Introdução e Conceitos Básicos

Transcrição

1 Introdução e Conceitos Básicos

2 Definição de Fluido Fluido é uma substância que não tem forma própria, assume o formato do recipiente. São, portanto, os líquidos e gases (em altas temperaturas o plasma)

3 Curiosidade: Plasma O p l a s m a, t a m b é m c o n h e c i d o como quarto estado físico da matéria, é formado quando uma substância no estado gasoso é aquecida até atingir um valor tão elevado de temperatura que f a z c o m q u e a a g i t a ç ã o t é r m i c a molecular supere a energia de ligação que mantém os elétrons em órbita do núcleo do átomo. Os elétrons acabam soltando-se e a substância torna-se uma massa disforme, eletricamente neutra e formada por elétrons e núcleos dissociados.

4 Experiência de duas placas Sólido O sólido, solicitados por uma força tangencial constante, deforma-se angularmente, mas atinge uma nova configuração de equilíbrio.

5 Experiência de duas placas Fluido Princípio da aderência: os pontos de um fluido e contato com uma superfície sólida, aderem aos pontos dela, com os quais estão em contato. Fluido é uma substância que se deforma continuamente, quando submetido a uma força tangencial constante qualquer, ou em outras palavras, fluido é uma substância que, submetido a uma força tangencial constante, não atinge uma nova configuração de equilíbrio estático.

6 Condição de não Escorregamento Um fluido em contato direto com um sólido gruda na superfície e não há escorregamento.

7 Classificação dos Escoamento de Fluidos

8 Região de escoamento viscoso x não viscoso Viscosos região do escoamento com efeitos de atrito significativos Não viscosos região onde as forças viscosas são desprezíveis se comparadas as forças de inércia e de pressão

9 Escoamento Interno x Externo Escoamento Interno ou em Dutos completamente envoltos por superfícies sólidas. Escoamento Externo escoamento sobre corpos imersos em uma superfície.

10 Escoamento compressível x incompressível Compressível: variação da massa específica não podem ser desprezadas. Incompressível: variações da massa específica desprezíveis. Escoamento de gases podem ser considerados, como aproximadamente incompressíveis se as mudanças de densidade estiveram abaixo de 5%, o que usualmente é caso quando Ma < 0,3

11 Escoamento Laminar x Turbulento Fluxo laminar: linhas de correntes formam lâminas. Baixa velocidade do escoamento. Fluxo turbulento: linhas de corrente formam turbilhões. Alta velocidade do escoamento.

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13 Escoamento Permanente x Transiente Regime Permanente: propriedades dos fluidos e sua velocidade não variam no tempo. Regime Transiente: propriedades dos fluidos e sua velocidade variam no tempo.

14 Escoamento uni, bi e tridimensional Tridimensional o vetor velocidade depende de três variáveis espaciais, ou o campo de velocidade varia em três dimensões. Bidimensional o vetor velocidade depende de duas variáveis espaciais, ou o campo de velocidade varia em duas dimensões. Unidimensional o vetor velocidade depende de apenas uma variável espacial, ou o campo de velocidade varia em uma dimensão.

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16 Sistema e Volume de Controle SISTEMA uma quantidade de matéria ou uma região do espaço escolhido para estudo VIZINHANÇA massa ou região fora do sistema FRONTEIRA superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua vizinhança e pode ser móvel ou fixa

17 Sistema e Volume de Controle No sistema ou sistema fechado nenhuma massa pode cruzar sua fronteira. No volume de controle ou sistema aberto massa pode atravessar a fronteira SISTEMA VOLUME DE CONTROLE

18 Propriedade dos Fluidos

19 Hipótese do Contínuo Por menor que seja uma divisão de um fluido (dm, dx, dv, etc.) esta parte isolada deverá apresentar as mesmas propriedades que a matéria como um todo;

20 Propriedades dos fluidos ümassa Específica ou densidade absoluta (ρ) : é a razão entre a massa de um material (sólido, líquido ou gasoso) e o volume ocupado por esse mesmo material. No Sistema SI é dado em kg/m³ M massa volume

21 Propriedades dos fluidos üvolume Específico (ν) (greg. Ípsilo): Mais utilizado em termodinâmica é o volume ocupado por unidade de massa. No Sistema SI é dado em m³/kg M volume massa üpeso Específico (γ)(greg. gama) :é definido como o peso por unidade de volume. Onde g= aceleração da gravidade No Sistema SI é dado em N/m³ P mg g

