Aula_de_fenomenosdetransporte_Introduo_aula01

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Introdução
Propriedades Básicas dos Fluidos
Prof. Giovanilton Ferreira da Silva
Universidade Federal da Paraíba
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Química
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Objetivos
• Entender os conceitos básicos da fenômenos de
transporte (mecânica dos fluidos).
• Reconhecer os vários tipos de problemas de fluxo
de fluido encontrados na prática.
• Modelar problemas de engenharia e resolvê-los de
forma sistemática.
• Ter um conhecimento de trabalho de precisão,
precisão e dígitos significativos, e reconhecer a
importância da homogeneidade dimensional em
cálculos de engenharia.
INTRODUÇÃO
O estudo de fenômenos de transporte tem aplicações
muito importantes na engenharia, é indispensável para
projeto, operação e otimização de processos e
equipamentos, em todos os campos da engenharia.
Os fenômenos de transferência tratam basicamente da
movimentação de uma grandeza física de um ponto a
outro do espaço, e são eles:
a) Transporte de quantidade de movimento;
b) Transporte de energia térmica;
c) Transporte de massa.
INTRODUÇÃO
Aplicações de fenômenos de transporte:
Engenharia Civil e Arquitetura: Hidráulica, hidrologia e conforto térmico de
edificações;
Engenharia Sanitária e Ambiental: Estudo da difusão de poluentes e
tratamento de resíduos;
Engenharia Elétrica e Eletrônica: Cálculos da dissipação térmica e de
potência;
Engenharia Química: Todas as Operações Unitárias;
Engenharia Mecânica: Usinagem, tratamentos térmicos, máquinas
hidráulicas, máquinas térmicas (motores e refrigeração) e aeronáutica
(aerodinâmica);
Engenharia de Produção: Otimização de processos, transporte de fluidos e
de material, troca de calor e estudos de ciclo de vida.
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Hidrodinâmica: O estudo do movimento de fluidos que
podem ser aproximados como incompressíveis (como
líquidos, especialmente água e gases em baixas
velocidades).
Hidráulica: Uma subcategoria de hidrodinâmica, que lida
com fluxos líquidos em tubulações e canais abertos.
Dinâmica do gás: Lida com o fluxo de fluidos que
sofrem mudanças significativas de densidade, como o
fluxo de gases através de bicos em altas velocidades.
Aerodinâmica: Lida com o fluxo de gases
(especialmente o ar) sobre corpos como aeronaves,
foguetes e automóveis em altas ou baixas velocidades.
Meteorologia, oceanografia e hidrologia: Lidar com
fluxos que ocorrem naturalmente.
1.2 – SISTEMA DE UNIDADES
Sistemas de Unidades: As dimensões são nossos conceitos básicos de medida,
tais como comprimento (L), tempo (T), massa (M) e temperatura (θ).
a) Sistemas de Unidades Absolutos;
b) Sistemas de Unidades Técnicos;
c) Sistemas de Unidades de Engenharia.
a) Sistemas de Unidades Absolutos: Existem três sistemas de unidades
absolutos: o c.g.s. (CGS), o Giorgi ou SI (MKS) e o inglês (FPS). De todos estes,
as dimensões fundamentais são comprimento, massa, tempo e temperatura.
1.2 – SISTEMA DE UNIDADES
Unidades Fundamentais do Sistema Absoluto.
Unidades Derivadas do Sistema Absoluto.
1.2 – SISTEMA DE UNIDADES
b) Sistemas de Unidades Técnicos: Entre os mais usados sistemas técnicos
estão o métrico e o Inglês. Em ambos, as unidades fundamentais são
comprimento, força, tempo e temperatura.
c) Sistemas de Unidades de Engenharia: Até agora, somente sistemas que
consideram apenas três magnitudes como fundamentais foram descritos.
Entretanto, em sistemas de engenharia, quatro magnitudes são consideradas
básicas: comprimento, tempo, massa, e força.
Unidades Primárias do Sistema Técnico.
Unidades Primárias do Sistema Usado em Engenharia.
1.2 – SISTEMA DE UNIDADES
Conversão de Unidades:
A conversão de unidades de um
sistema para outro é feita
facilmente se as quantidades são
expressas como uma função das
unidades fundamentais de massa,
comprimento, tempo e
temperatura.
FLUIDOS
Fluido:
Qualquer substância capaz de fluir como os líquidos e os gases e que não resiste
de maneira permanente às mudanças de forma provocadas pela pressão, isto é,
se deforma continuamente (escoa) sob a aplicação de uma tensão de
cisalhamento tangencial.
Os fluidos podem ser classificados como:
a) Compressíveis (sob o efeito da pressão);
b) incompressíveis (sob o efeito da pressão);
c) Dilatáveis (sob o efeito da temperatura);
d) indilatáveis (sob o efeito da temperatura).
1.3 – FLUIDOS
a) Compressíveis: São os fluidos cujos volumes dependem da pressão, isto é,
apresentam volumes próprios dependentes da pressão à que estão submetidos,
tal como os gases. A expressão formal é:
0
T
V
P
 
