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PROF.º MS. OMAR FERREIRA VILELA OVVILELA@GLOBO.COM FUNDAMENTOS DA MECÂNICA DOS FLUIDOS CURSO: ENGENHARIA QUÍMICA MECÂNICA DOS FLUIDOS EMENTA - Propriedades dos fluidos; - Fluidoestática (Hidrostática); - Equações fundamentais de conservação de massa, energia e momento; - Escoamento laminar e turbulento - Escoamento interno de fluidos incompressíveis, viscosos e não viscosos; - Aplicação de bombas; - Análise Dimensional. . OBJETIVOS Ao terminar a exposição desta aula você deverá ser capaz de: - Compreender os conceitos básicos da mecânica dos fluidos; - Reconhecer os vários tipos de problemas de escoamento de fluidos encontrados na prática; - Modelar problemas de engenharia e resolvê-los de maneira sistemática; - Ter conhecimento prático da viscosidade e as consequências dos efeitos do atrito que ela causa no escoamento de fluidos; -Ter conhecimento prático das propriedades básicas dos fluidos; FUNDAMENTOS DA MECÂNICA DOS FLUIDOS FUNDAMENTOS DA MECÂNICA DOS FLUIDOS PRE-REQUISITOS Para se ter um bom aproveitamento deste conteúdo, é importante relembrar os conceitos de: - Leis de Newton; - Energia e trabalho; - Álgebra Vetorial; - Calorimetria; - Termodinâmica. Sistemas e Conversões de Unidades. Problemas da Engenharia: resposta deve apresentar dimensões e unidades. Unidades básicas: demais unidades do sistema de unidades derivam delas. Sistema preferencial: SI (INMETRO) INTRODUÇÃO Fatores de Conversões de Unidades INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO O estudo em Mecânica dos Fluidos tem aplicações de grande importância no campo da engenharia. É indispensável para projetos, operação e otimização de processos e equipamentos. Trata basicamente do transporte de grandezas físicas como “quantidade de momento”, “energia” e “massa” de um ponto a outro do espaço. CONCEITOS BÁSICOS CONCEITOS BÁSICOS APLICAÇÕES - Engenharia Civil e Arquitetura: Hidráulica, Hidrologia e conforto térmico de edificações; - Engenharia Sanitária e Ambiental: estudo da difusão de poluentes e tratamento de resíduos; - Engenharia Elétrica – Eletrônica: cálculo da dissipação térmica e de potência; - Engenharia Mecânica: Usinagem, tratamento térmico, máquinas hidráulicas, máquinas térmicas (motores e refrigeração) e Aeronáutica ( aerodinâmica); - Engenharia da Produção: otimização de processos, transporte de fluidos e de material, troca de calor e estudo do ciclo de vida CONCEITOS BÁSICOS DEFINIÇÃO DE FLUIDO Fluido é a substância que se deforma continuamente sob a ação de um esforço (tensão) tangencial, não importando quão diminuto seja este esforço. Tensão normal x tangencial. = Ft / A (cisalhamento) = FN/A (normal ou pressão) CONCEITOS BÁSICOS Portanto, a distinção entre um sólido e um fluido é baseada na capacidade da substância resistir a uma tensão de cisalhamento (ou tangencial) aplicada, que tende a deformar. O sólido resiste à tensão de cisalhamento aplicada deformando-se, ao passo que o fluido deforma-se continuamente. Nos sólidos a tensão tangencial é proporcional à deformação. Nos fluidos a tensão é proporcional à taxa de deformação. CONCEITOS BÁSICOS • Líquidos: maiores forças coesivas. Apresentam a capacidade de permanecer em um recipiente aberto, formando uma superfície livre sob a ação de g. • Gases: menores forças coesivas. Moléculas mais afastadas. Deformam continuamente até encontrarem parede de confinamento. Fluidos: ρ = f(P,T) Na prática Líquidos: ρ» f(T) {incompressíveis} Em geral: ρ liq > ρ gas Água: CONCEITOS BÁSICOS CONCEITOS BÁSICOS CONDIÇÃO DE NÃO-ESCORREGAMENTO O escoamento do fluido geralmente é confinado por superfícies sólidas e é importante compreender como a presença da superfície sólida afeta o escoamento do fluido. Vamos considerar o escoamento de um fluido num cano estacionário ou em uma superfície sólida não porosa. Todas as observações experimentais indicam que um fluido em movimento para totalmente na superfície e assume velocidade zero em relação a superfície. CONCEITOS BÁSICOS Ou seja, um fluido em contato direto