Conceitos Fundamentais sobre Propriedades dos Fluidos Fluidos Slidos

Conceitos Fundamentais sobre Propriedades dos Fluidos

Fluidos • Sólidos e fluidos se distinguem em função de seu comportamento quando submetidos a uma carga externa. • Sólidos se fragmentam ou se deformam permanentemente quando submetidos a esforços externos. • Fluidos são substâncias que se deformam sem desintegração de sua massa (escoam) e se adaptam à forma do recipiente que os contém. 2

Fluido: Comprovação experimental Experimento: Esta experiência revela a ação de forças que arrastam o fluido no sentido do movimento de uma placa. O fluido pode ser considerado composto de lâminas paralelas à placa, cada uma deslizando sobre as vizinhas, sendo arrastada pela mais veloz e arrastando a mais lenta. Isto também vale para fluidos gasosos. 3

Fluidos - Definição Científica: Fluidos são substâncias que se deformam continuamente quando submetidas a um esforço cisalhante (tensão de cisalhamento). São fluidos: água, ar, óleo diesel etc. São sólidos: diamante, uma barra de aço etc. Podem ser fluidos: pastas, parafina, betume. 4

Movimentação de fluidos Perfis laminares de velocidades de fluidos escoando em: (a) Um rio (b) dentro de um tubo 5

Fluidos – Diferenças entre gases e líquidos Um líquido é praticamente incompressível, tem volume definido e assume a forma do recipiente em que está contido, apresentando uma superfície livre. Um gás é muito compressível e expande-se indefinidamente se não existirem esforços externos, ocupando o volume de todo o recipiente que o contém. 6

Escoamento de Fluidos Aplicações e importância • Otimização do funcionamento de equipamentos, máquinas, aeronaves etc. 7

Escoamento de Fluidos Aplicações e importância • Entendimento de fenômenos da natureza e monitoramento de corpos vivos. 8

Escoamento de Fluidos Aplicações e importância • Geração de energia 9

Escoamento de Fluidos Aplicações e importância • Na indústria, uma grande diversidade de fluidos são processados em equipamentos, tubulações, tanques etc. 10

Propriedades físicas dos fluidos e variáveis de processo • Propriedades físicas que distinguem analiticamente os fluidos e são mais empregadas no estudo do escoamento de fluidos. – Massa específica ( ) - Peso específico ( ) – Densidade (d) - Volume específico ( s) – Viscosidade ( ou ) - Pressão de vapor (Pvap) • Para entender o comportamento dos fluidos, estuda-se as variações sofridas pelas propriedades acima em função de variáveis de processo (T e p). 11

Variáveis de processo • Temperatura (Noção Intuitiva) Grandeza física que indica o estado (grau de agitação) das partículas de um corpo, caracterizando o seu estado térmico. T 1 > Teq > T 2 T 1 T 2 T T contato 12

Temperatura: Conversão entre as escalas mais usadas: 13

Capacidade Térmica – C – É uma característica do corpo; – A capacidade térmica corresponde à quantidade de calor (recebida ou cedida) que leva a uma variação na temperatura do corpo; – É dada pela relação da quantidade de calor recebida por um corpo e a variação de temperatura sofrida pelo mesmo. É representada pela letra C e é medida em calorias por grau Celsius (cal/°C) ou caloria por Kelvin (cal/K).

Variáveis de processo • Pressão: Define-se pressão como a razão entre a componente normal de uma força e a área em que ela atua. F A Unidades de pressão: - Pa (N m-2), k. Pa (103 Pa), kgf cm-2, lbf in 2 (psi), m H 2 O, mm Hg (Torr), atm, bar. 16

Variáveis de processo • Escalas para medição da Pressão: pabsoluta = pefetiva + preferência 17

Pressão em fluidos estáticos Pressão hidrostática phid = g H Ptot = patm + g H 18

Pressão em fluidos estáticos Gases Ideais p. V=n. RT p 1 V 1/T 1 = p 2 V 2/T 2 19