 
 
b) Incompressíveis: São os fluidos
cujos volumes não dependem da
pressão, isto é, apresentam volumes
próprios independentes da pressão à
que estão submetidos, tal como os
líquidos. A expressão formal é:
0
T
V
P
 
= 
 
1.3 – FLUIDOS
c) Dilatável: São os fluidos cujos volumes dependem da temperatura, isto é,
apresentam volumes próprios dependentes da temperatura à qual estão
submetidos, tal como os gases. A expressão formal é:
0
P
V
T
 
 
 
d) Indilatável: São os fluidos cujos volumes independem da temperatura, isto é,
apresentam volumes próprios independentes da temperatura à qual estão
submetidos, tal como os líquidos. A expressão formal é:
0
P
V
T
 
= 
 
FLUIDOS
Hipótese do Contínuo:
O comportamento dos fluidos é explicado por sua estrutura molecular, a qual se
mantém coesa pela atração entre as partículas que a compõem, e que dão a sua
mobilidade. Se ampliarmos sua estrutura molecular nós veremos imensos vazios
entre as moléculas.
Água – Pontes de Hidrogênio
Gases
Hipótese do Contínuo:
Isto traz uma dificuldade matemática principalmente para o cálculo diferencial. Isto
é, a derivada de uma função só pode ser calculada em um ponto se a função é
contínua naquele ponto.
Para contornar esta situação, foi
formulada a HIPÓTESE DO
CONTÍNUO, que admite a
matéria contínua nas condições
normais da engenharia,
permitindo a aplicação das
ferramentas utilizadas em cálculo
diferencial e integral. Mesmo
assim não deve ser aplicadas
para gases rarefeitos como nos
estudos com plasma ou em vôos
no limite da atmosfera.
1.3 – FLUIDOS
Simulação de
um escoamento
em meio sólido
Propriedade intensivas e extensivas
•Grandeza intensiva é qualquer grandeza associada a 
uma substância que seja independente da sua 
massa (ex. temperatura, velocidade);
•Grandeza extensiva é aquela que depende da massa 
da substância (i.e. do tamanho do sistema);
• Toda a grandeza extensiva tem uma intensiva a ela 
associada, denominada grandeza específica:
As propriedades termodinâmicas mais comuns
são: temperatura (T), pressão (P), e volume
específico (v) ou massa específica (ρ).
As propriedades termodinâmicas
Propriedade intensivas e extensivas
Propriedades dos fluidos
•Massa específica - 
É a razão entre a massa do fluido e o
volume que contém essa massa
(pode ser denominada de densidade
absoluta)
V
m
volume
massa
==
Propriedades dos fluidos
•Massa específica - 
Nos sistemas usuais:
Sistema SI............................Kg/m3
Sistema CGS.........................g/cm3
Sistema MKfS........................Kgf.m
-4.s2
Massas específicas de alguns fluidos
Fluido  (Kg/m3)
Água destilada a 4 oC 1000
Água do mar a 15 oC 1022 a 1030
Ar atmosférico à pressão 
atmosférica e 0 oC
1,29
Ar atmosférico à pressão 
atmosférica e 15,6 oC
1,22
Mercúrio 13590 a 13650
Petróleo 880
Propriedades dos fluidos
• Peso específico - 
É a razão entre o peso de um dado 
fluido e o volume que o contém.
V
G
volume
peso
==
W
Propriedades dos fluidos
•Peso específico - 
Nos sistemas usuais:
Sistema SI............................N/m3
Sistema CGS.........................dines/cm3
Sistema MKfS........................Kgf/m
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Propriedades dos fluidos
•Relação entre peso específico e 
massa específica
g
V
gm
V
G
=