com um sólido gruda” na superfície devido aos efeitos viscosos e não há escorregamento. Tal fato é conhecido como condição de não- escorregamento CONDIÇÃO DE NÃO-ESCORREGAMENTO CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 1.0 - Escoamento Interno x Externo O escoamento dos fluidos é classificado como interno ou externo, dependendo do fato de o fluido ser forçado a escoar num canal confinado ou sobre uma superfície. CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 1.0 - Escoamento Interno x Externo Os escoamentos líquidos em um tubo é chamado de escoamento de canal aberto se o duto estiver apenas parcialmente cheio com o líquido e houver uma superfície livre. CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 1.0 - Escoamento Interno x Externo O escoamento de água em um cano, por exemplo, é um escoamento interno se a água está preenchendo toda a tubulação. CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 2.0 - Escoamento Compressível x Incompressível O escoamento é classificado como compressível ou incompressível dependendo do nível de variação da densidade durante o escoamento. A incompressibilidade é uma aproximação, e um escoamento é dito incompressível se a densidade permanecer aproximadamente constante em todos os lugares. Líquidos são essencialmente incompressíveis CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 3.0 - Escoamento Laminar x Turbulento Podemos observar em nosso dia a dia, que alguns escoamentos são suaves e ordenados enquanto outros são um tanto caóticos CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 3.0 - Escoamento Laminar x Turbulento O movimento altamente ordenado dos fluidos caracterizado por camadas suaves do fluido é denominado escoamento laminar. O movimento altamente desordenado dos fluidos que ocorre em velocidades altas e é caracterizado por flutuações de velocidade é chamado de escoamento turbulento. CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS CONCEITOS BÁSICOS 4.0 - Escoamento Natural x Forçado Um escoamento é dito forçado quando o fluido é obrigado a fluir sobre uma superfície ou em um tubo com o uso de meios externos como uma bomba ou uma ventoinha. Nos escoamentos naturais qualquer movimento do fluido é devido a meios naturais levados por forças de empuxo devido a variação da densidade do fluido. CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS CONCEITOS BÁSICOS 4.0 - Escoamento Natural x Forçado Transporte natural de fluidos Transporte forçado de fluidos CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 5.0 - Escoamento Regime Permanente x Transiente Os termos “em regime permanente e uniforme” são usados frequentemente na engenharia e assim é importante ter uma compreensão clara de seus significados. O termo “Permanente” significa não haver mudança com o passar do tempo.(Tempo) Já o termo “Uniforme” diz não haver mudança com a localização em uma região especificada.(Espaço) CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS CONCEITOS BÁSICOS 5.0 - Escoamento Regime Permanente x Transiente O escoamento transiente é aquele escoamento que está se desenvolvendo. Por exemplo: quando se dá a partida de um motor elétrico a corrente, chamada de corrente de partida, atinge um valor que pode ser até dez vezes a corrente nominal de trabalho do motor. Durante este intervalo de tempo os parâmetros elétrico, magnéticos e inercias são inconstantes. CLASSIFICAÇÃODE ESCOAMENTO DE FLUIDOS CONCEITOS BÁSICOS 6.0 – Sistema x Volume de Controle Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou região do espaço escolhida para estudo. A massa ou região fora do sistema é chamada de vizinhança. A superfície real ou imaginária que separa o sistema da vizinhança é chamada de fronteira. CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS CONCEITOS BÁSICOS A fronteira de um sistema pode ser fixa ou móvel. Os sistemas podem ser fechados ou abertos. Um sistema fechado (massa de controle) consiste em uma quantidade fixa de massa, e nenhuma quantidade de massa pode cruzar a sua fronteira. Porém, a