Hidrodinâmica e Termodinâmica - Trabalho de Física

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Escola Secundaria de Muatala
Trabalho de Física
Tema:
Hidrodinâmica e Termodinâmica
Docente:
Elvis Leite 
No7, Turma: B1/2
12ª Classe
Nampula, 05 de Janeiro de 2021
Escola Secundaria de Muatala
Trabalho de Física
Tema:
Hidrodinâmica e Termodinâmica
Docente:
Elvis Leite 
Nome: Eufrácia José Clemente 
No7, Turma: B1/2
12ª Classe
Nampula, 05 de Janeiro de 2021
Índice
Introdução	4
Hidrodinâmica	5
Movimentos dos fluidos	5
Vazão volumétrica	5
Discosidade	6
Viscosidade em função da temperatura	7
Fluido ideal	7
Princípio da continuidade e a sua aplicação	8
Aplicações do princípio da continuidade	9
Princípio de Bernoulli e sua aplicação	9
Aplicações do princípio de Bernoulli	11
A bomba Spray	12
A asa do avião	13
Exercícios de hidrodinâmica	13
Termodinâmica	15
Trabalho termodinâmico	15
1ª Lei da termodinâmica	16
Exercícios termodinâmicos	18
Conclusão	20
Referências Bibliografia:	21
Introdução 
O presente trabalho de carácter avaliativo e tem como a origem a cadeira de física onde vou desenvolver a partir de duas unidades nomeadamente Hidrodinâmica e a termodinâmica. Primeiramente proferir que apos a leitura do mesmo o aulistas será capaz de interpretar sobre o tema acima citados para a elaboração do mesmo usou-se alguns manuais que serviram de suporte do mesmo. Visto que se estuda comportamento de movimento dos fluidos e as leis que regulam o movimento.
Hidrodinâmica 
E o ramo da física em que se estuda comportamento de movimento dos fluidos e as leis que regulam este movimento.
Movimentos dos fluidos 
O movimento dos fluidos é a ciência que tem como objectivo o estudo do comportamento físico dos fluidos.
Fluidos são substâncias que podem escoar-se (Liquido ou gases). Um fluido pode ser escoado através de tubos (corpo cilíndrico oco e comprido geralmente feito de metal, de plástico ou de cerâmica). Tem varias aplicações que são:
· Acção dos fluidos sobre superfícies submersas. Ex: Barragens.
· Equilíbrios de copos flutuantes. Ex: embarcações.
· Acção dos ventos sobre construções civis. Ex: arranha-céus.
· Estudo de lubrificação. 
· Transportes de sólidos por via pneumática ou hidráulica. Ex: elevadores hidráulicos.
· Cálculo de instalações hidráulicas. Ex: Instalação de recalque.
· Cálculos de máquinas hidráulicas. Ex: bombas de turbinas.
· Instalações de vapor. Ex: cadeiras.
· Acção de fluidos sobre veículos (Aerodinâmica)
Vazão volumétrica
 A grandeza física que caracteriza o escoamento de um fluido é a vazão volumétrica ou caudal. Por exemplo, necessita aproximadamente de um minuto para encher um depósito de 10 litros com água proveniente de uma torneira. Neste caso a vazão volumétrica ou caudal é 10 l/min. A velocidade média é uma velocidade fictícia constante na secção tal que multiplicada pela área resulta na vazão do líquido. A razão é a rapidez com a qual um volume escoam.
