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FENÔMENOS DE TRANSPORTE Professora Drª. Denise Maria Malachini Miotto Bigatão GRADUAÇÃO Unicesumar C397 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ. Núcleo de Educação a Distância; BIGATÃO, Denise Maria Malachini Miotto. Fenômenos de Transporte. Denise Maria Malachini Miotto Bi- gatão. Reimpressão Maringá-Pr.: UniCesumar, 2018. 203 p. “Graduação - EaD”. 1. Fenômenos 2. Transporte . 3. Engenharia 4. EaD. I. Título. ISBN 978-85-459-0744-2 CDD - 22 ed. 303 CIP - NBR 12899 - AACR/2 Ficha catalográfica elaborada pelo bibliotecário João Vivaldo de Souza - CRB-8 - 6828 Impresso por: Reitor Wilson de Matos Silva Vice-Reitor Wilson de Matos Silva Filho Pró-Reitor de Administração Wilson de Matos Silva Filho Pró-Reitor de EAD Willian Victor Kendrick de Matos Silva Presidente da Mantenedora Cláudio Ferdinandi NEAD - Núcleo de Educação a Distância Direção Operacional de Ensino Kátia Coelho Direção de Planejamento de Ensino Fabrício Lazilha Direção de Operações Chrystiano Mincoff Direção de Mercado Hilton Pereira Direção de Polos Próprios James Prestes Direção de Desenvolvimento Dayane Almeida Direção de Relacionamento Alessandra Baron Head de Produção de Conteúdos Rodolfo Encinas de Encarnação Pinelli Gerência de Produção de Conteúdos Gabriel Araújo Supervisão do Núcleo de Produção de Materiais Nádila de Almeida Toledo Supervisão de Projetos Especiais Daniel F. Hey Coordenador de Conteúdo Marcia Pappa Designer Educacional Agnaldo Ventura, Nayara Valenciano, Yasminn Talyta Tavares Zagonel Iconografia Isabela Soares Silva Projeto Gráfico Jaime de Marchi Junior José Jhonny Coelho Arte Capa Arthur Cantareli Silva Editoração Fernando Henrique Mendes Qualidade Textual Hellyery Agda Ilustração Gabriel Amaral da Silva, Marta Kakitani Viver e trabalhar em uma sociedade global é um grande desafio para todos os cidadãos. A busca por tecnologia, informação, conhecimento de qualidade, novas habilidades para liderança e so- lução de problemas com eficiência tornou-se uma questão de sobrevivência no mundo do trabalho. Cada um de nós tem uma grande responsabilida- de: as escolhas que fizermos por nós e pelos nos- sos farão grande diferença no futuro. Com essa visão, o Centro Universitário Cesumar assume o compromisso de democratizar o conhe- cimento por meio de alta tecnologia e contribuir para o futuro dos brasileiros. No cumprimento de sua missão – “promover a educação de qualidade nas diferentes áreas do conhecimento, formando profissionais cidadãos que contribuam para o desenvolvimento de uma sociedade justa e solidária” –, o Centro Universi- tário Cesumar busca a integração do ensino-pes- quisa-extensão com as demandas institucionais e sociais; a realização de uma prática acadêmica que contribua para o desenvolvimento da consci- ência social e política e, por fim, a democratização do conhecimento acadêmico com a articulação e a integração com a sociedade. Diante disso, o Centro Universitário Cesumar al- meja ser reconhecido como uma instituição uni- versitária de referência regional e nacional pela qualidade e compromisso do corpo docente; aquisição de competências institucionais para o desenvolvimento de linhas de pesquisa; con- solidação da extensão universitária; qualidade da oferta dos ensinos presencial e a distância; bem-estar e satisfação da comunidade interna; qualidade da gestão acadêmica e administrati- va; compromisso social de inclusão; processos de cooperação e parceria com o mundo do trabalho, como também pelo compromisso e relaciona- mento permanente com os egressos, incentivan- do a educação continuada. Diretoria Operacional de Ensino Diretoria de Planejamento de Ensino Seja bem-vindo(a), caro(a) acadêmico(a)! Você está iniciando um processo de transformação, pois quando investimos em nossa formação, seja ela pessoal ou profissional, nos transformamos e, consequentemente, transformamos também a sociedade na qual estamos inseridos. De que forma o fazemos? Criando oportu- nidades e/ou estabelecendo mudanças capazes de alcançar um nível de desenvolvimento compatível com os desafios que surgem no mundo contemporâneo. O Centro Universitário Cesumar mediante o Núcleo de Educação a Distância, o(a) acompanhará durante todo este processo, pois conforme Freire (1996): “Os homens se educam juntos, na transformação do mundo”. Os materiais produzidos oferecem linguagem dialógica e encontram-se integrados à proposta pedagógica, con- tribuindo no processo educacional, complementando sua formação profissional, desenvolvendo competên- cias e habilidades, e aplicando conceitos teóricos em situação de realidade, de maneira a inseri-lo no mercado de trabalho. Ou seja, estes materiais têm como principal objetivo “provocar uma aproximação entre você e o conteúdo”, desta forma possibilita o desenvolvimento da autonomia em busca dos conhecimentos necessá- rios para a sua formação pessoal e profissional. Portanto, nossa distância nesse processo de cresci- mento e construção do conhecimento deve ser apenas geográfica. Utilize os diversos recursos pedagógicos que o Centro Universitário Cesumar lhe possibilita. Ou seja, acesse regularmente o AVA – Ambiente Virtual de Aprendizagem, interaja nos fóruns e enquetes, assista às aulas ao vivo e participe das discussões. Além dis- so, lembre-se que existe uma equipe de professores e tutores que se encontra disponível para sanar suas dúvidas e auxiliá-lo(a) em seu processo de aprendiza- gem, possibilitando-lhe trilhar com tranquilidade e segurança sua trajetória acadêmica. A U TO R A Professora Drª. Denise Maria Malachini Miotto Bigatão Possui graduação em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Maringá (1999), mestrado (2002), doutorado (2005) e pós-doutorado (2010) em Engenharia Química na área de Desenvolvimento de Processos pela Universidade Estadual de Maringá, atuando principalmente em temas relacionados ao reaproveitamento de resíduos e desenvolvimento de novas tecnologias. Atualmente é professora de Fundamentos da Química Ambiental no Curso Superior de Gestão Ambiental e Química Geral e Inorgânica no Curso de Engenharia de Produção na Unicesumar. SEJA BEM-VINDO(A)! Este livro foi elaborado com o objetivo de apresentar conceitos básicos sobre os Fenô- menos de Transporte para você, caro (a) aluno(a) de Engenharia de Produção. Diante de todos os assuntos a serem abordados ao longo das cinco Unidades deste livro, nosso maior objetivo é, além do conhecimento, ajudá-lo a responder um questionamento que se possa fazer a respeito dessa disciplina: por que estudar os fenômenos de transporte? Podemos responder a esta pergunta mencionando que não há praticamente nenhum setor da atividade humana que não seja, de alguma forma, influenciado por problemas de mecânica dos fluidos, transferência de massa e troca de calor. Isso quer dizer que tanto em processos industriais quanto em situações diárias do nosso cotidiano há inte- rações de massa e de energia entre os componentes envolvidos. Por esse motivo, todo engenheiro deve ter noções básicas sobre estas ciências. Para tanto, os assuntos foram discutidos preferencialmente de forma teórica. Alguns tó- picos, entretanto, tiveram uma abordagem fenomenológica, resultando em equações matemáticas capazes de descrever situações eventualmente observadas na atividade profissional de engenheiros de diversas áreas e até mesmo em nosso cotidiano. O conteúdo deste livro foi distribuído em função da sua importância no aprendizado dos futuros engenheiros de produção. Por esse motivo, iniciamos o estudo pela mecâ- nica dos fluidos, ou seja, pelo fenômeno de transporte de quantidade de movimento e destacamos esse tema, prolongando sua abordagem desde a UnidadeI até parte da Unidade 4. O fenômeno de transferência de quantidade de movimento estuda o comportamento dos fluidos. Desta forma, abordamos as principais propriedades dos fluidos, destacando seu comportamento de forma estática, cinemática e dinâmica. Em seguida, introduzidos de maneira teórica e resumida conceitos fundamentais do fenômeno de transferência de massa. Finalmente, na Unidade 5, abordamos as diferen- tes formas de transferência de calor e apresentamos as características dos principais dispositivos usados para troca térmica, os trocadores de calor. Estes equipamentos são amplamente empregados nas indústrias, de modo que o conhecimento de seu funcio- namento se faz necessário para qualquer estudante de engenharia. Convido-o a participar desta experiência de descrição e simulação da natureza e de processos não espontâneos observados na atividade humana. Para tanto, integramos ciências como a matemática, a física e a química, já estudadas em disciplinas anteriores do curso de Engenharia de Produção. APRESENTAÇÃO FENÔMENOS DE TRANSPORTE SUMÁRIO 09 UNIDADE I PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS 15 Introdução 16 Definição e Propriedades dos Fluidos 28 Estática dos Fluidos 40 Cinemática dos Fluidos 49 Considerações Finais 53 Referências 54 Gabarito UNIDADE II EQUAÇÕES DA ENERGIA E DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO PARA REGIME PERMANENTE 57 Introdução 58 Equação da Energia Para Regime Permanente 77 Equação da Quantidade de Movimento Para Regime Permanente 85 Considerações Finais 90 Referências 91 Gabarito SUMÁRIO 10 UNIDADE III ANÁLISE DIMENSIONAL E ESCOAMENTO DE FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS 95 Introdução 96 Análise Dimensional 101 Escoamento Permanente de Fluidos Incompressíveis 118 Considerações Finais 123 Referências 124 Gabarito UNIDADE IV PROPRIEDADES E DINÂMICA DOS FLUIDOS E TRANSFERÊNCIA DE MASSA 127 Introdução 128 Medida das Propriedades dos Fluidos e dos Escoamentos 137 Dinâmica dos Fluidos 142 Transferência de Massa Por Difusão 150 Considerações Finais 156 Referências 157 Gabarito SUMÁRIO 11 UNIDADE V TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM REGIME PERMANENTE 161 Introdução 162 Transferência de Calor Por Condução 181 Transferência de Calor Por Convecção 188 Trocadores de Calor e Radiação Térmica 194 Considerações Finais 201 Referências 202 Gabarito 203 Conclusão U N ID A D E I Professora Drª. Denise Maria Malachini Miotto Bigatão PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Objetivos de Aprendizagem ■ Apresentar as definições das principais propriedades dos fluidos. ■ Introduzir o conceito de pressão manométrica e aprender de que forma forças externas agem sobre um fluido estático. ■ Compreender, por meio do balanço de massa, as equações que descrevem o movimento de um fluido. Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: ■ Definição e Propriedades dos Fluidos ■ Estática dos Fluidos ■ Cinemática dos Fluidos INTRODUÇÃO Caro(a) aluno(a), seja bem-vindo(a) a disciplina de Fenômenos de Transporte. Você deve estar se perguntando, por que é necessário estudá-los? Esta pergunta será respondida gradativamente nas cinco unidades deste livro, de modo que você poderá observar que os fenômenos de transferência de quantidade de movi- mento, massa e calor estão presentes em situações do cotidiano. Diversos setores da atividade humana envolvem continuamente interações de massa e de energia entre seus componentes. Assim, o engenheiro precisa ter noções básicas sobre temas como mecânica dos fluídos, troca térmica e transfe- rência de massa, para que possa resolver problemas e tomar decisões técnicas e gerenciais em sua atividade profissional. Iniciamos nosso estudo com definições sobre fluidos e suas propriedades fundamentais, tais como viscosidade, massa e peso específicos, além de classifi- cá-los a partir da Lei de Newton. Em seguida, apresentamos a estática dos fluidos, ilustrada inicialmente pela Lei de Pascal, na qual abordamos a pressão exercida em um ponto de um fluido e que resulta na equação manométrica, sendo pos- teriormente desenvolvidos os conceitos de carga de pressão e empuxo. Na cinemática dos fluidos, os escoamentos serão classificados como per- manente ou transiente e laminar ou turbulento, em função dos parâmetros considerados em sua análise. Finalmente, encontraremos a equação da continui- dade para regime permanente, fundamental no estudo da mecânica dos fluidos. Todos os temas introduzidos nesta unidade são necessários para compreen- são dos fenômenos de transferência de quantidade de movimento. As definições apresentadas nesta unidade devem ser assimiladas, pois serão muito utilizadas na discussão das próximas unidades, nas quais serão realizados balanços de massa e energia para o escoamento de fluidos. Boa leitura!! Introdução Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 15 Figura 1- Água, nosso fluido do cotidiano PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E16 DEFINIÇÃO E PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Segundo Brunetti (2008), a mecânica dos fluidos é a ciência que estuda o com- portamento físico dos fluidos, assim como as leis que regem esse comportamento. Muitos ramos de aplicação da engenharia lançam mão de leis da mecânica dos fluidos para obter resultados de aplicação prática, de modo que o aprendizado dessa ciência faça parte do conhecimento básico de um engenheiro. Antes de iniciarmos o detalhamento das definições de fluido e suas proprie- dades, é necessário recordarmos conceitos primários relacionados aos temas de estudo dos engenheiros na disciplina de Fenômenos de Transporte. De acordo com Braga Filho (2006), sistema ou corpo é definido como a quan- tidade de matéria (massa ou volume) que estamos considerando. Por exemplo, um litro de água, um bloco de ferro, um balão de aniversário, até mesmo uma seringa pode ser considerada um sistema. Os sistemas podem se dividir em sistema aberto ou fechado. Quando toda a matéria está encerrada dentro de um corpo e se mantém constante dizemos que se trata de um “sistema fechado”, como é o caso do litro de água e do bloco de ferro, que podemos verificar na imagem a seguir. Definição e Propriedades dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 17 Litro de água Blocos de ferro Balão de aniversário Seringa Figura 2- Sistemas abertos e Sistemas fechados Fonte: Shutterstock. Por outro lado, há situações nas quais a massa atravessa os limites do sistema, como é o caso do balão de aniversário, que recebe gás e se enche por meio de uma abertura do sistema e, ainda da seringa, que possui uma abertura pela qual é introduzido o fluido coletado como apresentado na figura acima. Esses siste- mas são considerados “sistemas abertos”. Para estudá-los definimos o volume de controle, ou seja, uma região delimitada por fronteiras ou limites desse sistema no qual é realizada a sua análise. Tudo aquilo que não faz parte do sistema ou do volume de controle é deno- minado “meio” ou vizinhança. As fronteiras ou limites do sistema separam o sistema ou volume de controle do meio e podem ser rígidas, como em uma gar- rafa de água, deformáveis, como no balão de aniversário, móveis, como em uma seringa,isoladas termicamente, como em uma garrafa térmica, ou permeáveis, como nos filtros. Tanto o sistema, quanto o meio ou vizinhança são compostos por maté- ria, que possui massa e volume. Toda matéria possui características próprias da sua natureza, que denominamos de propriedades. Desta forma, estudar as pro- priedades da matéria ou de um fluido em particular representa determinar suas características que podem ser quantificadas quando submetemos esse fluido a condições físicas específicas, tais como temperatura e pressão. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E18 DEFINIÇÃO DE FLUIDO Fluido é considerado uma substância que não possui forma definida, pois assume o formato do recipiente em que está inserido. A Figura 3, a seguir, ilustra a defi- nição de fluidos, ao compará-los a um corpo sólido. Superfície livre Sólido Líquido Fluídos Gás Figura 3- Ilustração de Fluido Fonte: Brunetti (2008). Segundo a figura, podemos observar que os fluidos constituem os líquidos e os gases. Entretanto, vemos diferenças entre os dois tipos de fluidos, pois os gases preenchem todo o recipiente, enquanto os líquidos possuem uma superfície livre. Outra forma de definirmos fluido, envolvendo uma força tangencial apli- cada ao sistema (Ft), resultante da Experiência das Duas Placas, mostrada no exemplo abaixo: O sangue humano é um fluido impulsionado por uma bomba denominada coração, que percorre uma tubulação muito ramificada composta por veias e artérias! Definição e Propriedades dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 19 A D B C A D B C (a) (b) F = Ct tc A D B C (b) F = Ct tc Figura 4- Experiência das Duas Placas Fonte: Brunetti (2008). Nesta experiência, o fluido é colocado entre duas placas, sendo possível visua- lizarmos um determinado volume ABCD do fluido. A placa inferior é mantida fixa, enquanto a placa superior será deslocada. Com base no princípio da aderência, consideramos que os pontos do fluido indicados nas placas apresentam a velocidade da placa a qual estão aderidos, ou seja, os pontos B e C adquirem a velocidade da placa inferior (que será nula porque a placa inferior se mantém fixa), enquanto os pontos A e D terão a velo- cidade desenvolvida pela placa superior ( ). Analisando a figura anterior, vemos que o volume de fluido ABCD, sob a ação da força Ft, sofre contínua deformação, pelo tempo em que a placa for mantida em movimento. Desta forma, podemos definir fluido como sendo uma substância que, ao ser submetido a uma força tangencial constante, deforma-se continuamente sem atingir um equilíbrio estático. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E20 LEI DE NEWTON DA VISCOSIDADE Para compreendermos a Lei de Newton, é necessário primeiro definir a tensão de cisalhamento. Para tanto, vamos considerar a próxima ilustração, na qual uma força está sendo aplicada sobre uma superfície de área A. A F F n Ft Figura 5- Tensão de Cisalhamento Fonte: Brunetti (2008). A força pode ser decomposta, resultando em uma força normal ( ) e uma força tangencial ( ). De acordo com Fox e McDonald (2001), a força ou tensão de cisalhamento ( ) é definida como o quociente entre o módulo da força tangencial e a área da superfície considerada, sendo representada por unidades como kgf/m2 (Sistema MKS), dina/cm2 (Sistema CGS) ou N/m2 (SI): Considerando novamente a Experiência das Duas Placas temos que a placa supe- rior é inicialmente acelerada pela força Ft, passando de uma velocidade nula, quando ainda estava fixa, para uma velocidade constante (v0). Para o equilíbrio dinâmico do sistema, a resultante das forças deve ser nula, de modo que a força Ft aplicada na placa é equilibrada por forças internas ao fluido. E como aparecem essas forças internas ao fluido? Para compreender devemos considerar o princípio da aderência mencionado anteriormente, pois o fluido aderido à placa superior vai adquirir velocidade v0, enquanto o fluido aderido à placa inferior vai ter velocidade nula. Defi nição e Propriedades dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 21 As camadas do fl uido entre as placas, por sua vez, terão velocidades inter- mediárias entre 0 e v0, formando um diagrama de velocidades, no qual cada camada do fl uido deslizará sobre a camada adjacente com uma velocidade dife- rente da anterior. Assim, será gerada uma espécie de atrito entre as camadas do fl uido, que origina uma força tangencial interna ao mesmo, assim equilibrando a força tangencial externa aplicada. A fi gura a seguir apresenta de forma esquemática o diagrama de velocida- des mencionado. (a) (b) (c) F t y B A v0 v0 v1 v v2 v2 v1 (v1 é maior que v2) Diagrama de velocidades y y y+dy v+dv v Figura 6- Diagrama de Velocidades da Experiência das Duas Placas Fonte: Brunetti (2008). Na fi gura já apresentada observamos que a força tangencial interna ao fl uido é resultado da tensão de cisalhamento criada pela diferença de velocidades v1-v2 (v1 é maior do que v2) entre as camadas de fl uido. Newton observou que a tensão de cisalhamento é proporcional ( ) ao gra- diente de velocidades entre as camadas de fl uido, ao longo do eixo y no sistema cartesiano. Esta observação resultou na Lei de Newton da Viscosidade. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E22 Como resultado, dizemos que os fl uidos que obedecem à Lei de Newton da vis- cosidade são chamados de “fl uidos newtonianos”, enquanto os fl uidos que não seguem essa lei são denominados “fl uidos não newtonianos”. A grande maioria dos fl uidos como água, óleo, ar, entre outros, são consi- derados “newtonianos”. Os fl uidos não newtonianos não serão abordados neste livro, em função do elevado grau de especifi cidade de suas equações e utilizações. VISCOSIDADE ABSOLUTA De acordo com a Lei de Newton da viscosidade, observamos que há uma cons- tante de proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento ( ) e o gradiente de velocidade (dv/dy) ao longo do eixo y. Essa constante de proporcionalidade é denominada “viscosidade dinâmica ou absoluta”, e é representada por µ. Assim, obtemos: dv dy Os fl uidos não newtonianos apresentam comportamentos distintos da sua viscosidade mediante variação da tensão de cisalhamento, de modo que podem ser divididos em fl uidos pseudoplásticos, dilatantes ou plásticos. Fluidos pseudoplásticos são aqueles nos quais a viscosidade decresce com o aumento da taxa de cisalhamento. A maioria dos alimentos, tintas e emul- sões são pseudoplásticos. Já nos fl uidos dilatantes, a viscosidade aumenta com o aumento da taxa de cisalhamento. Este tipo de comportamento é mais raro que a pseudoplasti- cidade, sendo observado em fl uidos contendo altos níveis de defl oculantes como argilas, lama, amido de milho em água e ingrediente de balas. Os fl uidos plásticos, por sua vez, se comportam como sólidos em condições estáticas ou de repouso e após aplicação de uma tensão de deformação co- meçam a se mover, comportando-se como fl uido newtoniano, pseudoplás- tico ou dilatante. Fonte: Sissom e Pitts (1988). Definição e Propriedades dos FluidosRe pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 23 A viscosidade é uma propriedade que caracteriza cada fluido e depende das con- dições a que o fluido está submetido, principalmente sua temperatura. Um mesmo fluido em condições de temperatura distintas apresenta viscosidades diferentes. Líquidos e gases variam de forma diferente ao aumento da temperatura do fluido. Nos líquidos, o aumento da temperatura diminui sua viscosidade, enquanto nos gases o aumento da temperatura resulta em aumento da viscosidade.A viscosi- dade diminui com o aumento da temperatura para líquidos, pois para estes uma maior temperatura tende a diminuir a intensidade das forças de coesão existentes entre as moléculas, deixando-as mais livres, facilitando o escoamento, que carac- teriza redução da viscosidade. Para os gases, o aumento da temperatura aumenta a agitação das moléculas, que tendem a colidir com maior frequência, prejudi- cando no escoamento desse fluido, caracterizando um aumento da sua viscosidade. Por definição, a viscosidade se origina da coesão e dos choques entre as moléculas, não sendo observável em um fluido em repouso. Entretanto, com o movimento do fluido, a viscosidade equilibra as forças tangenciais externas apli- cadas. Em outras palavras, dizemos que a viscosidade consiste na propriedade que indica a maior ou a menor dificuldade de o fluido escoar, ou seja, se movimentar. Partindo da definição de viscosidade e considerando as unidades das gran- dezas consideradas, temos que: F L L L2 dv dydv dy µ= = FL-2 = = = =mas Força Área e T Encontramos, então, a unidade de medida da viscosidade: Nos diferentes sistemas de unidades (Sistema MKS, Sistema Internacional (SI), Sistema CGS), podemos encontrar as seguintes unidades de viscosidade: PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E24 Podemos utilizar ainda o centipoise (cpoise), que corresponde a um centésimo de poise, ou seja, 1 cpoise = 0,01 poise. MASSA ESPECÍFICA Segundo Brunetti (2008), os fl uidos representam matéria contínua e homogênea, de modo que suas propriedades médias calculadas representam suas proprie- dades pontuais. Essa simplifi cação permite introduzir defi nições para diversas propriedades dos fl uidos, dentre elas sua massa específi ca ( ), defi nida como a massa de fl uido por unidade de volume. Para encontrar sua unidade, partimos das unidades de massa e volume, da seguinte forma: = [m] = F Nos diferentes sistemas de unidades (Sistema MKS, Sistema Internacional (SI), sistema CGS), obtemos as seguintes unidades de massa específi ca: No sistema MKS utiliza-se a unidade “utm”, que signifi ca “unidade técnica de massa”, que corresponde à massa que, sendo submetida a 1kgf de força, sofre uma aceleração de 1m/s2. Para convertê-la em kg, consideramos que 1utm = 9,8kg. Definição e Propriedades dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 25 PESO ESPECÍFICO O peso específico ( ) é definido como o peso do fluido por unidade de volume. Considerando como G o peso do fluido e V o seu volume, temos: Examinando as unidades de peso e volume, podemos obter a unidade de peso específico da seguinte forma: Cujas unidades nos sistemas MKS, SI e CGS são: Podemos relacionar a massa específica (Р) ao peso específico ( ) considerando a definição de peso como sendo a multiplicação entre massa e gravidade (G = mg). Desta forma, observamos que assim como massa e peso são relacionados pela gravidade, para obter o peso específico de um fluido, basta multiplicar sua massa específica pela gravidade. FLUIDO IDEAL Fluido ideal é aquele que possui viscosidade nula. Isso significa que o fluido ideal escoa sem perdas de energia por atrito, pois sua tensão de cisalhamento também é nula. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E26 Como o próprio nome supõe, fl uido ideal é um fl uido não real. No entanto, apesar de não haver fl uido ideal na prática, muitas vezes consideramos essa hipótese simplifi cadora com objetivo didático ou quando verifi camos que a vis- cosidade não apresenta um efeito signifi cativo no sistema considerado. FLUIDO INCOMPRESSÍVEL Segundo Fox e McDonald (2001), um fl uido é considerado incompressível se o seu volume não varia quando a pressão aplicada sobre ele é modifi cada. Consequentemente, se o volume do fl uido incompressível não muda com a varia- ção da pressão, então a massa específi ca ( ) desse fl uido, defi nida como a razão entre massa e volume de fl uido, também não mudará com a variação da pres- são aplicada sobre esse fl uido. Na prática, frequentemente, os líquidos são considerados fl uidos incom- pressíveis, por apresentarem um comportamento muito próximo ao descrito. Até mesmo os gases, em condições nas quais a pressão do sistema sofre apenas pequena variação, podem ser considerados fl uidos incompressíveis. Para fi ns didáticos e na resolução de problemas práticos de escoamento de fl uidos, se for observado que o fl uido se comporta proximamente ao fl uido incompressível, ou seja, tem seu volume e consequentemente sua massa especí- fi ca praticamente inalterados mediante variações de pressão, o estudo do mesmo será realizado com base nas leis estabelecidas para fl uidos incompressíveis. EQUAÇÃO DE ESTADO DOS GASES Quando os gases não puderem ser considerados como fl uidos incompressíveis e, ao mesmo tempo, forem observados efeitos térmicos, é necessário considerar a variação da massa específi ca (P) (resultante da variação do seu volume) em função da pressão e da temperatura do sistema. Em uma mudança de estado dos gases, usamos comumente a Equação de estado dos gases ideais para relacionar as suas propriedades. Definição e Propriedades dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 27 A equação relaciona a pressão absoluta (P), a massa específica (P), a temperatura absoluta do sistema (T, em Kelvin) e a constante da lei dos gases (R). Quando há mudança de estado de um gás, de um estado 1 (inicial) para um estado 2 (final), as propriedades do sistema se modificam, resultando na varia- ção da massa específica do gás (P1 para P2). Considerando que a constante R permanece inalterada, podemos encontrar a seguinte relação. Quando a mudança de estado do gás ocorre sem a variação da temperatura, dizemos que o sistema sofreu um processo isotérmico, no qual T1 é igual a T2. Nesse caso obtemos: Quando a mudança de estado do gás se dá a pressão constante (p1 igual a p2), temos um processo isobárico e a equação de estado dos gases fica da seguinte forma: Finalmente, se a mudança de estado do gás ocorre sem a variação do volume e, consequentemente, sem a variação da massa específica (P1 igual a P2), trata- -se de um processo isocórico ou isométrico, que resulta na seguinte equação. Os fluidos apresentam propriedades tais como viscosidade, massa específica e peso específico, e podem ser submetidos a condições características de pressão, temperatura e volume. De acordo com a influência dessas propriedades e vari- áveis de estado no comportamento de um fluido, podemos classificá-los como sendo fluidos reais, ideais ou incompressíveis.Figura 7- Fluido em repouso PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E28 ESTÁTICA DOS FLUIDOS No estudo da estática dos fluidos, uma vez compreendidas as principais proprie- dades que os caracterizam, podemos determinar as principais forças que agem sobre um fluido em repouso. PRESSÃO Como já vimos anteriormente, uma força (F) aplicada a uma superfície se decom- põe em uma força tangencial (Ft), que origina a tensão de cisalhamento, e uma força normal (Fn), causadora da pressão exercida nessa superfície. Para Brunetti (2008), se considerarmos que a pressão exercida ponto a ponto em toda a superfície é uniforme, calculamos a pressão média da seguinte forma: Estática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 29 É necessário tomar cuidado para não confundir pressão com força. Por esse motivo, a ilustração da figura a seguir apresenta esquematicamente duas situa- ções hipotéticas, em que a mesma força está sendo aplicada em superfícies com áreas diferentes, e que resultará em pressões distintas. A1 = 10cm² A2 = 5cm²p1 p2 (a) (b) 100 N 100 N Figura 8- Definição de pressão Fonte: Brunetti (2008). Podemos calcular as pressões (p1 e p2) exercidas sobre as duas superfícies. Em (a) temos uma área A1 = 10cm2, enquanto em (b) temos que A2 = 5cm2. Nos dois casos, as placas são submetidas a uma força de 100N. Concluímos portanto, que força e pressão são grandezas distintas, pois a pres- são depende da superfície exposta a força aplicada. TEOREMA DE STEVIN 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 cotas dos dois pontos”. Para melhor compreender o teorema, consideremos o desenho da figura a seguir. Os pontos N e M formam o eixo MN, que possui um ângulo “α” com o plano horizontal. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E30 α N dG h p M PMdA PN dA dA ZN ZM Plano horizontal Figura 9- Teorema de Stevin Fonte: Brunetti (2008). As cotas dos pontos N e M em relação ao plano horizontal são, respectivamente, “zN” e “zM”. A diferença entre as cotas de N e M é representada por “h”, de modo que h = zM - zN. Consideramos “g” o peso específico do fluido. De acordo com o Teorema de Stevin, temos que: Podemos notar que a distância entre os dois pontos não é considerada, pois não há influência da distância na pressão exercida no ponto, apenas as diferenças de altura ou cotas, além do peso específico do fluido. Desta forma, dois pontos com mesma cota ou altura em relação a um mesmo plano horizontal não pos- suem diferença de pressão. LEI DE PASCAL A Lei de Pascal postula que “a pressão aplicada num ponto de fluido em repouso é transmitida integralmente a todos os pontos do fluido”. O princípio da Lei de Pascal se aplica em prensas hidráulicas, dispositivos de controle, freios, ou seja, Estática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 31 em dispositivos que transmitem e ampliam uma força por meio da pressão apli- cada em um fluido, como no exemplo a seguir. ■ Exemplo: Uma prensa hidráulica é ilustrada. Os êmbolos (1) e (2) têm áreas distintas, A1=10cm2 e A2=100cm2, respectivamente. Se for aplicada uma força F1=200N no êmbolo (1), qual será a força F2 aplicada no êmbolo (2)? p2 p1 (2) (1) F2 F1 Figura 10- Prensa hidráulica Fonte: Brunetti (2008). A pressão exercida pelo êmbolo (1) é igual a: Dessa equação temos que F1=p1.A1, e analogamente, F2=p2.A2. De acordo com a Lei de Pascal, a pressão do êmbolo (1) será integralmente transmitida ao êmbolo (2), de modo que podemos considerar p1=p2 e então: Calculamos p1 a partir de F1=200N e A1=10cm2. Considerando que A2=100cm2, obtemos então F2. Podemos observar que, como a pressão é transmitida integralmente de um êmbolo para o outro, no êmbolo de maior área (êmbolo 2) obtivemos uma força proporcionalmente maior. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E32 CARGA DE PRESSÃO Segundo o teorema de Stevin, em um fluido podemos considerar que pressão (p) e altura (h) são diretamente proporcionais. A altura (h) quando multiplicada pelo peso específico do fluido ( ), resulta na pressão exercida pelo fluido em um determinado ponto, e é denominada “carga de pressão”. A definição de carga de pressão é mais facilmente compreendida quando temos um fluido dentro de um recipiente, e queremos determinar a pressão exer- cida pelo fluido (carga de pressão, h) em uma profundidade determinada, como apresenta na figura a seguir: Figura 11- Carga de pressão hB hA A B Fonte: Brunetti (2008). No ponto A, temos que a pressão exercida pelo fluido é pA = .hA, e a carga de pressão é hA. Analogamente, no ponto B temos que a pressão exercida pelo fluido é pB = .hB, e a carga de pressão é hB. Por outro lado, quando o fluido está escoando por um duto, e não há como medir a profundidade, a carga de pressão é visualizada de outra forma, como exemplificado aqui. Estática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 33 (a) p (a) h p Figura 12- Carga de pressão em um duto Fonte: Brunetti (2008). Podemos observar na ilustração (a) da figura já apresentada um fluido com peso específico “ ” escoando por um duto à uma pressão “p”. Já na ilustração (b), por sua vez, consideramos que um pequeno orifício foi aberto no duto, sendo aco- plado um tubo de vidro. Se a pressão interna (p) for maior do que a pressão externa, que nesse caso pode ser considerada a pressão atmosférica, o fluido tende a subir pelo tubo de vidro até alcançar uma altura “h”, quando equilibra as pressões interna e externa, como mostrado na ilustração (b). Nesse caso, podemos escrever: fluido.hcoluna = pduto, e concluímos que hcoluna é a carga de pressão obtida. Portanto, é possível considerar a carga de pressão de um fluido mesmo se não houver profundidade. Dizemos que a carga de pressão “h” representa a altura a qual pode ser alcançada uma coluna de fluido quando submetido a uma pressão “p”. ESCALAS E UNIDADES DE PRESSÃO Segundo Brunetti (2008), quando medimos a pressão e a relacionamos ao vácuo, ou seja, pressão zero, dizemos tratar-se da “pressão absoluta”. Por outro lado, quando adotamos a pressão atmosférica como referência, temos a chamada “pressão efetiva”, pois estamos descontando a pressão exercida pelo ambiente. A pressão atmosférica não é um valor fixo, pois varia com a altitude. Os manômetros são aparelhos de medida de pressão, e praticamente todos registram a pressão efetiva, pois marcam zero quando abertos à atmosfera. Dessa PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E34 forma, os manômetros determinam a pressão do fluido descontando-se a pres- são atmosférica. Para relacionarmos as três formas de medida de pressão fazemos: pabsoluta = patmosférica + pefetiva. Nos manômetros, obtemos pefetivado fluido (pabsoluta - patmosférica). As unidades de pressão (p) mais utilizadas são: kgf/m2, kgf/cm2, lb/pol2 = psi, N/m2 = Pa (pascal). Para carga de pressão (h), as unidades mais usadas são: mmHg (milímetros de coluna de mercúrio), mca (metros de coluna de água), cmca (centímetros de coluna de água). A pressão atmosférica é representada por unidade atmosfera (atm), podendo ser relacionada às outras unidades de pressão da seguinte forma: 1atm = 760 mmHg = 101,23 kPa = 10.330 kgf/m2 = 1,033 kgf/cm2 = 14,7 psi. Exemplo: Consideremos a pressão efetiva de 340mmHg. Determine essa pressão em outras unidades: kgf/cm2, kPa, psi e atm. Portanto, obtemos: 340mmHg = 0,461kgf/cm2 = 45,3kPa = 6,6psi = 0,447atm. MANÔMETROS E A EQUAÇÃO MANOMÉTRICA Os manômetros são equipamentos de medida de pressão muito utilizados. Sua configuração é bastante variável, podendo ser baseado na deformação de um metal ou no desnível de um fluido. Estática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 35 Manômetro metálico ou de Bourbon Esses manômetros têm esse nome porque a pressão é medida pela deformação de um tubo metálico, como mostrado na figura de “Manômetro metálico”. Quando o manômetro é ligado, a pressão que está atuando no sistema deforma o tubo, causando um deslocamento da sua extremidade. Por um sistema de alavancas, a deformação do tubo é relacionada com a pressão do reservatório. Fluído à pressão p Tomada de pressão Sistema de ampliaçãoTubo metálico Figura 13- Manômetro metálico Fonte: Brunetti (2008). A leitura do mostrador nos fornece a pressão efetiva “p” do fluido no reservatório. Manômetro com tubo em U Agora apresentaremos uma figura com dois manômetros com tubo em U. Na ilustração (a) da figura, temos um manômetro com um dos lados aberto para a atmosfera e preenchido com fluido manométrico, que normalmente é o mercú- rio. A presença do mercúrio permite a medida da pressão até mesmo de gases, pois o fluido impede que os gases sejam liberados para a atmosfera. Já na ilustração (b) observamos um manômetro de tubo em U ligado a dois reservatórios, ilustrados por A e B, sem nenhuma saída para a atmosfera. Esses manômetros são denominados “manômetros diferenciais”. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E36 h1 h2 �uído manométrico A (a) (b) A A Figura 14- Manômetros com tubo em U Fonte: Brunetti (2008). Equação manométrica A equação manométrica representa uma expressão que permite determinar a pressão de um reservatório ou a diferença de pressão entre dois reservatórios utilizando-se um manômetro em U. O manômetro diferencial apresentado na próxima figura, desenvolve dois reservatórios. Podemos calcular a diferença de pressão entre os mesmos par- tindo do lado esquerdo ou do lado direito. h4 h3 h1 h2 PA PB A B M Figura 15- Cálculo da Equação manométrica Fonte: Brunetti (2008). Estática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 37 Devemos considerar que, segundo a Lei de Pascal, a pressão aplicada em um ponto do fl uido é transmitida integralmente a todos os pontos do fl uido. De acordo com o teorema de Stevin, sabemos que a diferença de pressão entre dois pontos de um fl uido é igual ao produto do peso específi co do fl uido pela dife- rença de cotas dos dois pontos. Se quisermos tomar como base o fundo do manômetro, ou seja, a base das cotas (h1, h2, h3 e h4), podemos calcular a pressão do fundo pelo lado esquerdo (pfe), a partir do reservatório A, e a pressão do fundo pelo lado direito (pfd), par- tindo do reservatório B, da seguinte forma: Considerando que o fl uido está em equilíbrio, a pressão no mesmo nível (fundo) deve ser a mesma. Logo pfe = pfd. Igualando as duas expressões, obtemos: Observando a expressão obtida, percebemos que o peso específi co ( ) é sem- pre multiplicado pela altura da coluna considerada. Com base nessa observação, existe uma regra prática que facilita o desenvolvimento da equação manométrica. A regra prática estabelece que ao iniciarmos pelo lado esquerdo (do reser- vatório A), devemos somar à pressão pA, as pressões das colunas descendentes e subtrair as pressões das colunas ascendentes, de acordo com a ilustração da fi gura apresentada a seguir. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E38 h4 h4h3 h3 PA PB h6 h6 h5 h5 h1 h1 h2 h2 2 1 4 3 5 6 PA PB 1 1hPA PB2 2h 3 3h 4 4h 5 5h 6 6h = Figura 16: Regra prática de cálculo da Equação manométrica Fonte- Brunetti (2008). SUPERFÍCIES SUBMERSAS E EMPUXO Segundo Fox e McDonald (2001), quando uma superfície se encontra submersa em um fluido, existem forças que atuam nesse corpo de modo a mantê-lo em equilíbrio. Nesse sentido, a variação linear da pressão com a profundidade afeta significativamente o equilíbrio das forças que atuam nas superfícies submersas. Para superfícies submersas planas, se o fluido está em repouso, não existem forças tangenciais agindo sobre a superfície, pois todas as forças que atuam serão normais à superfície submersa. Por outro lado, para superfícies reversas não planas, as forças existentes nos diversos elementos de área da superfície são diferentes em direção e módulo, tornando a determinação das forças uma tarefa bastante complexa. Nesse caso, podemos determinar a força resultante nas direções horizontal e vertical, desde que as duas componentes (vertical e horizontal) estejam em um mesmo plano. A seguir, observamos na figura uma superfície AB qualquer, projetada sobre um plano vertical de modo a originar a superfície plana A´B´, representada em (a). Analogamente, a projeção da superfície em um plano horizontal originou a Estática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 39 superfície plana A´´B´´ apresentada em (b). B” B” A’ V F’ Fx Fy B (a) (b) A B G A A” Figura 17- Forças que atuam em uma superfície submersa Fonte: Brunetti (2008). De acordo com a ilustração (a), as únicas forças horizontais que agem no corpo submerso são F´e Fx, de modo que F´= Fx, ou seja, a componente horizontal que age sobre qualquer superfície submersa é igual à força horizontal que age em uma superfície plana. A componente vertical é obtida quando o plano A´´B´´ coincide com a superfície livre do fl uido. Se a pressão exercida na superfície livre do fl uido for a pressão atmosférica, as únicas forças verticais serão o peso G e a força vertical Fy resultante da pressão na superfície AB. A diferença entre Fy e G consiste em uma força vertical para cima, denotada por “E” e denominada “empuxo”. Portanto, temos que E = Fy - G. A expressão que calcula o empuxo pode ser explicada pelo princípio de Arquimedes: “Num corpo total ou parcialmente imerso num fl uido, age uma força vertical de baixo para cima, chamada empuxo, cuja intensidade é igual ao peso do volume de fl uido deslocado” (BRUNETTI, 2008, p. 37). Se um corpo estiver completamente submerso, ele somente fl utuará se o seu peso “G” for menor que a força que o leva para a superfície, o empuxo “E”. Ou seja, se GE. A estática dos fl uidos descreve de que forma uma força que se transfere ao fl uido na forma de pressão age sobre as propriedades do fl uido ponto a ponto. Além da pressão, observamos a infl uência da força peso e de forças horizontais, em alguns casos. Figura 18- Fluido em movimento PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E40 CINEMÁTICA DOS FLUIDOS No estudo da cinemática dos fluidos, ao contrário do que ocorre com a estática, consideramos o fluido em movimento, classificando o seu regime de escoamento em função das suas propriedades. REGIME PERMANENTE E TRANSIENTE De acordo com Brunetti (2008), o regime permanente descreve o escoamento de um fluido no qual as suas propriedades são invariáveis em cada ponto com o passar do tempo. Isso quer dizer que as propriedades do fluido podem variar de ponto a ponto, mas não há mudança em um determinado ponto com o pas- sar do tempo. O regime transiente ou variado, por outro lado, corresponde ao escoamento de um fluido no qual suas propriedades em um dado ponto variam com o passar do tempo. Apresentaremos agora uma figura que ilustra as duas situações expostas. Cinemática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 41 Reservatório de grandes dimensões (regime permanente) NC (a) (b) t1 t1 t2 t2 t3 t3 Nível variável (regime variado) Figura 19- Regime permanente (a) e Regime transiente ou variado (b) Fonte: Brunetti (2008). Na ilustração (a) visualizamos um reservatório de grandes dimensões e com uma saída de fluido de pequena dimensão. Nesse caso, consideramos que apesar de haver uma saída de fluido no fundo do reservatório, o nível de fluido se man- tém praticamente constante (NC, ou seja, nível constante) ao longo do tempo, caracterizando o escoamento em regime permanente. Já no caso da ilustração (b), observamos que a saída de fluido no fundo do reservatório influi significativamente no nível de fluido que, por sua vez, se apre- senta de forma variável nas três tomadas de tempo indicadas na ilustração (t1, t2, t3). Isso quer dizer que houve variação das propriedades do fluido com o tempo, caracterizando o escoamento em regime transiente ou variado. ESCOAMENTO LAMINAR E