Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Mecânica dos Fluidos Aula 1 – Definição de Mecânica dos Fluidos, Sistema de Unidades Tópicos Abordados Nesta Aula Mecânica dos Fluidos Apresentação do Curso e da Bibliografia. Definição de Mecânica dos Fluidos. Conceitos Fundamentais. Sistema de Unidades. Aula 1 Conteúdo do Curso Aula 1 Mecânica dos Fluidos Definição de Mecânica dos Fluidos, Conceitos Fundamentais e Sistema Internacional de Unidades Propriedades dos Fluidos, Massa Específica, Peso Específico e Peso Específico Relativo Estática dos Fluidos, Definição de Pressão Estática Teorema de Stevin e Princípio de Pascal Manômetros e Manometria Flutuação e Empuxo Cinemática dos Fluidos, Definição de Vazão Volumétrica, Vazão em Massa e Vazão em Peso Escoamento Laminar e Turbulento, Cálculo do Número de Reynolds Equação da Continuidade para Regime Permanente Equação da Energia para Fluido Ideal Equação da Energia na Presença de uma Máquina Equação da Energia para Fluido Real - Estudo da Perda de Carga Instalações de Recalque - Uma Entrada, Uma Saída Instalações de Recalque - Várias Entradas, Várias Saídas Curvas Características da Bomba e da Instalação Associação de Bombas Bibliografia Mecânica dos Fluidos Aula 1 FOX, Robert W.; MCDONALD, Alan T. Introdução à mecânica dos fluidos. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, c1998. 662 p. Definição de Mecânica dos Fluidos Mecânica dos Fluidos Aula 1 A mecânica dos fluidos é o ramo da mecânica que estuda o comportamento físico dos fluidos e suas propriedades. Os aspectos teóricos e práticos da mecânica dos fluidos são de fundamental importância para a solução de diversos problemas encontrados habitualmente na engenharia, sendo suas principais aplicações destinadas ao estudo de escoamentos de líquidos e gases, máquinas hidráulicas, aplicações de pneumática e hidráulica industrial, sistemas de ventilação e ar condicionado além de diversas aplicações na área de aerodinâmica voltada para a indústria aeroespacial. O estudo da mecânica dos fluidos é dividido basicamente em dois ramos, a estática dos fluidos e a dinâmica dos fluidos. A estática dos fluidos trata das propriedades e leis físicas que regem o comportamento dos fluidos livre da ação de forças externas, ou seja, nesta situação o fluido se encontra em repouso ou então com deslocamento em velocidade constante, já a dinâmica dos fluidos é responsável pelo estudo e comportamento dos fluidos em regime de movimento acelerado no qual se faz presente a ação de forças externas responsáveis pelo transporte de massa. Dessa forma, pode-se perceber que o estudo da mecânica dos fluidos está relacionado a muitos processos industriais presentes na engenharia e sua compreensão representa um dos pontos fundamentais para a solução de problemas geralmente encontrados nos processos industriais. Definição de Fluido Mecânica dos Fluidos Aula 1 Um fluido é caracterizado como uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de cisalhamento, não importando o quão pequena possa ser essa tensão. Os fluidos incluem os líquidos, os gases, os plasmas e, de certa maneira, os sólidos plásticos. A principal característica dos fluidos está relacionada a propriedade de não resistir a deformação e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, possuem a habilidade de tomar a forma de seus recipientes. Esta propriedade é proveniente da sua incapacidade de suportar uma tensão de cisalhamento em equilíbrio estático. Os fluidos podem ser classificados como: Fluido Newtoniano ou Fluido Não Newtoniano. Esta classificação está associada à caracterização da tensão, como linear ou não-linear no que diz respeito à dependência desta tensão com relação à deformação e à sua derivada. Divisão dos Fluidos Mecânica dos Fluidos Aula 1 Os fluidos também são divididos em líquidos e gases, os líquidos formam uma superfície livre, isto é, quando em repouso apresentam uma superfície estacionária não determinada pelo recipiente que contém o líquido. Os gases apresentam a propriedade de se expandirem livremente quando não confinados (ou contidos) por um recipiente, não formando portanto uma superfície livre.A superfície livre característica dos líquidos é uma propriedade da presença de tensão interna e atração/repulsão entre as moléculas do fluido, bem como da relação entre as tensões internas do líquido com o fluido ou sólido que o limita. Um fluido que apresenta resistência à redução de volume próprio é denominado fluido incompressível, enquanto o fluido que responde com uma redução de seu volume próprio ao ser submetido a ação de uma força é denominado fluido compressível. Unidades de Medida Mecânica dos Fluidos Aula 1 Antes de iniciar o estudo de qualquer disciplina técnica, é importante entender alguns conceitos básicos e fundamentais. Percebe-se que muitos alunos acabam não avançando nos estudos, e por isso não aprendem direito a disciplina em estudo, por não terem contato com estes conceitos. Nesta primeira aula serão estudadas as unidades e a importância do Sistema Internacional de Unidades (SI). No nosso dia-a-dia expressamos quantidades ou grandezas em termos de outras unidades que nos servem de padrão. Um bom exemplo é quando vamos à padaria e compramos 2 litros de leite ou 400g de queijo. Na Física é de extrema importância a utilização correta das unidades de medida. Existe mais de uma unidade para a mesma grandeza, por exemplo, 1metro é o mesmo que 100 centímetros ou 0,001 quilômetro. Em alguns países é mais comum a utilização de graus Fahrenheit (°F) ao invés de graus Celsius (°C) como no Brasil. Isso porque, como não