FENOMENOS DE TRANSPORTE - TRABALHO FINAL

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DESAFIO I 
Hidrovias como saída para o desenvolvimento nacional 
“Produtos agrícolas e minérios de algumas regiões do Brasil, como por exemplo, do centro- este, precisam vencer longas distâncias até o destino. Os gastos com a comercialização, nesses casos, são elevados, já que o principal meio de transporte existente é o rodoviário, que é também o mais caro. Com isso, os mesmos produtos, de locais que usam o transporte hidroviário acabam ficando com um custo final bem menor, como no caso da soja produzida em algumas regiões norte-americanas em relação ao produto brasileiro do centro-oeste. A diminuição do consumo de óleo diesel para o transporte, promovendo economia e redução da emissão de poluentes são as vantagens apontadas pelos defensores do transporte hidroviário. A infraestrutura resultante da implantação de uma grande hidrovia permite o aumento de produção, gerando novos postos de trabalho de melhor qualidade ambiental. Levando em consideração estas vantagens, o governo brasileiro tem apostado na construção de hidrovias como parte fundamental da estratégia de desenvolvimento nacional e da América do Sul” 
(Texto adaptado - http://www.oei.es/divulgacioncientifica/reportajes_090.htm) 
A maneira encontrada pela engenharia para conciliar a geração de energia e o transporte hidroviário é a construção de eclusas ao longo da malha hídrica. As embarcações podem transpor os desníveis causados pelas barragens presentes nas hidrovias utilizando uma obra de engenharia hidráulica conhecida como eclusa que tem um funcionamento simples e econômico. 
A Eclusa nada mais é do que um elevador de águas que serve para subir ou descer as embarcações. Ao lado da usina hidroelétrica de Barra Bonita, no rio Tietê, existe uma eclusa que faz a transposição das embarcações utilizadas não só para o escoamento agrícola da região bem como sua exploração turística. 
O desafio será calcular alguns parâmetros envolvidos no fenômeno de enchimento e esvaziamento da Eclusa. Os conceitos físicos pertinentes serão desenvolvidos durante o transcorrer da disciplina. 
ETAPA № 1
Aula-tema: Propriedades dos fluidos 
A câmara da Eclusa de Barra Bonita tem o formato de um paralelepípedo com 145𝑚 de comprimento e 12𝑚 de largura. Para a transposição é necessário que a cota na parte baixa do rio esteja em 435,50𝑚, garantindo a profundidade média de 3,0𝑚, na parte baixa do rio, o que impede encalhe da embarcação e, a cota de 461,00𝑚, no reservatório da represa. Conforme mostrado nos detalhes dos cortes da câmara da Eclusa. 
Pede-se determinar o valor de massa de água quando a câmara da Eclusa que está totalmente cheia e o valor do peso específico da água em 𝑁𝑚3⁄. A grande dimensão do reservatório da represa mantém a temperatura média da água em torno de 20℃, independente da época do ano. Por isso, para efeito de cálculos considere que a massa específica da água é igual a 0,998 𝑔𝑐𝑚3⁄. Adotar a aceleração da gravidade igual a 9,81𝑚𝑠2⁄.
TAPA № 2
Aula-tema: Propriedades dos fluidos 
Quando a embarcação deseja subir para o trecho mais alto do rio, a comporta tipo Vagão é aberta a fim de permitir a entrada da embarcação na câmara. Neste momento, é fechada a válvula II e aberta a válvula I, garantindo que ocorra o enchimento da câmara da Eclusa. Sabe-se que os processos de enchimento e esvaziamento da câmara são feitos por gravidade. A água que está ao longo do reservatório da represa vem através de duas tubulações de 1500𝑚𝑚 de diâmetro, que fazem ligação do nível superior da barragem com o nível inferior da eclusa, e vice-versa. Por medida de segurança, durante o processo de enchimento da câmara, aconselha-se que a velocidade média nas tubulações do reservatório da represa não deve passar de 14𝑚𝑠⁄. 
Caso a embarcação se encontre no nível inferior do rio a válvula I é aberta e fechada a válvula II, quando o nível da câmara estiver no mesmo nível do rio, é fechada a válvula I e aberta a comporta tipo vagão (abertura vertical). 
