Aula05 Propriedades dos Fluidos

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05/03/2018
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Fenômenos de Transporte I
Aula 05: Propriedades dos fluidos
Engenharia de Alimentos – FZEA – USP
Prof Dr Gustavo Cesar Dacanal
Viscosidade
• O escoamento de um fluido ao redor de um 
corpo/objeto resulta em uma força de arraste, 
que é resultado do atrito viscoso.
• O fluido em escoamento se deforma 
continuamente, e as alterações em sua 
trajetória, ou “linha de corrente” também são 
dependentes da viscosidade.
Fluido Newtoniano, tensão de cisalhamento e 
viscosidade
• Ao medir a força necessária para o escoamento de 
uma placa sobre a superfície de um fluido, pode-
se observar a relação proposta por Isaac Newton, 
e a definição de “fluidos newtonianos”.
• Tensão de cisalhamento:
• Ou se considerarmos o perfil de velocidade, temos 
que:
Viscosidade dinâmica
• A “tensão de cisalhamento” varia 
proporcionalmente com a “taxa de 
deformação”.
• Para um fluido newtoniano, esta variação é 
representada por uma reta, cuja inclinação é a 
viscosidade dinâmica. 
• Fluidos com maior viscosidade, resultam em 
maior tensão de cisalhamento.
Fluidos não-newtonianos
• Quando a curva de escoamento não é 
representada por uma reta, o fluido não 
segue a lei de Newton para o escoamento.
• Logo, surgem outro modelos reológicos que 
explicam o fenômeno de deformação do 
fluido.
• A viscosidade de fluidos não-newtonianos 
não é uma propriedade constante. Depende 
da velocidade de escoamento do fluido (taxa 
de deformação).
Viscosidade e temperatura
• O valor da viscosidade pode aumentar ou 
decrescer, de acordo com a temperatura do 
fluido.
• Gases:
• Líquidos: 
• Em que os valores de a, b e c, são constantes 
experimentais.
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Viscosidade cinemática
• É a razão entre a viscosidade dinâmica e 
a densidade do fluido.
Viscosidade de alguns fluidos
Outras propriedades dos 
fluidos
Propriedades extensivas e intensivas
• Propriedades extensivas:
• Massa e volume. 
• Dependem da quantidade de matéria.
• Propriedades intensivas:
• Temperatura, pressão e densidade.
• Não dependem da quantidade de matéria.
• Propriedades específicas:
• Volume específico: 𝑣 =
𝑚
𝑉
=
1
𝜌
• Gravidade específica: 𝐺𝐸 =
𝜌
𝜌𝐻2𝑂
• Peso específico: 𝛾𝑠 = 𝜌. 𝑔
Propriedade específica
• Gravidade específica: 𝐺𝐸 =
𝜌
𝜌𝐻2𝑂
Densidade de um fluido
• Grandeza escalar definida para um “ponto” no fluido
• Unidade no SI  1 kg/m3
– Conversão  1 kg/m3 = 0.062428 lbm/ft3
• Densidade de alimentos sólidos  vazios
– Densidade do sólido (densidade real)  espaços vazios são desconsiderados (medida realizada em vácuo)
– Densidade de partícula  espaços internos da partícula são considerados (porosidade intrapartícula)
– Densidade aparente (“bulk”)  massa total / volume de leito (efeitos da porosidade = espaço intersticial)
• OBS1: volume específico = 1 / densidade (real)
• OBS2: compressibilidade  comportamentos distintos
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Ex: densidades de interesse Densidade de gases ideais ou perfeitos
• A partir da equação de estado para gases ideais:
𝑃 𝑣 = 𝑅 𝑇
• E considerando o volume específico:
𝑣 =
𝑚
𝑉
=
1
𝜌
• Temos que a densidade de um gás ideal pode ser obtida por:
𝜌 =
𝑃
𝑅 𝑇
• Observe que:
• Temperatura: T (K)
• Pressão: P (kPa)
• Constante de gás para o ar: R = 0,287 kPa.m³/kg.K
Pressão de vapor e cavitação
• No equilíbrio liquido-vapor de uma 
substância pura, a linha de saturação é 
determinada pela pressão de vapor e 
temperatura de saturação.
• Uma queda de pressão próximo a estas faixas, 
pode resultar em bolhas de vapor, que voltam 
a colapsar ao entrar em uma zona de alta 
pressão.
• Este fenômeno é chamado cavitação, e pode 
causar danos/desgastes em equipamentos, 
bombas hidráulicas, turbinas, etc.
• Ruído excessivo e perda de desempenho no 
transporte de fluido. 
Cavitação (problemas)
• Problema relacionado à pressão de 
operação e pressão de vapor
• Equipamento submetidos à cavitação 
por longo períodos podem sofre 
danos de desgaste e erosão.
• Turbinas hidráulicas e bombas devem 
ser projetadas para não ocorrer 
cavitação.
Energia e calores específicos
• Energia Total (E): é a soma das energias (Térmica, 
mecânica, cinética, potencial, elétrica, magnética, 
química, e nuclear).
• Energia interna (U): soma de todas as formas de 
energia microscópica (grau de atividade molecular);
• Calor: 
• Sensível (variação de temperatura) 
• Latente (mudança de fase)
• Entalpia (h):
• Propriedade específica que auxilia a medida da energia em 
“trânsito”, em um sistema aberto.
• u = energia interna por unidade de massa.
• P/ρ = energia do escoamento, ou trabalho do escoamento.
Definição da equação de conservação de 
energia, para um fluido em escoamento
• h = entalpia
• ke = energia cinética
• kp = energia potencial
• A equação de Bernoulli, para o escoamento, é obtida a partir da 
equação 2.8.
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Calor específico e entalpia
• A variação de entalpia pode ser obtida a partir do calor específico.
• Normalmente, considera-se que para uma pequena variação de 
temperatura ou pressão, o calor específico é constante.
• Para fluido incompressíveis, o calor especifico a volume constante e 
pressão constante são iguais.
Calor específico e entalpia
• Processos a pressão constante:
• Processos a temperatura constante:
Coeficiente de compressibilidade (κ)
• O coeficiente de compressibilidade representa a variação de pressão 
correspondente à variação de volume (ou densidade) do fluido, 
enquanto a temperatura permanece constante.
• Um fluido com elevado valor de κ é considerado incompressível.
Coeficiente de expansão volumétrica (β)
• A densidade de um fluido é variável de acordo com a temperatura.
• Fenômenos naturais (vento, correntes no oceano, fumaça, balões 
de ar quente, transferência de calor por convecção natural, etc.)
• O estudo de convecção natural pode ser representado pela 
variação de temperatura e densidade do fluido próximo à uma 
superfície e suas vizinhanças, e o coeficiente (β) é uma importante 
propriedade.
Tensão superficial
• Resultado de forças de “tração” entre as 
moléculas do fluido (água). 
• Fenômeno de superfície. Gotas esféricas.
• Altera com a presença de impurezas.
• As medições são feitas pela “força de 
ruptura” (Tensiômetro).
Capilaridade
• Efeito capilar. 
• Fenômeno resultante da ação da 
tensão superficial.
• Ângulo de contato (Figura 2.23)
• Água “molha” o vidro.
• Mercúrio “não molha” o vidro.
• A ascensão capilar é definida por:
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Guia de estudos
• Referência:
• Livro CENGEL e CIMBALA: Introdução à Mecânica dos Fluidos
• Leitura e exercício (Capítulos 1 e 2)