AULA PRÁTICA 2 PROPRIEDADES FUNDAMENTAIS DOS FLUIDOS

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1 ! AULA PRÁTICA 2 PROPRIEDADES FUNDAMENTAIS DOS FLUIDOS 1) - M A S S A E S P E C Í F I C A ( ρ ) OU DENSIDADE ABSOLUTA (ρ ). - É o quociente entre a Massa do fluido e o Volume que contém essa massa. m ρ = V onde: ρ = massa específica m = massa do fluido V = volume correspondente do fluido SISTEMA: Sist. Internacional ( S.I.). kg / m 3 Sist. Técnico UTM / m 3 ou kgf s 2 / m 4 Exemplos: a) massa específica da Água ( 4 C ) ρ = 1 g / cm 3 ( Sistema C.G.S. ) ρ = kg / m 3 ( Sistema Internacional S.I. ) ρ = 101,94 UTM / m 3 ou kgf s 2 / m 4 ( Sistema Técnico ) b) massa específica do Mercúrio (Hg) ρ = ,1 kg / m 3 ( Sistema Internacional S.I. ) ρ = 1.385,84 UTM / m 3 ou kgf s 2 / m 4 (Sistema Técnico ) 1

2 2) - P E S O E S P E C Í F I C O ( γ ) - É o quociente entre o PESO de um dado fluido e o VOLUME que o contém. W γ = V onde: γ = peso específico W = peso do fluido V = volume correspondente do fluido SISTEMA: Sist. Internacional ( S.I.). N / m 3 Sist. Técnico kgf / m 3 Exemplos: a) peso específico da Água ( 4 C ): γ = 9.806,65 N / m 3 ( Sistema Internacional S.I. ) γ = kgf / m 3 ( Sistema Técnico ) b) peso específico do Mercúrio ( Hg): γ = N / m 3 (Sistema Internacional SI) γ = ,1 kgf / m 3 ( Sistema Técnico ) OBSERVAÇÃO: W m. g γ = = V V m mas, ρ = V portanto, γ = ρ g 2

3 3) DENSIDADE RELATIVA OU D E N S I D A D E (δ): - É a relação entre a Massa específica ( ρ ) de uma substância e a Massa específica ( ρ1 ) de outra substância, tomada como referência: ρ δ = ρ1 onde: δ = Densidade (adimensional). ρ = Massa específica do fluido em estudo. ρ1 = Massa específica do fluido tomado como referência. - Adota-se a mesma unidade para ρ e ρ1 Portanto, δ é um número ( desprovido de unidade). - A referência adotada para os líquidos é a ÁGUA a 4 C: ρ1 = kg / m 3 ( Sistema Internacional S.I. ) ρ1 = 101,94 UTM / m 3 ou kgf s 2 / m 4 ( Sistema Técnico g= 9.81m/s 2 ) Substância: DENSIDADE (δ) : Álcool etílico 0,80 Petróleo 0,88 Óleo Díesel 0,82 a 0,96 ÁGUA (Destilada) 1,0 ÁGUA do Mar (Salgada) 1,02 a 1,03 Melado 1,40 a 1,50 Tetracloreto de Carbono 1,59 MERCÚRIO 13,6 3

4 4) V I S C O S I D A D E ( ATRITO INTERNO): - É a propriedade dos fluidos responsável pela resistência ao deslocamento (deformação). Exemplo: Óleo lubrificante escoa mais lentamente que a água ou álcool. IMPLICAÇÃO: - Em conseqüência da viscosidade, o escoamento de fluidos dentro das canalizações somente se verifica com PERDA de energia, perda essa designada por CARGA (Figura-1) PERDA DE COEFICIENTE DE VISCOSIDADE DINÂMICA ( µ ) SISTEMA: Sist. Internacional ( S.I.). N s/ m 2 ou kg / m s Sist. Técnico kgf s/ m 2 COEFICIENTE DE VISCOSIDADE CINEMÁTICO ( ν ) µ ν = ρ SISTEMA: Sist. Internacional ( S.I.). Sist. Técnico m 2 / s m 2 / s - A viscosidade é medida pelo equipamento denominado VISCOSÍMETRO. 5) C O E S Ã O: - É uma pequena força de atração entre as moléculas do próprio líquido (atração eletroquímica). - A formação da gota d água é devida à coesão (Figura-2). - Essa propriedade é que permite às moléculas fluídas resistirem a pequenos esforços de tensão. 4

5 6) A D E S Ã O: Quando um líquido está em contato com um sólido, a atração exercida pelas moléculas do sólido pode ser maior que a atração existente entre as moléculas do próprio líquido (coesão) (Figura-3). 7) T E N S Ã O S U P E R F I C I A L (σ s ) e C A P I L A R I D A D E: - Na superfície de contato entre dois fluidos não micíveis (fluidos que não se misturam, como por exemplo: água e ar), forma-se uma película elástica capaz de resistir a pequenos esforços (Figura-4). FIGURA - 4 Ilustração da Tensão Superficial. - A tensão superficial é a força de coesão necessária para formar a película. 5

