Fenômenos de Transporte - Estudo dirigido de propriedades dos fluidos

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Unidade 1 – Conceitos e propriedades físicas fundamentais 
1. O que é mecânica dos fluidos? 
 
A mecânica dos fluidos é a ciência que tem como objetivo estudar o 
comportamento físico de fluidos em repouso ou em movimento. 
 
Referência: Slides da disciplina. 
 
2. O que é um fluido? Como um fluido difere de um sólido? Como um gás difere de 
um líquido? 
 
Um fluido é uma matéria que, de forma contínua, sofre deformação ao ser 
colocada sob uma tensão de cisalhamento de qualquer intensidade. Também pode ser 
definido como uma matéria incapacitada de suportar tensão de cisalhamento enquanto 
está em repouso. 
A principal diferença entre um fluido e um sólido está relacionada à estrutura 
molecular. Assim, em um sólido, as moléculas encontram-se mais próximas umas das 
outras, em decorrência da forte atração que sofrem umas das outras – fator que 
possibilita o sólido ter uma forma própria. Por outro lado, as moléculas dos fluidos 
possuem um grau de liberdade maior, visto que a força de atração entre as moléculas é 
menor, portanto, quando colocado em um recipiente, o fluido tende a tomar a forma do 
reservatório. 
Para diferenciar um gás de um líquido, é possível usar o mesmo exemplo do 
recipiente. Desse modo, ao passo que o líquido adquire o formato do recipiente e forma 
uma superfície livre na presença de gravidade, o gás se expande e preenche todo o 
espaço livre, sem formar uma superfície livre. 
Assim, compreende-se que sólidos possuem um espaçamento intermolecular 
pequeno, têm forças coesivas fortes e, consequentemente, mantém sua forma e não são 
deformados com facilidade. Em sequência, os líquidos possuem espaçamento 
intermolecular médio, têm forças coesivas médias e são facilmente deformáveis. Por fim, 
o espaçamento intermolecular dos gases é elevado, possuem forças coesivas 
desprezíveis e, em decorrência disso, são deformáveis, compressíveis e ocupam todo o 
espaço disponível. 
Referências: Slides da disciplina; 
http://www2.ufersa.edu.br/portal/view/uploads/setores/111/arquivos/CAP_1_DEFINICO
ES.pdf 
 
3. O que é a condição não deslizamento ou escorregamento? Qual a sua causa? 
Quais as consequências disso? 
 
O escorregamento acontece quando há contato entre um fluido e sólido de 
superfície não porosa. Em decorrência da viscosidade, há a formação de uma camada 
de fluido sobre a superfície que causa desaceleração no fluido adjacente. Em outras 
palavras, uma parte do fluido gruda na superfície, forma uma camada e essa camada 
faz com que o resto do fluido perca velocidade. Assim, ocorrem variações na velocidade 
conforme a viscosidade que o fluido apresenta. 
Referência: http://farside.ph.utexas.edu/teaching/336L/Fluidhtml/node110.html; 
Introdução à mecânica dos fluidos (Robert W. Fox) 
 
4. Defina escoamento e fluido incompressíveis. O escoamento de um fluido 
incompressível deve ser obrigatoriamente tratado como compressível? O que 
representa o número de Mach? 
 
http://farside.ph.utexas.edu/teaching/336L/Fluidhtml/node110.html
Escoamento é caracterizado pela mudança no formato de um fluido a partir da 
aplicação de um esforço tangencial. Em outras palavras, o escoamento é um processo 
no qual as moléculas de um fluido se movimentam tanto em relação aos limites impostos 
quanto em relação às demais moléculas. 
Um fluido é classificado como incompressível quando, ao variar a pressão, a 
variação da massa específica é tão baixa que pode ser desprezada. 
O escoamento de um fluido pode ser considerado como incompressível quando 
o número de Mach é menor que 0,3. 
O número de Mach é resultado da equação 𝑀𝑎 =
 𝑉
𝑐 
 , onde é dividida a 
velocidade de fluxo pela velocidade do som no ponto considerado. Esse número 
representa a presença ou ausência de compressibilidade, de modo que se Ma<0,3, o 
fluido é incompressível. 
 
