Aula 2 - Tensão Superficial, Capilaridade e Viscosidade (1)

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TENSÃO SUPERFICIAL, CAPILARIDADE E VISCOSIDADE 
TENSÃO SUPERFICIAL
A tensão superficial é um efeito físico que faz com que a camada superficial de um líquido venha a se comportar como uma membrana elástica. 
Este efeito é causado pelas forças de coesão entre moléculas semelhantes, cuja resultante vetorial é diferente na superfície.
Enquanto as moléculas situadas no interior de um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas, as moléculas da superfície do líquido sofrem apenas atrações laterais e internas. 
Este desbalanço de forças de atração que faz a interface se comportar como uma película elástica, como um látex. 
Devido à tensão superficial, alguns objetos mais densos que o líquido podem flutuar na superfície, caso estes não rompam a tensão superficial da água.
CAPILARIDADE
A capilaridade é a propriedade física que permite aos fluidos subirem ou descerem em tubos extremamente finos. 
Quando um líquido entra em contato com uma superfície sólida, o líquido fica sujeito a dois tipos de forças que atuam em sentidos contrários: a força de adesão e a força de coesão. 
A força de adesão é a atração entre moléculas diferentes, ou seja, a afinidade das moléculas do líquido com as moléculas da superfície sólida. Atua no sentido de o líquido molhar o sólido. A força de coesão é a atração intermolecular entre moléculas semelhantes, ou seja, a afinidade entre as moléculas do líquido. Atua no sentido de manter o líquido em sua forma original. 
Se a força de adesão for superior à de coesão, o líquido vai interagir favoravelmente com o sólido, molhando-o, e formando um menisco. Se a superfície sólida for um tubo de raio pequeno, como um capilar de vidro, a afinidade com o sólido é tão grande que o líquido sobe pelo capilar. No caso do mercúrio, acontece o contrário, pois este não tem afinidade com o vidro (a força de coesão é maior). 	
MASSA E PESOS ESPECÍFICOS
A massa específica (r) de uma substância é a massa de uma unidade de volume da mesma e depende de sua estrutura molecular.
Nota: Devido a uma estrutura molecular peculiar, e à ação das pontes de hidrogênio, a água é uma das poucas substâncias que apresentam dilatação quando se solidificam. A massa específica da água é máxima a 4° C.
DENSIDADE RELATIVA
A densidade relativa de um líquido é a relação entre as massas específica do líquido e da água. Portanto é adimensional. 
Mas se todos os fluidos se deformam indefinidamente, o que os diferencia?
VISCOSIDADE
A viscosidade é uma medida da resistência interna de um fluido ao fluxo, ou seja, é a resistência oferecida pelo líquido quando uma camada se move em relação a uma camada vizinha. Quanto maior a viscosidade, maior é a resistência ao movimento e menor é sua capacidade de escoar (fluir). 
Em outras palavras, a viscosidade de um fluido é a propriedade que determina o valor de sua resistência ao cisalhamento. É a propriedade principal de um lubrificante, pois está diretamente relacionada com a capacidade de suportar cargas. 
Para definir quantitativamente a viscosidade, vamos considerar um líquido preenchendo o espaço entre duas placas planas paralelas de área A cada uma e separadas por uma distância h. 
Supondo a placa inferior fixa, então é necessária uma força F para mover a placa superior, paralelamente à inferior, com velocidade U. Sob certas condições, pode-se obter uma distribuição linear de velocidades u dos pontos do líquido, como mostrado na figura a seguir. 
Neste caso, a força por unidade de área necessária para mover a placa, isto é, a tensão de cisalhamento t (medida em N/m² = Pa) é diretamente proporcional a U e inversamente proporcional a h. 
A constante de proporcionalidade μ é denominada viscosidade absoluta (ou viscosidade dinâmica). 
A unidade de medida da viscosidade é o = N.s/m² = Pa.s = kg/(m·s)
Também se usa o conceito de viscosidade cinemática, 𝝂, que é a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica: 
A unidade de viscosidade cinemática é, portanto, m²/s. Ainda pode-se utilizar a unidade de Stoke (cm²/s).
Usando uma constante de proporcionalidade μ, isto pode ser escrito como: 
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
Um bloco com base de 0,3 x 0,3 m pesando 50 N desliza com velocidade constante em uma superfície inclinada como mostra a Figura, sobre a qual existe uma película de óleo μ= 0,009 Ns/m². Qual será a velocidade para uma espessura de óleo de 0,03 mm? Considerar perfil linear de velocidade.
MISTURAS E CONCENTRAÇÃO DE GRANDEZAS
É muito comum a situação em que existem dois fluidos misturados, ou uma substância dissolvida no fluido em escoamento, formando um sistema binário homogêneo.
Concentração (ou Massa Específica Parcial) CA , CB;
Razão de Massa wA , wB;
Concentração de Grandezas Extensivas.
CONCENTRAÇÃO (OU MASSA ESPECÍFICA PARCIAL) CA, CB
Chamando a substância dissolvida de A e o fluido de B, podemos definir a concentração da substância A, CA, e a do próprio fluido, CB:
RAZÃO DE MASSA WA, WB
Também chamada de concentração em massa, concentração mássica e razão de mistura. A razão de massa de uma mistura é um adimensional, dado por:
CONCENTRAÇÃO DE GRANDEZAS EXTENSIVAS
As Grandezas Extensivas são grandezas cuja quantidade depende da massa considerada, como por exemplo a energia cinética e a quantidade de calor. Genericamente, essas são denotadas pela letra “N”. Em oposição, existem as Grandezas Intensivas cuja quantidade não depende da massa considerada, como por exemplo, a temperatura. A concentração de uma grandeza extensiva N qualquer, CN é dada por:
De forma similar, a concentração mássica (específica) , ou razão de mistura: 
Com base no conceito de grandeza extensiva, vamos deduzir a equação das concentrações de Calor, Energia Cinética, e Quantidade de Movimento em um escoamento.
a) Concentração de Calor: A quantidade de calor depende da temperatura T e do calor específico c. Aplicando as definições, temos:
b) Concentração de Energia Cinética:
c) Concentração de Quantidade de Movimento: A quantidade de movimento é uma grandeza vetorial dada por . Assim, sua concentração em volume e massa num escoamento fica: