UNIVERSIDADE ESTADUAL
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1<br />
<strong>UNIVERSIDADE</strong> <strong>ESTADUAL</strong><br />
DE CAMPINAS<br />
CESET- CENTRO SUPERIOR DE<br />
EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA<br />
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO<br />
UNIVERSITÁRIA :<br />
“MEIO AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO<br />
SUSTENTÁVEL”<br />
D I S C I P L I N A CET-301-FUNDAMENTOS DE<br />
MODELAGEM MATEMÁTICA E TÉCNICAS DE<br />
SIMULAÇÃO APLICADOS A SISTEMAS AMBIENTAIS<br />
PROF. RENATO TAKAMI<br />
MARÇO/2005
2<br />
ÍNDICE<br />
Capítulos 1 – Propriedades dos Fluidos e Definições............................................................................6<br />
1.1-Definições de Fluidos..................................................................................................................6<br />
1.2-Tensões de Cisalhamento e Normal..........................................................................................6<br />
1.3-Principio da Aderência...............................................................................................................8<br />
1.4-Sistemas de Unidades..................................................................................................................8<br />
1.5-Peso Especifico............................................................................................................................9<br />
1.6-Massa Especifica e Volume Específico....................................................................................10<br />
1.6.1 – Massa Específica......................................................................................................10<br />
1.6.2 – Volume Específico...................................................................................................10<br />
1.7- Densidade de uma Substância................................................................................................10<br />
1.8 Pressão de Vapor.......................................................................................................................11<br />
1.9 Tensão Superficial.....................................................................................................................11<br />
1.10 Capilaridade............................................................................................................................11<br />
1.11-Lei de Viscosidade de Newton...............................................................................................12<br />
1.12-Diagrama Reológico...............................................................................................................13<br />
1.13-Viscosidade de um Fluido......................................................................................................13<br />
1.13.1-Viscosidade Dinâmica..............................................................................................13<br />
1.13.2-Viscosidade Cinemática...........................................................................................14<br />
1.14-Gás Perfeito............................................................................................................................14<br />
1.15-Modulo De Elasticidade Volumétrica...................................................................................16<br />
1.16-Simplificação na Lei de Viscosidade de Newton..................................................................17<br />
1.17-Unidades e Fatores de Conversão........................................................................................20<br />
1.18-Fatores de Conversão de Unidades.....................................................................................21<br />
1.19-Fatores de Conversão do Sistema Britânico ao Sistema Internacional..........................22<br />
1.20-Exercícios - Capítulos 1.........................................................................................................23<br />
1.21-Respostas dos Exercícios - Capítulos 1.................................................................................26<br />
Capitulo 2- Manometria e Estática da Atmosfera................................................................................................27<br />
2.1-Pressão.......................................................................................................................................27<br />
2.2-Equação Fundamental de Equilibrio Estático.......................................................................27<br />
2.3-Diferença de Pressão Entre dois Pontos em Função da Diferença de Cota.......................30<br />
2.4-Variação da Pressão na Atmosfera Terrestre........................................................................31<br />
2.5 –Altura de Carga.......................................................................................................................33<br />
2.6-Lei de Pascal..............................................................................................................................34<br />
2.7-Regra prática para determinação da diferença de pressão entre dois pontos<br />
ou entre dois reservatórios......................................................................................................35<br />
2.8-Pressão Atmosférica. Vácuo e Escalas de Pressão................................................................35<br />
2.8.1- Pressão Atmosférica..................................................................................................35<br />
2.8.2- Vácuo..........................................................................................................................36<br />
2.8.3- Escalas de Pressão.....................................................................................................36<br />
2.9-Aparelhos de medir pressão....................................................................................................38<br />
2.10-Unidades de Pressões e Pressões Equivalentes....................................................................38<br />
2.11-Exercícios - Capítulo 2 - Estática dos Fluidos no Campo Gravitacional<br />
e Manometria...........................................................................................................................39<br />
2.12-Respostas dos Exercícios do Capítulo 2................................................................................45<br />
Capitulo 3 - Forças de Pressão Sobre Superfícies.Empuxo.................................................................................46<br />
3.1-Força de Pressão Sobre Superfícies.........................................................................................46<br />
3.1.1- Superfícies Planas.....................................................................................................46<br />
3.1.1.1 - Modulo da Força......................................................................................46<br />
3.1.1.2-Ponto de Aplicação da Força(Centro De Pressões).................................47
3<br />
3.1.2-Superfícies Curvas...................................................................................................50<br />
3.2-Empuxo.....................................................................................................................................52<br />
3.2.1 - Corpo Submerso em um Fluido............................................................................52<br />
3.2.2 - Corpo Submerso em Dois ou Mais Fluidos..........................................................53<br />
3.3-Exercícios - ..............................................................................................................................55<br />
3.4-Respostas dos Exercícios do Capítulo 3.................................................................................61<br />
Capitulo 4 - Escoamentos de Fluidos...................................................................................................................62<br />
4. 1-Tipos de Escoamentos.............................................................................................................63<br />
4.1.1-Escoamento Permanente...........................................................................................63<br />
4.1.2-Escoamento Variado.................................................................................................63<br />
4.1.3-Escoamento Uniforme...............................................................................................63<br />
4.1.3.1 - Escoamento Uniforme e Permanente........................................................63<br />
4.1.3.2 - Escoamento Uniforme e Não Permanente...............................................63<br />
4.1.4-Escoamento Laminar e Turbulento.........................................................................64<br />
4.2-Vazão em Volume , Vazão em Massa e Vazão em Peso. Velocidade Média.<br />
Conceitos e Unidades.................................................................................................65<br />
4.2.1-Vazão em Volume......................................................................................................66<br />
4.2.2- Vazão em massa........................................................................................................66<br />
4.2.3- Vazão em Peso...........................................................................................................67<br />
4.2.4- Velocidade Media......................................................................................................67<br />
4.3- Equação da Continuidade.......................................................................................................70<br />
4.3.1-Equação da Continuidade para Regime permanente............................................70<br />
4.3.2-Equação da Continuidade para Regime Não Permanente...................................71<br />
4.4-Exercícios – Capítulo 3 – Cinemática dos Fluidos.................................................................73<br />
4.5-Respostas dos Exercícios do Capítulo 3.................................................................................78<br />
Capitulo 5 - Conceitos Ligados Ao Escoamento De Fluido - Equações Fundamentais ..................................79<br />
5.1-Sistemas e Volumes de Controle............................................................................................79<br />
5.1.1-Sistema........................................................................................................................79<br />
5.1.2-Volume de Controle(V.C).........................................................................................79<br />
5.2-Relação Entre Solução por Sistema e Volume de Controle.................................................79<br />
5.2.1-Grandezas Extensivas...............................................................................................79<br />
5.2.2- Grandezas Intensivas...............................................................................................80<br />
5.3-Equação da Continuidade na Forma de Integral.................................................................82<br />
5.4.Equação de Bernoulli..............................................................................................................84<br />
5.5-Medida de Velocidade.............................................................................................................89<br />
5.5.1-Tubo de Pitot simples................................................................................................89<br />
5.5.2-Tubo de Pitot Estático...............................................................................................90<br />
5.6.Equação de Bernoulli em Presença de uma Máquina..........................................................91<br />
5.7-Potencia e Rendimento de uma Máquina.............................................................................91<br />
5.8-Equação de Bernoulli na presença de uma Máquina...........................................................92<br />
5.9-Coeficiente de Energia Cinética α ........................................................................................93<br />
5.10-Método de Solução de Problema..........................................................................................94<br />
5.11-Exercícios capítulo 5 ............................................................................................................95<br />
5.12-Respostas dos exercícios do capítulo 5...............................................................................100<br />
Capitulo 6 - Equação da Quantidade de Movimento.........................................................................................101
4<br />
6.1-Aplicação da equação da quantidade de movimento..........................................................101<br />
6.1.1 Simplificações da Equação da Quantidade de Movimento....................................102<br />
6.2-Coeficiente da quantidade de movimento β.......................................................................103<br />
6.3-Força sobre superfície sólida em movimento......................................................................107<br />
6.4- Potência de uma Turbina Hidráulica.................................................................................109<br />
6.5-Exercícios do Capítulo 6 – Equação da Quantidade de Movimento...................111<br />
6.6-Respostas dos exercícios do capítulo 6....................................................................116<br />