6 DIMENSÃO: F / L sistema técnico: kgf/m S.I.: N / m Exemplo: a) Ar e água a 20 C: σ s = 0,0074 kgf/m b) Ar e Mercúrio σ s = 0,055 kgf/m - As propriedades de adesão, coesão e tensão superficial são responsáveis pelo fenômeno da CAPILARIDADE, que.é a elevação (ou depressão) de um líquido dentro de um tubo de pequeno diâmetro (Figura-5). - A elevação ou depressão em um tubo é dada por: 4 σ s cos α h = γ D onde: h = elevação ou depressão, σ s = coeficiente de tensão superficial, α = ângulo formado pela superfície líquida com a parede de tubo, γ = peso específico D = diâmetro do tubo - A elevação ou depressão capilar é inversamente proporcional ao diâmetro do tubo. - Por isto, quando se deseja medir cargas piezométricas (pressão) deve-se utilizar tubos de diâmetro superior a 1,0 cm para que sejam desprezíveis os efeitos de capilaridade. 8) C O M P R E S S I B I L I D A D E: - Para efeitos práticos, os líquidos são considerados INCOMPRESSÍVEIS. Exemplo: Volume de 100 litros Aplicar P = 7 kgf/cm 2 Redução no volume de 0,33 litros (volume desprezível). 9) S O L U B I L I D A D E D O S G A S E S: - Os líquidos podem dissolver os gases. A água dissolve o ar em proporções diferentes entre o O 2 e N. Implicação: Pode ser a causa do desprendimento de ar e aparecimento de bolhas de ar nos pontos altos das tubulações. 6

7 10) P R E S S Ã O de V A P O R ou T E N S Ã O d e V A P O R (h v ou P v ) - Pressão de vapor ou tensão de vapor corresponde ao valor da pressão na qual o líquido passa da fase líquida para a gasosa. Na superfície de um líquido há uma troca constante de moléculas que escapam para a atmosfera (evaporação) e outras que penetram no líquido (condensação). Visto que este processo depende da atividade molecular e que esta depende da temperatura e da pressão, a pressão de vapor do líquido também depende destes, crescendo o seu valor com o aumento da pressão e da temperatura (Tabela-1) - Quando a pressão externa, na superfície do líquido, se iguala à pressão de vapor, este se evapora. Se o processo no qual isto ocorre é devido ao aumento da temperatura do líquido, permanecendo a pressão externa constante, o processo é denominado de EVAPORAÇÃO. Caso isto se dê pela mudança da pressão local enquanto a temperatura permanece constante, o fenômeno é conhecido por CAVITAÇÃO. Este fenômeno ocorre, normalmente, em escoamentos sujeitos às baixas pressões, próximos à mudança de fase do estado líquido para o gasoso e constitui um grande problema em válvulas e sucção de bombas. Implicações: a) - A temperatura de ebulição da água muda com a altitude (pressão atmosferica). Por exemplo, a água entra em ebulição à temperatura de 100 ºC quando a pressão é 1,0332 kgf/cm2 (1atm), ou seja, ao nível do mar, mas também pode ferver a temperaturas mais baixas se a pressão também for menor (ou seja, em locais mais altos). b) - A máxima altura possível de sução da bomba é limitada pela pressão de vapor do líquído. As tubulações de sucção nas bombas que não trabalham afogadas, como as usadas na maioria dos projetos de irrigação, trabalham com pressão inferior à pressão atmosférica. Se na entrada da bomba houver pressão inferior à pressão de vapor da água, haverá formação de bolhas de vapor, podendo até interromper a circulação da água ou formar muitas bolhas menores, que, ao atingirem as regiões de pressão positivas, ocasionam implosões, causando ruídos (martelamento) e vibrações no sistema. Tal fenômeno denomina-se CAVITAÇÃO e provoca a corrosão das paredes da carcaça da bomba e das palhetas do rotor, bem como reduz a sua eficiência. - Na prática, recomendam-se os seguintes valores máximos para a altura de sucção: 6,5 m ao nível do mar, 5,5 m para a altitude de m e 4,5 m para a altitude de m, contudo, quanto menor for a altura de sucção, melhor será o desempenho da bomba. c) - A medida da tensão de água no solo, realizada com o auxílio de tensiômetros de cápsula porosa preenchidos com água, é limitada pela tensão de vapor (a leitura máxima do tensiômetro é de 70kPa). 7

8 TABELA 1 PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA DOCE, À PRESSÃO ATMOSFÉRICA (g=9,80665 m/s 2 ) TEMPE- RATURA O C PESO ESPECÍFICO γ N/m MASSA ESPECÍFICA ρ kg/m 3 999, ,0 999,7 999,1 998,2 997,0 995,7 992,2 988,0 983,2 977,8 971,8 965,3 958,4 VISCOSIDADE CINEMÁTICA ν m 2 /s TENSÃO SUPERFICIAL σ N/m 1,785x10-6 0,0756 1,519x10-6 0,0749 1,306x10-6 0,0742 1,139x10-6 0,0735 1,003x10-6 0,0728 0,893x10-6 0,0720 0,800x10-6 0,0712 0,658x10-6 0,0696 0,553x10-6 0,0679 0,474 x10-6 0,0662 0,413x10-6 0,0644 0,364x10-6 0,0626 0,326x10-6 0,0608 0,294x10-6 0,0589 PRESSÃO DE VAPOR P V kpa 0,61 0,87 1,23 1,70 2,34 3,17 4,24 7,38 12,33 19,92 31,16 47,34 70, PRESSÃO DE VAPOR P V /γ m 0,06 0,09 0,12 0,17 0,25 0,33 0,44 0,76 1,26 2,03 3,20 4,96 7, NOS CÁLCULOS HABITUAIS DE HIDRÁULICA, NO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, QUANDO A TEMPERATURA NÃO É ESPECIFICADA, UTILIZA-SE : ρ = kg/m 3 γ = N/m 3 ν = 1,003 x 10-6 m 2 /s 8