Propriedades Físicas dos Fluidos • Massa específica ou densidade absoluta ( ) É a quantidade de massa de uma substância existente em um determinado volume, ou seja, a massa que ocupa uma unidade de volume. • Unidades de medida: – kg m-3, kg L-1, ton m-3, g cm-3, lbm ft-3. 20

Propriedades Físicas dos Fluidos • Densidade (d) É a razão entre a massa específica de uma substância de referência em condições-padrão. Corresponde ao número de vezes que um material é “mais pesado” que outro. • Unidades de medida: é adimensional. 21

Propriedades Físicas dos Fluidos • Densidade (d) Substância de referência e condições-padrão. § Líquidos e sólidos: geralmente água Condições diversas são aplicadas: § 4ºC – T em que a água possui maior ; § 20ºC – T recomendada pela ISO; § 15ºC – T empregada pelo API. § Gases e vapores: ar (diversas condições-padrão) § Densidade do petróleo: 22

Propriedades Físicas dos Fluidos • Volume específico ( s) É o volume ocupado por uma determinada massa de uma substância, ou seja, o volume ocupado por unidade de massa. Corresponde ao inverso da massa específica: Unidades de medida: – m 3 kg-1, L kg-1, m 3 ton-1, cm 3 g-1. 23

Propriedades Físicas dos Fluidos • Peso específico ( ) É a força exercida, por unidade de volume, em um corpo de massa específica submetido à aceleração da gravidade g ( 9, 81 m s-2). Corresponde à razão entre o peso de um corpo e seu volume, ou seja, • Unidades de medida: – N m-3, lbf ft-3. 24

Propriedades Físicas dos Fluidos • Variação da massa específica com a temperatura. – Normalmente, aumentando-se a temperatura, o volume do fluido aumenta por conta da dilatação. T (K) (kg m-3) Água 273 999, 6 Água 300 996, 4 Vapor d´água 380 0, 5863 Vapor d´água 800 0, 2579 Ar atmosférico 300 1, 1614 Ar atmosférico 800 0, 4354 Etanol líquido 351 757 Etanol vapor 351 1, 44 Substância 25

Dilatação anômala da água volume específico (cm 3/g) 0 4 temperatura (°C) Entre 0 e 4°C, a água quando aquecida diminui seu volume. Em 4°C a água assume seu menor volume específico e, portanto, sua maior massa específica. Bismuto, Ferro e Antimônio também se contraem na fusão. 26

Variação da massa específica com a pressão • Líquidos: são praticamente incompressíveis, só sofrem variações significativas a altas pressões; • Gases: são compressíveis. Efeitos significativos de p em são observados. Lei dos gases ideais 27

Propriedades Físicas dos Fluidos • Viscosidade absoluta ou dinâmica ( ) Pode ser encarada como a resistência do fluido ao escoamento, ou seja, é a resistência que todo fluido oferece ao movimento relativo de suas partes. Funciona como uma espécie de descrevendo a "fluidez" da substância. “atrito interno”, Por exemplo, o mel apresenta uma resistência maior à deformação (ao escoamento) que a água, dizemos , então, que ele é mais viscoso que água. 28

Entendendo a viscosidade Forças tangenciais (forças de cisalhamento) arrastam o fluido no sentido do movimento. No fluido, a lâmina de líquido vizinha à placa adere a esta e acompanha a mesma em seu movimento. A lâmina seguinte desliza sobre a primeira, apresentando velocidade menor que a da placa. Quanto mais distante da placa estiver a lâmina líquida, menor é sua velocidade. 29

Entendendo a viscosidade Forças tangenciais (forças de cisalhamento) arrastam o fluido no sentido do movimento. As forças de resistência viscosa agentes nas faces de uma lâmina têm intensidade proporcional à área das faces, e ao gradiente de velocidade entre elas: 30

Propriedades Físicas dos Fluidos • Viscosidade absoluta ( ) Matematicamente, - é a tensão cisalhante; - é a viscosidade absoluta; v/ x - é o gradiente de velocidade, chamado taxa de cisalhamento, ou ainda, de taxa de deformação. • Principais unidades de medida: - Pa s (N m-2 s), lbf ft-2 s, centipoise = 10 -2 dina cm-2 s. 31