Capítulo 7-Transporte Difusivo de Massa........................................................................................................117<br />
7.1-Equação da Difusão de FICK...............................................................................................117<br />
Tabela A . 10 Coeficiente de difusão de gases e vapores em ar a 25 o C e 1 atm...........122<br />
Tabela A . 11 Coeficiente de difusão em líquidos a 20 o C...............................................123<br />
Capítulo 8- Estudo de Perda de Carga. Sistema Elevatório. Fórmulas Práticas de<br />
Cálculos de Perda de Carga.....................................................................................125<br />
8.1-Definições...................................................................................................................125<br />
8.2-Estudo da Perda de Carga....................................................................................................125<br />
8.2.1- Estudo da Perda de Carga Distribuída.................................................................126<br />
8.2.1.1-Equação da Continuidade..........................................................................126<br />
8.2.1.2-Equação de Bernoulli(representação gráfica)..............................126<br />
8.2.1.3 - Linha de Energia ou de Carga e Linha Piezométrica...............126<br />
8.2.1.4 - Conceito de Perda de Carga....................................................................127<br />
8.2.1.4-Equação de Hagen- Poiseuille(válida para regime Laminar)..............129<br />
8.2.1.5-Fórmula Universal da Perda de Carga Distribuída..............................128<br />
8.2.1.6-Fórmulação explícita para o Cálculo do Fator de Atrito (f) de<br />
Escoamento Forçado.....................................................................131<br />
8.2.1.7-Equações de Swamee e Jain.....................................................................133<br />
8.2.1.8-Problemas envolvendo apenas perdas de carga distribuída..................134<br />
8.2.1.9-Exercícios sobre Perdas de Carga Distribuída Calculada pela<br />
Fórmula Universal de Perda de Carga..........................................134<br />
8.3-Perdas de Cargas Localizadas ou singulares......................................................................138<br />
8.3.1-Relação entre o comprimento equivalente Leq e o coeficiente Ks...................140<br />
Tabela I - Comprimentos equivalentes em diâmetros de canalizações retilíneas..140<br />
Tabela II - Valores aproximados de Ks......................................................................140<br />
Tabela III - Comprimento Equivalente em Metros de canalizações para<br />
Conexões de Ferro Maleável Classe 10.................................................................141<br />
Tabela IV - Comprimento Equivalente em Metros de canalizações de Aços<br />
Galvanizados para Válvulas , Entradas e Saídas de Canalizações.........142<br />
Tabela V- Comprimento Equivalente em Metros de canalizações de<br />
PVC Rígido ou Cobre..................................................................................143<br />
8.4 - Sistema Elevatório..............................................................................................................144<br />
8.4.1 - Altura Manometrica –Hm..................................................................................144<br />
8.4.2 - Potência Necessária para o Acionamento da Bomba.......................................145<br />
Tabela VI - Margem de Segurança para Escolha do Motor.................................................145<br />
8.4.3-Cavitação................................................................................................................145<br />
8.4.3.1-Pressão de vapor para a água em metro.................................................146<br />
8.4.3.2-Pressão atmosférica em função da altitude............................................146<br />
8.4.4-Curvas Características de uma Bomba...............................................................146<br />
8.4.4.1- Variações das curvas características......................................................147<br />
8.4.5-Curva do Sistema . Ponto de Operação..............................................................149<br />
8.4.5.1-Curva do Sistema.....................................................................................149<br />
8.4.5.2-Ponto de Operação....................................................................................149<br />
8.5-Fórmulas Práticas para Cálculo de Perda de Carga em Tubulações...............................150
5<br />
8.5.1-Fórmula de Hazen-Willians.................................................................................150<br />
Tabela VII– Valores de C da Fórmula de Hazen-Willians......................................150<br />
8.5.2-Fórmulas de Fair-Whipple-Hsiao e de Flamant......................................................151<br />
8.5.2.1-Fair-Whipple-Hsiao.......................................................................................151<br />
8.5.2.2-Flamant...........................................................................................................151<br />
8.6-Emprego de Nomogramas.........................................................................................................152<br />
8.7-Exercícios 8- Estudo da Perda de Carga. Sistema Elevatório...............................................160<br />
8.8-Respostas dos exercícios do capitulo 8.....................................................................................164<br />
Capítulo 9-Simulação Hidráulica Utilizando o Epanet2.0...............................................................................165<br />
9.1-Configurar Projeto.......................................................................................................165<br />
9.2-Traçado Da Rede..........................................................................................................165<br />
9.3-Configurar as Propriedades dos Objetos...................................................................167<br />
9.4-Guardar e Abrir Projetos............................................................................................167<br />
9.5-Executar uma Simulação Estática...............................................................................167<br />
9.6-Executar uma Simulação Dinâmica..........................................................................168<br />
9.7-Criar Gráfico de uma Série Temporal de Nó ou Trecho.........................................168<br />
9.8-Inserir uma Bomba.......................................................................................................168<br />
Bibliografia.................................................................................................................................170<br />
Anexo de Tabelas......................................................................................................................171<br />
Tabela 1A – Propriedades Aproximadas de Alguns Gases...................................................172<br />
Tabela 1B – Algumas Propriedades do Ar à Pressão Atmosférica......................................173<br />
Tabela 1C – Propriedades Mecânicas da Água à Pressão Atmosférica...............................174<br />
Tabela 2 – Densidade e Viscosidade Cinemática de Alguns Líquidos.................................175<br />
Tabela 3 – De Conversão de Unidades de Pressão.................................................................176<br />
APENDICE A.................................................................................................................................................177<br />
Análise Dimensional e Semelhança.........................................................................................177<br />
A.1-Análise Dimensional.........................................................................................................177<br />
A.1.1-Introdução................................................................................................................177<br />
A.1.2-Finalidades...............................................................................................................177<br />
A.1.3-Grandezas Fundamentais e Derivadas..................................................................177<br />
A.1.4- Equação Dimensional.............................................................................................177<br />
A.1.5- Principio de Homogeneidade................................................................................177<br />
A.1.6-Teorema de Buckinghan ou Teorema dos πs.......................................................178<br />
A.1.7- Principais Grandezas Físicas.................................................................................180<br />
A.1.8- Parâmetros adimensionais de transporte do momento linear............................181<br />
A.1.9- Parâmetros adimensionais de transporte de calor..............................................184<br />
A.1.10- Parâmetros adimensionais de transporte de massa..........................................186<br />
A.1.11- Vantagem da Utilização dos Adimensionais......................................................187<br />
A.2-Semelhança.........................................................................................................................189<br />
A.2.1-Finalidades...............................................................................................................189<br />
A.2.2-Protótipo e Modelo..................................................................................................189<br />
A.2.3-Condições de Semelhança.......................................................................................189<br />
A.2.4-Escalas de Semelhança............................................................................................190<br />
A.2.5-Relações entre Escalas............................................................................................190
6<br />
CAPITULO 1 - PROPRIEDADES DOS FLUIDOS E DEFINIÇÕES.<br />
1.1-Definições de Fluidos.<br />
Fluidos são substâncias, capazes de escoar, cujo volume toma a forma de seus recipientes.<br />
Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de<br />
cisalhamento, não importando o quanto pequena possa ser essa tensão.<br />
1.2-Tensões de Cisalhamento e Normal.<br />
Uma forca de cisalhamento é a componente tangencial da forca que age sobre uma superfície, que<br />
dividida pela área da superfície da origem a tensão de cisalhamento média sobre a área .A tensão normal<br />
média é a relação entre a componente normal da força que age sobre uma superfície e a área desta<br />
superfície.<br />
F<br />
Fn<br />
A<br />
dA<br />
Ft<br />
TENSÃO DE CISALHAMENTO τ<br />
a)Tensão de cisalhamento média<br />
Ft<br />
τ = --------<br />
A<br />
b)Tensão de cisalhamento no ponto<br />
dFt<br />
τ = -------dA<br />
TENSÃO NORMAL σ<br />
a)Tensão de normal média<br />
Fn<br />
σ = -------<br />
A<br />
b)Tensão normal no ponto
dFn<br />
σ = ------dA<br />
Unidades de Tensões<br />
7<br />
M Kf S ..........kgf/m 2<br />
M K S ...........N/m 2<br />
C G S ...........dina/cm 2 .<br />
Se colocarmos um fluido entre duas placas paralelas bem próximas e bem grandes, sendo a placa<br />
inferior fixa, e aplicarmos uma força tangencial F na placa superior, esta se movimentará com velocidade<br />
constante Vo, independente da magnitude da força F e o fluido , se deformará continuamente. Este fato<br />
ocorre apenas quando colocamos fluido entre as placas. A figura 1.1 mostra este fato.<br />
Placa móvel<br />
a c a a’ Vo c c’ F<br />
FLUIDO τ FLUIDO τ<br />
µ µ<br />
b d b d<br />
Placa fixa<br />
Vo<br />
a a’ a” c c’ c”<br />
F<br />
τ FLUIDO τ<br />
µ τ<br />
b d<br />
Figura 1.1- Comportamento de um fluido quando sujeito a força tangencial<br />
Assim, um sólido sujeito a uma força tangencial terá deslocamento angular definido ou se romperá<br />
dependendo da magnitude da força, como mostra a figura 1.2.<br />
∆α Deformação angular<br />
definido ou se romperá F<br />
SÓLIDO SÓLIDO<br />
Figura 1.2 – Deformação angular definido ∆α de um sólido quando sujeito a uma força tangencial.
8<br />
Uma substância plástica não pode preencher a definição de fluido porque a mesma tem uma tensão<br />
de cisalhamento inicial que deve ser superada para depois se ter uma deformação contínua. Uma<br />
substancia elástica colocada entre as duas placas sofreria uma certa deformação proporcional a força , mas<br />
não continuamente em velocidade finita. Vácuo completo entre as placas não acarretaria velocidade final<br />
constante, mas sim uma velocidade sempre crescente. Colocando areia entre as duas placas, o atrito seco<br />
iria requerer uma força finita para causar um movimento contínuo, assim a areia não satisfaz a definição<br />
de fluido.<br />
1.3-Principio da Aderência<br />
"OS PONTOS DE UM FLUIDO EM CONTATO COM UMA SUPERFÍCIE SÓLIDA TEM<br />
A VELOCIDADE DESTA"<br />
De acordo com o princípio da aderência a velocidade entre as placas variará de zero na placa<br />
inferior(fixa) até o valor Vo na placa superior. A figura 1.3 mostra o perfil de velocidades que se forma<br />
no interior do fluido.<br />
Vo τ<br />
F<br />
a)MKfS<br />
FLUIDO PERFIL DE VELOCIDADES<br />
τ µ<br />
V=0<br />
τ Tensão de cisalhamento devido a força tangencial F.<br />
Figura 1.3- Perfil de velocidades formado no interior do fluido.<br />
