Conceitos e Fundamentos

Transcrição

1 Engenharia Mecânica Mecânica dos Fluidos Conceitos e Fundamentos

2 Por que estudar fenômenos de transporte? 1 -Algumas pessoas costumam colocar uma colher de metal (de madeira não serve) em garrafas ou latas de refrigerantes gasosos já abertas antes de devolvê-las à geladeira. Isso funciona? 2 -O rendimento (ou a eficiência térmica) dos motores (de combustão) dos nossos carros é da ordem de uns 30 a 40%. Por que não é possível uma eficiência de 100%? 3 - A eficiência térmica de um motor é dependente da quantidade de combustível utilizado(seja ele qual for)? 4 -Se conseguíssemos aproveitar toda a energia liberada na descarga de um automóvel, ele teria máxima eficiência. Isto é impossível ou podemos esperar que, em algum futuro, um motor assim funcione? 5 -Misturando uma certa quantidade de água a 40º C com outra quantidade de água a 60 ºC, a temperatura da mistura será 50 ºC? 6 -O que impede que a água misturada, da pergunta acima, não possa ser separada de forma que obtenhamos novamente água nas condições iniciais?

3 7 - No escoamento de um fluido (como água, ar, sangue, petróleo, etc), há necessidade de colocarmos bombas por causa do atrito. Assim, se as rugosidades forem eliminadas, a bomba poderá ser descartada? 8 -Se colocarmos um prego na superfície da água, notamos que ele afunda. Entretanto, um navio, feito de ferro e aço, flutua nos mares e rios. Você sabe por quê? 9 - Quando um médico tira a pressão e o resultado é alguma coisa como 12 por 8, você sabe o que isto significa? A pressão arterial (a interna) é maior ou menor que a atmosférica? 10 -Ao se preparar macarrão, freqüentemente, as cozinheiras e cozinheiros adicionam sal à água. Para que queserve o sal? 11 -Ao pular de um avião, antes do pára-quedas se abrir, a velocidade aumenta sem parar, já que não há força contrária ao sentido do movimento. Por que o paraquedistacai oscilando? 12 -Os mosquitos que pousam na superfície da água conseguem fazer isto por conta do empuxo, que os mantêm flutuando. O que você acha disto?

4 13 - No trânsito, por exemplo, a potência desenvolvida por um automóvel de, digamos 100 hp's, é evidentemente igual (ou marginalmente igual) aos 100 hp's, visto que esta é potência do motor. 14 -Nas imagens tiradas de satélites por câmaras de infravermelho, os mares e oceanos aparecem pretos. Você sabe por quê? 15 -A poluição ambiental causada pelas usinas hidrelétricas é muito pequena, pois não há queima de combustíveis. De acordo? 16 -A poluição ambiental causada pelas termelétricas a gás é ínfima, face à poluição provocada pelas usinas nucleares. O que você acha disto? 17 - Os aviões flutuam por conta do efeito de Bernoulli. Mas, sobre a asa, a pressão é menor por causa da maior velocidade ou a velocidade é maior, por conta da menor pressão? Será que as leis de Newton não têm algo a ver? 18 - As estações do ano são provocadas pelo giro que a Terra dá em torno do Sol. Isso faz sentido?

5 19 -Ir à praia às 11 horas é equivalente a ir à praia às 13 horas. Isso faz sentido? 20 -O zero absoluto (0K ou -273,15ºC) é inalcançável pois nessa temperatura, a agitação dos elétrons em torno dos núcleos iria cessar totalmente e os elétrons ficariam parados. E isto é razoável?

6 Fluidos - conceitos - Agregação de partículas - Capacidade de escoamento (fluidificação) - Compressibilidade Gases (compressíveis) Líquidos (incompressíveis)

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9 Compressibilidade: propriedade relacionada ao comportamento do fluido em relação ao seu volume em um reservatório (Armazenamento e retenção de fluidos industriais). Um líquido é praticamente incompressível e sua variação de volume devido a pressão exercida pode ser desprezada em situações práticas de Engenharia.