Vazão volumétrica ou caudal é o volume de fluido que passa através da secção transversal de um tubo durante um intervalo de tempo.
 Fig. 01- Caudal é fluxo de líquido, em m3, que passa num tubo durante intervalo de tempo.
Por isso, a expressão para o seu cálculo é: 
Onde Q é a vazão volumétrica ou caudal; 
V é o volume; e é intervalo de tempo. No sistema internacional de unidades, a unidade de caudal chama-se metros cúbicos por segundos (m3/s):
Visto que fluido esta em regime perante, ira percorrer o comprimento x com velocidade contante v durante um intervalo de tempo :
Repare-se que no comprimento x da fig. 01 o volume de água que nele passa durante o intervalo do tempo ∆t é expresso pelo produto:
Dado que o volume de fluido e igual ao volume de tubo por onde flui. Resulta que:
Substituindo a última expressão teremos: 
E, simplificando a equação em relação a grandeza , a expressão do caudal volumétrica fica na forma : 
Onde: A é a área da secção transversal do tubo;
v é a velocidade do fluido.
Discosidade 
Durante o escoamento de um fluido existem forcas de atrito entre o líquido e as paredes do tubo em que se escoa, essas forcas caracterizam a grandeza física designada discosidade. A viscosidade também existe sobre a superfície de um corpo que se desloca no interior de um líquido. Por exemplo, quando uma esfera de ferro é mergulhada num recipiente com óleo, a sua superfície esta sujeita a viscosidade. Por isso é que a mesma esfera cai mais rapidamente num recipiente com água, porque a viscosidade da agua é menor do que a do óleo.
	 A viscosidade é a propriedade que um fluido possui decorrente do atrito no seu seio causado pelas interacções intermoleculares por difusão molecular.
Como as moléculas de um fluido também interagem com as paredes do recipiente que o contem, podemos definir a viscosidade como o atrito entre o fluido e as paredes do recipiente que o vazam (escoam).
Viscosidade em função da temperatura 
	Fluido 
	Viscosidade (Pa.s) 
	Temperatura (K)
	Ar 
	17,4 x 10-6
	273
	Hidrogénio 
	8,8 x 10-6
	273
	Água 
	1,003 x 10-3
	293
	Benzina 
	0,64 x 10-3
	293
Quanto maior é a viscosidade do fluido, maior é a forca de atrito entre este e as paredes do recipiente. Por exemplo, o Óleo é mais viscoso do que a água; isto significa que o óleo apresenta maior atrito com as paredes do recipiente que a escoa em relação a água.
Fluido ideal
Para um fluido ideal qualquer que seja a pressão esteja submetida, a densidade permanece constante em todos os pontos do seu seio. Diz-se que o fluido em incompreensível (volume constante). Por outro lado o fluido ideal não e viscoso, ou seja a interacção entre as suas moléculas destas com as paredes do recipiente que o contem é desprezável.
Fluido ideal é o fluido cujo volume é incompreensível e que não tem forca de atrito interno (viscosidade). Regime de escoamento:
· Lâminal ou estacionário; 
· Rotacional ou turbulento; 
 