ETAPA № 3
Aula-tema: Estática dos fluidos 
Foi colocada uma régua graduada na parede da câmara da eclusa a fim de verificar o comportamento da pressão no piso da câmara durante o enchimento, como é mostrado na figura abaixo. Deseja-se saber as cotas registradas e suas respectivas pressões em 𝑃𝑎, a cada 3 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 do início da operação de enchimento. Lembre-se que para efeito de cálculo de pressão no piso da câmara deverá ser considerada a contribuição das duas tubulações. 
 
Quando a câmara atinge o mesmo nível de água do reservatório da represa é aberta uma comporta do tipo Mitra que permite a passagem da embarcação. Deseja-se saber qual é a vazão de enchimento da câmara e quanto tempo é gasto (em minutos), neste processo de transposição? 
A embarcação entra na câmara e é aberta a válvula II. Quando a câmara estiver no mesmo nível da parte inferior do rio, a comporta tipo Mitra é aberta para a liberação da embarcação. A comporta tipo Mitra é composta de dois portões articulados por pistão. É empregado um pistão é de 100𝑁 e 100𝑐𝑚 de comprimento, que cai dentro de um cilindro com velocidade constante de 2,0𝑚𝑠⁄. Sabe-se que o diâmetro do cilindro é de 15,8 𝑐𝑚 e do pistão é 15,6 𝑐𝑚. Deseja-se saber a viscosidade do lubrificante colocado entre o cilindro e o pistão. 
ETAPA № 4 
Aula-tema: Cinemática dos fluidos 
As duas tubulações que derivam do reservatório da represa alimentam 200 orifícios de 15 polegadas de diâmetro cada um, localizados no piso da câmara, o que garante o funcionamento do sistema conhecido como vasos comunicantes. Tanto o enchimento como o esvaziamento é feito pelo mesmo processo, portanto, demanda o mesmo tempo. É recomendado que a velocidade média de esvaziamento da câmara não exceda a 2,5𝑚𝑠⁄. Pergunta-se se este critério de dimensionamento está sendo ou não satisfeito? 
As embarcações aguardam o nível de água da câmara da Eclusa chegar ao nível do rio. Esse processo de esvaziamento tem que ser lento para que as embarcações não se choquem com as paredes laterais da câmara e nem com as outras embarcações. 
O reservatório da Eclusa mantém a temperatura média de 68℉ e nesta condição a viscosidade dinâmica da água é 1,002 𝑁. 𝑠𝑚2⁄. Deseja-se saber qual é o regime de escoamento para a tubulação que faz o enchimento da eclusa e qual a velocidade máxima para a tubulação que faz o esvaziamento? 
DESAFIO II 
Temperatura chega a -41°C na Noruega
 “O termômetro desceu aos 22 graus negativos no norte do país, mais concretamente, na Escócia. As baixas temperaturas sentidas na Escócia obrigaram o corte do fornecimento de gás a algumas empresas para racionar o combustível. O mau tempo também chegou à França, onde as autoridades colocaram 31 departamentos em alerta laranja, devido à neve e ao gelo. Na Espanha, o Norte e Leste do país emitiram avisos por causa da neve e da chuva. Na Alemanha, prevêem-se tempestades de neve para o fim-de-semana e, na Noruega, habituada aos Invernos rigorosos, foi registrada a temperatura mais baixa dos últimos 22 anos: 41,8℉ negativos. Noutros países, a ausência de neve não impede a existência de temperaturas consideradas glaciares, como é o caso da Polônia, onde 120 sem-abrigo morreram na última semana devido ao frio.” 
Texto adaptado - http:/wwwdeolhonotempo.blogspot.com 
A madeira é um ótimo material de construção quanto aos aspectos de conforto, plasticidade no projeto, rapidez de montagem e durabilidade. Atualmente as construções residenciais em madeira representam 10% das construções na França, 20% na Alemanha e 60% na Finlândia. 
 
O objetivo do desafio será distinguir e identificar os vários mecanismos de transferência de calor predominante no sistema estudado além de identificar e aplicar de modo adequado as equações de transferência de calor. 
ETAPA № 1 
Aula-tema: Calor: definição, formas de calor e formas de transferências 
Sr João e a família receberam depresente passagens áreas para Frankfurt, Alemanha. A família se hospedou em uma casa de madeira localizada em uma linda região de montanha. Quando chegaram a Frankfurt, no final do outono e início do inverno, a temperatura local estava em torno de 42,8℉. Como a casa dispunha de uma lareira, e como a temperatura interna da casa registrada no termômetro era de 53,6℉, seu João teve a ideia de acender a lareira da sala a fim de aumentar o conforto do ambiente. 