energia sob forma de calor ou trabalho podem cruzar a fronteira 6.0 – Sistema x Volume de Controle CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 6.0 – Sistema x Volume de Controle (VC) Um sistema aberto ou volume de controle é uma região do espaço selecionada apropriadamente. Em geral compreende um dispositivo que inclui escoamento de massa. Tanto energia como massa podem cruzar a fronteira do volume de controle (VC). CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 6.0 – Sistema x Volume de Controle Um volume de controle pode ser fixo ou móvel. A maioria dos VC tem fronteiras fixas e não inclui quaisquer fronteiras móveis. CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 7.0 - Escoamento Viscoso x Não-Viscoso Quando duas camadas fluidas movem-se uma em relação à outra, desenvolve-se uma força de atrito entre elas e a camada mais lenta tenta reduzir a velocidade da camada mais rápida. Vamos verificar um experimento onde uma placa móvel desliza sobre uma camada fluida limitada por uma placa fixa. CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS Ao aplicar uma força constante na placa móvel era de se esperar que está placa ganhasse aceleração constante a todo o momento. Neste experimento foi observado que, a partir de um certo tempo, a placa atinge um valor constante de velocidade. CONCEITOS BÁSICOS 𝐹 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 7.0 - Escoamento Viscoso x Não-Viscoso Tal resistência interna ao escoamento é quantificada pela propriedade do fluido chamada de viscosidade, que é uma medida da aderência interna do fluido. A viscosidade é causada por forças coesivas entre as moléculas num líquido e por colisões moleculares nos gases. Os escoamentos onde os efeitos do atrito são significativos chama-se de escoamento viscoso CONCEITOS BÁSICOS CLASSIFICAÇÃO DE ESCOAMENTO DE FLUIDOS 7.0 - Escoamento Viscoso x Não-Viscoso Entretanto, em muitos escoamentos de interesse prático, há regiões onde as forças viscosas são desprezíveis comparadas com as forças inerciais e de pressão. Fluido viscoso: formação da camada limite PROPRIEDADES DOS FLUIDOS VISCOSIDADE DINÂMICA (). “Indicação da dificuldade de um fluido em escoar.” Quando dois corpos sólidos em contato se movimentam um em relação ao outro, desenvolve-se uma força de atrito na superfície de contato, em direção oposta ao movimento. 𝑁 𝐹𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜 𝐹𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑃 𝐹𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 𝑉𝑏𝑙𝑜𝑐𝑜 𝑉𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝐹𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 VISCOSIDADE DINÂMICA (). Um situação semelhante acontece com o fluido. Movemo-nos com relativa facilidade no ar, mas não tanto na água! No óleo é ainda mais difícil!!! Parece haver uma propriedade que representa a resistência interna do fluido ao movimento, e, essa propriedade é a viscosidade. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Vamos encontrar uma relação para a viscosidade!! Voltando ao exemplo anterior, onde foi encontrada a força viscosa, quando aplicamos a 1ª lei de Newton. Observou-se que, o fluido em contato com a parte superior da placa prende-se à superfície da placa e move-se com ela a mesma velocidade. VISCOSIDADE DINÂMICA (). PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Tal fato, impõe ao sistema uma condição de equilíbrio dinâmico. A tensão de cisalhamento é definida como a relação da força tangencial (viscosa) pela área de contato entre a placa e o fluido(A). 