existia um padrão para as unidades, cada pesquisador ou profissional utilizava o padrão que considerava melhor. Sistema Internacional de Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 Como diferentes pesquisadores utilizavam unidades de medida diferentes, existia um grande problema nas comunicações internacionais. Como poderia haver um acordo quando não se falava a mesma língua? Para resolver este problema, a Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM) criou o Sistema Internacional de Unidades (SI). O Sistema Internacional de Unidades (SI) é um conjunto de definições, ou sistema de unidades, que tem como objetivo uniformizar as medições. Na 14ª CGPM foi acordado que no Sistema Internacional teríamos apenas uma unidade para cada grandeza. No Sistema Internacional de Unidades (SI) existem sete unidades básicas que podem ser utilizadas para derivar todas as outras. Unidades Básicas do Sistema Internacional (SI) Aula 1 Mecânica dos Fluidos Grandeza Nome Símbolo Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo segundo s Intensidade de corrente elétrica ampère A Temperatura termodinâmica kelvin K Quantidade de substância mole mol Intensidade luminosa candela cd Resumo das Unidades BásicasAula 1 Mecânica dos Fluidos Unidade de comprimento - O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de 1 / 299 792 458 do segundo. Unidade de massa - O quilograma é a unidade de massa; é igual à massa do protótipo internacional do quilograma. Unidade de tempo - O segundo é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. Unidade de intensidade de corrente elétrica - O ampere é a intensidade de uma corrente constante que, mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível e colocados à distância de 1 metro um do outro no vácuo, produziria entre estes condutores uma força igual a 2 x 10-7 newton por metro decomprimento. Unidade de temperatura termodinâmica - O kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é a fração 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água. Unidade de quantidade de matéria - O mole é a quantidade de matériade um sistema contendo tantas entidades elementares quantos os átomos que existem em 0,012 quilograma de carbono 12. Quando se utiliza o mole, as entidades elementares devem ser especificadas e podem ser átomos, moléculas, íons, elétrons, outras partículas ou agrupamentos especificados de tais partículas. Unidade de intensidade luminosa - A candela é a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de freqüência 540x1012 hertz e cuja intensidade energética nessa direção é 1 / 683 watt por esterorradiano. Unidades Suplementares (Ângulos) Unidade de ângulo plano - O radiano (rad) é o ângulo plano compreendido entre dois raios de um círculo que, sobre a circunferência deste círculo, interceptam um arco cujo comprimento é igual ao do raio. Unidade de ângulo sólido - O esterorradiano (sr) é o ângulo sólido que, tendo seu vértice no centro de uma esfera, intercepta sobre a superfície desta esfera um área igual a de um quadrado que tem por lado o raio da esfera. Aula 1 Mecânica dos Fluidos Ângulo sólido esterorradiano sr m2.m-2 =1 Ângulo plano radiano rad m.m-1 = 1 Grandeza Nome Símbolo Unidades do SI Unidades Derivadas do (SI) Mecânica dos Fluidos Aula 1 As unidades derivadas do SI são definidas de forma que sejam coerentes com as unidades básicas e suplementares, ou seja, são definidas por expressões algébricas sob a forma de produtos de potências das unidades básicas do SI e/ou suplementares, com um fator numérico igual a 1. Várias unidades derivadas no SI são expressas diretamente a partir das unidades básicas e suplementares, enquanto que outras recebem uma denominação especial (Nome) e um símbolo particular. Se uma dada unidade derivada no SI puder ser expressa de várias formas equivalentes utilizando, quer nomes de unidades básicas/suplementares, quer nomes especiais de outras unidades derivadas SI, admite-se o emprego preferencial de certas combinações ou de certos nomes especiais, com a finalidade de facilitar a distinção entre grandezas que tenham as mesmas dimensões. Por exemplo, o 'hertz' é preferível em lugar do 'segundo elevado á potência menos um'; para o momento de uma força, o 'newton.metro' tem preferência sobre o joule. Tabela de Unidades DerivadasAula 1 Mecânica dos Fluidos Aceleração angular radiano por segundo ao quadrado rad/s2 Velocidade angular radiano por segundo rad/s Aceleração metro por segundo ao quadrado m/s2 Número de ondas metro á potencia menos um m-1 massa específica quilograma por metro cúbico kg/m3 Velocidade metro por segundo m/s m3Volume metro cúbico m2metro quadradoSuperfície SímboloNomeGrandeza Resumo das Unidades Derivadas Mecânica dos Fluidos Aula 1 Unidade de velocidade - Um metro por segundo (m/s ou m s-1) é a velocidade de um corpo que, com movimento uniforme, percorre, o comprimento de um metro em 1 segundo. Unidade de aceleração - Um metro por segundo quadrado (m/s2 ou m s-2) é a aceleração de um corpo, animado de movimento uniformemente variado, cuja velocidade varia, a cada segundo, de 1 m/s. Unidade de número de ondas - Um metro á potência menos um (m-1) é o número de ondas de uma radiação monocromática cujo comprimento de onda é igual a 1 metro. Unidade de velocidade angular - Um radiano por segundo (rad/s ou rad s-1) é a velocidade de um corpo que, com uma rotação uniforme ao redor de um eixo fixo, gira em 1 segundo, 1 radiano. Unidade de aceleração angular - Um radiano por segundo quadrado (rad/s2 ou rad s-2) é a aceleração angular de um corpo animado de uma rotação uniformemente variada, ao