Mecânica dos Fluidos

Introdução Propriedades Básicas dos

Fluidos

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Introdução

Mecânica: Ciência que estuda o equilíbrio e o movimento de corpos sólidos, líquidos e gasosos, bem como as causas que provocam este movimento;

Em se tratando somente de líquidos e gases, que são denominados fluidos, recai-se no ramo da mecânica conhecido como Mecânica dos Fluidos.

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Introdução

Mecânica dos Fluidos: Ciência que trata do comportamento dos fluidos em repouso e em movimento. Estuda o transporte de quantidade de movimento nos fluidos.

Exemplos de aplicações: O estudo do comportamento de um furacão; O fluxo de água através de um canal; As ondas de pressão produzidas na explosão de uma

bomba; As características aerodinâmicas de um avião

supersônico;

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Por que estudarMecânica dos Fluidos?

O conhecimento e entendimento dos

princípios e conceitos básicos da

Mecânica dos Fluidos são essenciais na

análise e projeto de qualquer sistema no

qual um fluidofluido é o meio atuante

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Por que estudarMecânica dos Fluidos?

O projeto de todos os meios de transporte requer a aplicação dos princípios de Mecânica dos Fluidos. Exemplos: as asas de aviões para vôos subsônicos e supersônicos máquinas de grande efeito aerobarcos pistas inclinadas e verticais para decolagem cascos de barcos e navios projetos de submarinos e automóveis

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Por que estudarMecânica dos Fluidos?

Projeto de carros e barcos de corrida (aerodinâmica); Sistemas de propulsão para vôos espaciais; Sistemas de propulsão para fogos de artifício; Projeto de todos os tipos de máquinas de fluxo incluindo

bombas, separadores, compressores e turbinas; Lubrificação; Sistemas de aquecimento e refrigeração para

residências particulares e grandes edifícios comerciais;

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Por que estudarMecânica dos Fluidos?

O desastre da ponte sobre o estreito de Tacoma (1940) evidencia as possíveis conseqüências que ocorrem, quando os princípios básicos da Mecânica dos Fluidos são negligenciados;

A ponte suspensa apenas 4 meses depois de ter sido aberta ao tráfego, foi destruída durante um vendaval;

Inicialmente, sob a ação do vento, o vão central pôs-se a vibrar no sentido vertical, passando depois a vibrar torcionalmente, com as torções ocorrendo em sentido oposto nas duas metades do vão. Uma hora depois, o vão central se despedaçava

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Por que estudarMecânica dos Fluidos?

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Por que estudarMecânica dos Fluidos?

O sistema de circulação do sangue no corpo humano é essencialmente um sistema de transporte de fluido e como conseqüência o projeto de corações e pulmões artificiais são baseados nos princípios da Mecânica dos Fluidos;

O posicionamento da vela de um barco para obter maior rendimento com o vento e a forma e superfície da bola de golfe para um melhor desempenho são ditados pelos mesmos princípios.

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Aceno Histórico

Até o início do século o estudo dos fluidos foi efetuado essencialmente por dois grupos – Hidráulicos e Matemáticos;

Os Hidráulicos trabalhavam de forma empírica, enquanto os Matemáticos se concentravam na forma analítica;

Posteriormente tornou-se claro para pesquisadores eminentes que o estudo dos fluidos deve consistir em uma combinação da teoria e da experiência;

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Importância

Nos problemas mais importantes, tais como: Produção de energia Produção e conservação de alimentos Obtenção de água potável Poluição Processamento de minérios Desenvolvimento industrial Aplicações da Engenharia à Medicina

Sempre aparecem cálculos de: Perda de carga Forças de arraste Trocas de calor Troca de substâncias entre fases

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Importância

Desta forma, torna-se importante o

conhecimento global das leis tratadas no

que se denomina Fenômenos de

Transporte.