Um escoamento diz-se em regime estacionário quando a velocidade do fluido, em cada ponto, é constante ao longo do tempo, embora possa variar de ponto para ponto.
O escoamento turbulento é um escoamento irregular caracterizado por regiões de pequenos remoinhos, tal como fumo de cigarro, as quedas de água, as vagas de maré.
Princípio da continuidade e a sua aplicação 
Considera-se um escoamento em regime permanente aquele em que a velocidade, a densidade e a pressão verificadas num dado ponto de líquido que se escoa não varia com tempo. É possível aumentar a velocidade da água que sai de uma mangueira de jardim fechando parcialmente o bico da mangueira com o dedo. Esta alteração na velocidade esta directamente relacionada ao facto de alterarmos a secção da área de saída de agua de mangueira,
A figura acima é considerado como fluido incompreensível a quantidade de agua que entra na mangueira com a velocidade de deve ser a mesma que sai com a velocidade , no transcurso, nenhuma fonte nem sumidouro de fluido. Por outras palavras o fluxo de líquido deve ser contante. Sendo assim, pode-se escrever matematicamente:
Como fluxo é constante:
Logo, a equação fica reduzida a ou seja esta relação entre a velocidade do fluido e área de secção por onde o fluido passa e chamado princípio da continuidade. De uma outra forma, a equação anterior pode ser escrita como:
O princípio da continuidade estabelece que no caso do escoamento de um fluido ideal em regime permanente, o caudal permanece constante (Q = Constante).
Com base na equação deduzida pode-se ainda concluir que:
· As velocidades do escoamento são inversamente proporcionais a secção transversal do tubo que escoa no liquido.
Isto significa que quanto maior é a área da secção transversal do tubo menos é a velocidade do escoamento e vice-versa.
Aplicações do princípio da continuidade
O princípio da continuidade tem várias aplicações:
· Pratica nos sistemas de regadio (na irrigação dos campos agrícola usa-se curvas apertadas para aumentara velocidade da agua).
· A conduta do soro;
· Na transfusão do sangue;
· Na distribuição de água para habitação ou noutros sistemas hidráulicos (normalmente usa-se tubos muito estreito) para se obtermaior velocidade.
Princípio de Bernoulli e sua aplicação 
O princípio de Bernoulli estabelece que a energia, em um fluxo estacionária, é constante ao longo do caminho descrito pelo fluido. Pode ser deduzido à partir do teorema da energia cinética: “o trabalho da resultante das forcas agentes é um corpo entre dois instantes é igual a variação da energia cinética experimentada pelo corpo naquele intervalo do tempo”.
Um fluido ideal em regime permanente é escoado através de um tubo de um ponto de altura para um ponto de altura (figura), sendo menor que . Na situação apresentada é fácil perceber que e necessário realizar um trabalho variável através de uma força também variável para deslocar a massa do fluido de um ponto para o outro (pois os pontos de altura 1 e altura 2 tem diferentes valores): .
A realização de trabalho ocorre com perdas de energia:
Igualando teremos:
Sabe-se também que a expressão de fluido varia de um tempo para outro:
A variação de energia corresponde a variação das energias cinéticas e potências
Substituindo, teremos a expressão:
Repara-se que o produto A.d corresponde ao volume V de fluido que passa pela área de secção A; quer dizer:
As variações de energia potencial e cinéticas são dadas, respectivamente, pelas seguintes expressões:
Substituindo as expressões teremos:
 