1.4-Sistemas de Unidades<br />
GRANDEZAS DIMENSÃO UNIDADES<br />
Comprimento L Metro(m)<br />
Tempo T Segundo(s)<br />
Força F Quilogramaforça(kgf)<br />
OBS: A unidade de massa neste sistema(derivada) é a Unidade Técnica de Massa(Utm)<br />
Da 2 a Lei de Newton F = mxa m = F/a = Kgf/m/s 2 (Utm)<br />
b)MKS(SI)<br />
GRANDEZAS DIMENSÃO UNIDADES<br />
Comprimento L Metro(m)<br />
Tempo T Segundo(s)<br />
Massa M Quilograma(kg)<br />
OBS: A unidade de força neste sistema(derivada) é o Newton(N)<br />
Da 2 a Lei de Newton F = mxa F = kgxm/s 2 (Newton)
UNIDADES NO SI<br />
9<br />
GRANDEZAS UNIDADE SÍMBOLO<br />
Unidades básicas Comprimento Metro m<br />
Massa Quilograma Kg<br />
Tempo Segundo s<br />
Temperatura Kelvin K<br />
Unidade suplementar Ângulo Radiano rd<br />
Energia Joule(N.m) J<br />
Força Newton(kg.m.s -2 ) N<br />
Potência Wat(J/s) W<br />
Pressão Pascal(N/m 2 Unidades derivadas<br />
) Pa<br />
Trabalho Joule(N.m) J<br />
c)CGS<br />
PREFIXOS (Potência de dez) DE SI<br />
Prefixo Símbolo Potência de dez<br />
Tera T 10 12<br />
Giga G 10 9<br />
Mega M 10 6<br />
Quilo K 10 3<br />
Hecto H 10 2<br />
Deca Da 10 1<br />
Deci D 10 -1<br />
Centi C 10 -2<br />
Mili M 10 -3<br />
Micro µ 10 -6<br />
Nano N 10 -9<br />
Pico P 10 -12<br />
GRANDEZAS DIMENSÃO UNIDADES<br />
Comprimento L Centímetro<br />
Tempo T Segundo<br />
Massa M Grama<br />
OBS: A unidade de força neste sistema(derivada) é o dina(dyn)<br />
Da 2 a Lei de Newton F = mxa F = gxcm/s 2 (dina)<br />
1.5-Peso Especifico γ(gama).<br />
É o peso da unidade de volume de uma substância . Pode ser expresso pela relação do peso de uma<br />
quantidade de uma substância pelo seu volume.<br />
Peso<br />
γ = ----------- , ou se W = peso da substância e V = volume da substância<br />
Volume
W<br />
γ = -----------<br />
V<br />
10<br />
Unidades: M Kf S ...........kgf/m 3<br />
M K S ............N/m 3<br />
C G S ............dina/cm 3<br />
1.6-Massa Especifica e Volume Específico.<br />
1.6.1 – Massa Específica ρ(Rho)<br />
É a quantidade de massa contida na unidade de volume de uma substância qualquer , também<br />
conhecida por “densidade absoluta”. Pode ser expressa pela relação da massa(m) de uma substância pelo<br />
seu volume(V).<br />
Logo:<br />
Massa m γ<br />
ρ = ----------- ou ρ = --------- ou ρ = -----volume<br />
V g<br />
Unidades: M Kf S ..............Utm/m 3<br />
M K S................Kg/m 3<br />
C G S................grama/cm 3<br />
1.6.2 – Volume Específico (vs)<br />
É o inverso da massa específica ρ, isto é, é o volume ocupado pela unidade de massa de fluido.<br />
1 V<br />
vs = ----------- = -----------ρ<br />
m<br />
Unidades: M Kf S ..............m 3 /Utm<br />
M K S................m 3 /kg<br />
C G S................cm 3 /grama<br />
1.7- Densidade de uma Substância(d)<br />
É a relação entre o peso de uma quantidade de substância e o peso de igual volume de água nas<br />
condições normais . Pode ser expressa também como sendo a relação entre a massa específica ou peso<br />
específico de uma substância com os da água .Assim:<br />
Peso da substância<br />
d = ---------------------------------------<br />
Peso de igual volume de água<br />
Peso específico da substância γ<br />
d = -------------------------------------- ou d = ------------<br />
Peso específico de água γH2O
Massa específica da substância ρ<br />
d = ----------------------------------------- ou d = -------------<br />
Massa específica de água ρH2O<br />
1.8 Pressão de Vapor<br />
11<br />
É a pressão desenvolvida pelas moléculas de vapor em decorrência da evaporação em ambiente<br />
fechado. A pressão de vapor dos líquidos depende da temperatura e aumenta com ela.<br />
Em diversas situações , de escoamento de líquidos , as pressões podem atingir valores bastantes<br />
baixos, em certas regiões , até menores que a pressão de vapor do líquido. Quando isto ocorrer o líquido<br />
pode-se evaporar muito rapidamente , formando uma bolsa de vapor ou “cavidade” , que se expande<br />
rapidamente , e pode se deslocar para região de maior pressão que a da pressão de vapor ,ocorrendo o<br />
colapso da bolsa. Este é o fenômeno da cavitação . A formação e a extinção das bolhas afeta o<br />
desempenho das bombas e turbinas hidráulicas, e pode danificar as partes das máquinas onde ocorrer a<br />
cavitação. A tabela 1C do anexo dá os valores da pressão de vapor da água.<br />
1.9 -Tensão Superficial<br />
Uma molécula no interior de um líquido está submetida a força de atração em todas as direções,<br />
cuja soma vetorial destas forças é nula. Mas uma molécula na superfície de um líquido é atraído para o<br />
interior do mesmo, por uma força perpendicular à superfície do líquido, em razão disso, as moléculas da<br />
superfície tendem a se aglutinar, produzindo uma diminuição da área, deste modo, a superfície se<br />
comporta como fosse uma membrana; surge daí o conceito de tensão superficial. Logo é necessário uma<br />
certa quantidade de trabalho para deslocar moléculas para a superfície . Ao trabalho necessário para<br />
deslocar estas moléculas para a superfície representa o que se denomina tensão superficial.<br />
Devido a tensão superficial numa interface de um líquido com um gás forma uma película<br />
elástica, capaz de sustentar uma agulha cuidadosamente colocada sobre ela.<br />
A tensão superficial normalmente simbolizada por σs(sigma) pode ser definida como sendo a<br />
força sobre a superfície líquida , por unidade de comprimento. Assim, se F for a força e L um<br />
comprimento de membrana, pode-se escrever que:<br />
σs = F/L<br />
A tabela 1C do anexo fornece a tensão superficial da água em contato com o ar.<br />
1.10 - Capilaridade<br />
A elevação ou descida de um líquido em um tubo capilar( ou outro meio poroso)é causada pela<br />
tensão superficial, e depende dos valores da coesão do líquido e da adesão do líquido às paredes do tubo<br />
que o contém. Se a adesão> coesão os líquidos sobem nos tubos molhando a paredes e se coesão><br />
adesão os líquidos descem, não molhando as paredes. A capilaridade tem importância quando usam tubos<br />
com diâmetros menores de 10mm e é desprezível quando os diâmetros dos tubos forem maior que 12mm.<br />
A capilaridade(subida ou descida de um líquido) em tubo pode ser determinada aproximadamente<br />
pela expressão:<br />
2σs cosθ<br />
h = ------------ , onde : - h = altura de subida ou descida capilar;<br />
γ.r - σs = tensão superficial;<br />
-θ = ângulo da superfície do líquido com a parede do tubo. Se<br />
tubo estiver limpo θ=0° para água e cerca de 140° para<br />
mercúrio;
12<br />
-γ = peso específico do líquido;<br />
-r = raio interno do tubo<br />
r r<br />
σs σs<br />
θ<br />
h<br />
h<br />
Água Mercúrio<br />
θ<br />
(a) (b)<br />
σs σs<br />
Figura 1.4- Capilaridade da água (a) e do mercúrio (b).<br />
1.11-Lei de Viscosidade de Newton.<br />
Os fluidos se classificam em newtonianos e não newtonianos:<br />
FLUIDOS NEWTONIANOS: nestes fluidos a tensão de cisalhamento(τ) é proporcional a razão de<br />
variação da velocidade na direção normal ao escoamento(gradiente de velocidade).Todos os gases e a<br />
maioria dos líquidos se comportam como fluidos Newtonianos. A figura 1.5 mostra o comportamento de<br />
um fluido newtoniano. Para estes fluidos:<br />
dV<br />
τ α --------dy<br />
y(normal)<br />
τ Vo τ<br />
V dV<br />
L dy V FLUIDO<br />
y µ<br />
V=0<br />
Figura 1.5- Comportamento de um fluido newtoniano.<br />
Foi o próprio Newton quem observou que o fator de proporcionalidade existente entre a tensão τ e<br />
o gradiente de velocidade(dv/dy) é a propriedade do fluido denominada viscosidade dinâmica ou absoluta<br />
µ .Logo:<br />
dV<br />
τ = µ -----dy<br />
F
13<br />
FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS : nestes fluidos não existe uma relação linear entre o valor da<br />
tensão de cisalhamento e a velocidade de deformação(gradiente de velocidade).<br />
1.12-Diagrama Reológico.<br />
Os fluidos são classificados em newtonianos e não-newtonianos. No fluido newtoniano existe uma<br />
relação linear entre o valor a tensão de cisalhamento e a velocidade de deformação resultante. No fluido<br />
não-newtoniano esta relação não é linear.A figura dada a seguir mostra o comportamento de algumas<br />
substancias quando sujeitas a tensão de cisalhamento.<br />
dv/dy 1 2 3 4<br />
Fluido ideal<br />
1 - Fluido newtoniano<br />
2 – Fluido não newtoniano<br />
3 – Plástico ideal<br />
4 – Substância pseudoplástica(<br />
tinta de impressão)<br />
dv/dy –Velocidade de deformação<br />
Tensão de Tensão de Cisalhamento (τ)<br />
Escoamento<br />
1.13-Viscosidade de um Fluido.<br />
1.13.1-Viscosidade Dinâmica µ<br />
É a propriedade do fluido que determina o grau de sua resistência a força de cisalhamento. Pode-se<br />
também ser definida como a resistência do fluido ao esforço cortante ou de cisalhamento. Esta resistência<br />
é decorrente basicamente da interação entre as moléculas do fluido.<br />
Dimensão de µ. .<br />
Da Lei de viscosidade de Newton vem:<br />
τ<br />
µ. = --------dV/dy<br />
[τ ] = [F L -2 ] ; [ V ] = [L T -1 ] ; [ y ] = [ L ]
[F L -2 ]<br />
[µ ] = ------------ ---- = [F L- 2 T ] ==> [µ ] = [ F L- 2 T ].<br />
[L T- 1 .L- 1 ]<br />
Unidades:<br />
M Kf S ............Kgfs/m 2<br />
M K S .............Nxs/m 2<br />
C G S..............dinaxs/cm 2 =1 poise<br />
centipoise = poise/100<br />
1.13.2-Viscosidade Cinemática ν<br />
É a razão entre a viscosidade dinâmica µ e a massa especifica ρ.<br />
µ<br />
ν = --------ρ<br />
Dimensão de ν :<br />
[ µ ] [ F L- 2 T ]<br />
[ν ] = --------- = ----------------- ===> [ν ] = [ L 2 T -1 ]<br />
[ ρ ] [ F L -4 T 2 ]<br />
14<br />
Unidades: M Kf S ..................m 2 /s<br />
M K S....................m 2 /s<br />
C G S.....................cm 2 /s(stoke)<br />
As viscosidades dos líquidos decrescem com o aumento da temperatura, mas não sofrem variações<br />
sensíveis com as variações de pressão. A viscosidade absoluta dos gases aumenta com a temperatura ,<br />
mas não sofre alterações sensíveis com as variações de pressão. Já a viscosidade cinemática dos gases<br />
varia inversamente com a pressão, pois a massa específica dos gases varia com a pressão mantendo-se a<br />
temperatura constante. As tabelas 1A, 1B, 1C e 2 do anexo fornecem as viscosidades dinâmicas e<br />
cinemáticas de alguns fluidos.<br />
1.14-Gás Perfeito<br />
O gás perfeito é definido como uma substância que satisfaz a Lei dos Gases Perfeitos, cuja<br />
equação é : m<br />
P.V = n ℜ T , sendo n = ------- vem:<br />
M<br />
m P.V ℜ<br />
P.V = ------- ℜ T ===> -------- = -------- T<br />
M m M<br />
ℜ 1 V<br />
sendo : R = ------- e ------ = ------<br />
M ρ m
P<br />
Logo: ------ = R.T ; onde:<br />
ρ<br />
15<br />
P - pressão absoluta do gás;<br />
V - volume do gás;<br />
n - numero de moles do gás;<br />
ℜ - constante universal dos gases;<br />
T - temperatura absoluta do gás;<br />
R - constante característica de cada gás;<br />
m - massa do gás;<br />
M - peso molecular do gás;<br />
ρ - massa especifica do gás.<br />
O gás perfeito não é um fluido perfeito ; um fluido perfeito não tem viscosidade e é<br />
incompressível , já o gás perfeito tem viscosidade e pode sofrer tensões de cisalhamento e é compressível<br />
,e segue a lei dos gases perfeitos. A tabela 1A do anexo fornece os valores de R(constante característica)<br />
de alguns gases.<br />
Transformações:<br />
a)Isobáricas(a pressão constante)<br />
P1.V1 P2.V2 V 1<br />
---------- = ----------- , como v = ------- = ------<br />
T1 T2 m ρ<br />
Logo: P P P P<br />
-------- = --------- = --------- = ... =-------= cte<br />
ρ1.T1 ρ2.T2 ρ3.T3 ρT<br />
ρ1.T1 = ρ2.T2 = ρ3.T3 =........= ρT = cte. ou<br />
P . V1 P . V2 P .V3 P. V<br />
---------- = ------------ = ------------ = .... = ---------- = cte<br />
T1 T2 T3 T<br />
V1 V2 V3 V<br />
---------- = ------------ = ------------ = .... = ---------- = cte<br />
T1 T2 T3 T<br />
b)Isovolumétrica(a volume constante ou ρ =cte)<br />
P1 P2 P3 P<br />
-------- = ------- = --------= .....= -------- =cte , ou<br />
T1.ρ T2.ρ T3.ρ T.ρ
16<br />
P1 P2 P3 P<br />
----- = ------ = ------- =.... = ------ = cte<br />
T1 T2 T3 T<br />
c)Isotérmica(a temperatura constante)<br />
P1 P2 P3 P<br />
--------- = ------- = ------- =....= -------- = cte<br />
ρ1.T ρ2.T ρ3.T ρ .T<br />
P1 P2 P3 P<br />
------ = ------ = -------=.....=------ = cte ou<br />
ρ1 ρ2 ρ3 ρ<br />
P1 . V1 P2 . V2 P3 .V3 P. V<br />
---------- = ------------ = ------------ = .... = ---------- = cte<br />
T T T T<br />
P1.V1 = P2.V2 = P3.V3 = .....= P. V =cte<br />
d)Adiabática (sem trocas de calor)<br />
P1.v1 k = P2.v2 k = P3.v3 k =.....=Pn.vn k = cte.<br />
1 1 1 1<br />
Como v1 = ------ ; v2=----- ; v3 = ------ ;v = ---ρ1<br />
ρ2 ρ3 ρ<br />
P1 P2 P3 P<br />
logo: ------- = -------- =--------- =... =------- =cte , onde:<br />
ρ1 k ρ2 k ρ3 k ρ k<br />
K = Cp/Cv=cte = é a relação entre o calor especifico a pressão constante e o calor especifico a<br />
volume constante. Para o ar o K=1,4.<br />
1.15-Modulo de Elasticidade Volumétrica E.<br />
O módulo de elasticidade volumétrica (E) expressa a compressibilidade de um fluido. Pode ser<br />
definida pela relação da variação da pressão unitária para a correspondente variação de volume por<br />
unidade de volume. A figura 1.6 mostra o comportamento de um fluido quando submetido a uma<br />
compressão.<br />
dp dp ∆p<br />
E = - --------- = ------------ = ------------dV/Vi<br />
dρ/ρi ∆ V/Vi<br />
Na figura 1.6 um recipiente indeformável de volume Vi, contém um líquido que foi submetido a<br />
uma compressão dp e sofre uma redução de volume dV.