José, filho do Sr. João percebeu que o ambiente ficou mais agradável e perguntou para o pai se ele saberia explicar os processos de transferência de calor que estavam ocorrendo durante o tempo que a lareira estava acesa. Quais os processos que o Sr. João explicou? 
José também notou que quando foi abrir a porta para entrar na cozinha a maçaneta de metal estava muito fria quando comparada com a estrutura da porta de madeira. Qual foi a explicação que o Sr. João teve nesta situação? 
ETAPA № 2
Aula-tema: Lei de Fourier para escoamento unidirecional e regime permanente 
Anoiteceu e cansados da viagem a família foi dormir. João pegou um cobertor que possui uma área de 1𝑚2 e 3,0𝑐𝑚 de espessura. Sabendo que a temperatura ambiente do dormitório é de 8℃ e que a temperatura do João depois de envolvido no cobertor permaneceu 35,5℃, deseja-se saber a quantidade de calor perdido por João através do cobertor, durante um intervalo de 1 hora e, qual papel o cobertor desempenha. Considere o coeficiente de condutividade de 8.10−5𝑐𝑎𝑙/s.𝑐𝑚.℃⁄. 
ETAPA № 3 
Aula-tema: Lei de Fourier para escoamento unidirecional e regime permanente
Muito observador José percebeu que embora os dormitórios tivessem as mesmas dimensões apresentavam sensação térmica diferentes. A temperatura no dormitório dele era de 8℃, enquanto a de seus pais era 10℃. Então, começou a observar melhor e descobriu que a janela de seu dormitório tinha um único vidro de 8𝑚𝑚 de espessura e a janela do dormitório de seus pais era composta de vidro duplo de 8mm separados por uma camada de ar de 10𝑚𝑚. Pede-se que calcule a taxa de perda de calor que ocorre através do vidro do quarto de José sabendo que a janela é quadrada e tem 1,5 𝑚 e que a temperatura externa estava −2℃. Considere a condutividade térmica do vidro de Kvidro=1,4W/m.k. Como o Sr. João poderia explicar a redução da perda de calor através da janela? Considere a condutividade térmica do ar de Kar=0,024W/m.k. 
ETAPA № 4
Aula-tema: Efeito combinado condução-convecção em superfícies planas 
Sr. João comentou que em países onde há risco de nevascas e terremotos a grande maioria das residências é construída por um método que utiliza painéis de madeira tanto nas paredes externas quando nas internas. 
E completou dizendo: “as paredes da casa em que estamos hospedados é composta por três camadas, a interna de madeira de Pinho de espessura igual a 3,0𝑐𝑚 e 𝐾𝑚𝑎𝑑=0,12 𝑊/𝑚.𝐾, 3,0𝑐𝑚 de placa de poliuretano e 𝐾𝑒𝑠𝑝=0,020 𝑊/𝑚.𝐾 e uma outra camada de madeira de Pinho de 5,0𝑐𝑚 de espessura. A temperatura ambiente é de 20℃ e a externa de −2℃ . 
Nesta condição qual será a quantidade perdida de calor através da superfície, adotando como base a área de 1𝑚2. Pede-se que elabore o diagrama esquemático em corte do painel da residência. 
Sr. João comentou que atualmente os construtores estão adotando técnicas construtivas pensando em soluções sustentáveis, com o intuito de reduzir o tempo de funcionamento de sistema de aquecimento e ou resfriamento, uma vez que oferecem um excelente isolamento tanto no frio como no calor. São painéis compostos por três camadas, placas de OSB de 3,0cm, lã de vidro, e placa de OSB de 3,0cm de espessura. E para terminar a explicação Sr. João perguntou: Se fosse construída uma residência igual a que estamos hospedados, sujeita as mesmas temperaturas, pelo método construtivo, qual seria a espessura da lã de vidro para manter a mesma quantidade de calor perdido? Considere a condutividade térmica da placa de OSB, 𝐾𝑂𝑆𝐵=0,094 𝑊/𝑚.𝐾 e da placa de lã de vidro, 𝐾𝑙ã=0,035 𝑊/𝑚.𝐾. Elabore o diagrama esquemático em corte do painel da residência.