Introdução à Hidráulica e Propriedades dos Líquidos

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Centro Universitário Jorge Amado
SISTEMAS HIDRÁULICOS
Salvador- BA, Agosto de 2014
Msc. Gustavo André Cabral
Centro Universitário Jorge Amado
INTRODUÇÃO
Salvador- BA, Agosto de 2014
Msc. Gustavo André Cabral
01. INTRODUÇÃO E PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS:
 1.1.1. HIDRÁULICA - CONCEITO
 
Etimologicamente a palavra hidráulica significa “condução de água” e vem do grego hydor = água e aulos = condução. 
Modernamente, entretanto, é conceituada como a ciência que estuda o comportamento dos líquidos em repouso e em movimento.
1.1.2. HISTÓRIA
São inúmeras as estruturas hidráulicas voltadas para o abastecimento humano e para a irrigação construídas em tempos remotos, ainda existentes. Dentre várias, se destaca o dique com centenas de quilômetros construídos por Ramsés III, há mais de 2.000 anos antes de cristo, ao longo da margem esquerda do Rio Nilo, o que permitiu a irrigação dos férteis vales do Egito, garantindo farta produção de alimentos e prosperidade para aquele povo.
A água seja para abastecimento humano, dessedentação animal, irrigação, produção de energia, para processamento de produtos in natura ou industrializados, piscicultura, etc. apresentou um papel fundamental para o desenvolvimento histórico da humanidade. 
1.1.2. HISTÓRIA
Na medida em que a humanidade evoluía, avançavam os métodos de armazenamento e transporte da água, capitaneados pelos avanços tecnológicos obtidos, graças aos estudos aplicados da hidráulica desenvolvidos por abnegados cientistas, ainda hoje atuais, mesmo com o advento dos modernos computadores com os seus mais avançados softwares.
A hidráulica moderna ficou muito facilitada com o uso dos programas de computador específicos. Porém os princípios que regem as leis da hidráulica, desenvolvidos por aqueles cientistas continuam prevalecendo até os dias atuais. A partir da compreensão dessas leis, desenvolveremos o nosso curso.
 
HIDRÁULICA URBANA OU SANITÁRIA 
 HIDRÁULICA AGRÍCOLA
 HIDRÁULICA PLUVIAL
 HIDRÁULICA SUBTERRÂNEA
 HIDRÁULICA APLICADA A GRANDES ESTRUTURAS
	
HIDRÁULICA APLICADA OU HIDROTÉCNICA 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.1. MOBILIDADE
 Os líquidos apresentam volumes bem definidos, o mesmo não ocorrendo quanto a sua forma, uma vez que se amoldará àquela do recipiente que o contém, graças a sua mobilidade. Os líquidos apresentam a propriedade de se deformar continuamente sob a ação de forças externas, graças à grande mobilidade de sua massa.
 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.2. ISOTROPIA
 
Segundo Pascal “a pressão em um ponto qualquer no interior de uma massa líquida em repouso é a mesma em todas as direções”. È este o fato que explica uma molécula de água ficar estática no meio de uma massa líquida em repouso, sugerindo a existência de forças antagônicas em todas as direções (Vide desenho 1, abaixo). A Lei de Pascal também sugere que a pressão nos líquidos pode se dar em qualquer sentido: vertical ascendente e descendente, horizontal ou inclinado, conforme desenho 2, abaixo.
 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.2. ISOTROPIA
 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.3. MASSA ESPECÍFICA (ρ)
A massa específica de um líquido (ρ) é a sua massa por unidade de volume. È uma grandeza normalmente expressa em kg/m³ ou g/cm³.
 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.3. MASSA ESPECÍFICA (ρ)
QUADRO 2.3. Massa específica (ρ) de líquidos típicos a p = 1 atm
 