redor de um eixo fixo, cuja velocidade angular, varia de 1 radiano por segundo,em 1 segundo. Unidades Derivadas com Nomes eSímbolos Especiais Aula 1 Mecânica dos Fluidos m2 kg s-2 A-2Indutância henry H Wb A-1 Indução magnética tesla T Wb m2 kg s-2 A1 m2 kg s-2 A-1Fluxo magnético weber Wb V s Potencial elétrico força eletromotriz volt V W A-1 m2 kg s-3 A-1 Resistência elétrica ohm V A-1 m2 kg s-3 A-2 Capacitância elétrica farad F C V-1 m-2 kg-1 s4 A2 s ACcoulombQuantidade de eletricidade carga elétrica m2 kg s-3J s-1WwattPotência m2 kg s-2N mJjouleEnergia, trabalho, Quantidade de calor m-1 kg s-2N m-2PapascalPressão m kg s-2NnewtonForça s-1HzhertzFreqüência Expressão em unidades básicas SI Expressão em outras unidades SI Grandeza Nome Símbolo Resumo das UnidadesAula 1 Mecânica dos Fluidos Unidade de freqüência - Um hertz (Hz) é a freqüência de um fenômeno periódico cujo período é de 1 segundo. Unidade de intensidade de força - Um newton (N) é a intensidade de uma força que, aplicada a um corpo que tem uma massa de 1 quilograma, lhe comunica uma aceleração de 1 metro por segundo quadrado. Unidade de pressão - Um pascal (Pa) é a pressão uniforme que, exercida sobre uma superfície plana de área 1 metro quadrado, aplica perpendicularmente a esta superfície uma força total de intensidade 1 newton. Unidade de Energia, trabalho, Quantidade de calor - Um joule (J) é o trabalho realizado por uma força de intensidade 1 newton, cujo ponto de aplicação se desloca de 1 metro na direção da força. Unidade de potência, fluxo radiante - Um watt (W) é a potência que dá lugar a uma produção de Energia igual a 1 joule por segundo. Unidade de Quantidade de carga elétrica - Um coulomb (C) é a quantidade de carga transportada em 1 segundo por uma corrente elétrica de intensidade igual a 1 ampère. Unidade de potencial elétrico, força eletromotriz - Um volt (V) é a diferencia de potencial elétrico que existe entre dois pontos de um condutor elétrico que transporta uma corrente de intensidade constante de 1 ampère quando a potencia dissipada entre estes pontos é igual a 1 watt. Unidade de resistência elétrica - Um ohm (W) é a resistência elétrica que existe entre dois pontos de um condutor quando uma diferença de potencial constante de 1 volt aplicada entre estes dois pontos produz, nesse condutor, uma corrente de intensidade 1 ampère. (não há força eletromotriz no condutor). Resumo das Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 Unidade de capacitância elétrica - Um farad (F) é a capacitância de um capacitor elétrico que entre suas armaduras aparece uma diferença de potencial elétrico de 1 volt, quando armazena uma quantidade de carga igual a 1 coulomb. Unidade de fluxo magnético - Um weber (Wb) é o fluxo magnético que, ao atravessar um circuito de uma só espira produz na mesma uma força eletromotriz de 1 volt, quando se anula esse fluxo em um segundo por decaimento uniforme. Unidade de indução magnética - Um tesla (T) é a indução magnética uniforme que, distribuída normalmente sobre una superfície de área 1 metro quadrado, produz através desta superfície um fluxo magnético total de 1 weber. Unidade de indutância - Um henry (H) é a indutância elétrica de um circuito fechado no qual se produz uma força eletromotriz de 1 volt, quando a corrente elétrica que percorre o circuito varia uniformemente á razão de um ampère por segundo. Unidades Derivadas Usando Aquelas que tem Nomes Especiais no (SI) Aula 1 Mecânica dos Fluidos Intensidade de campo elétrico volt por metro V/m m kg s-3 A-1 Condutividade térmica watt por metro kelvin W/(m K) m kg s-3 K-1 m2 s-2 K-1J/(kg K)joule por quilograma. kelvinCapacidade térmica específica m2 kg s-2 K-1J/Kjoule por kelvinEntropia m-1 kgs-1Pa spascal segundoViscosidade dinâmica Expressão em unidades básicas SI SímboloNomeGrandeza Resumo das UnidadesAula 1 Mecânica dos Fluidos Unidade de viscosidade dinâmica - Um pascal segundo (Pa s) é a viscosidade dinâmica de um fluido homogêneo, no qual, o movimento retilíneo e uniforme de uma superfície plana de 1 metro quadrado, da lugar a uma força resistente de intensidade 1 newton, quando há uma diferença de velocidade de 1 metro por segundo entre dois planos paralelos separados por 1 metro de distância. Unidade de entropia - Um joule por kelvin (J/K) é oaumento de entropia de um sistema que recebe uma quantidade de calor de 1 joule, na temperatura termodinâmica constante de 1 kelvin, sempre que no sistema no tenha lugar nenhuma transformação irreversível. Unidade de capacidade térmica específica (calor específico) - Um joule por quilograma kelvin (J/(kg K) é a capacidade térmica específica de um corpo homogêneo com massa de 1 quilograma, no qual a adição de uma quantidade de calor de um joule, produz uma elevação de temperatura termodinâmica de 1 kelvin. Unidade de condutividade térmica - Um watt por metro kelvin (W/ m.K) é a condutividade térmica de um corpo homogêneo isótropo, no qual uma diferença de temperatura de 1 kelvin entre dois planos paralelos, de área 1 metro quadrado e distantes 1 metro, produz entre estes planos um fluxo térmico de 1 watt. Unidade de intensidade de campo elétrico - Um volt por metro (V/m) é a intensidade de um campo elétrico, que aplica uma força de intensidade 1 newton sobre um corpo eletrizado com quantidade de carga de 1 coulomb. Prefixos no Sistema InternacionalAula 1 Mecânica dos Fluidos deka da101 109 giga G 106 mega M 103 quilo k 102 hecto h Ttera1012 Ppeta1015 Eexa1018 Zzetta1021 Yyotta1024 SímboloNomeFator yocto y10-24 zzepto10-21 aatto10-18 ffemto10-15 ppico10-12 nnano10-9 µmicro10-6 mmilli10-3 ccenti10-2 