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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia

Engenharia Civil e ArquiteturaEngenharia Civil e Arquitetura

Constitui a base do estudo de hidráulica e

hidrologia e tem aplicações no conforto térmico

em edificações

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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia

Engenharias Sanitária e AmbientalEngenharias Sanitária e Ambiental

Estudos da difusão de poluentes no ar, na

água e no solo

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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia

Engenharia MecânicaEngenharia Mecânica

Processos de usinagem, processos de

tratamento térmico, cálculo de máquinas

hidráulicas, transferência de calor das

máquinas térmicas e frigoríficas e Engenharia

aeronáutica

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Os Fenômenos de Transporte na Engenharia

Engenharia Elétrica e EletrônicaEngenharia Elétrica e Eletrônica

Importante nos cálculos de dissipação de

potência, seja nas máquinas produtoras ou

transformadoras de energia elétrica, seja na

otimização do gasto de energia nos

computadores e dispositivos de comunicação;

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Quais as diferenças fundamentais entre

fluido e sólido?

Fluido é mole e deformável

Sólido é duro e muito pouco deformável

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Passando para uma linguagem científica:

A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular:

Sólido: as moléculas sofrem forte força de atração (estão muito próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tem um formato próprio;

Fluido: apresenta as moléculas com um certo grau de liberdade de movimento (força de atração pequena) e não apresentam um formato próprio.

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Fluidos:Líquidos e Gases

Líquidos: - Assumem a forma dos

recipientes que os contém;

- Apresentam um volume próprio (constante);

- Podem apresentar uma superfície livre;

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Gases e vapores:-apresentam forças de atração intermoleculares desprezíveis;-não apresentam nem um formato próprio e nem um volume próprio;-ocupam todo o volume do recipiente que os contém.

Fluidos:Líquidos e Gases

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Teoria Cinética Molecular

“Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem”

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Estados Físicos da Matéria

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Fluidos

De uma maneira geral, o fluido é caracterizado pela relativa mobilidade de suas moléculas que, além de apresentarem os movimentos de rotação e vibração, possuem movimento de translação e portanto não apresentam uma posição média fixa no corpo do fluido.

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Fluidos x Sólidos

A principal distinção entre sólido e fluido, é pelo comportamento que apresentam em face às forças externas.

Por exemplo, se uma força de compressão fosse usada para distinguir um sólido de um fluido,este último seria inicialmente comprimido, e a partir de um certo ponto ele se comportariaexatamente como se fosse um sólido, isto é, seria incompressível.

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Fatores importantes na diferenciação entre sólido

e fluidoO fluido não resiste a esforços tangenciais

por menores que estes sejam, o que implica

que se deformam continuamente.

F

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Já os sólidos, ao serem solicitados

por esforços, podem resistir,

deformar-se e ou até mesmo

cisalhar.

Fatores importantes na diferenciação entre sólido

e fluido

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Fluidos x Sólidos

Os sólidos resistem às forças de cisalhamento até o seu limite elástico ser alcançado (este valor é denominado tensão crítica de cisalhamento), a partir da qual experimentam uma deformação irreversível, enquanto que os fluidos são imediatamente deformados irreversivelmente, mesmo para pequenos valores da tensão de cisalhamento.

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Fluidos: outra definição

Um fluido pode ser definido como uma substância que muda continuamente de forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena.

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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

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Propriedades dos fluidos

Massa específica - Nos sistemas usuais:

Sistema SI............................Kg/m3

Sistema CGS.........................g/cm3

Sistema MKfS........................Kgf.m-4.s2

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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

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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

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Propriedades dos fluidos

Peso específico - Nos sistemas usuais:

Sistema SI............................N/m3

Sistema CGS.........................dines/cm3

Sistema MKfS........................Kgf/m3

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Propriedades dos fluidos

Relação entre peso específico e massa específica

gV

gm

V

G

W

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Propriedades dos fluidos

Volume Específico - Vs

Vs= 1/γ =V/W

É definido como o inverso do peso específico

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Propriedades dos fluidos

Volume específico - Vs

Nos sistemas usuais:

Sistema SI............................m3/NSistema CGS......................... cm3/dinesSistema MKfS........................ m3/Kgf

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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

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Propriedades dos fluidos

Densidade Relativa - δ (ou Densidade)

Para os líquidos a referência adotada é a água a 4oCNos sistemas usuais:

Sistema SI.....................ρ0 = 1000kg/m3 Sistema MKfS ............... ρ0 = 102 kgf.m-4 .s2

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Propriedades dos fluidos

Densidade Relativa - δ (ou Densidade)

Para os gases a referência é o ar atmosférico a 0oCNos sistemas usuais:

Sistema SI................. ρ0 = 1,29 kg/m3 Sistema MKfS .............ρ0 = 0,132 kgf.m-4 .s2

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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.