UNIFEB Fenômenos de Transporte I Mecânica dos Fluidos Introdução Propriedades Básicas dos Fluidos Prof. Marcelo Henrique 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. 1
Introdução Mecânica dos Fluidos: Ciência que trata do comportamento dos fluidos em repouso e em movimento. Estuda o transporte de quantidade de movimento nos fluidos. Exemplos de aplicações: 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; Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O conhecimento e entendimento dos princípios e conceitos básicos da Mecânica dos Fluidos são essenciais na análise e projeto de qualquer sistema no qual um fluido é o meio atuante. 2
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 voos 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? Projeto de carros e barcos de corrida (aerodinâmica); Sistemas de propulsão para voos 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; 3
Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma (1940) evidencia as possíveis consequências 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. Por que estudar Mecânica dos Fluidos? 4
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. Aceno Histórico 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; 5
Importância Nos problemas mais importantes, tais como: Produção de energia Produção e conservação de alimentos Obtenção de água potável Poluição Processamento de minérios Desenvolvimento industrial Aplicações da Engenharia à Medicina Sempre aparecem cálculos de: Perda de carga Forças de arraste Trocas de calor Troca de substâncias entre fases Importância Desta forma, torna-se importante o conhecimento global das leis tratadas no que se denomina Fenômenos de Transporte. 6
Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharia Civil e Arquitetura Constitui a base do estudo de hidráulica e hidrologia e tem aplicações no conforto térmico em edificações Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharias Sanitária e Ambiental Estudos da difusão de poluentes no ar, na água e no solo; Engenharias Alimento e Química Estudos de transferência de calor e massa em processos de fabricação de alimentos e destilarias. 7
Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharia Mecânica Processos de usinagem, processos de tratamento térmico, cálculo de máquinas hidráulicas, transferência de calor das máquinas térmicas e frigoríficas e Engenharia aeronáutica Os Fenômenos de Transporte na Engenharia Engenharia Elétrica e Eletrônica Importante nos cálculos de dissipação de potência, seja nas máquinas produtoras ou transformadoras de energia elétrica, seja na otimização do gasto de energia nos computadores e dispositivos de comunicação; 8
Referências Mecânica dos fluidos Franco Brunetti; Introdução à Mecânica dos Fluidos Fox https://marceloeng.wordpress.com/ Cronograma P1 05/OUT P2 23/NOV SUB 07/DEZ 9
Quais as diferenças fundamentais entre fluido e sólido? Fluido é mole e deformável Sólido é duro e muito pouco deformável Passando para uma linguagem científica: A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular: 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. 10
Fluidos:Líquidos e Gases Líquidos: - Assumem a forma dos recipientes que os contém; - Apresentam um volume próprio (constante); - Podem apresentar uma superfície livre; 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. 11
Teoria Cinética Molecular Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem Estados Físicos da Matéria 12
Fluidos 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. Fluidos x Sólidos 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. 13
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. 14
Fluidos x Sólidos 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. Fluidos: outra definição Um fluido pode ser definido como uma substância que muda continuamente de forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena. 15
Propriedades dos fluidos Massa específica - massa volume m 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/m 3 Massas específicas de alguns fluidos Fluido (Kg/m 3 ) Água destilada a 4 o C 1000 Água do mar a 15 o C 1022 a 1030 Ar atmosférico à pressão atmosférica e 0 o C Ar atmosférico à pressão atmosférica e 15,6 o C 1,29 1,22 Mercúrio 13590 a 13650 Petróleo 880 16
Propriedades dos fluidos Peso específico - peso volume GW 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/m 3 Propriedades dos fluidos Relação entre peso específico e massa específica G V W mg V g 17
Propriedades dos fluidos Volume Específico - V s V s = 1/ =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) δ = o É a relação entre a massa específica de uma substância e a de outra tomada como referência 18
Propriedades dos fluidos Densidade Relativa - δ (ou Densidade) Para os líquidos a referência adotada é a água a 4 o C Sistema SI...ρ 0 = 1000kg/m 3 Propriedades dos fluidos Densidade Relativa - δ (ou Densidade) Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0 o C Sistema SI... ρ 0 = 1,29 kg/m 3 19
Propriedades dos fluidos Viscosidade cinemática - Equação dimensional possibilita a definição qualitativa da viscosidade cinemática [] = L 2 *T -1 Observações sobre a unidade de SI e MK*S [] = m²/s CGS - [] = cm²/s = stokes (St) 1 cst = 10-2 St = 10-2 cm²/s = 10-6 m²/s 20