17<br />
∆F dp<br />
dV<br />
Vi Líquido A<br />
Recipiente indeformável<br />
Figura 1.6- Comportamento de um líquido sujeito a uma compressão<br />
Unidades : M Kf S ..........kgf/m 2<br />
M K S.............N/m 2<br />
C G S............ dina/cm 2<br />
A tabela 1C do anexo fornece os valores do módulo de elasticidade volumétrico(E) da água para<br />
diversas temperaturas.<br />
1.16-Simplificação na Lei de Viscosidade de Newton.<br />
Quando o espaço L entre as duas placas for pequeno será admitido que o perfil de velocidades que<br />
forma no interior do fluido seja linear (AC será considerado uma reta) conforme mostra a figura 1.7.<br />
y(normal)<br />
Vo F<br />
B V E dV C dV<br />
F E F<br />
L dy V<br />
D FLUIDO dy<br />
y µ D<br />
A V=0<br />
Figura 1.7- Comportamento do fluido quando se considera perfil linear de velocidades.<br />
Da figura acima, tem-se que os triângulos ABC e DEF são semelhantes, logo:<br />
dy dV dV Vo<br />
------ = ------- ===> -------- = ------<br />
L Vo dy L<br />
dV Vo<br />
τ = µ ------- e para L pequeno ===> τ = µ -----dy<br />
L<br />
Exemplos:<br />
1-Transformar:<br />
a) 1N em dinas b)10Kgf em N c)100m 2 /s em cm 2 /s d)1000kg/m 3 em g/m 3
18<br />
e)10.000kgf/m 2 em kgf/cm 2 f) 10m 2 /s em cm 2 /s g)10kgf/m 2 em N/m 2<br />
h)100dinas/cm 2 em Ns/m 2<br />
Solução:<br />
m<br />
a) 1N = Kg ------- = 1000g x 100xcm/s 2 1N = 10 5 gcm/s 2 1N = 10 5 dinas<br />
s 2<br />
1Kg = 1000g ; 1m = 100cm<br />
1gcm/s 2 = 1dina<br />
b) 10kgf = 9,81x10 10 kgf = 98,1 N<br />
1 kgf = 9,81 N<br />
c) 100m 2 /s em cm 2 /s<br />
1m 2 = 100cmx100cm = 10 4 cm 2 100m 2 /s = 100x10 4 cm 2 /s =10 6 cm 2 /s<br />
d)1000Kg/m 3 em g/cm 3<br />
1 kg = 1000g<br />
1m 3 = 100cmx100cmx100cm =10 6 cm 3<br />
1000x1000g<br />
1000kg/m 3 = -------------- = 1g/cm 3<br />
10 6 cm 3<br />
e)10.000kgf/m 2 em kgf/cm 2<br />
1m 2 = 100cmx100cm = 10 4 cm 2<br />
10.000kgf/m 2 = 10.000kgf/10 4 cm 2 = 1kgf/cm 2<br />
f) 10m 2 /s em cm 2 /s<br />
1m 2 = 100cmx100cm = 10 4 cm 2<br />
10m 2 /s = 10x10 4 cm 2 /s = 10 5 cm 2 /s<br />
g)10kgf/m 2 em N/m 2<br />
1 kgf= 9,81N<br />
10kgf/m 2 = 10x9,81N/m 2 = 98,1N/m 2 = 98,1Pa(pascal)<br />
h)100dinas/cm 2 em Ns/m 2<br />
1N = 10 5 dinas 1dina = 10 -5 N<br />
1m 2 = 100cmx100cm = 10 4 cm 2 1cm 2 = 10 -4 m 2
19<br />
100dina.s/cm 2 = 100x10 -5 N.s/10 -4 m 2 =10N.s/m 2 =10Pas<br />
2)Calcular o peso específico γ , o volume específico vs e a massa específica ρ , do nitrogênio a<br />
20°C e 800.000Pa(absoluta)<br />
Da tabela 1A do Anexo , tem-se : RN2= 30,3m/K<br />
P<br />
Lei dos gases : ------- = R T em que a unidade de R é em m 2 /s 2 .K ou<br />
ρ<br />
P<br />
--------- = R T em que a unidade de R é em m/K<br />
γ<br />
P 800.000<br />
Da 2 a expressão vem : γ = -------- = -------------------- γ =90,11N/m 3<br />
RT 30,3x(273+20)<br />
γ 90,11<br />
ρ = -------- = ---------- ρ = 9,18 kg/m 3<br />
g 9,81<br />
1 1<br />
vs = -------- = --------- vs = 0.1089 m 3 /kg<br />
ρ 9,18<br />
3)Determinar a variação em volume de 0,030m 3 de água a 30°C quando sujeito a um acréscimo<br />
de pressão de 2100Kpa .<br />
Da Tabela 1C do anexo E = 2,25Gpa E = 2,25x10 6 Kpa<br />
Da definição de módulo de elasticidade volumétrica tem-se:<br />
dp Vixdp 0,030x 2100<br />
E = - -------- dv = ---------- dv = ----------------- dv = 0,000028m 3<br />
dv/Vi E 2,25x10 6<br />
4)Uma superfície plana bem grande é lubrificada com um óleo cuja viscosidade é de µ<br />
=0,01Ns/m 2 . Pretende-se arrastar sobre a superfície lubrificada uma placa plana de 1m x10m a velocidade<br />
1m/s. Pede-se para determinar a força a ser aplicada.<br />
y placa de10mx1m<br />
e=2mm Vo =1m/s<br />
F<br />
τ τ τ<br />
Da lei de viscosidade de Newton simplificada(perfil de velocidades linear) vem:
20<br />
Vo 1,0<br />
τ = µ ------ F = τ x A = 0,01x---------- x10x1,0 F = 50N<br />
e 0,002m<br />
1.17-Unidades e Fatores de Conversão<br />
SISTEMA INTERNACIONAL(SI)<br />
GRANDEZAS SÍMBOLO UNIDADES DIMENSÃO<br />
Comprimento c Metro(m) L<br />
Tempo t Segundo(s) T<br />
Massa m Quilograma(kg) M<br />
Área A m 2<br />
Volume Vol m 3<br />
Vazão Q m 3 /s L 3 T -1<br />
Velocidade V m/s L T –1<br />
Aceleração a m/s 2<br />
Freqüência f s -1<br />
L 2<br />
L 3<br />
L T -2<br />
Força F N(kgxm/s 2 ) M L T -2<br />
Trabalho τ Nxm= 1 Joule(J) M L 2 T -2<br />
Potência N Nxm/s= 1 Watt(W) M L 2 T -2<br />
Pressão P N/m 2 (Pascal=Pa) M L -1 T -2<br />
Tensão σ , τ N/m 2 (Pascal=Pa) M L -1 T -2<br />
Viscosidade<br />
dinâmica µ Nxs/m 2<br />
T -1<br />
M L -1 T -1<br />
Viscosidade<br />
cinemática ν m 2 /s L 2 T -1
21<br />
1.18-Fatores de Conversão de Unidades<br />
1 pe 3 (ft 3 ) = 7,48U.S. gallons = 28,32 litros<br />
1 U.S. gallons = 8,338 litros de água a 60° F<br />
1 pé cúbico por segundo(cfs) = 0,646 milhões de galões por dia(mgpd)<br />
1 pé cúbico por segundo(cfs) = 448,8 galões por minutos<br />
1 pé quadrado por segundo(ft 2 / sec) (ν)= 0,0929 m 2 /s<br />
1 libra- segundo por pé quadrado(lb-sec/ft 2 ) (µ ) = 478,7 poises<br />
1 horsepower(hp)= 550 libras-pé/segundo(lb-ft/sec) = 0,746 quilowatt<br />
1KN = 1000N<br />
1 KN/m 2 = 1 KPa = 1000 Pa ; 1Psi = 1 l bf/in2 = 6894,7572931Pa ; Patm = 14,7 Psi<br />
Patm =101,35 KPa<br />
1 Joule = 1Nxm(J)<br />
1 Watt = 1 J/s (Nxm/s)<br />
1 caloria = 4,19 Joule<br />
1 Kcaloria = 1000 calorias<br />
1 UTM = 9,81 kg<br />
1 kgf = 9,81N.