LíquidoKg/m³
LíquidoKg/m³
Água(4 °C) 1000
Mercúrio (15°C) 13600
Água(25 °C) 997,1
ÁlcoolEtílico(20°C) 788
Água domar (15 °C) 1022 à 1030
Glicerena1260
Acetona 790
Gasolina 660à 740
Leite 1020 à 1050
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.4. PESO ESPECÍFICO (γ)
O peso específico de um líquido (γ) é o seu peso por unidade de volume. Sua grandeza no sistema internacional de unidades (SI) é N/m². No entanto, a unidade kgf/m³ no sistema técnico de unidades (ST) é mais usual, sendo válida a equivalência: 1 kgf/m³, =g. N/m³, sendo g = aceleração da gravidade, igual a 9,81 m/s².
O peso específico é uma propriedade muito importante na hidráulica, variando de acordo com o valor local da aceleração da gravidade.
Na prática, adota-se ρ = 1.000 kg/m³ e γ = 1.000 kgf/m³ para a água. 
 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.5. DENSIDADE (d)
Densidade relativa, ou simplesmente densidade, de um líquido é definida como sendo a razão entre a sua massa específica (ρ) de um líquido e a massa específica de um líquido padrão. 
Como peso e massa são coincidentes e, em razão de no nosso curso trabalharmos, na maioria dos casos, com peso, podemos, para facilidade de cálculo, admitir que a densidade é a relação entre o peso específico (γ) de um líquido e o peso específico de um líquido padrão.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.5. DENSIDADE (d)
O líquido padrão adotado é a água a 4°C de temperatura, submetida a 1 atm de pressão e 9,81m/s² de aceleração da gravidade, cujo valor, nestas condições, é de 1.000 kgf/m³.
 Os dados relativos de pressão e de aceleração da gravidade devem ser adotados para obter o peso específico do líquido que se deseja calcular a sua densidade. Assim:
dlíquido = (γlíquido na temperatura indicada, c/1 atm e 9,81m/s2) /(γágua 4ºC c/1 atm e 9,81m/s2)
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.5. DENSIDADE (d)
Observe que tendo-se o peso específico do líquido, ter-se-á a sua densidade e vice-versa. Assim, um óleo lubrificante com densidade (d) igual a 0,90, apresenta um peso específico (γ) de 900 kgf/m³. 
Da mesma forma, um óleo lubrificante com peso específico (γ) de 883 kgf/m³, apresenta uma densidade (d) igual a 0,883.
Observe que a densidade é adimensional, em razão das unidades no numerador e denominador serem iguais (kgf/m³).
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.6. COMPRESSIBILIDADE
É definida como a capacidade que tem os líquidos de diminuir de volume quando submetidos aos esforços de compressão; conseqüentemente ocorre um aumento da sua massa específica.
Nos líquidos, as mudanças que ocorrem na sua pressão, na maioria dos problemas hidráulicos, não são suficientemente grandes para produzirem alterações de seu volume ou na sua massa específica. 
Por essa razão, nos problemas práticos, os líquidos são tratados como não compressíveis. No entanto, quando ocorrem mudanças bruscas de velocidade de escoamento, podem ser geradas forças inerciais de grande magnitude, de forma que os efeitos da compressibilidade não podem ser desconsiderados, com acontece no golpe de aríete.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.7. ELASTICIDADE
É definida como a capacidade que tem os líquidos de aumentar de volume quando submetidos a um esforço de tração. Os mesmos princípios físicos e observações apresentadas para a compressibilidade se aplicam à elasticidade.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.8. VISCOSIDADE
 
Esta propriedade física determina a intensidade da resistência oposta por um líquido à ação de uma força cisalhante e se deve às forças de coesão entre suas moléculas.
A viscosidade representa a resistência oposta pelas camadas do líquido ao seu escorregamento.
 
Existem dois tipos de viscosidade: a dinâmica e a estática.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.8.1. VISCOSIDADE DINÂMICA (μ)
 
A viscosidade dinâmica (μ) representa a força por unidade de área (tensão de cisalhamento) necessária ao arrastamento de uma camada de líquido em relação à outra camada do mesmo líquido, dela espaçada de uma distancia unitária e dotada de velocidade também unitária. Assim:
 μ = τ/(∆V//(∆Z)
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.8.1. VISCOSIDADE DINÂMICA (μ)
 
No SI, a unidade de μ é N.s/m², que é equivalente a kg/m.s.
A viscosidade dinâmica tem pouca aplicação
no campo da hidráulica, na qual se utiliza, basicamente, a viscosidade cinemática, conforme descrição a seguir.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.8.2. VISCOSIDADE CINEMÁTICA (ν)
 
A viscosidade cinemática (ν) é dada pela razão entre viscosidade dinâmica e a massa específica do líquido.
 