Resolvendo a equação em ordem a , passemos a grandeza V para a parte direita e coloquemos evidencia à grandeza m na parte direita visto tratar-se da massa do mesmo fluido. Verificamos que: 
Dado que a razão , Aplicando a propriedade distributiva da multiplicação e desembaraçando de parenteses, obtemos os resultados:
Reorganizando a equação decorre o princípio de Bernoulli dado na forma:
Repara-se que é a expressão gravítica, pois representa a energia potencial gravítica na unidade de volume e que representa a pressão dinâmica pois expressa a energia cinética na unidade de volume:.
Desta a ultima desigualdade sublinha-se que para um fluido ideal: 
· A pressão é maior na região em que a velocidade é menor (se ).
· A pressão é maior na região de maior área de secção transversal, pois nessa região, a velocidade é menor (se ).
Sendo o escoamento incompreensível a equação da continuidade que se aplica em
 
À partir desta equação chega-se a: 
Substituído a equação a velocidade dada pela equação, obtemos a expressão: 
 
Sendo que se pode expressar em função da diferença de pressão hidrostática do liquido entre ambas as posições consideradas. 
Subtraindo, obtém-se a expressão final para o calculo da velocidade na secção 
Aplicações do princípio de Bernoulli 
O princípio de Bernoulli pode ser aplicada em enumeras situações práticas.
O medidor de venture
Um nanómetro, tem uma de suas extremidades inseridas no estrangulamento com área de secção transversal S, e outra extremidade na canalização de área S. seja m a densidade de líquido manométrico (Mercúrio, por exemplo). Consideremos a tubagem horizontal.
Pelo princípio de Bernoulli, devemos ter:
Mais, pela princípio da continuidade:
Então, substituindo teremos:
A relação de Stevin da hidrostática permite obter:
Finalmente, substituindo chegamos a:
A bomba Spray
A bomba de borracha ao ser comprimida expele o ar, contudo no seu interior, a uma alta velocidade. De acordo com o princípio de Bernoulli, a pressão do ar fluido. A alta velocidade através da região superior do tubo vertical é menor que a pressão atmosférica normal actuando na superfície do líquido contido no frasco. Dessa maneira, o líquido é empurrado tubo acima devido a diferença de pressão. Ao atingir o topo do tubo a coluna líquida é fragmentada em pequenas gotículas (Spray).
A asa do avião 
Consideremos um corrente de ar em torno da asa de um avião em voo. O perfil da asa e as linhas de Ar circulando ao seu redor são ilustradas na figura.
Fig.
As asas tem uma forma tal que a distância total percorrida pelo ar em sua face, é maior que na inferior – ela é abaulada. A velocidade do fluxo de ar sobre asa tem de ser maior do que sob a mesma, oque origina na parte superior uma pressão mais baixa. Essa diferença de pressão exercida sobre a face inferior da asa resulta numa forma de baixo para cima, que sustenta o avião no ar (essas forcas estão representadas por setas na figura).
Exercícios de hidrodinâmica 
1. Num tanque contendo 200litros de água, faz-se um furo de 4 cm de diâmetro através do qual a água sai a velocidade de 2 m/s.
a) Calcule a vazão?
2. Considera a afirmação 1. Calcula o tempo que leva a esvaziar o tanque.
3. Por um tubo de 6cm de diâmetro escoa a agua a uma velocidade media de 6m/s calcula a vazão em m3/s?
4. Um líquido flui através de um líquido de secção transversal constante e é igual a 5,0 cm2 com uma velocidade de 40cm/s
5. Observe a figura e de acordo com as condições indicadas calcula a vazão volúmica tendo em conta que 
Resolução:
1. Dados 			 Pedido:		Resolução 
 		
				
					 
 
2. Dados 			 Pedido:		Resolução 
					
					
							
3. Dados: 			 Pedido:		Resolução 
				
						
4. Dados: 			 Pedido:		Resolução:
						
				
							