ddeci10-1 SímboloNomeFator Tabela de Conversão de Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES: COMPRIMENTO cm m km in ft mi 1 centímetro (cm) 1 0,01 0,00001 0,3937 0,0328 0,000006214 1 metro (m) 100 1 0,001 39,3 3,281 0,0006214 1 quilômetro (km) 100000 1000 1 39370 3281 0,6214 1 polegada (in) 2,54 0,0254 0,0000254 1 0,08333 0,00001578 1 pé (ft) 30,48 0,3048 3,048 12 1 0,0001894 1 milha terrestre (mi) 160900 1609 1,609 63360 5280 1 Tabela de Conversão de Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES: MASSA g Kg slug u.m.a. onça lb ton 1 grama (g) 1 0,001 0,00006852 6,024x1023 0,03527 0,002205 0,000001102 1quilograma (Kg) 1000 1 0,06852 6,024x1026 35,27 2,205 0,001102 1 slug 14590 14,59 1 8,789x1027 514,8 32,17 0,01609 1 u.m.a. 1,66x10-24 1,66x10-27 1,137x10-28 1 5,855x10-26 3,66x10-27 1,829x10-30 1 onça 28,35 0,02835 0,001943 1,708x1025 1 0,0625 0,00003125 1 libra (lb) 453,6 0,4536 0,03108 2,732x1026 16 1 0,0005 1 ton 907200 907,2 62,16 5,465x1029 32000 2000 1 Tabela de Conversão de Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES: ÁREA m² cm² ft² in² 1 metro quadrado(m²) 1 10000 10,76 1550 1 centímetro quadrado(cm²) 0,0001 1 0,001076 0,1550 1 pé quadrado(ft²) 0,0929 929 1 144 1 polegada quadrada(in²) 0,0006452 6,452 0,006944 1 Tabela de Conversão de Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES: VOLUME m³ cm³ l ft³ in³ 1 metro cúbico(m³) 1 1000000 1000 35,31 61020 1 centímetro cúbico(cm³) 0,000001 1 0,001 0,00003531 0,06102 1 litro(l) 0,001 1000 1 0,03531 61,02 1 pé cúbico(ft³) 0,02832 28320 28,32 1 1728 1 polegada cúbica(in³) 0,00001639 16,39 0,01639 0,0005787 1 Tabela de Conversão de Unidades Mecânica dos Fluidos Aula 1 TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES: VÁRIOS Comprimento 1m=3,281pés=39,37pol Área 1m²=10,76pés²=1.550pol² Volume 1m³=35,3pés³=1.000litros Volume 1galão(USA)=3,8litros 1galão(GB)=4,5 litros Massa 1kg=2,2 lb 1lb=0,45kg 1 onça=28,35g Pressão 1atm=1,033kgf/cm²=14,7lbf/pol²(PSI) Pressão 1bar=100kPa=1,02atm=29,5polHg Energia 1kWh=860kcal 1kcal=3,97Btu Energia 1kgm=9,8J 1Btu=0,252kcal Potência 1kW=102kgm/s=1,36HP=1,34BHP=3.413Btu/h Potência 1TR=3.024kcal/h=200Btu/min=12.000Btu/h Temperatura ºF=32+1,8.ºC K=273+ºC R=460+ºF Mecânica dos Fluidos Aula 2 – Propriedades dos Fluidos Tópicos Abordados Nesta Aula Mecânica dos Fluidos Propriedades dos Fluidos. Massa Específica. Peso Específico. Peso Específico Relativo. Aula 2 Alfabeto Grego Mecânica dos Fluidos Aula 2 Propriedades dos Fluidos Mecânica dos Fluidos Aula 2 Algumas propriedades são fundamentais para a análise de um fluido e representam a base para o estudo da mecânica dos fluidos, essas propriedades são específicas para cada tipo de substância avaliada e são muito importantes para uma correta avaliação dos problemas comumente encontrados na indústria. Dentre essas propriedades podem-se citar: a massa específica, o peso específico e o peso específico relativo. Massa Específica Mecânica dos Fluidos Aula 2 Representa a relação entre a massa de uma determinada substância e o volume ocupado por ela. A massa específica pode ser quantificada através da aplicação da equação a seguir. onde, é a massa específica, m representa a massa da substância e V o volume por ela ocupado. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a massa é quantificada em kg e o volume em m³, assim, a unidade de massa específica é kg/m³. V m Peso Específico Mecânica dos Fluidos Aula 2 É a relação entre o peso de um fluido e volume ocupado, seu valor pode ser obtido pela aplicação da equação a seguir V W Como o peso é definido pelo princípio fundamental da dinâmica (2ª Lei de Newton) por , a equação pode ser reescrita do seguinte modo: m g V A partir da análise das equações é possível verificar que existe uma relação entre a massa específica de um fluido e o seu peso específico, e assim, pode-se escrever que: g onde, é o peso específico do fluido, W é o peso do fluido e g representa a aceleração da gravidade, em unidades do (SI), o peso é dado em N, a aceleração da gravidade em m/s² e o peso específico em N/m³. Peso Específico Relativo Mecânica dos Fluidos Aula 2 Representa a relação entre o peso específico do fluido em estudo e o peso específico da água. Em condições de atmosfera padrão o peso específico da água é 10000N/m³, e como o peso específico relativo é a relação entre dois pesos específicos, o mesmo é um número adimensional, ou seja não contempla unidades. r H2O Tabela de Propriedades dos Fluidos Mecânica dos Fluidos Aula 2 Líquido Massa Específica - (kg/m³) Peso Específico - (N/m³) Peso específico Relativo - r Água 1000 10000 1 Água do mar 1025 10250 1,025 Benzeno 879 8790 0,879 Gasolina 720 7200 0,720 Mercúrio 13600 136000 13,6 Óleo lubrificante 880 8800 0,880 Petróleo bruto 850 8500 0,850 Querosene 820 8200 0,820 Etanol 789 7890 0,789 Acetona 791 7910 0,791 Exercício 1 Mecânica dos Fluidos Aula 2 1) Sabendo-se que 1500kg de massa de uma determinada substância ocupa um volume de 2m³, determine a massa específica, o peso específico e o peso específico relativo dessa substância. Dados: H2O = 10000N/m³, g = 10m/s². Solução do Exercício 1 Mecânica dos Fluidos Aula 2 V m 2 1500 Massa Específica: 750 kg/m³ Peso Específico: g 750 10 7500 N/m³ Peso Específico Relativo: r H 2O 10000 7500 r r 0,75 Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Aula 2 2) Um reservatório cilíndrico possui diâmetro de base igual a 2m e altura de 4m, sabendo-se que o mesmo está totalmente preenchido com gasolina (ver propriedades na Tabela), determine a massa de gasolina presente no reservatório. Solução do Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Aula 2 bV A h h 4 V d 2 4 V 2 2 4 Volume do Reservatório V 12,56m³ Massa Específica 720kg/m³ (obtido na tabela de propriedades dosfluidos) m V m 720 12,56 V m m 9047,78kg Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 2 1) A massa específica de uma determinada substância é igual a 740kg/m³, determine o volume ocupado por uma massa de 500kg dessa substância. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 2 2) Sabe-se que 400kg de um líquido ocupa um reservatório com volume de 1500 litros, determine sua massa específica, seu peso específico e o peso específico relativo. Dados: H2O = 10000N/m³, g = 10m/s², 1000 litros = 1m³. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 2 3) Determinea massa de mercúrio presente em uma garrafa de 2 litros. (Ver propriedades do mercúrio na Tabela). Dados: g = 10m/s², 1000 litros = 1m³. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 2 4) Um reservatório cúbico com 2m de aresta está completamente cheio de óleo lubrificante (ver propriedaes na Tabela). Determine a massa de óleo quando apenas ¾ do tanque estiver ocupado. Dados: H2O = 10000N/m³, g = 10m/s². Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 2 5) Sabendo-se que o peso específico relativo de um determinado óleo é igual a 0,8, determine seu H2Opeso específico em N/m³. Dados: = 10000N/m³, g = 10m/s². Próxima Aula Mecânica dos Fluidos Estática dos Fluidos. Definição de Pressão Estática. Unidades de Pressão. Conversão de Unidades de Pressão. Aula 2 Mecânica dos Fluidos Aula 3 – Estática dos Fluidos, Definição de Pressão Tópicos Abordados Nesta Aula Mecânica dos Fluidos Estática dos Fluidos. Definição de Pressão Estática. Unidades de Pressão. Conversão de Unidades de Pressão. Aula 3 Estática dos Fluidos Mecânica dos Fluidos Aula 3 A estática dos fluidos é a ramificação da mecânica dos fluidos que estuda o comportamento de um fluido em uma condição de equilíbrio estático, ao longo dessa aula são apresentados os conceitos solução de problemas relacionados fundamentais para a quantificação e à pressão estática e escalas de pressão. Definição de Pressão Mecânica dos Fluidos Aula 3 A pressão média aplicada sobre uma superfície pode ser definida pela relação entre a força aplicada e a área dessa e pode ser numericamente pela aplicação da equação a superfície calculada seguir. P F A Unidade de Pressão no Sistema Internacional Mecânica dos Fluidos Aula 3 Como a força aplicada é dada em Newtons [N] e a área em metro ao quadrado [m²], o resultado dimensional será o quociente entre essas duas unidades, portanto a unidade básica de pressão no sistema internacional de unidades (SI) é N/m² (Newton por metro ao quadrado). A unidade N/m² também é usualmente chamada de Pascal (Pa), portanto é muito comum na indústria se utilizar a unidade Pa e os seus múltiplos kPa (quilo pascal) e MPa (mega pascal). Desse modo, as seguintes relações são aplicáveis: 1N/m² = 1Pa 1kPa = 1000Pa = 10³Pa 1MPa = 1000000Pa = 106Pa Outras Unidades de Pressão Mecânica dos Fluidos Aula 3 Na prática industrial, muitas outras unidades para a especificação da pressão também são utilizadas, essas unidades são comuns nos mostradores dos manômetros industriais e as mais comuns são: atm, mmHg, kgf/cm², bar, psi e mca. A especificação de cada uma dessas unidades está apresentada a seguir. atm (atmosfera) mmHg (milímetro de mercúrio) kgf/cm² (quilograma força por centímetro ao quadrado) bar (nomenclatura usual para pressão barométrica) psi (libra por polegada ao quadrado) mca (metro de coluna d’água) Tabela de Conversão de Unidades de Pressão Mecânica dos Fluidos Aula 3 Dentre as unidades definidas de pressão, tem-se um destaque maior para a atm (atmosfera) que teoricamente representa a pressão necessária para se elevar em 760mm uma coluna de mercúrio, assim, a partir dessa definição, a seguinte tabela para a conversão entre unidades de pressão pode ser utilizada. 1atm = 760mmHg 1atm = 760mmHg = 101230Pa 1atm = 760mmHg = 101230Pa = 1,0330 kgf/cm² 1atm = 760mmHg = 101230Pa = 1,0330 kgf/cm² = 1,01bar 1atm = 760mmHg = 101230Pa = 1,0330 kgf/cm² = 1,01bar = 14,7psi 1atm = 760mmHg = 101230Pa = 1,0330 kgf/cm² = 1,01bar = 14,7psi = 10,33mca Pressão Atmosférica e Barômetro de TorricelliAula 3 Mecânica dos Fluidos Sabe-se que o ar atmosférico exerce uma pressão sobre tudo que existe na superfície da Terra. A medida dessa pressão foi realizada por um discípulo de Galileu chamado Evangelista Torricelli, em 1643. Para executar a medição, Torricelli tomou um tubo longo de vidro, fechado em uma das pontas, e encheu-o até a borda com mercúrio. Depois tampou a ponta aberta e, invertendo o tubo, mergulhou essa ponta em uma bacia com mercúrio. Soltando a ponta aberta notou que a coluna de mercúrio descia até um determinado nível e estacionava quando alcançava uma altura de cerca de 760 milímetros. Acima do mercúrio, Torricelli logo percebeu que havia vácuo e que o peso do mercúrio dentro do tubo estava em equilíbrio estático com a força que a pressão do ar exercia sobre a superfície livre de mercúrio na bacia, assim, definiu que a pressão atmosférica local era capaz de elevar uma coluna de mercúrio em 760mm, definindo desse modo a pressão atmosférica padrão. O mercúrio foi utilizado na experiência devido a sua elevada densidade, se o líquido fosse água, a coluna deveria ter mais de 10 metros de altura para haver equilíbrio, pois a água é cerca de 14 vezes mais leve que o mercúrio. O Barômetro de Torricelli Mecânica dos Fluidos Aula 3 Dessa forma, Torricelli concluiu que essas variações mostravam que a pressão atmosférica