TURBULENTO De acordo com a Experiência de Reynolds, os escoamentos foram divididos quanto à forma de deslocamento das partículas do fluido. Escoamento laminar foi considerado o escoamento no qual as partículas se deslocam em lâminas indi- vidualizadas, sem troca de massa entre elas. Por outro lado, se as partículas do fluido apresentarem um movimento aleatório e não ordenado, dizemos tratar- -se de um escoamento turbulento. Na prática, é mais comum nos depararmos com escoamentos turbulentos. Reynolds, com base em sua experiência, determinou um número adimen- sional capaz de classificar os escoamentos como sendo laminar, turbulento ou PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E42 de transição entre as duas formas. Esse número recebeu o nome de “número de Reynolds (Re)”. O número de Reynolds (Re) relaciona as propriedades “ ” (massa específi ca), “v” (velocidade do escoamento), “D” (diâmetro da tubulação) e “ ” (viscosidade) . Para escoamentos em tubulações, podemos relacionar o tipo de escoamento ao número de Reynolds (Re) da seguinte forma: Escoamento laminar (Re < 2000); Escoamento de transição (2000 < Re < 2400); Escoamento turbulento (Re > 2400). TRAJETÓRIA E LINHA DE CORRENTE Para Fox e McDonald (2001), trajetória é o lugar geométrico dos pontos ocupa- dos por uma determinada partícula em tempos subsequentes (t0, t1, t2, …, tn). A equação da trajetória de uma partícula é função do ponto de início (t0) do tra- jeto e do tempo, como veremos agora. Início t0 t1 t2 tn Figura 20- Trajetória de uma partícula Fonte: Brunetti (2008). Linha de corrente consiste em linhas tangentes aos vetores da velocidade (v1, v2, v3, v4) de várias partículas, consideradas todas ao mesmo tempo. Nesse caso, o tempo não é considerado uma variável, mas sim a velocidade das diferentes par- tículas, como é apresentada na imagem que se segue. Cinemática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 43 V1 V2 V3 V4 Figura 21- Linha de corrente Fonte: Brunetti (2008). As trajetórias e as linhas de corrente coincidem geometricamente no regime permanente. ESCOAMENTO UNIDIMENSIONAL O escoamento de um fluido é considerado unidimensional quando podemos descrever as propriedades do fluido e, portanto, caracterizar o tipo de escoa- mento, utilizando apenas uma única coordenada, ou seja, considerando apenas uma dimensão. Na Figura 22, observamos um escoamento unidimensional des- crito apenas pela coordenada “X”, horizontal. (1) (2) x1 v1 x2 x v2 Figura 22- Escoamento unidimensional Fonte: Brunetti (2008). A partir da figura, conseguimos observar que ao longo de cada seção conside- rada (seção (1), seção (2), etc.) foi encontrada a mesma velocidade, em qualquer ponto. A variação da velocidade se deu apenas quando mudamos a coordenada x, indo de x1 para x2, por exemplo, de modo que podemos afirmar que o escoa- mento é uniforme (velocidade constante) nas seções. PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E44 Os escoamentos podem ainda ter suas velocidades variando nas duas coorde- nadas (eixos “x” e “y”), no caso de escoamento bidimensional, ou três coordenadas (eixos “x”, “y” e “z”) quando consideramos o escoamento tridimensional. No escoamento bidimensional temos a velocidade como uma função de x e y, logo v = f(x, y), apresentado na ilustração (a) da próxima figura. No escoa- mento, no espaço, ou tridimensional, representado na ilustração (b), a velocidade depende das coordenadas x, y e z, ou seja, v = f(x, y, z). y1 v1 v = ƒ(x, y) v = ƒ(x, y, z) (a) (b) (1) (2) x1 y x2 x y z Figura 23- Escoamentos bidimensional (a) e tridimensional (b) Fonte: Brunetti (2008). Podemos verificar que o aumento do número de dimensões torna as equações que descrevem os escoamentos bastante complexas. Dessa forma, estudaremos apenas os escoamentos que possam ser considerados unidimensionais, a fim de utilizarmos as equações de escoamento uniforme, que serão apresentadas posteriormente. VAZÃO De acordo com Brunetti (2008), vazão (Q) é definida como o volume de fluido (V) que atravessa uma determinada seção do escoamento por unidade de tempo (t), sendo representada por unidades de volume/tempo, ou seja, m3/s, L/s, L/ min, m3/h, etc. A figura a seguir se visualiza o escoamento de um fluido em um tubo de seção com área (A). Dizemos que o volume (V) do fluido que atravessa a seção, será Cinemática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 45 igual ao produto da área da seção (A) pela distância percorrida pelo fluido (s) em um instante (t) considerado, ou seja, V = A.s Figura 24- Vazão de um fluido em seção de área A Fonte: Brunetti (2008). Se considerarmos que a velocidade de escoamento do fluido (v) pode ser expressa comoa razão entre a distância(s) percorrida(s) pelo fluido no tempo (t), teremos: Essa expressão só se aplica a escoamentos unidimensionais, nos quais a velo- cidade é constante ao longo da seção. Na prática, entretanto, isso não ocorre sempre, e devemos utilizar uma velocidade média (vm) na seção. A dA v Figura 25- Seção de área com velocidade não uniforme Fonte: Brunetti (2008). De acordo com a Figura 25, devemos tomar uma diferencial de área “dA” que possui uma velocidade “v”, e obtemos uma diferencial de vazão dQ da seguinte forma: dQ = v.dA. Integrando essa expressão obtemos: PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E46 Essa integração resulta na velocidade média (vm) na seção, considerada como uma velocidade uniforme que ao substituir a velocidade real de escoamento, reproduziria a mesma vazão na seção. Para determinar vm fazemos: EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE PARA REGIME PERMANENTE Considere o escoamento permanente ilustrado na fi gura a seguir. m Qm1 Qm2 V A2 A1 Figura 26- Escoamento em Regime permanente Fonte: Brunetti (2008). Na entrada da tubulação temos a vazão mássica (massa/tempo) de fl uido represen- tada por Qm1, e na saída, a vazão mássica de fl uido é chamada Qm2. Denominamos a área da seção da entrada de A1 e a área da seção da saída de A2. Considerando o regime permanente, sabemos que as propriedades do fl uido não sofrem varia- ção em nenhum ponto do fl uido com o tempo. Pelo princípio da conservação da massa, podemos afi rmar que a massa que entra deve sair, ou seja, Qm1 = Qm2. Para transformar vazão mássica (Qm) em vazão volumétrica (Q), devemos multiplicá-la pela massa específi ca do fl uido ( ), e sabendo que Q = A.v, obtemos as três formas de expressar a “Equação da Continuidade para um fl uido qualquer em Regime Permanente”. Cinemática dos Fluidos Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 47 ■ Exemplo: Abaixo, apresentamos uma mostra de escoamento de um gás em regime permanente. Na seção (1) suas propriedades são: A1 = 20 cm2, P1 = 4 kg/m3 e v1 = 30 m/s. Na seção (2) temos: A2 = 10 cm2 e P2 = 12 kg/ m3 . Determine a velocidade do gás na seção de saída. (1) (2) gás Figura 27- Escoamento de gás compressível Fonte: Brunetti (2008). Usando a equação da continuidade para fluido qualquer em regime permanente obtemos: A velocidade do gás na seção de saída é de 20 m/s. Se o fluido for incompres- sível, a massa específica deve permanecer constante na entrada e na saída (P1 = P2 = P) da tubulação, e obtemos a “Equação da Continuidade para um fluido incompressível em Regime Permanente”. Para um fluido incompressível, verificamos que a vazão volumétrica (Q) é a mesma em qualquer seção do escoamento permanente. Nas duas equações apre- sentadas é importante considerar que as velocidades v1 e v2 são as velocidade médias nas seções (1) e (2), respectivamente. ■ Exemplo 4: Um fluido incompressível escoa por um tubo Venturi que pos- sui uma estrutura convergente/divergente, como mostrado na próxima PROPRIEDADES, ESTÁTICA E CINEMÁTICA DOS FLUIDOS Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IU N I D A D E48 figura. A seção mínima é denominada garganta e possui área (AG) de 5cm2, enquanto na entrada (Ae) a área é de 20cm2 e a velocidade do fluido (ve) é 2m/s. Determine a velocidade do fluido na garganta do tubo Venturi. Venturi Garganta AG Ae Figura 28- Escoamento de fluido incompressível em tubo Venturi Fonte: Brunetti (2008). Usando a equação da continuidade para fluido incompressível em regime per- manente (Qe = QG) temos que: Obtemos portanto a velocidade de escoamento do fluido na garganta do tubo Venturi, que é de 8m/s. Podemos observar que a diminuição da área na garganta (de 20cm2 para 5cm2) fez com que a velocidade do fluido se tornasse maior (de 2m/s para 8m/s). Isso ocorre porque a velocidade de escoamento do mesmo é inversamente proporcional à área da seção pela qual o fluido atravessa. Na cinemática estudamos o escoamento dos fluidos, descrevendo sua trajetó- ria e classificando os escoamentos quanto à variação das propriedades do fluido ao longo de uma seção e com a passagem do tempo. Com base na cinemática e na lei da conservação da massa encontramos a equação da continuidade para fluidos quaisquer e fluidos incompressíveis