Referência: Introdução à mecânica dos fluidos (Robert W. Fox) 
 
5. O que é densidade ou gravidade específica? Como está relacionada com a massa 
específica? 
 
A Gravidade Específica (GE) ou Densidade Relativa (DR) é a relação entre a 
densidade de determinada substância e a densidade de um material usado como 
referência. Geralmente, a água é utilizada como material de referência devido ao valor 
de sua densidade absoluta, que é 1. Assim, o cálculo se dá a partir da fórmula: 
𝐺𝐸 = 
𝑑𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑑𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖𝑎
 
 Referência: 
https://www.cesadufs.com.br/ORBI/public/uploadCatalago/11433404052012Fisica_Basi
ca_Aula_14.pdf 
 
6. Como a massa específica de (a) gases e (b) líquidos varia com a temperatura? 
Para os gases, através da equação do gás ideal, é possível observar que as 
grandezas variam de forma inversamente proporcional. 
Para os líquidos, a variação da massa específica ocorre de maneira diretamente 
proporcional à variação da temperatura. 
Referência: Slides da disciplina; 
https://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2014/03/UNIDADES-1-E-2_2014A4.pdf 
 
7. Como a massa específica de (a) gases e (b) líquidos varia com a pressão? 
Para os gases, quanto maior a pressão, maior a massa específica, ou seja, varia 
de forma diretamente proporcional. Entretanto, para os líquidos, não ocorrem variações 
consideráveis de massa específica com a variação da pressão. 
 
 
 
8. Defina tensão, tensão normal, tensão de cisalhamento e pressão. 
Tensão: força por unidade de área. No caso de um sólido, as tensões são 
desenvolvidas quando o material sofre deformação ou é cisalhado elasticamente, 
enquanto que nos fluidos as tensões de cisalhamento aparecem em decorrência do 
escoamento viscoso. 
https://www.cesadufs.com.br/ORBI/public/uploadCatalago/11433404052012Fisica_Basica_Aula_14.pdf
https://www.cesadufs.com.br/ORBI/public/uploadCatalago/11433404052012Fisica_Basica_Aula_14.pdf
Tensão normal: Quando consideramos uma força aplicada sobre uma área, é 
possível realizar a decomposição dessa força em duas partes: componente normal 
e tangencial. Assim, a tensão normal é o quociente entre o módulo da componente 
da força normal e da área na qual está sendo aplicada. 
Tensão de cisalhamento: É o quociente entre o módulo da componente 
tangencial e da área a qual está sendo aplicada. Desse modo, a tensão de 
cisalhamento surge quando são aplicadas, a um material de referência, forças em 
sentidos opostos e em direções semelhantes. 
Pressão: a pressão surge do cálculo do quociente entre uma força aplicada 
perpendicularmente sobre uma superfície e a área dessa superfície. 
Referências: Introdução à mecânica dos fluidos (Robert W. Fox) 
 
9. O que é viscosidade? O que a causa nos líquidos e gases? Quem tem viscosidade 
dinâmica (ou absoluta) maior, líquidos ou gases? 
Viscosidade é a resistência que o fluido oferece ao movimento relativo de qualquer 
uma das suas partes. 
A viscosidade é causada pelas forças coesivas entre as moléculas dos líquidos e por 
colisões moleculares em gases, de modo que varia muito com a temperatura. 
Considerando uma mesma temperatura, a viscosidade dinâmica dos líquidos é maior 
que a dos gases, pois existem maiores forças coesivas nos líquidos. Como, nos gases, 
existem forças coesivas desprezíveis, as moléculas ficam mais livres para se movimentar 
a maiores velocidades, ou seja, possuem menos viscosidade. 
Referências: Introdução à mecânica dos fluidos (Robert W. Fox) 
 
10. O que é um fluido newtoniano? 
Um fluido newtoniano é aquele que possui uma relação linear entre o valor da tensão de 
cisalhamento nele aplicada e a velocidade de deformação resultante. 
 Referências: Introdução à mecânica dos fluidos (Robert W. Fox) 
 
11. Como a viscosidade dinâmica (ou absoluta) de (a) gases e (b) líquidos varia com a 
temperatura? 
 
Nos gases, quando há aumento da temperatura, ocorre mais agitação molecular e 
isso faz com que ocorram mais colisões entre as moléculas. Dessa forma, uma elevação na 
temperatura de um gás siginfica um aumento na viscosidade. Por outro lado,elevar a 
temperatura de um líquido faz com que a viscosidade diminua, uma vez que ocorre um 
afastamento entre as moléculas, enfraquecendo as forças entre elas. 
Referência: https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf, 
slides da disciplina. 
 