10 Mecânica dos fluidos é a ciência que tem por objetivo o estudo do comportamento físico dos fluidos e das leis que regem este comportamento. Aplicações em Engenharia: Ação de fluidos sobre superfícies submersas. Ex.: barragens. Equilíbrio de corpos flutuantes. Ex.: embarcações. Ação do vento sobre construções civis. Estudos de lubrificação. Transporte de sólidos por via pneumática ou hidráulica. Ex.: elevadores hidráulicos. Cálculo de instalações hidráulicas. Ex.: instalação de recalque. Cálculo de máquinas hidráulicas. Ex.: bombas e turbinas. Instalações de vapor. Ex.: caldeiras. Ação de fluidos sobre veículos(aerodinâmica).

11 A propriedade comum a estes dois estados físicos, de forma indefinida, (líquido e gasoso) é escoar ou "fluir", com facilidade, através de um condutor ou duto. Nosso estudo é baseado nos "fluidos ideais", também chamados fluidos perfeitos. (Foco do estudo da mecânica dos fluidos na prática diária de Engenharia). Nos fluidos ideais, consideremos que não existe atrito entre as moléculas que se deslocam quando o fluido escoa, nem atrito entre o fluido e as paredes do condutor. Este problema de atrito só será importante no estudo dos fluidos em movimento (hidrodinâmica) e não influirá sobre os fluidos em equilíbrio (hidrostática).

12 A grandeza que caracteriza o atrito entre as moléculas de um fluido é a viscosidade. Exemplo: Despejar uma lata de óleo em uma calha inclinada e uma lata de água. Dizemos que o óleo é mais viscoso que a água, pois "flui" com maior dificuldade que a água.

13 Propriedades gerais dos fluidos As propriedades dos líquidos são de fácil verificação experimental e as explicações teóricas são baseadas nas leis de Newton. 1 -A superfície livre de um líquido em equilíbrio é plana e horizontal. 2 -A força exercida por um líquido sobre uma superfície qualquer é sempre perpendicular (normal) a essa superfície. Ex.: Orifício em um vaso que contém líquidos e observamos que este se projeta perpendicularmente à parede do vaso.

14 3 -Imiscibilidade de líquidos de diferentes densidades (massa específica), quando em equilíbrio. Ex.: Óleo de cozinha e a água quando colocados em um mesmo recipiente, não se misturam, apresentando uma superfície de separação plana e horizontal. O óleo, por ser menos denso do que a água, se sobrepõe a ela.

15 4 -Ao mergulhar em uma piscina ou mesmo no mar, a "pressão" aumenta à medida em que é maior a profundidade que você alcança. Ocorre uma variação de pressão, em função da profundidade.

16 Diferenças entre líquidos e gases (aplicação): Gases (expansíveis, ocupam o volume total dentro de um recipiente, qualquer que seja sua capacidade). Ex.: 1 m³de GNV em um cilindro de 15 m³de volume. O líquido ocupa somente parte do reservatório, igual ao seu próprio volume. Ex.: 1 m³de água em um reservatório de 15 m³ de volume.

17 Os gases são facilmente compressíveis. É possível encerrar, num recipiente de 1 litro, uma quantidade bem maior de gás, o mesmo não ocorrendo com relação aos líquidos. Miscibilidade: Os líquidos nem sempre são miscíveis entre si, como no caso do óleo e da água. Os gases sempre se misturam homogeneamente entre si. Ex.: Ar atmosférico, constituído de nitrogênio, oxigênio e outros gases em menor proporção. Maçarico oxi-acetilênico. O acetileno e oxigênio, provenientes de suas respectivas garrafas, se misturam no interior do maçarico.

