanto outros são um tanto caóticos. O movimento altamente ordenado dos fluidos caracterizado por camadas suaves do fluido é denominado laminar. A palavra laminar vem do movimento do fluido agrupado em lâminas. O movimento altamente desordenado dos fluidos que ocorre em velocidades altas e é caracterizado por flutuações de velocidade é chamado de turbulento. Um escoamento que se alterna entre laminar e turbulento é chamado de transitório. 18

19 Escoamento Natural versus Forçado O escoamento de um fluido é dito natural ou forçado, dependendo de como o movimento do fluido foi iniciado. No escoamento forçado, o fluido é obrigado a fluir sobre uma superfície ou num tubo por meios externos como bomba ou ventoinha. No escoamento natural, qualquer movimento do fluido é devido a meios naturais quase sempre gerado por convecção. 19

20 CAMADA LIMITE Um fluido em contato direto com um sólido com uma superfície não porosa (impermeável) gruda na superfície devido aos efeitos viscosos e não há escorregamento. Tal fato é conhecido como condição de não-escorregamento responsável pelo desenvolvimento do perfil da velocidade variando de acordo com a viscosidade do fluido. 20

21 A camada que gruda sobre a superfície desacelera a camada de fluido adjacente devido ás forças viscosas entre as camadas do fluido. A região de escoamento adjacente à parede na qual os efeitos viscosos são significativos é chamada de camada limite. 21

22 FLUIDOS COMPRESSÍVEIS x FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS F só para valores elevadíssimos causaria mínima variação do volume líquido V f = V i = constante líquido Diz-se então que os líquidos são fluidos incompressíveis. Mesmo para valores pequenos de F há deformação do gás (varia o volume) V f < V i Os gases então são considerados fluidos compressíveis. 22

23 II Tipos de Transmissão de Energia (Calor) Os fluidos trocam calor das seguintes formas: - Convecção: Troca de calor entre fluidos. As partículas do fluido contendo maior 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. 23

24 PRESSÃO Pressão é definida como a força normal exercida por um fluido por unidade de área. Só falamos de pressão quando lidamos com gás ou líquido. 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 unidade N/m² (Newton por metro quadrado), unidade igualmente conhecida como pascal. Existem outras unidades como bar, PSI (equivale a 0,07 bar), mmhg, milibar, atm. 24

25 PRESSÃO ABSOLUTA É 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 PRESSÃO ATMOSFÉRICA Também chamada de Pressão Barométrica, é a pressão exercida pela atmosfera terrestre, depende principalmente da altitude do local. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmhg. 25

26 PRESSÃO RELATIVA Também chamada de manométrica, é a pressão medida em relação à pressão atmosférica, ou seja, é aquela que se adota como zero a pressão atmosférica local. Pode ser obtida da seguinte forma: 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. 26

27 PRESSÃO DE NEGATIVA OU VÁCUO Se a pressão é menor que a atmosférica, costuma ser chamada imprópriamente de vácuo e mais corretamente de pressão negativa ou depressão. As pressões absoluta, manométrica e de vácuo são todas quantidades positivas. 27

28 II A escala de pressão é importante porque todos os aparelhos de medida de pressão (manômetros) registram zero quando abertos á atmosfera, medindo, portanto, a diferença entre a pressão do fluido e a 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 28

29 II 2) Unidades definidas. Entre elas, destaca-se a unidade atmosférica (atm), que por definição, é a pressão que poderia elevar de 760 mm uma coluna de mercúrio. Logo: Lembrando que a pressão atmosférica é medida pelo barômetro e a coluna h formada é devida a pressão atmosférica e tem-se: O líquido utilizado é, geralmente o mercúrio, já que seu peso especifico é suficientemente elevado de maneira a formar um pequeno h. Como a pressão atmosférica padrão é muito utilizada temos: 29

30 TENSÃO DE CISALHAMENTO Na estática a tensão é definida como força por unidade de área. A componente normal da força que atua sobre a superfície é chamada de tensão normal, a componente tangencial da força que atua sobre uma superfície por unidade de área é chamada de tensão de cisalhamento. 30

31 1) O que é um fluido? Como o fluido se difere de um sólido? Como o gás se 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. Este escoamento é interno ou externo? E o escoamento de gases através de um motor a jato? 5) Qual a diferença de pressão manométrica e pressão absoluta? 31