mecflu aula1

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Introdução 
Conceitos Básicos 
Propriedades dos Fluidos 
 
Aula 1 
 
2 
Introdução 
Mecânica: Ciência que trata de corpos 
em repouso ou movimento sob acão de 
forças. 
 
Estática: O ramo da mecância que 
trata de corpos em repouso 
 
Dinâmica: O ramo da mecância que 
trata de corpos em movimento 
. 
Mecânica dos fluidos: A ciência que 
trata do comportamento dos fluidos em 
repouso (estática dos fluidos) e em 
movimento (dinâmica dos fluidos) e da 
interação entre fluidos e sólidos ou 
outros fluidos. 
3 
Hidrodinâmica: Estudo do movimento de fluidos 
praticamente incompressíveis (líguidos e gases a 
baixas velocidades). 
Hidráulica: Uma subcategoria da hidrodinâmica, que 
lida com escoamento de fluidos em tubulações e 
canais abertos. 
Dinâmica dos Gases: Lida com fluidos que variam 
significativamente sua densidade, como gases em 
alta velocidade através de bocais. 
Aerodinâmica: Trata do escoamento de fluidos ao 
redor de corpos. 
Meteorologia, oceanografia, e hidrologia: Lida com 
escoamentos naturais de fluidos. 
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Áreas de Aplicação da Mecânica dos Fluidos 
Coração Artificial. 
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6 
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Breve História 
Trecho da adutora de Pergamon (atual 
Turquia). Cada seção da tubulação de 
argila tinha de 13 a 18 cm de diâmetro. 
(283 AC) 
Arquedutos romanos- 270 ac 
 
 
8 Guincho de mina acionado por roda 
hidrálica reversível. 
 Arquimedes (285–212 a.C) formulou e 
aplicou o princípio do empuxo no 
primeiro teste não destrutivo da história 
para determinar o teor de ouro da coroa 
do Rei Hiero 
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Simon Stevin (1548–1617), Galileo Galilei (1564–1642), e 
Evangelista Torricelli (1608–1647) - pressão 
hidrostática e vácuo. 
 
Daniel Bernoulli (1700–1782) e seu associado Leonard 
Euler (1707–1783)- equações de energia e momento. 
 
Lord Osborne Reynolds (1842–1912) - número 
adimensional de Reynols. 
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Primeiros aviões. 
Turbinas antigas e novas em 
Woodward, a moderna tem 
capacidade de 1,6 MW. 
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Tensão: força por unidade de 
área. 
Tensão Normal: componente 
normal da força que atua numa 
superfície por unidade de área.. 
Tensão de Cisalhamento: 
componente tangencial da força 
que atua numa superfície por 
unidade de área. 
Pressão: a tensão normal em um 
fluido em repouso. 
 
CONCEITOS 
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O Que é Fluido? 
Fluido: Substância no estado líquido ou gasoso. 
Fluidos: 
•  deformam-se continuamente sob 
ação da tensão de cisalhamento, 
não importa o quão pequena; 
•  têm tensão de cisalhamento 
proporcional à taxa de 
deformação. 
•  não param de deformar, e a taxa 
de deformação tende a um valor. 
 
Sólidos: 
•  resistem à TENSÃO DE 
CISALAMENTO deformando-se; 
•  têm tensão de cisalhamento 
proporcional a deformação. 
 
•  param de deformar num certo 
ângulo. 
 
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 As ligações intermoleculares são mais fortes nos sólidos e mais 
fracas nos gases. 
 
Sólido: As moléculas formam um padrão que se repete por todo sólido. 
 
Líquidos: as moléculas estão livres para mover-se. 
 
Gás: as moléculas estão distantes umas das outras, e a ordenação 
molecular é inexistente. 
Estados da Matéria 
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Líquidos 
 
•  Grupos de moléculas movem-se, mas o volume é relativamente constante 
devido às fortes forças coesivas entre as moléculas. 
•  Toma a forma do recipiente em que se encontra. 
•  Forma uma superfície livre num recipiente maior num campo gravitacional. 
•  Quando as paredes são removidas ou inclinadas, o líquido escorre até a 
superficie livre ficar na horizontal. 
 
OBS.: fluidos em repouso tem tensão de cisalhamento nula. 
 
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Gases 
 
•  Expandem-se até encontrar as paredes do recipiente e preenche todo o 
espaço disponível. 
•  Isso ocorre porque as moléculas de gás são amplamente espaçadas, e 
as forças coesivas entre elas são muito pequenas. 
•  Em um recipiente aberto não formam superfície livre. 
OBS.: Gás X Vapor 
Gás: A fase de vapor de uma substância é habitualmente 
chamada de gás quando está acima da temperatura 
crítica. 
Vapor: Normalmente implica que a fase atual não está 
longe de um estado de condensação. 
 