podia variar e suas flutuações eram medidas pela variação na altura da coluna de mercúrio. Torricelli não apenas demonstrou a existência da pressão do ar, mas inventou o aparelho capaz de realizar sua medida, o barômetro como pode se observar na figura. Exercício 1 Mecânica dos Fluidos Aula 3 1) Uma placa circular com diâmetro igual a 0,5m possui um peso de 200N, determine em Pa a pressão exercida por essa placa quando a mesma estiver apoiada sobre o solo. Solução do Exercício 1 Mecânica dos Fluidos Aula 3 Área da Placa: Determinação da Pressão: 4 A d 2 4 0,52 A A 0,19625 m2 A P F 0,19625 200 P P 1019,1N/m2 P 1019,1Pa Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Aula 3 2) Determine o peso em N de uma placa retangular de área igual a 2m² de forma a produzir uma pressão de 5000Pa. Solução do Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Aula 3 Cálculo do Peso: A P F F P A F 5000 2 F 10000N A Força calculada corresponde ao peso da placa Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 3 1) Uma caixa d'água de área de base 1,2m X 0.5 m e altura de 1 m pesa 1000N que pressão ela exerce sobre o solo? a) Quando estiver vazia b) Quando estiver cheia com água Dados: H2O = 10000N/m³, g = 10m/s². Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 3 2) Uma placa circular com diâmetro igual a 1m possui um peso de 500N, determine em Pa a pressão exercida por essa placa quando a mesma estiver apoiada sobre o solo. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 3 3) Converta as unidades de pressão para o sistema indicado. (utilize os fatores de conversão apresentados na tabela). a) converter 20psi em Pa. b) converter 3000mmHg em Pa. c) converter 200kPa em kgf/cm². d) converter 30kgf/cm² em psi. e) converter 5bar em Pa. f) converter 25mca em kgf/cm². g) converter 500mmHg em bar. h) converter 10psi em mmHg. i) converter 80000Pa em mca. j) converter 18mca em mmHg. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 3 4) Converta as unidades de pressão para o sistema indicado. (utilize os fatores de conversão apresentados na tabela). a) converter 2atm em Pa. b) converter 3000mmHg em psi. c) converter 30psi em bar. d) converter 5mca em kgf/cm². e) converter 8bar em Pa. f) converter 10psi em Pa. Próxima Aula Mecânica dos Fluidos Teorema de Stevin. Princípio de Pascal. Aula 3 Mecânica dos Fluidos Teorema de Stevin Princípio de Pascal Teorema de Stevin Mecânica dos Fluidos O teorema de Stevin também é conhecido por teorema fundamental da hidrostática e sua definição é de grande importância para a determinação da pressão atuante em qualquer ponto de uma coluna de líquido. O teorema de Stevin diz que “A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos avaliados”, matematicamente essa relaçãopode ser escrita do seguinte modo: P h Aplicação do Teorema de Stevin Mecânica dos Fluidos Avaliando-se a figura, é possível observar que o teorema de Stevin permite a determinação da pressão atuante em qualquer ponto de um fluido em repouso e que a diferença de cotas h é dada pela diferença entre a cota do ponto B e a cota do ponto A medidas a partir da superfície livre do líquido, assim, pode- se escrever que: P g h h hB hA P PB PA g (hB hA ) Exercício 1 Mecânica dos Fluidos 1) Um reservatório aberto em sua superfície possui 8m de profundidade e contém água, determine a pressão hidrostática no fundo do mesmo. Dados: H2O = 10000N/m³, g = 10m/s². Solução do Exercício 1 Determinação da Pressão: P g h P h P 100008 P 80000Pa Princípio de Pascal Mecânica dos Fluidos O Principio de Pascal representa uma das mais significativas contribuições práticas para a mecânica dos fluidos no que tange a problemas que envolvem a transmissão e a ampliação de forças através da pressão aplicada a um fluido. O seu enunciado diz que: “quando um ponto de um líquido em equilíbrio sofre uma variação de pressão, todos os outros pontos também sofrem a mesma variação”. Aplicações do Princípio de Pascal Mecânica dos Fluidos Pascal, físico e matemático francês, descobriu que, ao se aplicar uma pressão em um ponto qualquer de um líquido em equilíbrio, essa pressão se transmite a todos os demais pontos do líquido, bem como às paredes do recipiente. Essa propriedade dos líquidos, expressa pela lei de Pascal, é utilizada em diversos dispositivos, tanto para amplificar forças como para transmiti- las de um ponto a outro. Um exemplo disso é a prensa hidráulica e os freios hidráulicos dos automóveis. Elevador Hidráulico Mecânica dos Fluidos Os elevadores para veículos automotores, utilizados em postos de serviço e oficinas, por exemplo, baseiam-se nos princípios da prensa hidráulica. Ela é constituída de dois cilindros de seções diferentes. Em cada um, desliza um pistão. Um tubo comunica ambos os cilindros desde a base. A prensa hidráulica permite equilibrar uma força muito grande a partir da aplicação de uma força porque as pequena. pressões Isso é possível sobre as duas superfícies são iguais (Pressão = Força / Área). Assim, a grande força resistente (F2) que age na superfície maior é equilibrada por uma pequena força motora (F1) aplicada sobre a superfície menor (F2/A2 = F1/A1) como pode se observar na figura. F1 F2 A1 A2 Exercício 2 Mecânica dos Fluidos 2) Na figura apresentada a seguir, os êmbolos A e B possuem áreas de 80cm² e 20cm² respectivamente. Despreze os pesos dos êmbolos e considere o sistema em equilíbrio estático. Sabendo-se que a massa do corpo colocado em A é igual a 100kg, determine a massa do corpo colocado em B. Solução do Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Força atuante em A: FA mA g AF 100 10 A FA FB AA AB 1000 FB 80 20 1000 20 80 FB FB mB g g m B FB 10 250 mB F 1000N Força atuante em B: FB 250N Massa em B: mB 25kg Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos 1) Qual a pressão, em kgf/cm2, no fundo de um reservatório que contém água, com 3m de profundidade? Faça o mesmo cálculo para um reservatório que contém gasolina (peso específico relativo = 0,72). Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos 2) O nível de água contida em uma caixa d’água aberta à atmosfera se encontra 10m acima do nível de uma torneira, determine a pressão de saída da água na torneira. Dados: H2O = 10000N/m³, g = 10m/s². Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos 3) As áreas dos pistões do dispositivo hidráulico mostrado na figura mantêm a relação 50:2. Verifica-se que um peso P colocado sobre o pistão maior é equilibrado por uma força de 30N no pistão menor, sem que o nível de fluido nas duas colunas se altere. Aplicando-se o principio de Pascal determine o valor do peso P. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos 4) A prensa hidráulica mostrada na figura está em equilíbrio. Sabendo-se que os êmbolos possuem uma relação de áreas de 5:2, determine a intensidade da força F. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos 5) Na prensa hidráulica mostrada na figura, os diâmetros dos tubos 1 e 2 são, respectivamente, 4cm e 20cm. Sendo o peso do carro igual a 10000N, determine: a) a força que deve ser aplicada no tubo 1 para equilibrar o carro. b) o deslocamento do nível de óleo no tubo 1, quando o carro sobe 20cm. Próxima Aula Mecânica dos Fluidos Manômetros. Manometria. Tópicos Abordados Nesta Aula Mecânica dos Fluidos Manômetros. Manometria. Definição de Manômetro Mecânica dos Fluidos Aula 5 O manômetro é o instrumento utilizado na mecânica dos fluidos para se efetuar a medição da pressão, no setor industrial existem diversos tipos e aplicações para os manômetros. Tipos de Manômetros Mecânica dos Fluidos a) Manômetros utilitários: Recomendo para compressores de ar, equipamentos pneumáticos, linhas de ar, de gases, de líquidos e instalações em geral. b) Manômetros industriais: São manômetros de construção robusta, com mecanismo reforçado e recursos para ajuste. São aplicados como componentes de quase todos os tipos de equipamentos industriais. c) Manômetros herméticos ou com glicerina: São manômetros de construção robusta, com mecanismo reforçado e recursos para ajuste. Com a caixa estanque, pode ser enchida com líquido amortecedor (glicerina ou silicone). Adaptam-se especialmente às instalações submetidas a vibrações ou pulsações da linha quando preenchida com líquido amortecedor. d) Manômetros de aço inoxidável: São manômetros totalmente feitos de aço inoxidável, caixa estanque, à prova de tempo, para aplicações nas indústrias petroquímicas, papel e celulose, alimentares, nos produtos corrosivos, nas usinas e outras que exijam durabilidade, precisão e qualidade. e) Manômetros petroquímicos: São manômetros de processo em caixa de aço inoxidável, fenol, alumínio fundido e nylon, com componentes em aço inoxidável, estanque, a prova de tempo, para aplicação nas indústrias petroquímicas, químicas, alimentícias, equipamentos industriais e outras que exijam durabilidade, precisão e qualidade. Tipos de Manômetros Mecânica dos Fluidos f) Manômetros de baixa pressão (mmca): São manômetros capsular de latão ou de aço inox, para medir pressões baixas, aplicadas nos equipamentos de respiração artificial, ventilação e ar condicionado, teste de vazamentos, queimadores, secadores, etc. Recomenda-se não operar diretamente com líquidos, pois estes alteram seu funcionamento. g) Manômetros de teste: Os manômetros de teste são aparelhos de precisão destinados a aferições e calibração de outros manômetros. Recomenda-se que o instrumento padrão seja pelo menos quatro vezes mais preciso que o instrumento em teste. h) Manômetros sanitários: Os manômetros com selo sanitário, são construídos totalmente de aço inoxidável para aplicações em indústrias alimentícias, químicas e farmacêuticas e nos locais onde se requerem facilidade de desmontagem para a limpeza e inspeção. A superfície plana da membrana corrugada de aço inoxidável evita a incrustação dos produtos. i) Manômetros de mostrador quadrado para painel: Os manômetros de mostrador quadrado são aparelhos especialmente concebidos para montagem embutida em painéis. j) Manômetros para freon: Os manômetros destinados especialmente à indústria de refrigeração, utilizam o Freon 11, 12, 13, 22, 114 e 502. Os mostradores desses manômetros possuem uma escala de equivalência em temperatura e pressão. Tipos de Manômetros Mecânica dos Fluidos k) Manômetros para amônia (NH3): São manômetros totalmente de aço inoxidável ou partes em contato com o processo em aço inox para trabalhar com gás de amônia. Os mostradores desses manômetros possuem uma escala de equivalência em temperatura e pressão. l) Manômetros de duplaação: São manômetros construídos especialmente para indicar as pressões no cilindro e no sistema de freios pneumáticos de locomotivas ou poderá ser usado para fins industriais. O manômetro compõe- se na realidade de dois sistemas independentes em que os eixos dos ponteiros são coaxiais para indicar duas pressões. m) Manômetros diferencial: O elemento elástico deste aparelho é composto de um conjunto de 2 foles ou tubo - bourdon em aço inoxidável, recebendo de um lado, a pressão alta, e do outro a baixa pressão. O deslocamento relativo do conjunto dos foles ou tubo - bourdon movimenta o mecanismo e o ponteiro indicará diretamente a pressão diferencial. n) Manômetros