Aula 1 - Fluidos

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Fenômenos de Transporte
Aula 1 – Definições e Propriedades dos Fluidos
Fluido
Fluido é uma substância que não possui forma própria (assume o formato do recipiente) e que, se em repouso, não resiste a tensões de cisalhamento (deforma-se continuamente).
Líquido é substância que adquire a forma do recipiente que a contém, possuindo volume definido e é praticamente incompressível.
Gás e a substância que, ao preencher o recipiente, não forma superfície livre e não tem volume definido, além de ser compressível.
Mecânica dos Fluidos
A Mecânica é a ciência que trata das leis do movimento e do equilíbrio.
A Estática trata das relações das forças que produzem equilíbrio entre corpos materiais. 
A Dinâmica é parte da Mecânica que trata do movimento dos corpos sob a influência de forças.
A Mecânica dos Fluidos trata das leis de forças e movimentos de fluidos, isto é, líquidos e gases.
Mecânica dos Fluidos
A Estática dos Fluidos ou Hidrostática estuda as condições de equilíbrio dos líquidos sob a ação de forças exteriores, principalmente da gravidade (ΣF=0).
A dinâmica dos fluidos estuda os fluidos em movimento (ΣF=ma).
O movimento dos fluidos pode ser estudado da mesma forma que o movimento de corpos sólidos usando-se as leis fundamentais da física juntamente com as propriedades físicas dos fluidos.
Leis Básicas - Mecânica dos Fluidos
A lei da conservação da massa. 
A segunda lei do movimento de Newton. 
O princípio do momento da quantidade de movimento. 
A primeira lei da termodinâmica. 
A segunda lei da termodinâmica. 
Aplicações das Leis Básicas
As leis podem ser aplicadas numa análise integral quando desejamos obter informações gerais sobre o campo de escoamento. Ex: Forças resultantes
A análise diferencial é utilizada quando desejamos obter informações detalhadas do campo de escoamento. Ex: Perfis de velocidade e campos de pressão.
Aplicações da Mecânica dos Fluidos na Engenharia
Redes de distribuição de fluidos: água, combustíveis, vapor de água (em fábricas);
Ventilação em edifícios urbanos e industriais;
Máquinas de conversão de energia: turbinas (hidráulicas, eólicas, a vapor e gás), compressores, bombas hidráulicas;
Transferência de calor e massa em equipamentos térmicos (caldeiras, trocadores de calor, fornalhas, queimadores, motores de combustão interna); 
Vibrações e esforços de origem aerodinâmica em estruturas e transporte de veículos;
Mecânica dos Fluidos
Na Mecânica dos Fluidos estuda-se o movimento das partículas de fluido e não o movimento das moléculas do fluido.
Campo é uma distribuição contínua de quantidades escalares, vetoriais ou tensoriais descritas por funções contínuas em coordenadas espaciais e do tempo. 
A representação dos parâmetros dos fluidos (massa específica, pressão, velocidade) em função das coordenadas espaciais denomina-se campo de escoamento.
Classificações na Mecânica dos Fluidos
Escoamento numa Seção
Escoamento uniforme: Se no escoamento a velocidade tem a mesma magnitude e direção em todo ponto do fluido é dito ser uniforme.
Escoamento Não-uniforme: Se em um dado instante, a velocidade não é a mesma em todo ponto o escoamento é não-uniforme.
Segundo Dependência Temporal
Escoamento Estacionário ou Permanente: Ocorre quando as propriedades do fluido (velocidade, pressão e também a seção transversal) podem ser diferentes de um ponto a outro mas não mudam com o tempo.
Escoamento Não-Estacionário: Se em qualquer ponto do escoamento, as propriedades mudam com o tempo, o escoamento é considerado como não estacionário.
Tipos de Escoamento
Escoamento uniforme estacionário. As condições e propriedades do fluido não se modificam com a posição na corrente ou com o tempo. Um exemplo é o fluxo de água em um tubo de diâmetro constante e velocidade constante.
Escoamento não-uniforme estacionário. As condições mudam de ponto a ponto na corrente mas não muda com o tempo. Um exemplo é o escoamento num tubo com seção variável e com velocidade constante na entrada - a velocidade mudará conforme avançamos no comprimento do tubo até a saída. 
Tipos de Escoamento
3 - Escoamento uniforme não-estacionário. Em um dado instante as condições em todos pontos são as mesmas, mas mudam com o tempo. Um exemplo é um tubo de diâmetro constante conectado a bomba com vazão constante que é desligada. 
4 - Escoamento não-uniforme não-estacionário. A condição do fluxo varia no tempo e no espaço. Por exemplo ondas num canal.
Segundo a Compressibilidade
Todos fluidos são compressíveis.
Sob condições de escoamento permanente, e pequenas mudanças de pressão, é possível simplificar a análise do fluxo considerando o fluido como incompressível e com massa específica constante.
Os líquidos são difíceis de comprimir e na maioria das condições em regime permanente são tratados como incompressíveis.
Os gases, ao contrário, são facilmente comprimidos, sendo tratados como fluidos compressíveis
Segundo Dependência Espacial
Os escoamentos na natureza são geralmente tridimensionais, transitórios e complexos.
O campo de velocidades é dependente das coordenadas de posição e do tempo V=V(x,y,z,t)
Embora em geral todos os fluidos escoem de forma tridimensional, em muitos casos as maiores mudanças ocorrem unicamente em duas direções (bidimensional) ou até mesmo numa única direção (unidimensional), tornando-se a análise muito mais simplificada.