 
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 CONDIÇÃO DE NÃO-ESCORREGAMENTO 
Não-escorregamento: Um fluido movendo-se sobre uma superficie 
sólida “gruda” na superfície devido a efeitos de vicosos. Assim, há uma 
região em que o movimento do fluido pára completamente (velocidade 
zero). 
 
Camada Limite: A região de escoamento adjacente à parede na qual os 
efeitos viscosos (e portanto os gradientes de velocidade) são 
significativos. Nesta há uma diminuição da velocidade do fluido a 
medida que se aproxima da superfície. 
 
. 
Separação de escoamento 
•  Em superficies curvas e altas velocidades 
a camada limite pode separar-se da 
superfície. 
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CLASSIFICAÇÃO DE 
ESCOAMENTOS DE FLUIDOS 
 •  Escoamento Viscoso X Não viscoso 
•  Escoamento Externo X Interno 
•  Escoamento Compressível X 
Incompressível 
•  Escoamento Laminar X Turbulento 
•  Escoamento Natural X Forçado 
•  Escoamento em Regime Permanete e 
Não Permanente 
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Escoamento Viscoso X Não viscoso 
Escoamento Viscoso: escoamento em que os efeitos do atrito são 
significativos. 
Escoamento não viscoso: regiões (tipicamente não próximas de 
superfícies sólidas) onde as forças viscosas são insignificantemente 
pequenas em comparação com as forças inerciais ou de pressão. 
 
 
Figura: Escoamento de uma 
correnteza de fluido 
originalmente uniforme sobre 
uma placa plana. 
•  fluxo viscoso (ao lado da 
placa em ambos os lados) 
•  Fluxo não viscoso (longe da 
placa). 
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Escoamento Externo X Interno 
 
Escoamento externo: apenas 
parcialmente limitado por 
superficeis solidas (ex.: ar 
sobre uma bola) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Escoamento interno: 
completamente delimitado por 
superfícies sólidas. (agua em 
um cano) 
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Escoamento Compressível X Incompressível 
Incompressível: Se a densidade permanecer aproximandamente 
constante (ex. Liquidos). 
Compressível: If se a densidade do fluido variar durante o 
escoamento (ex. Gás em alta velocidade). 
 
A velocidade do gás pode ser expressa pelo número de Mach 
Ma = 1 Sônico 
Ma < 1 Subsônico 
Ma > 1 Supersônico 
Ma >> 1 Hipersônico 
Os escoamentos de gases são 
aproximadamente incompressíveis se 
Ma ︎< 0,3. 
Portanto, os efeitos da 
compressibilidade do ar podem ser 
desprezados para velocidades abaixo 
de cerca de 100 m/s. 
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Escoamento Laminar X Turbulento 
Escoamento laminar: 
movimento altamente 
ordenado do fluido 
caracterizado por 
camadas suaves de fluido. 
(Ex. fluidos de alta 
viscosidade, tais como 
óleos a baixas 
velocidades) 
 Escoamento turbulento: O 
movimento de fluido 
altamente desordenado 
que normalmente ocorre 
em altas velocidades e é 
caracterizado por 
flutuações de velocidade. 
(Fluidos de baixa 
viscosidade, como ar a 
altas velocidades) 
. 
23 
Escoamento Natural 
X Forçado 
 
Escoamento forçado: Um 
fluido é forçado a fluir sobre 
uma superfície ou em um 
tubo por meios externos, 
como uma bomba ou um 
ventilador. 
 Escoamento natural: O 
movimento do fluido é 
devido a meios naturais, tais 
como o efeito de flutuação, 
que se manifesta como a 
elevação do fluido mais 
quente) e a descida do 
fluido mais frio. 
Camada térmica de ar quente subindo. 
24 
Escoamento estacionário versus não estacionário 
Regime Estacionário: não há mudança 
com o passar do tempo. 
 
Regime não Estacionário: há mudança 
com o passar do tempo. 
 
Se as propriedades do fluido variam 
com o tempo de maneira periódica, o 
escoamento através desses 
dispositivos ainda pode ser analisado 
como um processo de escoamentoestacionário ao usar valores médios 
no tempo para as propriedades. 
 
.. Esteira oscilante de aerofólio. A 
fotografia (a) é uma ima- gem 
instantânea e a fotografia (b) é uma 
imagem de longa exposição (média 
temporal). 
. 
25 
26 
SISTEMA 
•  Sistema: Quantidade de 
matéria ou região do espaço 
escolhida para estudo. 
•  Vizinhança: A massa ou 
região fora a do sistema. 
•  Fronteira: Superfície real ou 
imaginária que separa o 
sistema da vizinhança. 
•  (podem ser fixas ou móveis) 
27 
•  Sistema Fechado (Massa de controle): 
•  Massa constante 
•  Pode haver troca de energia (calor ou 
trabalho) 
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•  Sistema aberto (volume de 
controle): 
•  Uma região selecionada no espaço. Em geral, inclui um 
dispositivo que envolve fluxo de massa, como um 
compressor, turbina ou bocal. Tanto a massa como a energia 
podem atravessar o limite de um volume de controle. 
•  Superfície de controle: Os limites de um volume de controle. 
Pode ser real ou imaginário 
 