22<br />
1.19-Fatores de Conversão do Sistema Britanico ao Sistema Internacional<br />
Grandezas Sistema Britânico para SI Do sistema SI para o<br />
Britânico<br />
Comprimento 1in(polegada)=0,0254m<br />
1ft(pé) = 0,3048m<br />
1m = 39,37in<br />
1m = 3,281ft<br />
Massa 1 slug = 14,59 kg 1kg = 0,06854 slug<br />
Força 1 lb = 4,448 N 1N = 0,2248 Lb<br />
Tempo 1 sec = 1s 1s = 1 sec<br />
Peso específico 1 lb/ft 3 = 1 157,1 N/m 2<br />
Massa específica 1 slug/ft 3 = 515,2 kg/m 3<br />
Densidade Adimensional e tem o<br />
mesmo valor<br />
Viscos. Dinâmica 1 lb-sec/ft 2 = 47,88Nxs/m 2<br />
1 N/m 2 = 0,006366 lb/ft 3<br />
1 kg/m 3 = 0,001941 slug/ft 3<br />
Adimensional e tem o<br />
mesmo valor<br />
1 Nxs/m 2 =0,02089lb-sec/ft 2<br />
Viscos. Cinemática 1 ft 2 /sec = 0,09290 m 2 /s 1m 2 /s = 10,76 ft 2 /sec<br />
Pressão 1 lb/ft 2 = 47,88Pa<br />
1 lb/pol 2 = 6,895kPa<br />
1 Pa = 0,02089 lb/ft 2<br />
1 Kpa = 0,1450 Lb/pol 2<br />
Tensão Superficial 1 lb/ft = 14,59 N/m 1 N/m = 0,06853 lb/ft
23<br />
1.20-EXERCÍCIOS - CAPÍTULO 1<br />
1)Se a água tem módulo de compressibilidade volumétrica E= 21.000kgf/cm 2 , qual o acréscimo de<br />
pressão requerido para reduzir seu volume de 0,5%?<br />
2)Qual o valor do volume específico em m 3 /kg de uma substância cuja densidade vale 0,8?<br />
3)Determinar o peso específico do ar à pressão atmosférica normal 1,033kgf/cm 2 e a temperatura de 27<br />
°C . Dado constante do ar = 29,4m/K .<br />
4)A massa específica da água a 20°C e a pressão atmosférica vale 1000kg/m 3 .Calcular o valor da massa<br />
específica de um volume de água que sofreu um acréscimo de pressão de<br />
1000kgf/cm 2 , mantendo-se a temperatura . Dado : E= 21.000kgf/cm 2 .<br />
5)Determinar o valor da constante R, em m/K, para o ar atmosférico, supondo que esta seja composto de<br />
80% de nitrogênio e 20% de oxigênio .Dados:<br />
-Massa molecular do nitrogênio = 28kg(kgmol)<br />
-Massa molecular do oxigênio = 32kg(kgmol)<br />
-Constante Universal dos gases perfeitos -ℜ =848kgfm/k.<br />
6) Um fluido tem viscosidade igual a 4 centipoises e massa específica de 800kg/m 3 . Determinar sua<br />
viscosidade cinemática em stokes.<br />
7)Qual o módulo de compressibilidade volumétrica de um líquido que tem um aumento de 0,02% na<br />
massa específica para um aumento na pressão de 4800kgf/m 2 ?<br />
8)Um balão sonda de formato esférico foi projetado para ter um diâmetro de 10m a uma altitude de<br />
45.000m. Se a pressão e a temperatura nesta altitude são respectivamente 2000kgf/m 2 (abs) e -60°C,<br />
determinar o volume de hidrogênio a 10.000kgf/m 2 (abs) e 20°C necessário para encher o balão na terra.<br />
9)Um corpo pesa 1962N, tem volume igual a 0,025m 3 , determinar: γ ; ρ e d.<br />
10)A viscosidade cinemática de um fluido é 2,8x10 −2 m 2 /s e a densidade é 0,9.Determinar a viscosidade<br />
dinâmica nos sistemas MKS e CGS. Adotar g= 10m/s 2 .<br />
11)Se a massa específica de um líquido é 835 kg/m 3 , determine seu peso específico e a sua densidade no<br />
sistema MKS.<br />
12)Um volume de 0,056m 3 de ar em pressão atmosférica é comprimido para 0,014m 3 .Em condições<br />
isotérmicas , qual a pressão final? Dado: Patm =10.200kgf/m 2<br />
13)Determine a viscosidade absoluta do mercúrio em Ns/m 2 , supondo uma viscosidade em poises de<br />
0,0158.<br />
14)Uma placa quadrada de 1m de lado e 2 kgf de peso desliza sobre um plano inclinado de 30°, sobre uma<br />
película de óleo de 2mm. A velocidade da placa é 2m/s(cte).Qual é a viscosidade dinâmica?<br />
Vo<br />
1m<br />
30°<br />
15)Um pistão cai dentro de um cilindro com velocidade constante Vo = 10/π m/s. Entre o pistão e o<br />
cilindro existe uma película de óleo de viscosidade cinemática ν = 10 −3 m 2 /s e γ =<br />
900kgf/m 3 .Sendo o diâmetro do pistão igual a 10cm, o diâmetro do cilindro 10,2cm, determinar o peso do<br />
pistão. Adotar g=10m/s 2 .<br />
2mm<br />
óleo
e<br />
24<br />
De=10,2cm<br />
G<br />
Di =10cm<br />
L = 5cm<br />
16)O peso G da figura ao descer gira o eixo que está apoiado em dois mancais cilíndricos de dimensões<br />
conhecidas, com velocidade angular ω. Determinar G, desprezando a rigidez e o atrito da corda, supondo<br />
que o diagrama de velocidade no lubrificante seja linear? Dados :<br />
D =0,02m; De= 0,102m ;Di =0,10m ; ω =20/π rd/s ; µ= 0,008kgfs/m 2 e L=0,10m..<br />
L óleo L óleo<br />
óleo<br />
D=0,02m<br />
De Di Di<br />
ω<br />
G<br />
17)Admitindo o diagrama de velocidade indicada na figura na qual a parábola tem seu vértice a 10cm do<br />
fundo. Calcular o gradiente de velocidade e a tensão de cisalhamento para y=0; y=5cm e y=10cm.Adotar<br />
µ = 400centipoises.<br />
y<br />
Vo=2,5m/s<br />
e=10cm µ<br />
18)Determinar a viscosidade através de um viscosímetro de cilindros coaxiais. São dados: Di= 10cm ;<br />
De= 10,04cm ;n= 90 rpm; h=20cm ; Mt= 0,04kgfm= 3924000dinacm e ω = 3 rd/s.<br />
Mt<br />
µ<br />
Di<br />
e De h<br />
ω<br />
19)Um eixo cilíndrico vertical de diâmetro 10cm gira no interior de um mancal de 10,05cm. A folga entre<br />
o pistão e o mancal é preenchido com óleo de viscosidade dinâmica igual 0,001kgfs/m 2 .Se o mancal tem<br />
25 cm de comprimento e o cilindro gira com uma rotação de 1500rpm, qual será o momento resultante.
25cm<br />
ω<br />
10cm<br />
10,05cm<br />
25<br />
óleo<br />
20)Demonstrar que o conjugado necessário para manter o movimento do cone da figura tem expressão :<br />
M = πµωR 3 /2e R 2 + h 2<br />
R ω<br />
e h<br />
21)Um corpo cônico gira a uma velocidade angular constante ω . Uma película de óleo de viscosidade µ<br />
separa o cone do recipiente que o contém. A espessura da película é e. Qual o momento necessário para<br />
manter o movimento . O cone tem base com R de raio e uma altura h. Utilize a distribuição linear de<br />
velocidade e admitir que o fluido é newtoniano.<br />
ω<br />
h e µ<br />
R e<br />
µ
1.21-RESPOSTAS - CAPÍTULO 1<br />
1-dp = 105 kgf/cm 2 =10.300,5KPa; 2- v = 1,25x10 -3 m 3 /kg ; 3- γ = 1,17kgf/m 3 ;<br />
26<br />
4-1047,62kg/m 3 ou 1050kg/m 3 ; 5-R = 29,4m/K ; 6- ν =5x10 −2 stokes ; 7-2.400kgf/cm 2 ;<br />
8- Vol = 144 m 3 ; 9-γ =78.480N/m 3 ; ρ = 8000kg/m 3 =815,49UTM/m 3 e d = 8 ;<br />
10- µ = 25,2Ns/m 2 e µ =252 dinaxs/cm 2 (poise) ; 11- γ = 8191N/m 3 e d=0,835;<br />
12-P=40.800kgf/m 2 ; 13-µ =0,00158Ns/m 2 ; 14-µ =0,001 kgfs/m 2 15-G = 4,5 kgf ;<br />
16-G = 0,8kgf ; 17-τ(0)= τmáx = 2,0kgf/m 2 ; τ(5cm) =1kgf/m 2 e τ(10cm)=0 ;<br />
18- M = (3/4e)π 2 µ [ De 3 L + Di 4 /8 ] = 0,516dinaxs/cm 2 ; 19-1,23kgfxm ;<br />
21- M = (π/ 2e) µ R 3 ω [ R + R 2 + h 2 ] ;
27<br />
CAPITULO 2 - ESTÁTICA DOS FLUIDOS NO CAMPO GRAVITACIONAL<br />
E MANOMETRIA<br />
2.1-Pressão (p)<br />
Pode ser definida pela relação de uma força F uniformemente distribuída sobre uma superfície de<br />
área A , pela área. Assim:<br />
F<br />
p = --------<br />
A<br />
2.2-Equação Fundamental de Equilibrio Estatico.<br />
Uma partícula de fluido em repouso, sujeita a ação do campo gravitacional terrestre, estará<br />
submetida a forças de duas natureza :forca de massa(gravidade) e força de superfície(pressão).<br />
O equilíbrio dessas duas forças agindo sobre uma partícula de fluido elementar leva a condição<br />
diferencial válida para uma massa fluida qualquer submetida ao campo da gravidade, conhecida como<br />
equação fundamental de equilíbrio estático,conforme mostra a figura 2.1.<br />
Sendo: p - a pressão estática no ponto;<br />
ρ - a massa especifica do fluido no ponto;<br />
g - a aceleração da gravidade no ponto;<br />
z - a cota do ponto, medida a partir de um nível de referencia arbitrário,<br />
Obtém-se as forças de pressão e a força peso conforme a seguir será mostrada.<br />
A força de pressão dF1 é a resultante das forças de pressão que atuam sobre cada uma das faces do<br />
elemento de volume.Tomando-se um elemento de volume com formato de um paralelepípedo retangular ,<br />
as três faces situadas nos planos coordenados corresponde no limite a mesma pressão p., enquanto que nas<br />
outras faces opostas devem ser levados em conta os acréscimos havidos nas direções dos eixos<br />
coordenados, conforme é mostrado na figura abaixo.
28<br />
P<br />
Z P dz dxdy<br />
z +<br />
⎛ ∂ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ∂ ⎠<br />
Pdydz<br />
⎛ ∂P<br />
⎞<br />
dz ⎜ P + dy⎟dxdz<br />
⎝ ∂y<br />
⎠<br />
k dy<br />
Pdxdz i j<br />
dx<br />
P<br />
X P dx dydz<br />
x +<br />
⎛ ∂ ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ∂ ⎠<br />
Figura 2.1<br />
Então a força de pressão dF1 será dada por:<br />
dF1 =[pdzdy - (p + ∂P<br />
dx)dydz] i +<br />
∂x<br />
+ [pdxdz - (p + ∂P<br />
dy)dxdz] j +<br />
∂y<br />
+ [pdxdy - (p + ∂P<br />
dz)dxdy] k ,<br />
∂z<br />
que simplificando tem-se:<br />
dF1 = - ( ∂P<br />
∂x<br />
∂P<br />
i +<br />
∂y<br />
∂P<br />
j +<br />
∂z<br />
k )dx dy dz<br />
Pdxdy<br />
dF2 = ρ g dx dy dz K<br />
A força peso dF2 corresponde ao volume elementar considerado e será dado por :<br />
dF2 = ρg dvol k = dF2 = ρ g dxdydz K<br />
Pela condição de equilíbrio estático vem:<br />
Y
- ( ∂P<br />
∂x<br />
dF1 + dF2 = 0<br />
∂P<br />
i +<br />
∂y<br />
∂P<br />
j +<br />
∂z<br />
29<br />
k )dxdydz - ρg dxdydz k = 0<br />
Dividindo a expressão acima por: dvol=dxdydz fica:<br />
( ∂P<br />
∂x<br />
∂P<br />
i +<br />
∂y<br />
∂P<br />
j +<br />
∂z<br />
k ) + ρ g k = 0<br />
Lembrando que a expressão entre parênteses da equação acima é o gradiente da pressão tem-se<br />
então:<br />
Grad p + ρg k = 0 ou<br />
∇ p + ρg k = 0 ;<br />
que é a chamada equação fundamental de equilíbrio estático para o campo de forças de gravidade, dada<br />
sob a forma de diferencial.<br />
As componentes da equação fundamental de equilíbrio estático nas direções X , Y e Z fornece as<br />
seguintes equações escalares:<br />
∂P<br />
= 0<br />
∂x<br />
∂P<br />
= 0<br />
∂y<br />
∂P<br />
+ ρ g = 0<br />
∂z<br />
ou separando-se as variáveis , finalmente<br />
dp + ρ g dz = 0<br />
pressão constante num plano horizontal.<br />
A integração da equação fundamental do equilíbrio estático dp + ρ gdz = 0 exige o conhecimento<br />
da variação da aceleração da gravidade em função da altitude, e da relação existente entre a pressão e a<br />
massa especifica do fluido que se considere.<br />
De uma maneira geral, nas aplicações práticas a aceleração da gravidade pode ser considerada como<br />
constante.Assim dentro do intervalo de altitudes compreendidas entre a maior profundidade encontrada<br />
nos oceanos(10km aproximadamente abaixo do nível do mar) e as camadas elevadas da<br />
estratosfera(aproximadamente 20km acima do nível do mar) a variação da aceleração da gravidade é<br />
desprezível comparada com as correspondentes variações de pressão, o mesmo da massa especifica do ar<br />
atmosférico ou da água.<br />
A seguir reproduz-se a tabela da variação da aceleração da gravidade em função da latitude e da<br />
altitude adotada como padrão nas normas internacionais.