22 Propriedades dos fluidos üdensidade relativa (d) : é definida como a razão entre a massa específica do fluído e a massa específica da água numa certa temperatura. Usualmente 4 C (nesta temperatura ρ água=1000 kg/m3). d água ütensão Superficial (σ): é um efeito físico que ocorre na interface entre duas fases químicas. Ela faz com que a camada superficial de um liquido venha a se comportar como uma membrana elástica. No Sistema SI é dado em N/m

23 Tensão de Cisalhamento Lei de Newton da viscosidade Componente normal Componente tangencial

24 Tensão de Cisalhamento Perfil de velocidades A velocidade da placa superior varia de zero até uma velocidade constante v 0 A camada de fluido desliza sobre a adjacente, o que cria um atrito entre elas. Tal deslizamento origina a tensão de cisalhamento entre duas camadas adjacentes

25 Tensão de Cisalhamento Newton descobriu que, em muitos fluidos, a tensão de cisalhamento é proporcional à variação de velocidades com y. ou Os fluidos que obedecem essa lei são ditos FLUIDOS NEWTONIANOS.

26 Viscosidade absoluta ou dinâmica

27 Propriedades dos fluidos üviscosidade absoluta ou dinâmica (µ) (greg. Mi): É uma propriedade que determina o grau de resistência às tensões de cisalhamento (fluidez). Exemplo: óleo e água üela é responsável pelas perdas de energia associadas ao transporte de fluidos em dutos, canais e tubulações. ütem um papel primário na geração de turbulência.

28 Propriedades dos fluidos üé muito comum encontramos a viscosidade dinâmica combinada com a massa específica, resultando na viscosidade cinemática (υ) (greg Ni). Onde: υ é a viscosidade cinemática no SI [m²/s=stokes (st)] 1 centistoke =1cSt=10-² St=10-² cm²/s=106 m²/s

29 Propriedades dos fluidos ü Os fluidos que obedecem a lei da viscosidade de Newton são os fluidos newtonianos, e eles englobam a maior parte dos fluidos. Ex: (ar, água e óleo). Fluidos não Newtonianos, não seguem a lei linear de Newton e são tratados em livros sobre reologia.

30 Propriedades dos fluidos Exemplos de fluidos Não Newtonianos: 1. Plásticos Ideais também conhecidos como fluido de Bingham, este tipo de fluido requer uma tensão de cisalhamento mínima para que ocorra o movimento. Como exemplo temos: pasta de dente, manteiga, maionese, chocolate, mostarda, lama perfuratriz. 2. Dilatantes fluido a sua resistência aumenta com o aumento da tensão aplicada. Como exemplo temos: areia movediça, polpas, suspensão de amido. 3. Pseudoplásicos fluido que diminui a resistência com o aumento da tensão aplicada. Como exemplo temos: natas, clara de ovo, purê de vegetais, soluções de polímeros, suspensão coloidal, tinta látex, plasma sanguíneo, xarope, melados.

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32 Exemplo 1 Um pistão de peso G = 4 N cai dentro de um cilindro com uma velocidade constante de 2 m/s. O diâmetro do cilindro é 10,1 cm e o do pistão é 10,0 cm. Determinar a viscosidade do lubrificante colocado na folga entre o pistão e o cilindro.

33 Exemplo 2 A viscosidade de um fluido deve ser medida por um viscosímetro construído com dois cilindros concêntricos de 40 cm de comprimento. O diâmetro externo do cilindro interno é de 12 cm e a folga entre os dois cilindros é de 0,15 cm. O cilindro interno é girado a 300 rpm e o torque medido foi de 1,8 Nm. Determine a viscosidade do fluido.

34 Exemplo 3 Uma placa infinita move-se sobre uma segunda placa, havendo entre elas uma camada de líquido. Para uma pequena altura de camada, d, podemos supor uma distribuição linear de velocidades no líquido. A viscosidade do líquido é 0,0065 g/cm.s e sua densidade relativa é 0,88. Determine: a) A viscosidade absoluta do líquido, em Ns/m 2. b) A viscosidade cinemática do líquido, em m 2 /s. c) A tensão de cisalhamento na placa superior, em N/m 2 d) A tensão de cisalhamento na placa inferior, em P