Fenômenos de Transporte I Aula teórica 01 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE Centro de Ciências e Tecnologia Agroalimentar Unidade Acadêmica de Ciências e Tecnologia Ambiental Fenômenos de Transporte I Aula teórica 01 Professora: Érica Cristine (erica@ccta.ufcg.edu.br ) Curso: Engenharia Ambiental e de Alimentos

Introdução à Fenômenos de Transporte e à Mecânica dos Fluidos

Fenômenos de Transporte Estuda transferência de grandezas físicas entre dois pontos do espaços Transporte de momento  Dinâmica dos fluidos Transporte de energia  Transferência de calor Transporte de massa  Transferência de massa Seguem princípios análogos  tratamento matemático análogo Por que são estudados juntos? Freqüentemente aparecem juntos em muitas áreas da indústria, biologia, meio ambiente, etc

Fenômenos de Transporte É uma disciplina fundamental em várias áreas da engenharia, em particular aquelas que envolvem processos de transformação da matéria, como engenharia química, engenharia de materiais e engenharia de alimentos (Canedo, 2010)

Aplicações na engenharia Engenharia sanitária e ambiental Difusão de poluentes no ar, na água e no solo

Aplicações na engenharia Engenharia civil e arquitetura Base dos estudos de hidráulica e hidrologia Conforto térmico em edificações

Aplicações 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

Aplicações 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

Aplicações na engenharia Engenharia química e de alimentos Base das operações unitárias (etapa básica de um processo, ex.: na produção do leite  homogeneização, pasteurização, resfriamento e empacotamento) Transferência de calor, Transferência de massa, e escoamento de fluido

Ou Seja: 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 Torna-se importante o conhecimento global das leis tratadas no que se denomina Fenômenos de Transporte.

O que vamos estudar? Fundamentos de mecânica dos fluidos. Ementa Fundamentos de mecânica dos fluidos. Introdução à estática dos fluidos. Formulação integral e diferencial das equações de transporte de massa, energia e quantidade de movimento. Análise dimensional e semelhança. Escoamento incompressível de fluidos ideais e viscosos. Regime laminar e turbulento, escoamento interno e externo.

MECÂNICA DOS FLUIDOS O QUE É MECÂNICA??? O QUE É FLUIDO?

MECÂNICA Ciência que estuda o equilíbrio e o movimento de corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este movimento; Mecânica dos fluidos  estudo de fluidos em movimento ou em repouso

FLUIDO FLUÍDO Particípio do verbo fluir

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

Por que estudar Mecânica dos Fluidos? O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios de mecânica dos fluidos: as asas de aviões para vôos 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 vôos 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;

Exemplo O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma (1940) evidencia as possíveis conseqüências que ocorrem, quando os princípios básicos dos Fenômenos do Transprote 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 pôs-se 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

Ponte de Tacoma vibrando no modo torsional. Ponte de Tacoma vibrando no modo longitudinal.

Exemplo 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.

Pequena revisão histórica O que estimulou o desenvolvimento da ciência na antiguidade? Sistemas de distribuição de água Projetos de barcos e navios Dispositivos para a guerra (como flechas e lanchas)

Pequena revisão histórica Primeiros escritos Archimedes – matemático e inventor grego (287 - 212 AC) Estabeleceu os princípios básicos do empuxo e da flutuação

Pequena revisão histórica Romanos – sistemas de distribuição de água entre o quarto século AC até o período inicial Cristão Sextus Julius Frontini– engenheiro romano(40 - 103) Descreveu detalhadamente estes sistemas

Pequena revisão histórica Século XV Leonardo da Vinci – Polímata italiano (1452 – 1529) Descreveu através de esquemas e escritos muitos fenômenos envolvendo escoamentos Galileu Galilei – Físico, matemático, astrônomo e filosofo italiano (1564 - 1642) Estimulou a experimentação em hidráulica cientista, matemático, engenheiro, inventor, anatomista, pintor, escultor, arquiteto, botânico, poeta e músico.