30<br />
Variação da aceleração da gravidade “g” com a latitude e a altitude média acima do nível médio<br />
do mar.<br />
Latitude Altitude em metros acima do nível médio do mar<br />
0 1000 2000 4000<br />
Graus m/s 2<br />
m/s 2<br />
m/s 2<br />
m/s 2<br />
0 9,78049 9,77740 9,77432 9,76815<br />
10 9,78204 9,77896 9,77587 9,76970<br />
20 9,78652 9,78343 9,78034 9,77417<br />
30 9,79338 9,79029 9,78721 9,78103<br />
40 9,80180 9,79872 9,79563 9,78946<br />
50 9,81079 9,80770 9,80461 9,79844<br />
60 9,81924 9,81615 9,81307 9,80690<br />
70 9,82614 9,82305 9,81997 9,81380<br />
• valor padrão internacional adotado para “g” pela Comissão Internacional de Pesos e Medidas é<br />
9,80665 m/s 2 correspondente aproximadamente à latitude de 45° e ao nível do mar.<br />
2.3-Diferença de Pressão Entre dois Pontos em Função da Diferença de Cota.<br />
a)Para fluidos incompressíveis( ρ =cte)<br />
A massa especifica dos líquidos pode ser considerada como constante na grande maioria dos<br />
fenômenos de equilíbrio estático.Sòmente em aplicações dinâmicas onde tenha interesse a propagação de<br />
perturbações no seio da massa de liquido é que deve sempre ser levada em conta a variação da sua massa<br />
especifica em função da pressão(fenômeno do golpe de aríete).<br />
Para os líquidos e em algumas situações dos gases pode-se admitir massa especifica constante.<br />
Nestes casos a diferença de pressões ∆P entre dois pontos dada em função da diferença de cotas<br />
∆z é ,<br />
∆P = P1 - P2 = ρ g(Z2 - Z1) =∆P= ρg ∆z ou ∆P = γ∆h<br />
b)Para fluidos compressiveis.<br />
Nos fenômenos em que a massa especifica dos fluidos não podem ser considerados constante, para<br />
obter a diferença de pressões entre dois pontos no interior destes fluidos em função da diferença de cotas<br />
z e necessário conhecer como varia ρ = ρ (z), para pode integrar a equação fundamental de equilíbrio<br />
estático, como mostra a figura 2.2.<br />
∫ ∫ − =<br />
2 P2<br />
1<br />
∆Z P1<br />
Z2 Z1<br />
Figura 2.2<br />
( z)<br />
ρ = ρ (z)<br />
2 2<br />
dp gρ<br />
dz = P2 - P1 = - g ( )<br />
1 1<br />
∫ 2<br />
ρ<br />
z<br />
1<br />
dz
31<br />
2.4-Variação da Pressão na Atmosfera Terrestre.<br />
a)Na região da atmosfera onde a temperatura varia linearmente com a altitude.<br />
Na região da atmosfera denominada Troposfera que fica compreendida entre o nível do mar e<br />
aproximadamente 11km acima deste nível a temperatura varia linear com a altitude.<br />
Aplicando-se à atmosfera :<br />
- a Lei dos gases : P<br />
= RT (1)<br />
ρ<br />
-a equação fundamental do equilíbrio estático:<br />
dp = - ρ g dz (2) e<br />
-a Lei da variação da temperatura: T = T1 + K z (3)<br />
é possível estabelecer a expressão que fornece a diferença de pressões entre dois pontos desta<br />
região. Assim:<br />
Da expressão (3) vem,<br />
T - T1 dT<br />
z = -------- == dz = ----- (4)<br />
k K<br />
Substituindo (1) em (2) vem,<br />
p<br />
dp = - g ----- dz (5)<br />
RT<br />
Substituindo (4) em (5) , fica,<br />
Z<br />
Z<br />
Z1<br />
p dT<br />
dP = - g ----- . ----- (6)<br />
RT k<br />
Figura 2.3<br />
A equação (6) pode ser escrita:<br />
T P<br />
T1 P1<br />
T
dp g dT<br />
----- = ------ ----- (equação diferencial de variáveis separadas)(7)<br />
p RK T<br />
Integrando a equação (7) entre o ponto 1 e uma posição genérica vem:<br />
dP g<br />
=−<br />
P RK ∫<br />
P<br />
T<br />
∫P1 T1<br />
dT<br />
T<br />
g<br />
LnP - LnP1 = -------[ LnT - Ln T1 ]<br />
RK<br />
P/P1 =(T/T1)<br />
Finalmente,<br />
32<br />
P T<br />
=Ln P = - g<br />
RK LnT<br />
P1 T1<br />
g<br />
g<br />
−( )<br />
( )<br />
RK RK<br />
=== P/P1= (T1/T)<br />
T1 g/RK<br />
P = P1 ( -----------)<br />
T1 + Kz<br />
b)Na Atmosfera Isotérmica.<br />
A região da atmosfera aproximadamente 11km acima do nível do mar(até cerca de 80 km)<br />
denomina-se Estratosfera. Nesta região a temperatura se mantém constante em torno de -56,5 °C.<br />
Da equação fundamental de equilíbrio estático:<br />
dp = - γ dz = - ρ g dz(1)<br />
e da lei dos gases para temperatura constante :<br />
P P1 P ρ1<br />
------ = ------ = cte = ρ = ------- (2)<br />
ρ ρ1 P1<br />
Z<br />
P<br />
Z P1<br />
Z1<br />
Figura 2.4<br />
1<br />
T=cte<br />
T =cte<br />
T
33<br />
p dp γ1 dz<br />
tem-se: dp = - ----- ρ1 g dz = ------ = - -------- (3)<br />
P1 p P1<br />
Integrando a equação (3) entre o ponto 1 a uma posição genérica vem:<br />
P Z<br />
dp<br />
p P dz<br />
P γ Z<br />
1<br />
∫ =−<br />
P ∫ = Lnp =<br />
1 Z1<br />
1<br />
γ 1<br />
P 1<br />
z<br />
P1 Z1<br />
γ 1<br />
P - -----(z - z1) , finalmente:<br />
----- = e P1<br />
P1<br />
γ 1<br />
- ----- (z - z1)<br />
P = P1 e P1<br />
2.5 –Altura de Carga h<br />
A altura de carga h representa a altura de uma coluna de fluido homogêneo que produz uma dada<br />
intensidade de pressão p. Assim:<br />
p<br />
p = γ h h = --------γ<br />
Para melhor esclarecer este conceito vamos fazer um exemplo. Se a pressão no fundo de um<br />
reservatório contendo água é de 0,80kgf/cm 2 . Pergunta-se , qual a altura de água(carga) no reservatório se<br />
γH20 = 1000 kgf/m 3 ou qual a altura de coluna de água produz a pressão de 0,80kgf/cm 2 .<br />
h<br />
H20 P =0,80kgf/cm 2<br />
Lembrando que 1cm 2 = 10 -4 m 2 , vem:<br />
P = 0,80kgf/cm 2 = 0,80kgf/10 -4 m 2 P = 0,8x10 4 kgf/m 2 P = 8.000kgf/m 2<br />
8.000 kgf/m 2<br />
h = ----------------- h = 8m , logo a altura de carga ou lâmina de água no reservatório é<br />
1000kgf/m 3 de 8m.<br />
Obs: Sempre é possível transformar uma determinada pressão para uma altura de carga de um<br />
determinado fluido(altura de coluna de fluido ) pela expressão h = p/γ . Também é possível transformar<br />
uma altura de carga h de um fluido qualquer para uma pressão através da expressão :<br />
P = γh.<br />
1 o -Exemplo de aplicação- Determinar a pressão do reservatório A. São dados : h1 = 1,00m , h2=<br />
1,20m , γH20 = 1000kgf/m 3 , γHg = 13.600khg/m 3 e Patm = 720mm de Hg.
PA<br />
A<br />
34<br />
h1 h2<br />
H20 Hg<br />
PM PN<br />
PM=PN(pontos com mesma cota de um mesmo fluido em repouso)<br />
PN - Patm=h2. γ Hg PN=h2 . γHg + Patm<br />
PM - PA = γ H2O.h1 PM=PA + h1. γ H2O<br />
PM=PN PA + h1.γ H2O = h2.γ H2O + Patm<br />
PA = h2.γ Hg + Patm - h1.γ H2O.<br />
Numericamente tem-se:<br />
Patm = 720mm de Hg = 0,72mx13.600kgf/m 3 Patm = 9792kgf/m 2<br />
PAabs = 1,2x13.600 + 9792 – 1,00x1000 PAabs =25.112 kgf/m 2 . A pressão PA obtida é uma<br />
pressão absoluta porque nela está incluída a pressão atmosférica local.<br />
2 o -Exemplo de Aplicação- Determinar a diferença de pressão entre os reservatórios A e B.<br />
PA<br />
A<br />
γA<br />
d3 B<br />
d1 PB<br />
d2 γB<br />
PM PN<br />
Hg<br />
PM=PN(pontos com mesma cota de um mesmo fluido em repouso)<br />
PM - PA = d3. γA + d2. γ Hg PM=PA + d3. γA + d2. γ Hg.<br />
PN - PB = d1. γ B PN= PB + d1. γB.<br />
PM = PN PA + d3. γA + d2. γ Hg =PB + d1. γB<br />
PB - PA= d3. γ A + d2. γHg - d1. γB.<br />
2.6-Lei de Pascal<br />
"A pressão aplicada num ponto de um fluido em repouso, transmite-se integralmente a todos os<br />
pontos do fluido. A experiência da figura 2.5 mostra este fato. Se aplicamos uma pressão de 1kgf/cm 2 na<br />
superfície livre do liquido, todos os pontos do fluido sofrerá um acréscimo na pressão de 1kgf/cm 2 .
35<br />
F= 10kgf<br />
A= 10cm 2<br />
F 10<br />
∆p = ----- = --------<br />
H20 H20 A 10<br />
1m γ =1000kgf/m 3 1m ∆p = 1 kgf/cm 2<br />
Pf = 1000kgf/m 2 Pf = P + ∆p = 0,10 + 1<br />
Pf = 0,10kgf/cm 2 Pf = 1,10 kgf/cm 2<br />
Figura 2.5 –Verificação da Lei de Pascal<br />
Com aplicação da força F = 10kgf na área de 10cm 2 houve um acréscimo de pressão de<br />
1,00kgf/cm 2 em todos os pontos do fluido e não apenas no fundo do recipiente.<br />
2.7-Regra prática para determinação da diferença de pressão entre dois pontos ou entre dois<br />
reservatórios.<br />
"Partindo-se da pressão de um dos reservatórios somamos as pressões das colunas descendentes e<br />
subtraímos as das ascendentes e igualamos , o resultado , a pressão do outro reservatório. As alturas são<br />
tomadas a partir das superfícies de separação entre os fluidos". Na figura 2.6 tem-se dois reservatórios<br />
interligados por manômetros com diversos fluidos .Para obter a diferença de pressão entre os reservatórios<br />
será aplicada a regra prática anteriormente enunciada.<br />
B<br />
A γ1 γ4<br />
h6 γ6<br />
PB<br />
PA h1<br />
γ2<br />
h2 γ3<br />
h3 h4 h5<br />
Figura 2.6 –Aplicação da regra prática para determinação da diferença de pressão<br />
PA + γ1.h1 + γ2.h2 - γ3.h3 + γ4.h4 - γ5.h5 - γ 6.h6 = PB<br />
2.8- Pressão Atmosférica. Vácuo e Escalas de Pressão<br />
2.8.1- Pressão Atmosférica.<br />
É a pressão exercida pela atmosfera terrestre , que varia com as mudanças das condições<br />
atmosféricas e diminui com a elevação da altitude. Ao nível do mar, a pressão atmosférica média é de<br />
101,3kpa ou 760mm de Hg ou 1,033kgf/cm 2 ou 10,33mca(metro de coluna de água) ou 1 atmosfera..<br />
Qualquer destes valores é considerada como “pressão atmosférica padrão”.<br />
γ5
36<br />
A pressão atmosférica pode ser medida por aparelhos denominados barômetros. Um barômetro<br />
simples consiste de um tubo de mais de 762mm de comprimento aberto apenas em uma de sua<br />
extremidade e um reservatório aberto para atmosfera contendo mercúrio metálico . O tubo de vidro<br />
cheio de mercúrio sendo invertido e mantido na vertical,de forma que a sua extremidade aberta fique<br />
submersa no mercúrio, tem-se um barômetro. Para medir a pressão atmosférica local através deste<br />
barômetro basta fazer a leitura da coluna de mercúrio que se forma dentro do tubo, que normalmente<br />
apresenta uma escala. O espaço acima do mercúrio contém vapor do mesmo. A figura 2.7 dada em<br />
sequência mostra este tipo de barômetro.<br />
Vapor de mercúrio<br />
h<br />
Patm<br />
Hg<br />
Figura 2.7 - Barõmetro<br />
2.8.2- Vácuo.<br />
Hg<br />
Patm = h de Hg<br />
É o termo utilizado para referir-se a um espaço que tem uma pressão menor que a pressão<br />
atmosférica local.<br />
Um vácuo indica o quanto a pressão de um ambiente está abaixo da pressão atmosférica.<br />
Por exemplo: se a pressão num recipiente for 0,60kgf/cm 2 e a pressão atmosférica local de<br />
1,00kgf/cm 2 , é dito que o recipiente está com vácuo de : 1,00 – 0,60 = 0,40kgf/cm 2 (vácuo)<br />
2.7.3- Escalas de Pressão.<br />
Uma determinada pressão pode ser medida a partir de duas referências : da atmosfera local e do<br />
vácuo absoluto .<br />
Se a pressão é medida a partir da atmosférica local , está-se utilizando a escala relativa e a pressão<br />
medida é denominada de pressão relativa , pressão manométrica ou pressão efetiva, e se a pressão está<br />
sendo medida a partir do vácuo absoluto está-se utilizando a escala absoluta para medir a pressão e ela é<br />
denominada pressão absoluta. Na indicação das pressões absolutas para diferir das relativas , elas devem<br />
vir acompanhadas do termo abs, como índice da letra p de pressão ou entre parênteses após a unidade da<br />
pressão. Assim, para indicar que 250 Kpa é uma pressão absoluta escreve-se:<br />
Pabs = 250 Kpa ou P = 250 Kpa(abs)<br />
Portanto, na escala relativa a pressão é medida a partir da pressão atmosférica local onde ela vale<br />
zero. Em vista disso, pressões menores que Patm são negativas e pressões maiores que Patm são<br />
positivas.<br />
Já na escala absoluta a pressão é medida a partir do vácuo absoluto onde ela vale zero absoluto.<br />
Na pressão absoluta está inclusa a pressão atmosférica local .Assim, pode-se escrever que:<br />
Pabs = Prel + Patm<br />
O esquema da figura 2.8 ilustra como medir pressões nas duas escalas.
37<br />
Pressão Absoluta Patm -<br />
Pressão Relativa<br />
+<br />
Pressão Atmosférica local<br />
(Patm = 0 - Escala<br />
relativa)<br />
Vácuo Absoluto<br />
(Pabs =0)<br />
Figura 2.8 – Escalas de pressão<br />
Exemplo de aplicação . O recipiente dado a seguir contém um fluido cuja pressão está sendo<br />
medida por um manômetro de “Bourdon” do tipo mostrado na figura e que esta pressão vale 2,0kgf/cm 2 .<br />
Pergunta-se: qual a pressão relativa e absoluta do fluido, sabendo-se que a pressão atmosférica local<br />
medida por um barômetro é de 700mm de Hg . Dado: γHg = 13.600kgf/m 3 .<br />
F<br />
P =2,0kgf/cm 2<br />
A pressão relativa é a própria pressão de 2,0kgf/cm 2 , pois o manômetro de “Bourdon” mede<br />
pressão a partir da pressão atmosférica , isto é, a pressão relativa ou pressão manométrica ou pressão<br />
efetiva. Assim, a pressão relativa será :<br />
P = 2,0 kgf/cm 2 (pressão relativa)<br />
Já a pressão absoluta é obtida adicionando à pressão relativa a pressão atmosférica local em<br />
unidades coerentes.<br />
Patm = 700mm de Hg = 0,70mx13.600kgf/m 3 Patm = 9520 kgf/m 2<br />
Como a pressão relativa está em kgf/cm 2 e a absoluta em kgf/m 2 , para somar as duas pressões é<br />
necessário antes mudar a unidade de uma delas. Vamos mudar a unidade da pressão atmosférica e<br />
depois somá-la a pressão relativa p. Como 1m 2 = 10 4 cm 2 ou 1cm 2 = 10 -4 m 2 , então:<br />
Patm = 9520kgf/10 4 cm 2 Patm = 0,9520kgf/cm 2 e<br />
Pabs = P + Patm = 2,0 + 0,9529 Pabs = 2,9520kgf/cm 2 .<br />
2.9-Aparelhos de medir pressão<br />
a)Manômetro de Bourdon. Tubo Metálico<br />
Fluido sob pressão<br />
Escala ligado a um sistema<br />
de ampliação
)Manômetro de Coluna de Fluido<br />
38<br />
γ2<br />
A<br />
PA + h2. γ2 - h1. γ1 = 0<br />
h1<br />
PA γ1 PA = h1. γ1 – h2. γ2<br />
h2<br />
c)Piezômetro Tubo transparente graduado<br />
(Piezômetro)<br />
h P = γ . h<br />
Fluido sob pressão<br />
Obs: Os tubos piezométricos deverão ter diâmetros maior que 12mm para não sofrer o efeito da<br />
capilaridade, e causar erros na medição de pressão.<br />
2.10-Unidades de Pressões e Pressões Equivalentes<br />
MKS- N/m 2 ; KN/m 2 = 1000N/m 2<br />
MKfS- kgf/m 2 ;<br />
CGS - dina/cm 2<br />
1 atmosfera= teoricamente a 1,033kgf/cm 2 e na prática a 1,0kgf/cm 2 ;<br />
1 kgf/cm 2 = 10 4 kgf/m 2<br />
760 mm de Hg = 1 atm = 1kgf/cm 2 ;<br />
1 atm = 10,0 mca(metro de coluna de água) = 1kgf/cm 2 ;<br />
1 Lb/pol 2 = 0,07kgf/cm 2 .<br />
1MPA(megapascal) = 10 kgf/cm 2 = 100mca.<br />
Obs. Utilizando-se a tabela 3 do anexo é possível transformar pressões com uma determinada<br />
unidade para outras.<br />
γ
39<br />
2.11-EXERCÍCIOS - CAPÍTULO 2 - Estática dos Fluidos no Campo Gravitacional e<br />
Manometria.<br />
1)Nas medidas de pressões elevadas utiliza-se uma combinação de manômetro de peso morto com<br />
manômetro de coluna líquida de um só tubo conforme a figura . Conhecendo-se os valores dados na<br />
figura, determinar a pressão do reservatório E.<br />
H2O óleo W1<br />
E ∆Z3 W2<br />
∆Z1 ∆z2 A<br />
óleo<br />
Hg<br />
2)A figura mostra um tubo “U “ fechado em um extremo e com o outro terminado em um cone. Enche-se<br />
o cone de mercúrio e o ar contido apenas no tubo “U “ comprime-se isotèrmicamente , qual o valor de ∆h<br />
, quando o cone está completamente cheio de mercúrio? Dados: h1; L ; γHg, b e a .<br />
Ar<br />
h1<br />
Hg ∆h<br />
a<br />
b<br />
L<br />
3)A figura abaixo representa um recipiente contendo um líquido mantido a nível constante cuja<br />
temperatura varia linearmente com a altura decrescendo da superfície para o fundo onde vale 20 °C . A<br />
taxa de variação é igual a 40 °C/m. Sabe-se que o peso específico do líquido varia linearmente com a<br />
temperatura diminuindo quando esta aumenta, com uma taxa de variação de 5kgf/m 3 °C. A 20 °C o peso<br />
específico do líquido vale 1200kgf/m 3 . Calcular a altura H da superfície livre do líquido contido no<br />
recipiente. Dados : h1=50cm ; h=10cm e γHg = 13.600 kgf/m 3 .<br />
H<br />
h1=50cm<br />
Hg<br />
h =10cm<br />
4)Calcule a altura manométrica correspondente à diferença de pressões entre as tubulações de recalque e<br />
de sucção de uma bomba hidráulica a partir dos níveis manométricos observados na figura abaixo.