com contato elétrico: São projetados para serem adaptados aos manômetros para ligar, desligar, acionar alarmes ou manter a pressão dentro de uma faixa. o) Manômetros com selo de diafragma: Os selos de diafragma são utilizados nos manômetros para separar e proteger o instrumento de medição do processo. Aplicadas nas instalações em que o material do processo seja corrosivo, altamente viscoso, temperatura excessiva, material tóxico ou perigoso, materiais em suspensão, etc. p) Manômetros com transmissão mecânica: Os manômetros com transmissão mecânica (MEC) funcionam sem o tubo - bourdon, o elemento sensor é a própria membrana. Recomendado para trabalhar com substâncias pastosas, líquidas e gases, e nas temperaturas excessivas onde o fluído não entra em contato com o instrumento. As vantagens dos manômetros com transmissão mecânica em relação aos outros, incluem uma menor sensibilidade aos efeitos de choque e vibrações e os efeitos de temperaturas são reduzidos além de facilidade de manutenção. q) Manômetros digitais: Podem ser utilizados em sistemas de controle de processos, sistemas pneumáticos, sistemas hidráulicos, refrigeração, instrumentação, compressores, bombas, controle de vazão e medição de nível. r) Manômetro de mercúrio: Utilizado em diversos processos, sua principal característica é a utilização de fluidos manométricos como por exemplo mercúrio. Determinação da Pressão Mecânica dos Fluidos Aula 5 P1 PA P2 1 h1 PA P2 1 g h1 PA PA P2 1 g h1 P2 P3 P2 P3 1 g h1 PA PA P3 1 g h1 P4 P3 2 h2 P4 P3 2 g h2 P4 1 g h1 PA 2 g h2 0 1 g h1 2 g h2 PA PA 2 g h2 1 g h1 Ponto 2: Para se determinar a pressão do ponto A em função das várias alturas das colunas presentes na figura aplica-se o teorema de Stevin em cada um dos trechos preenchidos com o mesmo fluido. Ponto 3: Ponto 4: Exercício 1 Mecânica dos Fluidos Aula 5 1) No manômetro diferencial mostrado na figura, o fluido A é água, B é óleo e o fluido manométrico é mercúrio. Sendo h1 = 25cm, h2 = 100cm, h3 = 80cm e h4 = 10cm, determine qual é a diferença de pressão entre os pontos A e B. Dados: h20 = 10000N/m³, Hg = 136000N/m³, óleo = 8000N/m³. água óleo mercúrio Solução do Exercício 1 Mecânica dos Fluidos Aula 5 Ponto 1: água óleo mercúrio água óleo mercúrio (1) (2) (3) h2o 1P1 PA h Hg h2 PB P3 óleo h3 óleo h3PB PA h 2o h1 Hg h2 óleo h3PB PA h 2o h1 Hg h2 PB PA 10000 0,25136000 1 8000 0,8 PB PA 132100Pa Ponto 2: P2 P1 Hg h2 P2 PA h 2o h1 P3 PA h 2o h1 Hg h2 Diferença de pressão: Ponto 3: P3 P2 Mesmo fluido e nível Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Aula 5 2) O tubo A da figura contém tetracloreto de carbono com peso específico relativo de 1,6 e o tanque B contém uma solução salina com peso específico relativo da 1,15. Determine a pressão do ar no tanque B sabendo-se que a pressão no tubo A é igual a 1,72bar. Solução do Exercício 2 Mecânica dos Fluidos Aula 5 (1) (2) (3) (4) (5) 1 P 157991,68Pa P2 P1 2 0,93 2 SSP P P4 P3 1,225 4 SSP P 1,72 101230 PA 1,01 PA 172391,68Pa TC rTC h2o TC TC 1,6 10000 16000N/m³ SS SS Pressão em A: 1,01bar = 101230Pa 1,72bar = PA Peso específico: Tetracloreto: Solução Salina: SS rSS h2o 1,15 10000 11500N/m³ Determinação da Pressão: Ponto 1: P1 PA TC 0,9 P1 172391,68160000,9 Ponto 2: P 157991,68Pa Mesmo fluido e nível Ponto 3: P5168341,6811500 1,22 P5 154311,68Pa P4 168341,68Pa Ponto 5: P3157991,68 11500 0,9 P3 168341,68Pa Ponto 4: Mesmo fluido e nível Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 5 1) O manômetro em U mostrado na figura contém óleo, mercúrio e água. Utilizando os valores indicados, determine a diferença de pressões entre os pontos A e B. Dados: h20 = 10000N/m³, Hg = 136000N/m³, óleo = 8000N/m³. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 5 2) A pressão da água numa torneira fechada (A) é de 0,28 kgf/cm2. Se a diferença de nível entre (A) e o fundo da caixa é de 2m, Calcular: a) a altura da água (H) na caixa. b) a pressão no ponto (B), situado 3m abaixo de (A). Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 5 3) Um manômetro diferencial de mercúrio (massa específica 13600kg/m3)é utilizado como indicador do nível de uma caixa d'água, conforme ilustra a figura abaixo. Qual o nível da água na caixa (hl) sabendo-se que h2 = 15m e h3 = 1,3m. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 5 4) Qual o peso específico do líquido (B) do esquema abaixo: Próxima Aula Mecânica dos Fluidos Solução de Exercícios - Manometria. Manômetros em U. Manômetros Diferenciais. Aula 5 Mecânica dos Fluidos Aula 6 – Manômetros Tópicos Abordados Nesta Aula Mecânica dos Fluidos Solução de Exercícios - Manometria. Manômetros em U. Manômetros Diferenciais. Aula 6 Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 6 1) Na figura abaixo, o tubo A contém óleo (r = 0,80) e o tubo B, água. Calcular as pressões em A e em B. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 6 2) A figura abaixo apresenta esquematicamente um manômetro diferencial. Pede-se a diferença de pressões entre os pontos A e B em Pascal, conhecendo-se os seguintes dados de peso específico relativo e alturas: Peso específico relativo: r l = r 5 = 1; r 2 = 13,6; r 3 = 0,8; r 4 = 1,2. Alturas: z1 = 1,0 m; z2 = 2,0 m; z3 = 2,5 m; z4 = 5,0 m; z5 = 6,0 m. Exercícios Propostos Mecânica dos Fluidos Aula 6 3) Um tubo em “U”, cujas extremidades se abrem na atmosfera, está cheio de mercúrio na base. Num ramo, uma coluna d’água eleva-se 750mm acima do mercúrio, no outro, uma coluna de óleo (peso específico relativo = 0,80) tem 450mm acima do mercúrio. Qual a diferença de altura entre as superfícies livres de água e óleo?
Compartilhar