==
W
Propriedades dos fluidos
•Volume Específico - Vs
Vs= 1/γ =V/W
É definido como o inverso do peso 
específico
Propriedadesdos fluidos
•Volume específico - Vs
Nos sistemas usuais:
Sistema SI............................m3/N
Sistema CGS......................... cm3/dines
Sistema MKfS........................ m
3/Kgf
Propriedades dos fluidos
•Densidade Relativa - δ (ou 
Densidade)
É a relação entre a massa específica de uma 
substância e a de outra tomada como 
referência
δ = 
o
Propriedades dos fluidos
•Densidade Relativa - δ (ou Densidade)
Para os líquidos a referência adotada é a água a 4oC
Nos sistemas usuais:
Sistema SI.....................ρ0 = 1000kg/m
3 Sistema MKfS 
............... ρ0 = 102 kgf.m
-4 .s2
Propriedades dos fluidos
•Densidade Relativa - δ (ou Densidade)
Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0oC
Nos sistemas usuais:
Sistema SI................. ρ0 = 1,29 kg/m
3 Sistema MKfS 
.............ρ0 = 0,132 kgf.m
-4 .s2
Exercícios
1. Determine o peso de um reservatório de óleo que possui uma massa de 825 
kg.
2. Se o reservatório do exemplo anterior tem um volume de 0,917 m3
determine a massa específica, peso específico e densidade do óleo.
3. Se 6,0m3 de óleo pesam 47,0 kN determine o peso específico, massa 
específica e a densidade do fluido
4. Se 7m3 de um óleo tem massa de 6.300 kg, calcule sua massa específica, 
densidade, peso e volume específico no sistema (SI). Considere g= 9,8 m/s2
5. Repita o problema anterior usando o sistema MKfS. Compare os resultados.
6. O peso específico da água à pressão e temperatura usuais é 
aproximadamente igual a 9,8 kN/m3. A densidade do mercúrio é 13,6. 
Calcule a densidade, a massa específica e o volume específico do mercúrio, 
nos sistemas SI e MKfS.
Sistema
•É uma quantidade de matéria de massa e 
identidade fixa, que escolhemos como objeto 
de estudo;
•Esta quantidade de matéria está contida por 
uma fronteira através da qual não há fluxo de 
massa.
Volume de controle
•É uma determinada região delimitada por 
uma fronteira onde uma determinada 
quantidade de matéria é observada.
•Exemplo:
Superfície de controle
•É a fronteira (contorno geométrico) de um 
volume de controle.
Superfície de controle s.c.
Classificação do Escoamento
• Quanto à variação no tempo:
•Permanente:
As propriedades médias estatísticas das 
partículas fluidas, contidas em um volume 
de controle permanecem constantes.
•Não Permanente
Quando as propriedades do fluido mudam 
no decorrer do escoamento;
Descrição do problema
•Lagrangeana (sistema): consiste em
identificar certas partículas do fluido e a
partir daí observar variações de
propriedades ao longo do tempo;
•Euleriana (volume de controle):
consiste em fixar o tempo e observar as
propriedades do fluido em vários pontos
pré-estabelecidos podendo-se assim obter
uma “visão” do comportamento do
escoamento naquele instante.
Processos para análise de escoamentos
→ Método de Lagrange e
→ Método de Euler.
O primeiro segue a partícula no escoamento 
e o segundo faz a análise do comportamento 
de partículas que passam por uma posição 
fixa no espaço.
Tipos de Balanços
•Globais (abordagem euleriana);
•Diferenciais (abordagem lagrangeana)
Balanços Globais (abordagem euleriana)
• o volume de controle delimita uma caixa preta;
• as equações de balanço são aplicadas através da
envoltória do volume de controle;
• o volume de controle pode incluir paredes
sólidas, e não fornece informações sobre o
comportamento ponto a ponto do sistema,
apenas valores
• globais (ou seja, entradas e saídas).
Balanços Diferenciais (abordagem lagrangeana)
•o elemento de volume é infinitesimal; está
dentro da caixa preta;
•permite ao observador “observar”
variações das grandezas no interior do
volume de controle;
•o balanço é aplicado geralmente sobre uma
única fase, e o balanço é integrado até os
limites da fase com o auxílio de condições
de contorno para encontrar a solução
particular do problema.
Leis da dinâmica dos fluidos
•Conservação da massa;
•Conservação da energia (1a lei da
termodinâmica);
•Conservação da quantidade de movimento
(2a lei de Newton).