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Conceitos Fundamentais sobre Propriedades dos Fluidos.

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1 Conceitos Fundamentais sobre Propriedades dos Fluidos

2 2 Fluidos Sólidos e fluidos se distinguem em função de seu comportamento quando submetidos a uma carga externa. Sólidos se fragmentam ou se deformam permanentemente quando submetidos a esforços externos. Fluidos são substâncias que se deformam sem desintegração de sua massa (escoam) e se adaptam à forma do recipiente que os contém.

3 3 Fluido: Comprovação experimental Experimento: Esta experiência revela a ação de forças que arrastam o fluido no sentido do movimento de uma placa. O fluido pode ser considerado como composto de lâminas paralelas à placa, cada uma deslizando sobre as vizinhas, sendo arrastada pela mais veloz e arrastando a mais lenta. Isto também vale para fluidos gasosos.

4 4 Fluidos - Definição Definição Científica: Fluidos são substâncias que se deformam continuamente quando submetidas a um esforço cisalhante (tensão de cisalhamento). São fluidos: água, ar, óleo diesel etc. São sólidos: diamante, uma barra de aço etc. Podem ser fluidos: pastas, parafina, betume.

5 5 Movimentação de fluidos Perfis laminares de velocidades de fluidos escoando em: (a) Um rio(b) dentro de um tubo

6 6 Fluidos – Diferenças entre gases e líquidos Um líquido é praticamente incompressível, tem volume definido e assume a forma do recipiente em que está contido, apresentando uma superfície livre. Um gás é muito compressível e expande-se indefinidamente se não existirem esforços externos, ocupando o volume de todo o recipiente que o contém.

7 7 Escoamento de Fluidos Aplicações e importância Otimização do funcionamento de equipamentos, máquinas, aeronaves etc.

8 8 Escoamento de Fluidos Aplicações e importância Entendimento de fenômenos da natureza e monitoramento de corpos vivos.

9 9 Escoamento de Fluidos Aplicações e importância Geração de energia

10 10 Escoamento de Fluidos Aplicações e importância Na indústria, uma grande diversidade de fluidos são processados em equipamentos, tubulações, tanques etc.

11 11 Propriedades físicas dos fluidos e variáveis de processo Propriedades físicas que distinguem analiticamente os fluidos e são mais empregadas no estudo do escoamento de fluidos. –Massa específica ( )- Peso específico ( ) –Densidade (d)- Volume específico ( s ) –Viscosidade ( ou )- Pressão de vapor (P vap ) Para entender o comportamento dos fluidos, estuda-se as variações sofridas pelas propriedades acima em função de variáveis de processo (T e p).

12 12 Variáveis de processo Temperatura (Noção Intuitiva) Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico. T1T1 T2T2 T 1 > T 2 TT contato T 1 > T eq > T 2

13 13 Temperatura: Conversão entre as escalas mais usadas:

14 Capacidade Térmica – C – É uma característica do corpo; – A capacidade térmica corresponde à quantidade de calor (recebida ou cedida) que leva a uma variação na temperatura do corpo; – É dada pela relação da quantidade de calor recebida por um corpo e a variação de temperatura sofrida pelo mesmo. É representada pela letra C e é medida em calorias por grau Celsius (cal/°C) ou caloria por Kelvin (cal/K).CelsiusKelvin

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16 16 Variáveis de processo Pressão: Define-se pressão como a razão entre a componente normal de uma força e a área em que ela atua. Unidades de pressão: - Pa (N m -2 ), kPa (10 3 Pa), kg f cm -2, lb f in 2 (psi), m H 2 O, mm Hg (Torr), atm, bar. F A

17 17 Variáveis de processo Escalas para medição da Pressão: p absoluta = p efetiva + p referência

18 18 Pressão em fluidos estáticos Pressão hidrostática p hid = g H P tot = p atm + g H

19 19 Pressão em fluidos estáticos Gases Ideais p V = n R T p 1 V 1 /T 1 = p 2 V 2 /T 2

20 20 Propriedades Físicas dos Fluidos Massa específica ou densidade absoluta ( ) É a quantidade de massa de uma substância existente em um determinado volume, ou seja, a massa que ocupa uma unidade de volume. Unidades de medida: –kg m -3, kg L -1, ton m -3, g cm -3, lb m ft -3.