 ν = μ/ ρ
A viscosidade dinâmica e cinemática dos líquidos diminui com o aumento de temperatura e vice-versa. A viscosidade ocupa papel destacado no processo de escoamento dos líquidos.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.9. COESÃO
 
As forças de coesão decorrem da atração entre moléculas de mesma natureza. Dão-se na escala molecular e são decorrentes da ação de forças de curto alcance, como as forças de Van der Waals e as pontes de hidrogênio. 
Estes princípios físicos se aplicam também às forças de adesão, tensão superficial e capilaridade.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.10. ADESÃO
É a propriedade que os líquidos possuem de se unirem a outras de natureza diferente.
A visualização dos efeitos destas duas últimas propriedades se dá nos exemplos a seguir. É comum o fenômeno de a água molhar o vidro, espalhando-se sobre ele, enquanto o mesmo não acontece com o mercúrio. 
No primeiro caso, a adesão entre a água e o vidro é maior que a coesão molecular da água; no segundo caso, a coesão molecular do mercúrio suplanta a sua força de adesão ao vidro.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.11. TENSÃO SUPERFICIAL (σ)
A ação da tensão superficial (σ) pode ser verificada na interface (superfície de separação) de dois fluídos não miscíveis, destacando-se aquela formada pela água e o ar atmosférico.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.11. TENSÃO SUPERFICIAL (σ)
A explicação física da origem da tensão superficial é relativamente simples. Uma molécula de água dentro de certa massa é, em média, atraída igualmente em todas as direções pela coesão das moléculas vizinhas, ocorrendo, por conseqüência, um equilíbrio de forças.
 No entanto, naquelas moléculas situadas na superfície de separação, as forças de adesão da água com o ar são menores que as forças de coesão molecular da água, o que gera um desbalanceamento de forças.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.11. TENSÃO SUPERFICIAL (σ)
Como efeito prático deste desequilíbrio de forças, as moléculas de água situadas na interface são “puxadas” para dentro da massa líquida, fazendo com que ela se comporte como uma membrana elástica sob tensão.
A tensão superficial é função da natureza dos fluídos e da temperatura, diminuindo com o aumento desta. Em termos dimensionais, ela representa uma energia por unidade de área, dada em N/m. 
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.12 CAPILARIDADE
Os fenômenos capilares são uma conseqüência da tensão superficial dos fluídos e das forças de adesão e coesão. Quando se mergulha um capilar em um líquido, observa-se que, no equilíbrio, os níveis de dentro e de fora do tubo capilar não são os mesmos. Duas situações podem ocorrer:
1ª) Quando a coesão entre as moléculas do líquido é superada pelas forças de adesão ao capilar, observa-se que o nível interno fica acima do externo e que a superfície livre do fluído (interface líquido-ar) apresenta forma côncava. Isto ocorre quando se introduz um capilar através da superfície de água. Vide figura a seguir:
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.12 CAPILARIDADE
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.12 CAPILARIDADE
2ª) Quando a coesão entre as moléculas do líquido supera a de adesão ao capilar, observa-se a situação inversa e que a superfície livre do líquido no capilar toma forma convexa. Este fato se dá quando se introduz um capilar no mercúrio. Vide figura abaixo.
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.12 CAPILARIDADE
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.13. PRESSÃO DE VAPOR
 
Representa a pressão parcial criada pelas moléculas de vapor de líquido quando confinadas em ambiente fechado. A pressão de vapor depende da temperatura do líquido, sendo diretamente proporcional a esta, isto é, aumenta ou diminui com o aumento ou diminuição da temperatura. 
Na hidráulica a determinação da pressão de vapor tem particular interesse na análise das condições de funcionamento das tubulações de sucção das bombas centrífugas. Um exemplo prosaico da pressão de vapor é o da panela de pressão, conforme vemos na figura abaixo:
2. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS
 
2.13. PRESSÃO DE VAPOR