 
12. Como a viscosidade dinâmica (ou absoluta) de (a) gases e (b) líquidos varia com a 
pressão? 
 
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf
A viscosidade dinâmica nos líquidos aumenta de maneira insignificante em um 
intervalo grande de alterações na pressão, portanto, tanto em gases quanto em líquidos 
considera-se que a viscosidade dinâmica independe da pressão. 
Referência: 
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf, slides da disciplina. 
 
13. Como a viscosidade cinemática de (a) gases e (b) líquidos varia com a 
temperatura? 
 
A viscosidade cinemática nos gases cresce à medida que a temperatura 
aumenta, pois as colisões moleculares aumentam e as forças coesivas também. Por 
outro lado, com o aumento da temperatura, a viscosidade cinemática dos líquidos decai, 
pois as forças coesivas diminuem e a agitação molecular aumenta. 
Referência: 
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf, slides da disciplina. 
 
14. Como a viscosidade cinemática de (a) gases e (b) líquidos varia com a pressão? 
 
A viscosidade cinemática dos gases varia de maneira inversamente 
proporcional ao aumento da pressão, pois a massa específica dos gases é alterada ao 
variar a pressão (mantendo a temperatura constante). Por outro lado, a viscosidade 
cinemática dos líquidos não sofre alterações consideráveis com a variação da pressão. 
Referência: 
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf, slides da disciplina. 
 
15. O que é tensão superficial? O que causa? Porque a tensão superficial também é 
chamada de energia superficial? 
 
Para explicar esse fenômeno, é possível considerar uma superfície de contato 
entre um líquido e o ar. Assim, cada mólécula presente no interior do líquido sofre 
atração – de forma igual e em todas as direções – pelas demais moléculas e, por sua 
vez, as moléculas que se encontram na superfície do líquido sofrem uma atração mais 
forte na direção do interior do líquido que em direção ao ar. 
Nessa mesma linha de raciocínio, as moléculas presentes no interior do líquido 
atuam com o objetivo de estabilizar o sistema. Para isso, precisam reduzir a 
quantidade de energia potencial que cada molécula possui. Entretanto, uma vez que as 
moléculas da superfície têm energia potencial superior às moléculas da superfície – 
devido ao número inferior de moléculas vizinhas –, é necessária uma certa quantidade 
de energia para que seja possível enviar moléculas do centro para o topo e expandir a 
superfície. 
Portanto, a tensão superficial é definida como a razão entre o trabalho externo 
(W), necessário para expandir a superfície, e a área, de modo que: 
𝛾 =
𝑊
𝐴
 
Por fim, a tensão superficial pode ser resumida como sendo uma propriedade 
resultante de forças de atração entre as moléculas. Desse modo, quando um fluido 
está em contato com outro (ao qual não pode misturar-se), cria-se uma interface que 
atua como um tipo de membrana elástica esticada. 
 
Referência: https://www.fisica.ufmg.br/ciclo-basico/wp-
content/uploads/sites/4/2020/07/Tensao_Superficial.pdf 
 
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf
https://www.ft.unicamp.br/~mariaacm/CET0301/Hidraulica%201.pdf
 
16. Para as grandezas listadas, indique as unidades no SI e Inglesas típicas: (a) força; 
(b) potência; (c) pressão; (d) velocidade angular; (e) energia; (f) tensão de 
cisalhamento. 
 
(a) SI: Newton (N), Inglesas típicas: libra força (lbf) 
(b) SI: Watt (W), Inglesas típicas: horsepower (hp) 
(c) SI: Pascal (Pa), Inglesas típicas: Libra força por polegada quadrada “pounds per 
square inch absolute” PSI 
(d) Em ambos a unidade de velocidade angular é radiaonos por segundo (rad/s) 
(e) SI: Joule (J), Inglesas típicas: Unidade Térmica Britânica “British thermal unit” (BTU) 
(f) SI: Pascal (Pa), Inglesas típicas: Libra força por polegada quadrada “pounds per 
square inch absolute” PSI