21 21 Propriedades Físicas dos Fluidos Densidade (d) É a razão entre a massa específica de uma substância e a massa específica de uma substância de referência em condições-padrão. Corresponde ao número de vezes que um material é mais pesado que outro. Unidades de medida: é adimensional.

22 22 Propriedades Físicas dos Fluidos Densidade (d) Substância de referência e condições-padrão. Líquidos e sólidos: geralmente água Condições diversas são aplicadas: 4ºC – T em que a água possui maior ; 20ºC – T recomendada pela ISO; 15ºC – T empregada pelo API. Gases e vapores: ar (diversas condições-padrão) Densidade do petróleo:

23 23 Propriedades Físicas dos Fluidos Volume específico ( s ) É o volume ocupado por uma determinada massa de uma substância, ou seja, o volume ocupado por unidade de massa. Corresponde ao inverso da massa específica: Unidades de medida: –m 3 kg -1, L kg -1, m 3 ton -1, cm 3 g -1.

24 24 Propriedades Físicas dos Fluidos Peso específico ( ) É a força exercida, por unidade de volume, em um corpo de massa específica submetido à aceleração da gravidade g ( 9,81 m s -2 ). Corresponde à razão entre o peso de um corpo e seu volume, ou seja, Unidades de medida: –N m -3, lb f ft -3.

25 25 Propriedades Físicas dos Fluidos Variação da massa específica com a temperatura. –Normalmente, aumentando-se a temperatura, o volume do fluido aumenta por conta da dilatação. SubstânciaT (K) (kg m -3 ) Água273999,6 Água300996,4 Vapor d´água3800,5863 Vapor d´água8000,2579 Ar atmosférico3001,1614 Ar atmosférico8000,4354 Etanol líquido Etanol vapor3511,44

26 26 Dilatação anômala da água volume específico ( cm 3 /g) temperatura ( °C) 40 Entre 0 e 4°C, a água quando aquecida diminui seu volume. Em 4°C a água assume seu menor volume específico e, portanto, sua maior massa específica. Bismuto, Ferro e Antimônio também se contraem na fusão.

27 27 Variação da massa específica com a pressão Líquidos: são praticamente incompressíveis, só sofrem variações significativas a altas pressões; Gases: são compressíveis. Efeitos significativos de p em são observados. Lei dos gases ideais

28 28 Propriedades Físicas dos Fluidos Viscosidade absoluta ou dinâmica ( ) Pode ser encarada como a resistência do fluido ao escoamento, ou seja, é a resistência que todo fluido oferece ao movimento relativo de suas partes. Funciona como uma espécie de atrito interno, descrevendo a "fluidez" da substância. Por exemplo, o mel apresenta uma resistência maior à deformação (ao escoamento) que a água, dizemos, então, que ele é mais viscoso que água.

29 29 Entendendo a viscosidade Forças tangenciais (forças de cisalhamento) arrastam o fluido no sentido do movimento. No fluido, a lâmina de líquido vizinha à placa adere a esta e acompanha a mesma em seu movimento. A lâmina seguinte desliza sobre a primeira, apresentando velocidade menor que a da placa. Quanto mais distante da placa estiver a lâmina líquida, menor é sua velocidade.

30 30 Entendendo a viscosidade Forças tangenciais (forças de cisalhamento) arrastam o fluido no sentido do movimento. As forças de resistência viscosa agentes nas faces de uma lâmina têm intensidade proporcional à área das faces, e ao gradiente de velocidade entre elas:

31 31 Propriedades Físicas dos Fluidos Viscosidade absoluta ( ) Matematicamente, - é a tensão cisalhante; - é a viscosidade absoluta; v/ x - é o gradiente de velocidade, chamado taxa de cisalhamento, ou ainda, de taxa de deformação. Principais unidades de medida: - Pa s (N m -2 s), lb f ft -2 s, centipoise = dina cm -2 s.