Propriedades Físicas dos Fluidos - é a tensão cisalhante; - é a viscosidade absoluta; v/ x - é o gradiente de velocidade, chamado taxa de cisalhamento ou ainda taxa de deformação. 32

Variação da viscosidade com a agitação Fluidos Newtonianos: Fluidos não-Newtonianos: u – índice de comportamento do escoamento; k – índice de consistência e - viscosidade aparente. 33

Variação da viscosidade com a agitação Fluidos não-Newtonianos: Alguns exemplos: - Plástico ideal: suspensões de argila, pasta dental; - Dilatantes (u > 1): suspensões de amido e areia; - Pseudoplásticos (u < 1): soluções poliméricas, polpa de papel em água; - Tixotrópicos: muitas tintas, colas, sabões; - Reopéticos: suspensões de betonita e argila, sóis. 34

Variação da viscosidade de fluidos newtonianos com T e p • Para gases: – Aumento na temperatura, aumenta a viscosidade; – A pressão somente influencia a partir de 1000 k. Pa, onde aumentos na pressão causam aumentos na viscosidade. Exemplo: a viscosidade do N 2 a 25ºC dobra seu valor quando a pressão varia de 100 k. Pa para 50000 k. Pa. • Para líquidos: – Aumento na temperatura, diminui a viscosidade; – A pressão geralmente não exerce efeito, porém grandes aumentos já foram comprovados a pressões muito altas. H 2 O (10000 atm) = 2 H 2 O (1 atm). 35

Variação da viscosidade com a temperatura Coeficiente de viscosidade - Líquidos e Gases T (o. C) m (c. P) água 0 1, 80 água 20 1, 002 água 100 0, 2821 H 2 Éter sulfúrico 20 0, 24 Mercúrio 20 Glicerina anidra Óleo de oliva Líquidos T (o. C) m (c. P) Ar 0 0, 01733 Ar 100 0, 0202 0 0, 0085 He 0 0, 0189 1, 55 O 2 0 0, 0192 20 1390 CO 2 0 0, 01370 30 1200 CO 2 100 0, 01828 Gases 36

Propriedades Físicas dos Fluidos • Viscosidade cinemática ( ) É a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica. Principais unidades de medida: - m 2 s-1, ft 2 s-1, centistokes (c. St) = 10 -2 cm 2 s-1. 37

Propriedades Físicas dos Fluidos • Viscosidade cinemática ( ) Unidades especiais empregadas na indústria: SSU (Segundo Saybolt Universal): Corresponde ao tempo, em segundos, que um fluido leva para escoar 60 cm 3, em condições controladas de temperatura, através de um orifício padrão. Para viscosidades elevadas ( > 250 SSU), emprega-se ainda o SSF (Segundo Saybolt Furol), difere de SSU por empregar um orifício padrão com maior diâmetro. 38

Propriedades Físicas dos Fluidos • Pressão de vapor (Pvap) Corresponde à pressão em que a fase líquida está em equilíbrio com a fase gasosa (vapor). Compressão isotérmica - ab: compressão do vapor; - cd: compressão do líquido. - bc: mudança de fase (P = Pvap); 39

Propriedades Físicas dos Fluidos • Pressão de vapor (Pvap) = s 40

Fluidos – Grandezas Fundamentais • Vazão: É a quantidade de fluido que atravessa um sistema estudado por unidade de tempo. • A vazão pode ser: – Vazão mássica: quantidade = massa; – Vazão volumétrica: quantidade = volume; – Vazão molar: quantidade = número de moles. • Algumas unidades de medida empregadas: – Vazão mássica = kg s-1, kg min-1, ton h-1, g s-1; – Vazão volumétrica: m 3 s-1, m 3 h-1, L s-1, galão h-1; – Vazão molar: mol s-1, mol h-1, kgmol s-1, lbmol s-1. 41

Fluidos – Grandezas Fundamentais • Relação entre vazão mássica e volumétrica A vazão mássica é o produto da massa específica pela vazão volumétrica. • Relação entre vazão molar e as outras vazões 42