Segundo o tipo de fluido
Num fluido real (fluido viscoso) são geradas forças viscosas dependentes da viscosidade do fluido e da variação da velocidade numa determinada seção transversal, denominado gradiente de velocidade.
Num fluido não-viscoso o perfil de velocidade é uniforme.
Escoamento Laminar e Turbulento
O escoamento laminar se caracteriza pelo movimento suave e em lâminas ou camadas de fluidos. Segue a lei de viscosidade de Newton.
O escoamento turbulento é caracterizado por movimentos aleatórios, tridimensionais de partículas fluidas adicionadas ao movimento principal. Utilizam-se teorias semi-empíricas e dados experimentais.
Escoamento Laminar e Turbulento
Número de Reynolds
 A natureza laminar ou turbulenta está relacionada com o diâmetro (D) da tubulação, a velocidade média do escoamento (V) e a viscosidade cinemática do fluido ν.
Foi assim definido um número característico denominado número de Reynolds Re=VD/ν.
Re < 2300 o escoamento é laminar.
Re > 4000 o escoamento é turbulento.
Segundo às Superfícies
Os escoamentos completamente envoltos por superfícies sólidas são chamados de escoamentos internos (dutos).
O escoamento interno de líquidos nos qual o duto não fica completamente preenchido, existindo uma superfície livre submetida à pressão constante, é denominado escoamento em canal aberto.
Aqueles em torno de corpos imersos num fluido são denominados escoamentos externos.
Camada Limite
Muitos escoamentos viscosos podem ser analisado dividindo o fluxo em duas regiões, uma próxima das fronteiras sólidas e outra cobrindo o restante.
Apenas na região adjacente a fronteira sólida (camada limite) o efeito da viscosidade é importante.
Na região fora da camada limite o efeito da viscosidade é desprezível e o fluido pode ser tratado como não-viscoso.
Camada Limite sobre uma Placa Plana
Propriedades dos Fluidos - Objetivos
Definir a natureza dos fluidos.
Mostrar onde o conceito de Mecânica dos Fluidos tem semelhanças com os sólidos e assinalar algumas diferenças fundamentais. 
Introduzir o conceito de viscosidade e mostrar a diferença entre fluidos newtonianos e não newtonianos.
Definir as propriedades físicas e mostrar suas diferenças entre sólidos e fluidos assim como entre líquidos e gases.
Tensão de Cisalhamento
Tensão de Cisalhamento é a razão entre o módulo da componente tangencial da força e a área da superfície sobre a qual a força está sendo aplicada.
A Experiênciadas Placas
A força Ft , tangencial ao fluido, gera uma tensão de cisalhamento.
 O fluido adjacente à placa superior adquire a mesma velocidade da placa.
 As camadas inferiores do fluido adquirem velocidades tanto menores quanto maior for a distância da placa superior.
 Como existe uma diferença de velocidade entre as camadas do fluido, ocorrerá então uma deformação contínua do fluído sob a ação da tensão de cisalhamento. 
Massa Específica
Massa específica ρ: é a massa de fluido contida em uma unidade de volume do mesmo (SI: kg/m³).
Peso Específico
Peso específico γ: é o peso da unidade de volume desse fluido (SI: N/m³).
Densidade ou Peso Específico Relativo
 É a relação entre o peso específico de uma substância e o peso específico da água a uma determinada temperatura. A densidade não depende do sistema de unidades.
Volume Específico
O volume específico, ν, é o volume ocupado por uma unidade de massa da substância considerada (SI: m³/kg).
É pouco utilizado na Mecânica dos Fluidos.
Muito utilizado em Termodinâmica
Equação Geral dos Gases Perfeitos
É uma relação entre pressão, volume e temperatura de gases.
R = constante universal dos gases.
n é uma forma de quantificação da matéria em número de moles.
m é a massa total; 
M é a massa molecular do gás (kg/mol). 
ρ = Massa específica
Equação Geral dos Gases Perfeitos
ρ = Massa específica
A constante do gás, R, é função do tipo de gás que está sendo considerado e está relacionado com a massa molecular do gás.
Propriedades Físicas de Gases na Pressão Atmosférica
Atmosfera Padrão
As condições físicas atmosféricas são variáveis em função da localização geográfica e do tempo.
 Os valores da atmosfera-padrão, no nível do mar (NM) são:
Exercícios Resolvidos
1 - A massa específica de um combustível leve é 805 kg/m³. Determinar o peso específico e a densidade deste combustível (considerar g=9,8 m/s²).
2 - Um reservatório graduado contém 500 ml de um líquido que pesa 6 N. Determine o peso específico, a massa específica e a densidade do líquido (considerar g=9,8 m/s²).
Exercícios Resolvidos
3 - Os tanques da figura estão totalmente preenchidos com um óleo leve cuja densidade é 0,82. Calcule a pressão sobre a base em cada um dos casos. 
Exercícios Resolvidos
4 – Um tanque de ar comprimido apresenta volume igual a 0,0238 m³. Determine a massa específica e o peso do ar contido no tanque quando a pressão relativa de ar no tanque for igual a 340 kPa. Admita que a temperatura do ar no tanque é igual a 21ºC e que a pressão atmosférica vale 101,3 kPa.