32 32 Propriedades Físicas dos Fluidos - é a tensão cisalhante; - é a viscosidade absoluta; v/ x - é o gradiente de velocidade, chamado taxa de cisalhamento ou ainda taxa de deformação.

33 33 Variação da viscosidade com a agitação Fluidos Newtonianos: Fluidos não-Newtonianos: u – índice de comportamento do escoamento; k – índice de consistência e - viscosidade aparente.

34 34 Variação da viscosidade com a agitação Fluidos não-Newtonianos: Alguns exemplos: - Plástico ideal: suspensões de argila, pasta dental; - D ilatantes (u > 1): suspensões de amido e areia; - Pseudoplásticos (u < 1): soluções poliméricas, polpa de papel em água; - Tixotrópicos: muitas tintas, colas, sabões; - Reopéticos: suspensões de betonita e argila, sóis.

35 35 Variação da viscosidade de fluidos newtonianos com T e p Para gases: –Aumento na temperatura, aumenta a viscosidade; –A pressão somente influencia a partir de 1000 kPa, onde aumentos na pressão causam aumentos na viscosidade. Exemplo: a viscosidade do N 2 a 25ºC dobra seu valor quando a pressão varia de 100 kPa para kPa. Para líquidos: –Aumento na temperatura, diminui a viscosidade; –A pressão geralmente não exerce efeito, porém grandes aumentos já foram comprovados a pressões muito altas. H2O (10000 atm) = 2 H2O (1 atm).

36 36 Variação da viscosidade com a temperatura Coeficiente de viscosidade - Líquidos e Gases LíquidosT ( o C) (cP) GasesT ( o C) (cP) água01,80Ar00,01733 água201,002Ar1000,0202 água1000,2821H2H2 00,0085 Éter sulfúrico200,24He00,0189 Mercúrio201,55O2O2 00,0192 Glicerina anidra201390CO 2 00,01370 Óleo de oliva301200CO ,01828

37 37 Propriedades Físicas dos Fluidos Viscosidade cinemática ( ) É a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica. Principais unidades de medida: - m 2 s -1, ft 2 s -1, centistokes (cSt) = cm 2 s -1.

38 38 Propriedades Físicas dos Fluidos Viscosidade cinemática ( ) Unidades especiais empregadas na indústria: SSU (Segundo Saybolt Universal): Corresponde ao tempo, em segundos, que um fluido leva para escoar 60 cm 3, em condições controladas de temperatura, através de um orifício padrão. Para viscosidades elevadas ( > 250 SSU), emprega-se ainda o SSF (Segundo Saybolt Furol), difere de SSU por empregar um orifício padrão com maior diâmetro.

39 39 Propriedades Físicas dos Fluidos Pressão de vapor (P vap ) Corresponde à pressão em que a fase líquida está em equilíbrio com a fase gasosa (vapor). Compressão isotérmica - ab: compressão do vapor;- bc: mudança de fase (P = P vap ); - cd: compressão do líquido.

40 40 Propriedades Físicas dos Fluidos Pressão de vapor (P vap ) = s

41 41 Fluidos – Grandezas Fundamentais Vazão: É a quantidade de fluido que atravessa um sistema estudado por unidade de tempo. A vazão pode ser: –Vazão mássica: quantidade = massa; –Vazão volumétrica: quantidade = volume; –Vazão molar: quantidade = número de moles. Algumas unidades de medida empregadas: –Vazão mássica = kg s -1, kg min -1, ton h -1, g s -1 ; –Vazão volumétrica: m 3 s -1, m 3 h -1, L s -1, galão h -1 ; –Vazão molar: mol s -1, mol h -1, kgmol s -1, lbmol s -1.

42 42 Fluidos – Grandezas Fundamentais Relação entre vazão mássica e volumétrica A vazão mássica é o produto da massa específica pela vazão volumétrica. Relação entre vazão molar e as outras vazões


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