Pequena revisão histórica Séculos XVII a XVIII -> progressos teóricos e matemáticos Isaac Newton (1642 – 1727) Daniel Bernoulli (1700 – 1782) Leonhard Euler (1707 – 1783) Jean le Rond d´Alember (1717 – 1783)

Pequena revisão histórica Séculos XIX-> muitas contribuições e refinamentos Século XX Hidrodinâmica Hidráulica Estudo teórico e matemático Aspectos aplicados e experimentais alemão Ludwig Prantl (1875 – 1973) Desenvolveu o conceito da camada limite fluida  base para reunificação  considerado fundador da mecânica dos fluidos moderna Altamente desenvolvidas  tentativas de unificação

A tecnologia da mecânica dos fluidos continua evoluindo? Escoamento em tubulação, força em um represa  centenas de anos MAS  novas áreas de pesquisa em desenvolvimento

A tecnologia da mecanica dos fluidos continua evoluindo? CARENAGEM  otimizar a performance de deslocamento rápido do veiculo no meio fluido Em carros de corrida Em aerobarcos Em ultraleves Em motos Rolamentos fluidodinâmicos recentemente utilizados em aparelhos como o de mp3, tornando-o mais resistentes a danos, menores e menos ruidosos

A tecnologia da mecanica dos fluidos continua evoluindo? Pequeno avião desenvolvido pelos engenheiros da Flórida que muda a forma de suas asas durante o vôo

Novos campos de aplicação da mecânica dos fluidos Meio ambiente e energia Contenção de derramamento de óleos Turbinas eólicas de grande escala Geração de energia a partir das ondas do oceano Aspectos aerodinâmicos de grandes edificações Mecânica dos fluidos de fenômenos atmosféricos como tornados, furacões, tsunamis

Novos campos de aplicação da mecânica dos fluidos Biomecânica Corações, válvulas, e outros órgãos artificiais Compreensão da mecânica dos fluidos do sangue Líquido sinovial das juntas O sistema respiratório O sistema circulatório O sistema urinário

Novos campos de aplicação da mecânica dos fluidos Esportes Projeto de bicicletas e capacetes de bicicletas, esquis, vestimentas para corrida e natação Em 2008  17 recordes mundiais quebrados em um mês, 16 deles por nadadores com um novo macacão desenvolvido pela Speedo em parceria com a NASA, que diminui em 5% o atrito com a água

Novos campos de aplicação da mecânica dos fluidos Esportes A aerodinâmica de bolas de golfe, tênis e futebol o pesquisador de mecânica dos fluidos da NASA, Rabi Mehta, comprovou que a bola dança quando é chutada com força   a maneira inusitada como a bola é construída e as ranhuras que cobrem parte de sua superfície criam um fluxo aerodinâmico assimétrico ao redor da Jabulani quando ela ultrapassa a velocidade de 73 Km/h. Como resultado, a bola sofre pequenas alterações aleatórias em sua trajetória, suficientes para desnortear os goleiros. 

Novos campos de aplicação da mecânica dos fluidos Fluidos inteligentes Em sistemas de suspensão automotiva para otimizar o movimento sobre todas as condições do terreno Uniformes militares contendo uma camada de fluido que é “mole” até o combate, quando então pode tornar-se firme para dar força e proteção ao soldado Líquidos de lentes com propriedades parecidas às humanas para uso em câmaras e telefones celulares Microfluidos Aplicações extremamente precisas de medicações

Como estudar mecânica dos fluidos? LEIA MUITO LEIA DE NOVO Reflita EXERCITE!!!!!! RESOLVA PROBLEMAS

Como estudar mecânica dos fluidos? RESOLVENDO PROBLEMAS Estabeleça de forma breve a informação dada Identifique aquilo que deve ser encontrado Faça um desenho esquemático Apresente as formulações matemáticas necessárias Relacione as hipóteses simplificadoras apropriadas Complete a análise algebricamente antes de introduzir os valores numéricos Introduza os valores numéricos (usando um sistema de unidades consistente) Verifique a resposta e reveja se as hipóteses feitas são razoáveis Destaque a resposta

Como estudar fenômenos do transporte (BSL seção 0.4)? Estude sempre com lápis e papel na mão; escreva com detalhe todos os estágio resumidos no desenvolvimento que se encontra em textos ou notas Sempre que necessário consulte os textos de matemática para rever conhecimentos de cálculo que você já estudou Procure sempre um significado físico para todos os resultados obtidos; crie o hábito de relacionar idéias físicas às equações matemáticas Pergunte-se sempre se os resultados obtidos são razoáveis. Se a sua intuição não concordar com algum resultado, é importante saber o que está errado: o resultado ou a sua intuição Crie o hábito de verificar as dimensões e unidades de todos os resultados obtidos. Esta é uma maneira muito boa de localizar erros nos desenvolvimentos matemáticos

ATIVIDADE PARA CASA PRÓXIMA AULA!!! ESTUDE: DEFINIÇÃO DE FLUIDO HIPÓTESE DO CONTÍNUO PRÓXIMA AULA!!!