𝝉 = 𝑭𝒗𝒊𝒔𝒄𝒐𝒔𝒂 𝑨𝒑𝒍𝒂𝒄𝒂 VISCOSIDADE DINÂMICA (). PROPRIEDADES DOS FLUIDOS VISCOSIDADE DINÂMICA (). O fluido em contato com a placa inferior assume a velocidade daquela placa, que é nula. Em um escoamento laminar estacionário, a velocidade do fluido entre as placas varia linearmente entre 0 e 𝑉, e assim o perfil da velocidade e o gradiente da velocidade são: 𝒖 𝒚 = 𝒚 𝒍 𝑽 𝒅𝒖 𝒅𝒚 = 𝑽 𝒍 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS 𝑵 𝑵′ 𝑑𝑎 𝑑𝛽 𝑴 VISCOSIDADE DINÂMICA (). Observe que a camada fluida deforma-se continuamente sob a influência da tensão de cisalhamento 𝑙 𝒖 𝒚 = 𝒚 𝒍 𝑽 Durante um intervalo de tempo infinitesimal 𝑑𝑡, os lados das partículas do fluido ao longo de uma reta vertical 𝑀𝑁 giram de um ângulo infinitesimal 𝒅𝜷 enquanto a placa superior move-se de uma distância infinitesimal 𝒅𝒂 = 𝑽𝒅𝒕. O deslocamento angular (deformação) ou tensão de cisalhamento é expresso por: 𝒅𝜷 = 𝐭𝐚𝐧𝜷 = 𝒅𝒂 𝒍 = 𝑽𝒅𝒕 𝒍 = 𝒅𝒖 𝒅𝒚 𝒅𝒕 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS 𝒅𝜷 = 𝐭𝐚𝐧𝜷 = 𝒅𝒂 𝒍 = 𝑽𝒅𝒕 𝒍 = 𝒅𝒖 𝒅𝒚 𝒅𝒕 VISCOSIDADE DINÂMICA (). 𝑑𝛽 𝑑𝑡 = 𝑑𝑢 𝑑𝑦 Concluímos então que a taxa de deformação de um elemento do fluido é equivalente ao gradiente de velocidade 𝒅𝒖/𝒅𝒚. Verifica-se, experimentalmente que, para a maioria dos fluidos, a taxa de deformação (gradiente de velocidade) é diretamente proporcional à tensão de cisalhamento 𝜏. 𝜏 ∝ 𝑑𝑢 𝑑𝑦 A constante de proporcionalidade é o 𝝁 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS VISCOSIDADE DINÂMICA (). 𝝉 ∝ 𝒅𝒖 𝒅𝒚 A maioria dos fluidos comuns tais como a água, ar, gasolina e óleos são fluidos newtonianos. À exemplo de fluidos não newtonianos temos o sangue e plásticos em geral. Os fluidos para o quais a taxa de deformação é proporcional à tensão de cisalhamento são chamados de fluidos newtonianos PROPRIEDADES DOS FLUIDOS VISCOSIDADE DINÂMICA ( (Kg/m.s)). No escoamento cisalhante unidimensional de fluidos newtonianos, a tensão de cisalhamento é expressa pela relação linear Onde 𝜇 é chamada de coeficiente de viscosidade dinâmica, cuja unidade pode ser: 𝑲𝒈 𝒎 . 𝒔; 𝑵. 𝒔 𝒎𝟐 𝒐𝒖 𝑷𝒂.s 𝝉 = 𝛍 𝒅𝒖 𝒅𝒚 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS )(),( TfTPf T eT líquidogás 1 Variações da propriedade viscosidade VISCOSIDADE DINÂMICA ( ). Viscosidade Cinemática (): s m2 sm kg m s s mkg s m N sm m Padeunidade . . 222 Exemplo: aquecendo mel, ou óleo (flui mais fácil) PROPRIEDADES DOS FLUIDOS VISCOSIDADE DINÂMICA ( ). FLUIDOS NÃO-NEWTONIANOS 1 Newtonianonão dy du Exemplos suspensões coloidais, polpa de papel em água, soluções de polímeros. Plástico Bingham: suspensões de argila, lama e creme dental PROPRIEDADES DOS FLUIDOS VISCOSIDADE DINÂMICA ( ). PROPRIEDADES DOS FLUIDOS EXEMPLO São dadas duas placas planas paralelas à distância de 2mm. A placa superior move-se com velocidade de 4m/s enquanto que a inferior está fixa. Seja i o espaço entre as duas placas preenchido com óleo (ν = 0,1 Stokes; ρ = 830 Kg/m³), qual será a tensão de cisalhamento que agirá no óleo? PROPRIEDADES DOS FLUIDOS SOLUÇÃO PROPRIEDADES DOS FLUIDOS MEIO CONTÍNUO A matéria é constituídade átomos, que são amplamente espaçados na fase gasosa. A idealização do meio contínuo permite-nos tratar as propriedades como funções de pontos e considerar que as propriedades variam continuamente no espaço sem saltos de descontinuidade. Tal hipótese é válida considerando que o tamanho do sistema seja grande comparado ao espaço entre as moléculas. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Massa Específica e Peso Específico Massa específica (𝜌) ou densidade (d) é definida para um elemento infinitesimal de volume como: A massa específica de uma substância depende, em geral, da temperatura e da pressão. Para líquidos a massa específica é mais sensível a variação de temperatura do que a variação de pressão. 𝝆 = 𝜹𝒎 𝜹𝑽 ( 𝑲𝒈 𝒎3 ) PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Massa Específica e Peso Específico Para os gases a massa específica é proporcional a pressão e inversamente proporcional à temperatura. A densidade relativa é definida como a razão entre a massa específica de uma substância e a massa específica da água (substância padrão) a uma temperatura especificada (usualmente água a 4°C, para o qual 𝜌𝐻2𝑂 = 1000𝐾𝑔/𝑚³) O peso por unidade de volume é chamado de peso específico e é expresso como 𝜸 = 𝝆𝒈 (N/m³) PROPRIEDADES DOS FLUIDOS 𝛾𝑅 = 𝛾 𝛾𝐻2𝑂 (peso espec. relativo) Massa Específica e Peso Específico PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS FORMAS DE ENERGIA PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Como pode ser visto, a energia pode existir em inúmeras formas. A soma delas constitui a energia total 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 de um sistema. A mecânica dos Fluidos, assim como a termodinâmica, nada afirma sobre o valor da energia total. Ela trata apenas da variação da energia total, o que é mais importante para os problemas de engenharia. - A diminuição da energia potencial de uma pedra em queda livre, só depende da diferença de altura, e não do referencial escolhido. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS - A energia total de um sistema são classificados em dois grupos: . Macroscópico: energia que um sistema possui como um todo ( cinética – potencial). . Microscópico: relaciona à estrutura molecular de um sistema ( energia interna). - A energia macroscópica relaciona o movimento e à influência de efeitos externos ( gravidade, magnetismo, tensão superficial...) ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS - A energia que um sistema possui como resultante de seu movimento relativo a algum referencial é chamada de Energia Cinética (𝑬𝒄). - Quando todas as partes de um sistema se movem com a mesma velocidade, a energia cinética é expressa por: 𝑬𝒄 = 𝒎 𝒗𝟐 𝟐 ou 𝑬𝒄 𝒎 = 𝒆𝒄 = 𝑽𝟐 𝟐 - A energia que um sistema possui como resultado de sua altura em um campo gravitacional é chamada de Energia Potencial Gravitacional (𝑬𝒑𝒈) e é expressa como: ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS 𝐸𝑝𝑔 = 𝑚𝑔𝑧 Muitos sistemas de engenharia são projetados para transportar fluidos de um lugar a outro a uma vazão, velocidade e diferença de altura especificadas, e o sistema pode produzir trabalho mecânico em uma turbina ou consumir trabalho mecânico em uma bomba ou ventilador durante o processo. ou 𝑬𝒑𝒈 𝒎 = 𝒆𝒑𝒈 = 𝒈𝒛 ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Tais sistemas podem ser analisados de forma conveniente considerando apenas as formas mecânicas de energia e os efeitos do atrito que causam perda de energia mecânica (ou seja, conversão em energia térmica). A energia mecânica pode ser definida como a forma de energia que pode ser convertida completa ou diretamente em trabalho mecânico por um dispositivo mecânico ideal como uma turbina. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS A pressão de um fluido em escoamento também está associada à sua energia mecânica. - O produto 𝑝𝑣 ou seu equivalente 𝑃 𝜌 tem unidades J/Kg, que é energia por unidade de massa. Observa-se que a pressão por si só não é uma forma de energia. Mas uma força de pressão agindo sobre um fluido ao longo de uma distância produz trabalho, chamado de trabalho de escoamento, em uma quantidade 𝑃 𝜌 por unidade de massa. O trabalho de escoamento é expresso em termos de propriedades do fluido, sendo conveniente imaginá-lo como parte da energia do fluido e chamá-lo de energia de pressão. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Assim, a energia mecânica de um fluido em um escoamento pode ser expressa por unidade de massa como: PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS 𝑬𝒎𝒆𝒄 𝒎 = 𝑷 𝝆 + 𝒗𝟐 𝟐 + 𝒈𝒛 Pode também ser expressa na forma de taxa como 𝑬 = 𝒎. 𝒆𝒎𝒆𝒄 = 𝒎( 𝑷 𝝆 + 𝒗𝟐 𝟐 + 𝒈𝒛) PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS A energia interna é, por definição, todas as formas microscópicas de energia em um sistema. Está relacionada à estrutura molecular e ao grau de atividade molecular, podendo ser vista como a soma das energias cinética e potencial das moléculas. A parte da energia interna de um sistema associada às energias cinéticas das moléculas é chamada de Energia Sensível. Energia Sensível: é a energia térmica utilizada pela substância apenas para variar sua temperatura, sem alterar seu estado físico. Ex.: aquecimento da água numa panela antes da fervura. Q = C = m c DT Q = quantidade de calor trocado [J, cal, kcal, BTU.....]; C = capacidade calorífica do corpo [J/ºC]; m = massa do corpo [g, kg]; c = calor específico da substância [J/(kg ºC)]; DT = variação da temperatura (Tfinal - Tinicial) [K, ºC]. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Energia Latente: quando a energia térmica trocada é utilizada pela substância para mudar de estado físico, sem variação de temperatura e sob pressão constante. Ex.: fornecimento de energia térmica à água fervente. ENERGIA SENSÍVEL ENERGIA LATENTE DE FUSÃO As formas de energia já discutidas, que constituem a energia total de um sistema, podem estar contidas ou ser armazenadas em um sistema e, portanto, podem ser vistas como “formas estáticas de energia.” Os tipos de energia não armazenados em um sistema podem ser visualizados como “formas dinâmicas de energia ou como interações de energia.” PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS - As formas dinâmicas de energia são identificadas na fronteira do sistema á medida que a atravessam e representam a energia ganha ou perdida por um sistema durante um processo. - As duas únicas formas de interação de energia associadas a um sistema fechado são transferência de calor e trabalho. ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Uma interação de energia é transferência de calor se sua força motriz for uma diferença de temperatura. - Caso contrário, ela é trabalho. - Um volume de controle também pode trocar energia por meio de transferência de massa, pois sempre que a massa é transportada para dentro ou fora de um sistema, a quantidade de energia associada à massa também é transportada com ela. A Capacidade Térmica (C) de um objeto é a constante de proporcionalidade entre uma quantidade de calor transferida e a variação de temperatura que esta mesma quantidade de calor produz no objeto. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS 𝑄 = 𝐶. ( 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖) ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Sabemos , por experiência,que são necessários diferentes quantidades de energia para elevar em um grau a temperatura de massas idênticas de substâncias diferentes. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Assim é conveniente definir uma capacidade calorífica por unidade de massa ou calor específico (c) , que se refere não a um objeto, mas a uma quantidade de massa do qual o material é feito. - O calor específico é definido como a energia necessária para elevar em um grau a temperatura de uma massa unitária de uma substância. Essa energia, depende de como o processo é executado. 𝑸 = 𝒎𝒄∆T PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS - Quando associamos um calor específico a qualquer substância, é importante saber não somente quanto calor é absorvido, mas também as condições sob as quais a transferência se faz. - Sólidos e líquidos considera-se a absorção de calor à pressão constante. - Gases tem valores muito diferentes para seus calores específicos a pressão e volume constantes. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Calor Específico Calor Específico Molar Substância cal/(g.K) J/(kg.K) J/(mol.K) Sólidos Elementares Chumbo Tungstênio Prata Cobre Alumínio 0,0305 0,0321 0,0564 0,0923 0,215 128 134 236 386 900 26,5 24,8 25,5 24,5 24,4 Outros Sólidos Latão Granito Vidro Gelo ( -10°C) 0,092 0,19 0,20 0,530 380 790 840 2.220 Líquidos Mercúrio Álcool etílico Água do mar Água doce 0,033 0,58 0,93 1,00 140 2.430 3.900 4.190 Fonte: Halliday PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Na análise de sistemas que envolve escoamento de fluidos, frequentemente encontramos a combinação de propriedades 𝑢 𝑒 𝑃𝑣 . Por conveniência é chamada de entalpia h 𝒉 = 𝒖 + 𝑷𝒗 = 𝒖 + 𝑷 𝝆 A energia total de um sistema compressível simples consiste em três partes: energia interna, cinética e potencial. Numa base de massa unitária: 𝒆 = 𝒖 + 𝒆𝒄 + 𝒆𝒑𝒈 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS ENERGIA E CALORES ESPECÍFICOS Entretanto, em um escoamento fluido ( como já visto anteriormente) possui uma forma de energia adicional – a energia de escoamento 𝑃 𝜌 . Então, a energia total de um fluido em movimento numa base de massa unitária torna-se 𝒆𝒎𝒐𝒗𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝑷 𝝆 + 𝒆 = 𝒉 + 𝒆𝒄 + 𝒆𝒑𝒈 = 𝒉 + 𝑽𝟐 𝟐 + 𝒈𝒛
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