18 Conceitos Básicos: massa específica, peso específico e densidade Massa específica: Grandeza física característica específica de cada substância, é conhecida também pelo nome de densidade absoluta. Representada pela letra grega rhô ou mi Relação entre a massa e o volume da substância considerada. Se a massa é expressa em gramas (g) e o volume em cm³, a massa específica, no sistema prático, é expressa em g/cm³(gramas por centímetro cúbico). No SI (Sistema Internacional de Unidade), a massa é dada em quilogramas e o volume em m³, portanto a massa específica é expressa em kg/m³.

19 Exemplo de Aplicação: Suponha que a figura representa um bloco homogêneo de ferro com massa de kg. Qual é a sua massa específica?

20 A massa específica está relacionada com a massa e o volume dos corpos. Como massa, 1 kg de chumbo é igual a 1 kg de isopor, porém o volume de isopor necessário para 1 kg é muito maior que o volume de chumbo necessário para o mesmo 1 kg. Demonstre isto através do conceito de massa específica: A massa específica do isopor vale 200 kg/m³ e a do chumbo kg/m³. Qual o volume necessário de isopor e chumbo, para se ter 1 kg de cada substância?

21 Constatamos que, realmente, o volume de isopor é bem mais elevado do que o de chumbo. De maneira geral, quando dizemos que um corpo tem massa específica elevada, isto significa que ele contém uma grande massa em um volume pequeno. Podemos dizer que o corpo é muito denso. Material mais denso: Mercúrio (Hg) = kg/m³

22 Um reservatório mede 10 cm x 10 cm x 50 cm que pesa 50 kgf. Qual a pressão que ele exerce sobre o solo? Isto depende da área de apoio do bloco sobre o solo.

23 Força = 50 kgf A base = 10 cm * 10 cm = 100 cm² Pressão = 50kgf / 100cm² = 0,5 kgf/cm² = 0,5 atm Força = 50 kgf A base = 10 cm * 50 cm = 500 cm² Pressão = 50kgf / 500cm² = 0,1 kgf/cm² = 0,1 atm

24 Calcular a pressão exercida pela água sobre o fundo dos reservatórios. Peso específico da água é de 1000 kgf/m³.

25 Volume = 1m * 1m * 1m = 1m³ Força = V * Peso específico = 1 m³ * 1000 kgf/m³ = 1000 kgf A base = 1m * 1m = 1m² Pressão = 1000 kgf / 1m² = 1000 kgf/m² Volume = 1m * 2m * 1m = 2m³ Força = V * Peso específico = 2 m³ * 1000 kgf/m³ = 2000 kgf A base = 1m * 2m = 2m² Pressão = 2000 kgf / 2m² = 1000 kgf/m² Volume = 1m * 2m * 1m = 2m³ Força = V * Peso específico = 2 m³ * 1000 kgf/m³ = 2000 kgf A base = 1m * 1m = 1m² Pressão = 2000 kgf / 1m² = 2000 kgf/m²

26 Volume = 1m * 1m * 4m = 4m³ Força = V * Peso específico = 4 m³ * 1000 kgf/m³ = 4000 kgf A base = 1m * 1m = 1m² Pressão = 4000 kgf / 1m² = 4000 kgf/m² Volume = 0,01m * 0,01m * 4m = 0,0004m³ Força = V * Peso específico = 0,0004 m³ * 1000 kgf/m³ = 0,4 kgf A base = 0,01m * 0,01m = 0,0001m² Pressão = 0,4 kgf / 0,0001m² = 4000 kgf/m²

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28 Conclusão Comparando-se a altura dos reservatórios com a pressão, pode-se observar que a pressão exercida na base não depende da área, mas somente da altura do reservatório, ou seja, a pressão é proporcional aos METROS DE COLUNA DE ÁGUA (mca). Uma vez que as pressões dependem somente de altura da coluna de líquido, pode-se concluir facilmente que as pressões em qualquer ponto no interior do líquido não dependem do formato ou do volume do reservatório.