29 
A formação de uma 
gota ocorre quando o 
líquido é forçado 
para fora de um 
pequeno tubo. A 
forma da gota é 
determinada por um 
balanço das forças 
de pressão, 
gravidade e tensão 
superficial . 
Falaremos de Propriedades dos Fluidos 
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Definições 
Densidade relativa 
(gravidade específica): 
razão entre a densidade da 
substância e densidade de 
uma substiancia padrrão a 
uma certa temperatura 
(geralemnte água a 4°C). 
Densidade 
Peso Específico: Peso 
por unidade de volume. 
Volume 
Específico 
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Gases Ideais 
Lei Dos Gases ideais em função de Ru: Constante universal dos Gases Ideais 
 
Lei Dos Gases ideais em função de R- Constante do Gás 
Onde: 
P- Pressão 
v- Volume específico 
V- Volume 
N- número de mols 
M- Massa Molar 
m- Massa 
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Tabela de Constante de Gases 
Conversão Celsius-Kelven 
33 
 
EXEMPLO Densidade, gravidade específica e massa do ar em uma sala 
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PRESSÃO DE VAPOR 
•  Temperatura de SaturaçãoTsat: sob dada pressão, a 
temperatura em que uma substância pura muda de 
fase é chamada de temperatura. 
•  Pressão de Saturação Psat: numa dada temperatura, 
a pressão sob a qual uma substância pura muda 
de fase . É idêntica àpressão exercida por seu 
vapor em equilíbrio de fase com seu líquido. Pode 
ser chamada de Pressão de Vapor Saturado. 
•  Pressão Parcial de Vapor: a pressão de um gás ou 
vapor numa mistura com outros gases. Por exemplo, o 
ar atmosférico é uma mistura de ar seco e vapor de 
água, e a pressão atmosférica é a soma da pressão 
parcial do ar seco e da pressão parcial do vapor de 
água. 
35 
Vaporização 
 
Acorre quando a pressão parcial de vapor é menor que a pressão de saturação. 
 
 
 
Condensação 
Ocorre quando a pressão parcial de valor é maior que a pressão de saturação. 
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 A pressão de vapor (pressão de 
saturação) de uma substância pura (por 
exemplo, água) é a pressão exercida 
pelas moléculas de vapor quando o 
sistema está em equilíbrio de fase com 
suas moléculas de líquido a uma dada 
temperatura. 
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•  Há a possibilidade da pressão do 
líquido nos sistemas de 
escoamento líquido cair abaixo da 
pressão de vapor em alguns locais, 
resultando em vaporização não 
planejada.. 
•  As bolhas de vapor (chamadas de 
bolhas de cavitação já que formam 
“cavidades” no líquido) entram em 
colapso à medida que se afastam 
das regiões de baixa pressão, 
criando ondas de choque altamente 
destrutivas e com pressões 
extremamente altas.. 
•  Esse fenômeno é uma causa 
comum de queda de desempe- nho 
e mesmo erosão das pás de 
hélices, e é chamado de cavitação, 
sendo uma consideração relevante 
no projeto de turbinas hidráulicas e 
bombas. 
Avaria por cavitação numa amostra de 
alumínio de 16 mm por 23 mm testada com 
velocidade de 60 m/s durante 2,5 h. A 
amostra foi po- sicionada na região de 
colapso à jusante de um gerador de 
cavitação, projetado especificamente para 
produzir alto po- tencial de danos. 
CAVITAÇÃO 
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 EXEMPLO: Pressão mínima para evitar cavitação 
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ENERGIA 
•  A energia existe sob numerosas formas, como térmica, mecânica, cinética, 
potencial, elétrica, magnética, química e nuclear. A soma de todas elas 
constitui a energia total E (ou e, por unidade de massa) de um sistema. 
•  energia macroscópica: relacionada ao movimento e à influência de alguns 
efeitos externos como gravidade, magnetismo, eletricidade e tensão 
superficial. 
•  energia microscópica.: energia relacionada à estrutura molecular do 
sistema e ao grau de atividade molecular 
•  energia interna: A soma de todas as formas de energia microscópica . 
•  energia cinética.: A energia que um sistema possui como resultado de 
seu movimento. 
•  energia potencial : A energia que um sistema possui como resultado de 
sua altitude num campo gravitacional 
40 
Pelo menos seis diferentes formas de energia são encontradas 
quando a energia de uma planta nuclear é produzida e 
transmitida para a nossa casa: nuclear, térmica, mecânica, ciné- 
tica, magnética e elétrica.