5. Dados: 			 Pedido:		 Formula :
 ? 
						
						
Resolução
Termodinâmica 
A termodinâmica é o ramo da física que se ocupa dos fenómenos de transferência de energia entre sistemas constituídos por um grau de números de partículas.
Trabalho termodinâmico 
Durante os fenómenos térmicos, a temperatura é a grandeza física 
Os gases podem expandir o aumento ou expansão. Podem expandir ou Contrair através de uma diminuição da temperatura. Porém, esta compressão do gás também pode ser realiza acção de urna força externa realizando, por isso trabalho.
A figura abaixo mostra um cilindro provido de um pistão. Aquecendo o gás, este dilata-se e o pistão move-se da posição (A) para a (B), sofrendo um deslocamento.
O trabalho é definido pela relação, 
Mas como a forca se deve a pressão do gás e 
PorémEntão
 Trabalho termodinâmico
Onde: W é o trabalho, p é a pressão é a variação do volume.
1ª Lei da termodinâmica 
A 1ª lei da termodinâmica é o principio, da conservação de energia e, apesar de ser estudado para os gases, pode ser aplicado em quaisquer processos em que a energia de um sistema e trocada corn o meio externo na forma de calor e trabalho.
Quando fornecemos a um sistema certa quantidade de energia, esta energia pode ser usada de duas maneiras:
1. Uma parte da energia pode ser usada para o sistema realizar um trabalho (W), expandindo-se ou contraindo-se, ou também pode acontecer de o sistema não alterar seu volume (W = O).
2. A outra parte pode ser absorvida pelo sistema, virando energia interna, ou seja, essa outra parte de energia й igual а variação de energia (U) do sistema. Se a variação de energia for zero (U = O) o sistema utilizou toda a energia em forma de trabalho.
Assim temos sistema é igual а realizado durante Aplicando a lei enunciada a 1ª lei da termodinâmica a diferença entre o calor Q trocado com uma transformação de conservação da energia, temos: variação de energia internade um o meio externo e o trabalho W por ele realizado durante uma transformação.
Aplicando a lei de conservação da energia, temos: 
Onde: 
Onde: é a quantidade de calor fornecida, é a variação da energia interna e W é o trabalho externo realizado. Todas as unidades são medidas em joule (J).
A 1ª lei da termodinâmica a quantidade de calor fornecida a um gás provoca a uma parte o aumento da energia interna do gás e a outra parte pode ser usada na realização de trabalho pelo sistema sobre o exterior.
A energia interna é a energia cinética do movimento térmico das moléculas do gás. O seu valor depende da temperatura do gás.
 Tabela de comportam,ento das grandezas calor tabalho e energia interna
	Calor
	Trabalho 
	Energia interna 
	U
	Recebe 
	Realiza 
	Aumenta 
	>0
	Cede 
	Recebe
	Diminui 
	<0
	Não troca 
	Não realiza e nem recebe
	Não varia 
	=0
Para um processo isotérmico, a temperatura й constante. Por isso, a variaçãoda temperatura e nula e, consequentemente, a variação da energia interna também e nula, porque a energia interna depende da temperatura.
Isto significa que todo o calor fornecido foi usado na realização de trabalho externo do gás sobre o seu meio.
Para um processo isotérmico, a pressão é constante. Por isso, o trabalho realizado pe1o gás e a variação da energia interna não são nulos.
Isto significa que o calor fornecido foi usado no aumento da energia interna do gás. 
Para um processo Isovolumétrico, o volume é constante. Por isso, a variação do volume e nula. Portanto, o trabalho realizado pelo gás torna-se nulo.
Isto significa que o calor fornecido foi usado totalmente no aumento da energia interna do gás. 
Exercícios termodinâmicos 
1. Qual é a temperatura de um gás se 2 moles deste ocupam um volume de 20 litros aa pressão de 1,4 atmosfera?
 Dados					Resolução 
 
Resposta: A temperatura do gás em causa é de 170,6 K
2. Uma atmosfera de gás de 400 cm3, a temperatura de 10º C, encontra-se encerrada num sistema termodinâmico isobárico. Qual será o seu volume se a temperatura for elevada para 40º C?
Dados 					Resolução 
Resposta: Se a temperatura do gás for elevada para 40º C, o seu volume elevar-se para 4,42x 10-4 m3, ou seja, 442.
3. Determina a variação da energia interna para que um sistema termodinâmico absorvendo 200 j realize um trabalho de 50J 
Dados			Pedido:		Formula 		Resolução 
 				
								
Resposta: A energia interna do sistema vária em 150J.
4. Determina a variação de energia interna de um sistema termodinâmico absorve 120 cal quando sobre ele é realizado um trabalho de 350 J.
Dados			Pedido:		Formula 		Resolução 
 ?		
Resposta: A variação da energia interna do sistema nas condições do problema é de 854 J.
5. Determine a variação da energia interna de um sistema termodinâmico de onde se extraem 300j num processo isocórico.
Conclusão 
Chegando ao final conclui que a Hidrodinâmica: ramo da Física em que se estuda o comportamento do movimento dos fluidos e as leis que regulam estes movimentos.
Fluidos: substancias que podem escoar-se (líquidos ou gases). Um fluido pode ser escoado através de tubos (corpo cilíndrico oco e comprido geralmente feito de metal, de plástico ou de cerâmica). Se a velocidade de um fluido for constante no decorrer do tempo diz-se que o movimento do fluido esta em regime permanente.
Vazão volúmica (caudal): volume de fluido qu2 passa através da secção transversal de um tubo durante o intervalo de tempo .
 
Referências Bibliografia: 
CARLOS Azevedo, Física 12ª Classe, (Sem Edição), Plural Editoras, Moçambique - Maputo, 2014;
ESTEVÃO M. João, Pré-universitário-Física 12ª Classe, 1ª Edição, Person Moçambique Limitada, Maputo-Moçambique 2014.
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