Conceitos Fundamentais sobre Propriedades dos Fluidos

1. Conceitos Fundamentais sobre Propriedades dos Fluidos

2. 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.

3. 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 como 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.

4. Fluidos - Definição 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.

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

6. 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.

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

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

9. Escoamento de FluidosAplicações e importância • Geração de energia

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

11. Propriedades físicas dos fluidose 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).

12. T1 > Teq > T2 T1 > T2 T2 T1 T T contato 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.

13. Temperatura: Conversão entre as escalas mais usadas:

14. 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).

16. F A Variáveis de processo • Pressão: Define-se pressão como a razão entre a componente normal de uma força e a área em que ela atua. Unidades de pressão: - Pa (N m-2), kPa (103 Pa), kgf cm-2, lbf in2 (psi), m H2O, mm Hg (Torr), atm, bar.

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

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

19. Pressão em fluidos estáticos Gases Ideais p V = n R T p1 V1/T1 = p2 V2/T2

20. 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.

21. Propriedades Físicas dos Fluidos • Densidade (d) É a razão entre a massa específica de uma substância e 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.

22. 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:

23. 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: • m3 kg-1, Lkg-1, m3 ton-1, cm3 g-1.

24. 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.

25. 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.

26. Dilatação anômala da água volume específico (cm3/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.

27. 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

28. 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 “atrito interno”, descrevendo a "fluidez" da substância. Por exemplo, o mel apresenta uma resistência maior à deformação (ao escoamento) que a água, dizemos , então, que ele é mais viscoso que água.

29. 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.

30. 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:

31. 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.

32. 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.

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

34. 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.

35. 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 kPa, onde aumentos na pressão causam aumentos na viscosidade. Exemplo: a viscosidade do N2 a 25ºC dobra seu valor quando a pressão varia de 100 kPa para 50000 kPa. • Para líquidos: • Aumento na temperatura, diminui a viscosidade; • A pressão geralmente não exerce efeito, porém grandes aumentos já foram comprovados a pressões muito altas. H2O (10000 atm) = 2  H2O (1 atm).

36. Variação da viscosidade com a temperatura

37. Propriedades Físicas dos Fluidos • Viscosidade cinemática () É a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica. Principais unidades de medida: • m2 s-1, ft2 s-1, centistokes (cSt) = 10-2 cm2 s-1.

38. 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 cm3,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.

39. 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; - bc: mudança de fase (P = Pvap); • cd: compressão do líquido.

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

41. 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: m3 s-1, m3 h-1, L s-1, galão h-1; • Vazão molar: mol s-1, mol h-1, kgmol s-1, lbmol s-1.

42. 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