em regime permanente, de grande utilidade no estudo da mecânica dos fluidos. Considerações Finais Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 49 CONSIDERAÇÕES FINAIS Nesta unidade iniciamos nosso estudo sobre os fenômenos de transporte, partindo de definições das principais propriedades dos fluidos, como viscosidade, massa específica e peso específico, além de apresentarmos os conceitos de velocidade e vazão de escoamento de um fluido. Para compreendermos essas definições, con- sideramos o fluido em condições estáticas e em seguida em condições dinâmicas. Na estática dos fluidos, segundo a Lei de Pascal, consideramos que a pressão exercida em um ponto de um fluido em repouso é integralmente transferida a todos os pontos desse fluido. A partir dessa lei, definimos conceitos como pres- são, carga de pressão e empuxo e, finalmente, obtemos a equação manométrica, que descreve de que forma a pressão de um fluido em um duto fechado pode ser calculada. Na cinemática dos fluidos, tratamos das formas de escoamento. Foram clas- sificados quanto à variação das suas propriedades com o tempo, em escoamento permanente e transiente, quanto ao deslocamento das partículas do fluido, em escoamento laminar e turbulento e, finalmente, sobre a variação da velocidade nas coordenadas do espaço x, y e z, em escoamento unidimensional, bidimen- sional e tridimensional. Ao final desta unidade, englobando todos os conceitos introdutórios, e com base na lei da conservação da massa, apresentamos a equação da continui- dade para o regime permanente, enfocando a conservação da vazão mássica na entrada e saída de uma tubulação sem aberturas laterais. Essa equação será de grande utilidade nos temas das unidades seguintes que referem-se à transferên- cia de quantidade de movimento. Todos os temas apresentados são de extrema importância para o aprendi- zado das unidades que seguem, nas quais serão realizados balanços de massa e energia para o escoamento de fluidos. 50 1. No manômetro da fi gura abaixo, o fl uido A é água e o fl uido B é mercúrio. Qual a pressão p1, sabendo-se que a outra abertura do manômetro está sob a pressão atmosférica (patm) ? Dados: , sabendo-se que a outra abertura do manômetro está sob a água=10.000N/m 3; , sabendo-se que a outra abertura do manômetro está sob a mercúrio=136.000N/m 3. A B P1 5cm 7,5cm 15cm 2. Descreva quais as diferenças entre regime laminar, regime turbulento e en- tre escoamento permanente e escoamento transiente ou variado. 3. Uma torneira enche um tanque de 6000L com água, durante 100 minutos. De- termine a vazão volumétrica (Q) e a vazão mássica (Qm) dessa torneira, sa- bendo que água = 1000 kg/m 3. Lembre-se que 1m3 = 1000L. 4. No tubo ilustrado na fi gura a seguir, o fl uido que está escoando é a água, a área da seção (1) é A1 = 10cm 2 e a área da seção (2) é A2 = 5cm 2. Como mostrado, a velocidade na seção (1) é v1 = 1 m/s. Determine a velocidade na seção (2). (1) v1 = 1m/s (2) 5. Na fi gura abaixo, observamos umtubo convergente no qual ar escoa. A seção maior do tubo tem área A1=20cm 2 e a área da seção menor é A2=10cm 2. A massa específi ca do ar ( ar) varia ao longo do tubo, na seção (1) é 1,2kg/m 3, enquanto na seção (2) é 0,9kg/m3, e a velocidade do ar na seção (1) é 10m/s. Calcule a velocidade na seção (2). (1) (2) 51 COMO FUNCIONA UMA PRENSA HIDRÁULICA A prensa hidráulica é uma máquina mecânica utilizada para elevar ou para comprimir ítens grandes, por meio da utilização de sistemas hidráulicos, comprimindo-os em blo- cos reduzidos que facilitam o seu transporte, armazenamento e descarte. O inventor da prensa hidráulica é Joseph Bramah, motivo pelo qual algumas prensas hidráulicas são denominadas de prensas Bramah. A base para o desenvolvimento desse dispositivo foi o estudo em mecânica dos fluidos, sobretudo na ação de uma pressão exercida perpendicularmente ao objeto a que se deseja prensar. Quando o conhecimen- to em hidráulica foi adicionado ao estudo das prensas, foram apresentadas ao mercado posteriormente diversas máquinas baseadas nesse princípio de funcionamento. Embora tenha evoluído bastante com o passar dos anos e os avanços tecnológicos, a prensa hidráulica segue o mesmo princípio desde a sua criação: a Lei de Pascal, que diz que toda a pressão aplicada em um determinado ponto concentrado é transmitida igualmente em todas as direções, potencializando a força. O funcionamento do equipamento consiste na aplicação de uma força em um peque- no êmbolo que, por meio do deslocamento de um fluido, transmite a pressão para um êmbolo muito maior, originando uma força elevada. É esta força gerada que molda e comprime a matéria que será encaminhada para reciclagem ou para seus devidos fins. Esse mesmo princípio é utilizado em equipamentos como macacos de elevação e tra- vões de veículos. A prensa hidráulica está presente em praticamente todos os tipos de indústria, sendo capaz de comprimir fardos de papel, papelão, garrafas PET, latinhas de alumínio, entre outros materiais recicláveis. Em função da quantidade de material prensado e da sua aplicação, pode ser obtida na forma manual ou automatizada. É um dispositivo desen- volvido de acordo com rigorosas normas de segurança, sendo considerado essencial para a preservação ambiental, uma vez que favorece a reciclagem e o descarte correto de resíduos industriais. Fontes: Adaptado de Dinamicambiental (2015, on-line)1; Fragmaq ([2017, on-line)2. MATERIAL COMPLEMENTAR Física Geral II - Fluidos Este vídeo exibe uma aula do professor Peter Schulz sobre Fluidos, realizada na disciplina de Física Geral do Instituto de Física “Gleb Wataghin”, da Unicamp. Conforme descrição do vídeo, na aula o professor aborda situações que demonstram como os fluidos se comportam, além de explicar a Equação proposta por Daniel Bernoulli, que estudou a conservação de energia mecânica em um fluido ideal. Confira o vídeo e saiba mais sobre o tema: <https://www.youtube.com/watch?v=hi2ORXrJk6k>. BRAGA FILHO, W. Fenômenos de Transporte para Engenharia. 1ª ed. Rio de Janei- ro: Editora LTC, 2006. BRUNETTI, F. Mecânica dos Fluidos. 2ª ed. rev. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. FOX, R. W. e McDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 5ª ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2001. SISSOM, L. E. e PITTS, D. R. Fenômenos de Transporte. 1ª ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara S. A., 1988. REFERÊNCIAS ON-LINE 1Em: <http://www.dinamicambiental.com.br/blog/reciclagem/funciona-prensa-hi- draulica>. 2Em: <http://www.fragmaq.com.br/produtos/prensas-hidraulicas/>. REFERÊNCIAS 53 GABARITO 1) Os dados do exercício são: patm = 1atm = 101.325N/m 2; hágua = 2,5cm = 0,025m; hHg = 10cm = 0,10m. p1 + (0,025m).(10.000N/m 2) - (0,10m).(136.000N/m2) = patm p1 = 114.675 N/m 2 = 114,675 kPa. 2) Regime laminar: consiste no escoamento em que as partículas do fl uido se deslo- cam em lâminas individualizadas, sem troca de massa entre elas. Regime turbulento: consiste no escoamento em que as partículas do fl uido apre- sentam um movimento aleatório e não ordenado. Escoamento permanente: ocorre quando as propriedades do fl uido se mantêm constantes ao longo do tempo. Escoamento transiente: ocorre quando as propriedades do fl uido variam com o pas- sar do tempo. 3) Dados do exercício: V = 6000L = 6m3; t = 100min Q = V/t = 6/100 = 0,06 m3/min = 0,001 m3/s Qm = (V.P)/t = 6.1000/100 = 60 kg/min = 1 kg/s 4) Dados do exercício: A1 = 10cm 2; A2 = 5cm 2; v1 = 1 m/s. Pela equação da continuidade do regime permanente temos: Q1 = Q2 Como P é constante, então: v1. A1 = v2. A2 1.(10) = v2.(5) v2 = 2m/s. 5) Dados: A1=20cm 2 ; A2=10cm 2; P1 = 1,2kg/m 3; P2 = 0,9kg/m 3; v1 = 10m/s. Pela equação da continuidade do regime permanente temos: Qm1 = Qm2 P1.v1.A1 = P2.v2.A2 (1,2).(10).(20) = (0,9).v2.(10) Então: v2 = 26,7m/s. U N ID A D E II Professora Drª. Denise Maria Malachini Miotto Bigatão EQUAÇÕES DA ENERGIA E DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO PARA REGIME PERMANENTE Objetivos de Aprendizagem ■ Apresentar, por meio do balanço de energia, as equações que relacionam as diferentes formas de energia associadas ao escoamento de um fluido. ■ Compreender de que forma são relacionadas as diferentes forças que atuam sobre um fluido em movimento. Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: ■ Equação da Energia para Regime Permanente ■ Equação da Quantidade de Movimento para Regime Permanente INTRODUÇÃO Caro(a) aluno(a), na unidade anterior foram apresentadas as definições de fluido e suas principais propriedades, obtendo por meio do balanço de massa a Equação da Continuidade para escoamento de fluidos incompressíveis em regime per- manente. Nesta unidade, realizaremos balanços de energia e quantidade de movimento para o fluido em escoamento. No balanço de energia serão definidas todas as formas de energia envolvidas no escoamento de um fluido, obtendo-se uma equação de energia que considera diversas hipóteses simplificadoras, denominada Equação de Bernoulli. Essa equa- ção, quando escrita sob a forma de “energia por unidade de peso” obtêm termos que são denominados “cargas”. As hipóteses simplificadoras serão substituídas gradativamente por conside- rações práticas, de modo que a equação da energia passará a considerar efeitos como a presença de uma bomba ou turbina, a adição ou retirada de calor, atrito entre o fluido e as paredes da tubulação, efeitos térmicos e até mesmo a presença de diversas entradas e saídas. Dessa forma, a Equação de Bernoulli será obtida de uma forma generalizada para escoamentos não ideais. Analogamente, a análise da quantidade de movimento será realizada em função de balanços de quantidade de movimento para fluidos em escoamento. Algumas hipóteses simplificadoras também serão adotadas tendo em vista a natureza vetorial da Equação da Quantidade de movimento. As equações de energia e quantidade de movimento obtidas nesta unidade, juntamente com a equação da continuidade realizada na unidade anterior têm por objetivo descrever da forma mais realista possível o comportamento de flui- dos que escoam em tubulações industriais, sistemas de distribuição e tratamento de água e esgoto, e até mesmo tubulações residenciais. Esses conhecimentos são necessários para a compreensão da estática, cine- mática e dinâmica dos fluidos, presentes na mecânica dos fluidos. Boa leitura! Introdução Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 57 Figura 1- Escoamento de água em tubulação EQUAÇÕES DA ENERGIA E DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO PARA REGIME PERMANENTE Reproduçãoproibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IIU N I D A D E58 EQUAÇÃO DA ENERGIA PARA REGIME PERMANENTE Na equação da continuidade, apresentada na Unidade 1, consideramos que em regime permanente a massa, ou vazão mássica, do fluido que escoa de uma seção para outra de um tubo se mantém constante. Com a energia, nosso raciocínio se baseia na lei da conservação da energia, na qual a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. Nesse caso, iremos realizar um balanço de energia, da mesma forma que foi realizado para a massa de fluido, obtendo- -se a equação da energia. Em todas as ações da natureza há transformações de energia, desde a respi- ração dos menores seres vivos até o aquecimento da terra pelo sol. Equação da Energia Para Regime Permanente Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 59 ENERGIAS ASSOCIADAS AO ESCOAMENTO DE UM FLUIDO Segundo Brunetti (2008), existem diversas formas de energia associadas ao esco- amento de um fluido: energia potencial, energia cinética, energia de pressão e energia mecânica. A energia potencial (Ep) corresponde ao estado de energia do sistema resul- tante da sua posição no campo gravitacional com relação a um plano horizontal de referência. É uma energia medida pelo potencial de realização de trabalho do sistema. A Figura 2 ilustra a definição de energia potencial. z CG G = mg Figura 2- Energia potencial de um sistema Fonte: adaptado de Brunetti (2008). Analisando a figura, observamos que no centro de gravidade (CG) do sistema há uma força peso (G = mg) atuando verticalmente, a uma distância “z” plano hori- zontal de referência. Partindo do conceito de trabalho “W” (Trabalho = força x deslocamento), temos que W = G.z. Por definição, energia potencial representa a capacidade do corpo em rea- lizar trabalho (W), portanto Ep = G.z, ou ainda, Ep = mgz. A energia cinética (Ec) corresponde ao estado de energia resultante do movi- mento do fluido. Se um sistema apresenta massa “m” e velocidade de escoamento do fluido “v”, a energia cinética é representada e calculada conforme a Figura 3. v m CG mv² 2 Ec = Figura 3- Energia cinética de um sistema Fonte: adaptado de Brunetti ( 2008). EQUAÇÕES DA ENERGIA E DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO PARA REGIME PERMANENTE Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IIU N I D A D E60 A energia de pressão (Epr) corresponde à energia potencial das forças de pressão que atuam no escoamento do fluido, como ilustrada na Figura 4. Considerando que a pressão seja constante na seção, a força aplicada pelo fluido externo no fluido interno na seção considerada, com interface de área A, é F = pA. Em um intervalo de tempo “dt”, o fluido vai ser deslocado a uma distância “ds”, e sob a ação da força F, o trabalho produzido será dW = F.ds, ou ainda, dW = pAds. Se considerarmos que o produto entre área (A) e comprimento (ds) resulta em volume (dV), temos: dW = p.dV. Por outro lado, sabemos que dW = dEpr, logo: dEpr = p.dV. Integrando dos dois lados da equação obtemos: ds dV dt A p F = pA E = ∫pdV v pr Figura 4- Energia de pressão de um fluido em escoamento Fonte: adaptado de Brunetti (2008). Ao somarmos as energias potencial, cinética e de pressão obtemos a energia mecânica total do fluido (E), que pode ser calculada da seguinte forma: Equação da Energia Para Regime Permanente Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 61 EQUAÇÃO DE BERNOULLI De acordo com Fox e McDonald (2001), a equação de Bernoulli representa a equação da energia na qual várias hipóteses são consideradas com o objetivo de simplificar os cálculos matemáticos. Dentre as hipóteses admitidas, pode- mos destacar: a) O escoamento do fluido ocorre em regime permanente. b) Não há adição nem retirada de energia ao longo do escoamento, de modo que a energia da entrada é igual à energia na saída. c) Perdas de energia por atrito do fluido nas paredes da tubulação são con- sideradas desprezíveis. d) As propriedades dos fluido são constantes na seção. e) O fluido é considerado incompressível. f) Não há trocas de calor entre o sistema e a vizinhança. A Figura 5 ilustra o escoamento de um fluido entre duas seções (1) e (2), nas quais realizamos um balanço de energia considerando as hipóteses de (a) a (f). Um aumento da energia cinética deve ser contrabalançado por uma dimi- nuição da energia potencial e vice-versa. Isso acontece com inúmeros siste- mas, até mesmo com o Sistema Solar. A Terra, como sabemos, descreve uma trajetória elíptica, com duração de um ano, em torno do Sol. No ponto mais próximo, chamado de periélio, a energia potencial conferida ao Sol diminui e, em consequência, a energia cinética (e, portanto, a velocidade) da Terra aumenta. O oposto acontece no ponto mais afastado, chamado de afélio, quando a energia potencial do Sol aumenta e a energia cinética da Terra diminui, pois a Terra tem a menor velocidade de translação. Fonte: Braga Filho (2006). EQUAÇÕES DA ENERGIA E DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO PARA REGIME PERMANENTE Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de 1998. IIU N I D A D E62 dm1 dm2 dt dV1 dV2 P1 v1 z1 z2 P2 v2 (1) (2) Figura 5- Equação de Bernoulli entre as seções (1) e (2) Fonte: adaptado de Brunetti (2008). Considerando um intervalo de tempo dt, temos que uma massa de fluido dm1, a montante da seção (1), atravessa a seção e percorre o trecho entre (1) e (2). A energia mecânica total adicionada pelo fluido ao entrar pela seção (1) será: De modo análogo, temos que uma massa de fluido dm2, proveniente do trecho entre as seções (1) e (2) atravessa a seção (2) e escoa para fora, carregando ener- gia mecânica total que será igual a: De acordo com as hipóteses (b), (c) e (f), não há adição nem perda de energia durante o escoamento do fluido entre (1) e (2). Adicionalmente, segundo a hipó- tese (a), para o escoamento em regime permanente, não deve haver variação de energia entre (1) e (2), ou seja, a energia mecânica total em (1) deve ser igual à energia mecânica total em (2). Equação da Energia Para Regime Permanente Re pr od uç ão p ro ib id a. A rt . 1 84 d o Có di go P en al e L ei 9 .6 10 d e 19 d e fe ve re iro d e 19 98 . 63 Considerando a massa específi ca (P) como sendo a razão entre a variação de massa (dm) e de volume (dV), temos que: Substituindo dV1 e dV2, obtemos: A hipótese (a) admite o regime permanente, no qual dm1 = dm2, e a hipótese (e) considera o fl uido incompressível, de modo que 1= 2= . Portanto a equação é simplifi cada, resultando em: Se dividirmos todos os termos da equação por “g” (gravidade), lembrando que o peso específi co ( ) é defi nido como = P.g, encontramos a Equação de Bernoulli. Essa equação relaciona distâncias, velocidades e pressões que descrevem as for- mas de energia que atuam no escoamento do fl uido entre duas seções (1) e (2). Cada termo da equação representa uma forma de energia. A energia poten- cial (Ep) por unidade de peso “G” é representada pelo primeiro termo: O segundo termo representa a energia cinética (Ec) por unidade de peso (G), que é calculada por: EQUAÇÕES DA ENERGIA E DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO PARA REGIME PERMANENTE Reprodução proibida. A rt. 184 do Código Penal e Lei 9.610 de 19 de fevereiro de
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