40<br />
Ps sucção H2O recalque H2O Pr<br />
B<br />
h1 H2O<br />
H2O<br />
h2 h3 h4 h5 h6<br />
Hg Hg Hg<br />
5)Achar a diferença de pressão entre os tanques A e B da figura, se : d1=30cm ; d2=45cm e d3= 20cm ;<br />
γH20 = 1000kgf/m 3 e γHg = 13.600kgf/m 3 .<br />
d3 Ar<br />
H2O B<br />
45°<br />
A<br />
d1 d2 Hg<br />
6)Qual é a pressão PA da figura abaixo. Dado densidade do óleo d=0,8 ; γH2O=1000kgf/m 3 e γHg =<br />
13.600kgf/m 3 .<br />
PA<br />
Ar<br />
óleo 3m 4,5m Hg<br />
H2O 0,30m<br />
7)Qual a pressão no centro do recipiente A da figura abaixo. Dados: γH2O= 1000kgf/m 3 e γHg=<br />
13.600kgf/m 3 e dol = 0,8.<br />
H2O óleo<br />
2,60m<br />
A<br />
0,20m<br />
0,30m<br />
0,2m Hg
41<br />
8)Para uma leitura manométrica em A de –0,175kgf/cm 2 , determinar: a)a elevação dos líquidos nas<br />
colunas piezométricas abertas :E;F e G b)deflexão do mercúrio no manômetro em “U “ da figura. Dados :<br />
γH2O = 1000kgf/m 3 e γHg =13.600kgf/m 3 .<br />
A Ar E F G<br />
14,7m<br />
11,4m d=0,7<br />
7,8m H2O<br />
4,2m 6,0m d=1,6<br />
h Hg<br />
9)Um avião munido de um barômetro sobrevoa uma região do Atlântico cuja distribuição média de<br />
temperatura é indicada na figura. O barômetro indica uma pressão de0,275kgf/cm 2 .Calcular a sua altura<br />
conhecendo-se a expressão : P/ρ =RT , sendo R=287m 2 /s 2 K.<br />
Z(m)<br />
-17,5°C 5000m<br />
Z=0 15°C<br />
10)Tem-se um tubo barométrico situado ao nível da superfície de uma represa na cota Z1=520m,<br />
indicando pressão atmosférica local de 716mm de Hg. Numa seção da tubulação na cota Z2=20m tem-se<br />
outro barômetro indicando pressão atmosférica local de 760mm de Hg. Pergunta-se qual é a pressão<br />
relativa no eixo da tubulação na cota Z2= 20m sabendo-se que não há escoamento.<br />
520m<br />
T<br />
H2O<br />
20m Tubulação<br />
11)Dois reservatórios com níveis diferentes contém o mesmo líquido (de peso específico γ) e são ligados<br />
por dois manômetros conforme indicado na figura abaixo. Obtenha uma relação para γ em função das<br />
leituras manométricas A e B , e de γA γB.
γ<br />
B<br />
A γA<br />
γB<br />
12)Qual é a diferença de pressões entre os pontos A e B dos depósitos da figura abaixo?<br />
H2O<br />
A<br />
d2<br />
Hg<br />
42<br />
d1 H2O<br />
d3 B<br />
13)Suponhamos unidos dois depósitos por um tubo de seção constante em forma de “U “, como mostra a<br />
figura. Os depósitos estão cheios de água e as suas cotas piezométrica são h1 e h2(h1 - h2). Os<br />
manometros contém mercúrio e água. Pede-se determinar a diferença de cotas (h1 - h2) entre os<br />
reservatórios. Dados: γ H2O , h e γ Hg.<br />
h1<br />
h2<br />
H2O H2O<br />
H2O<br />
γ<br />
h h H2O<br />
Hg Hg<br />
14)Na medida de pequenas pressões de ar, utiliza-se um manômetro de tubos “U “ cujo planos é inclinado<br />
de um ângulo α relativamente à horizontal. Sabendo-se que o fluido manométrico é álcool , de massa<br />
específica ρ =7,65x10 2 kg/m3, qual é a diferença de pressões ∆p medida pelo manômetro, expressa em<br />
mm de coluna de água, quando a distância entre os dois meniscos, medida segundo a linha de maior<br />
declive do plano do manômetro for igual a L = 0,45m. Adotar α = arc sen1/2.<br />
L<br />
∆P Álcool<br />
α
43<br />
15)Nas medidas de pressões com grande precisão, utiliza-se um micromanômetro; a figura mostra um<br />
determinado tipo. Neste sistema empregam-se dois líquidos imiscíveis de pesos específicos γ1 e γ2<br />
respectivamente. Supondo que nos recipientes A e B temos gases de pesos específicos desprezíveis,<br />
calcular Pa-Pb em função dos dados: d ; γ1 ; γ2 e δ. Se a área de seção reta do tubo é a , e a dos<br />
depósitos C e D é A, determinar δ em função de d, e justificar porque quando a/A for muito pequeno e<br />
γ1 quase igual a γ2, uma pequena diferença de pressão Pa-Pb produzirá uma grande variação de d, o que<br />
dará por sua vez um instrumento muito sensível.<br />
Área A<br />
A Área A B<br />
δ<br />
γ1<br />
γ1<br />
área a d área a<br />
16)Determinar analiticamente a diferença de pressões PA-PB entre os eixos dos dois reservatórios A e B<br />
indicados na figura. Considerar como grandezas conhecidas:γHg; γH2O;∆h ; ∆h1 e ∆h2 ; ∆h1 e ∆h.<br />
B<br />
∆h<br />
A H2O<br />
∆h1<br />
H2O H2O<br />
∆h2<br />
Hg<br />
Hg<br />
17)Determinar as pressões efetivas e absolutas:<br />
1)do ar , 2)do ponto M, da configuração abaixo.Dados: leitura barométrica local 735mmHg; densidade<br />
relativa do óleo 0,85 e γHg = 13.600kgf/m 3<br />
Ar<br />
30cm H2O<br />
M óleo<br />
150cm 70cm<br />
H2O 70cm<br />
30cm<br />
Hg<br />
18)Em uma atmosfera adiabática a pressão varia com o volume específico da seguinte forma: Pv K = cte,<br />
onde K é uma constante igual a relação dos calores específicos Cp e Cv .Mostrar que a expressão que<br />
relaciona a pressão p e a elevação Z para esta atmosfera , utilizando como referência o nível do<br />
solo(índices zero) é:<br />
γ K - 1<br />
p= -----po - -------- γ ( Z - Zo).<br />
γo K<br />
γ2
44<br />
19)Determinar ρa ; Po e Poabs na configuração abaixo sendo, dados : hb=0,1m ; ha= 0,2m; ρb=1000kg<br />
/m 3 ; Pa=Pb=1atm; 1 atm= 101,3kPa.<br />
Ar Po<br />
ha<br />
hb<br />
Patm<br />
Pa Pb<br />
ρa ρb<br />
20)Uma atmosfera tem uma temperatura ao nível do mar de 27°C e cai 1°C para cada 275m de elevação.<br />
Se a constante do ar é 29,3m/k, qual é a elevação sobre o nível do mar onde a pressão é 70% de que existe<br />
sobre o nível do mar?
45<br />
2.12-Respostas dos Exercícios do Capítulo 2<br />
W1 + W2<br />
1 – PE = ------------- + ∆z2.γHg - ∆z1.γH2O - ∆z3.γol<br />
A<br />
Patm(-2b –a) + .γHg h1 (L – b)<br />
2- ∆h = --------------------------------------- ; 3- H = 1,91m<br />
Patm - .γHg(L – b)<br />
4- Pr – Ps = .γHg(h2 + h4 + h6) - .γH2O(h2 + h3 +h5) ; 5)PA –PB =7743,33kgf/m 2<br />
6-PArel = 180kgf/m 2 ;7-PArel = - 1440 kgf/m 2 ; 8-hE = 0,80m ; hF = 4,16m ; hG =4,40m e<br />
- A.γA + BγB<br />
h=0,614m; 9-z =9642m ; 10-P1=499,401kgf/m 2 ; 11- .γ = -------------------- ;<br />
A + B<br />
2h(γHg. - γH2O)<br />
12-PA-PB=d2γHg-γH2O(d2 + d3) ; 13- ∆h = -------------------------- ;14– h =17,2cmde H2O<br />
γH2O<br />
a<br />
15-Pa – Pb = d.γ2 + δ.γ1 - d.γ1 ; δ = ------ d ;<br />
A<br />
16- PA – PB =(∆h1 + ∆h2)( γHg - γH2O) + γH2O ∆h ; 17-Par = 0,34 kgf/cm 2 (rel) ;<br />
Par= 1,34 kgf/cm 2 (abs) ; PM= 0,365kgf/cm 2 (rel) e PM=1,3655kgf/cm 2 (abs);19-Po=- 100kgf/m 2 ;<br />
Poabs=10.230kgf/m 2 ;ρa =500kg/m 3 . ; 20-z =3069m ;
46<br />
Capitulo 3 - Forças de Pressão Sobre Superfícies.Empuxo.<br />
3.1-Força de Pressão Sobre Superfícies.<br />
O cálculo da força resultante das pressões estáticas exercida por fluidos em repouso sobre<br />
superfícies sólidas , apresenta interesse para um grande número de aplicações.<br />
Para fins de análise dividiremos o estudo de forças sobre superfícies submersas em dois casos:<br />
a)forças sobre superfícies submersas planas<br />
b)forças sobre superfícies submersas curvas.<br />
3.1.1- Superfícies Planas<br />
É a determinação da força resultante das pressões estáticas sobre uma superfície plana genérica ,<br />
que pode ser uma das paredes de um recipiente que contem fluido de massa especifica constante.<br />
3.1.1.1 - Modulo da Força<br />
Adotando-se os sistemas de coordenadas OXYZ e Oxoyozo(com origem no centróde da superfície<br />
considerada)tem-se a força elementar sobre o elemento de área dA, conforme mostra a figura 3.1 dada<br />
por:<br />
X<br />
hG<br />
h<br />
γ =ρg=cte dF<br />
F<br />
Y XG<br />
α<br />
y<br />
x<br />
O X<br />
dA<br />
CG<br />
XCP CP YCP<br />
yo A xo<br />
Figura 3.1- Superficie Plana Genérica.<br />
dF = PdA = dF = γ ysen α dF = γ y senα. dA (1)<br />
∫ ∫<br />
F = γ . y.sen α. dA. ⇒ F = γ .sen α.<br />
y. dA(<br />
2)<br />
A A<br />
YG
YG<br />
Da Mecânica Geral e dos elementos da figura 3.2 dada a seguir tem-se:<br />
Y yo<br />
XG dA<br />
x<br />
47<br />
CG Y<br />
YG<br />
A<br />
X<br />
0<br />
Figura 3.2 - Mostra os elementos do centro de gravidade.<br />
∫<br />
=<br />
A<br />
ydA .<br />
dA<br />
⇒ YG. A = ∫ y. dA(<br />
3)<br />
∫<br />
A<br />
Substituindo (3) em (2) vem:<br />
F = γ senα.YG.A (4)<br />
Da figura 1 tem-se:<br />
senα .YG = hG (5)<br />
Substituindo (5) em (4) vem:<br />
F = γ . hG .A - MODULO DA FORÇA (6)<br />
3.1.1.2-Ponto de Aplicação da Força(Centro de Pressões)<br />
Pela equação dos momentos das forcas em relação aos eixos X e Y será determinada as coordenadas<br />
do centro de pressões CP(Xcp;Ycp).<br />
a)Determinação do Ycp<br />
A<br />
dMx=dF.y dMx = γ h. dA..y dMx = γ y.sen α .dA .y (7)<br />
∫ ∫<br />
2<br />
Mx = γ. y.sen α. dA. y ⇒ Mx = γ. sen α.<br />
y . dA(8)<br />
A A<br />
xo
48<br />
Da Mecânica Geral tem-se as seguintes relações para uma área plana, como mostra a figura 3.3:<br />
Y yo<br />
XG dA<br />
0<br />
x<br />
CG Y<br />
Figura 3.3 - Elementos de uma área plana para cálculo de Jxx E Jxy.<br />
MOMENTO DE INERCIA Jxx<br />
PRODUTO DE INERCIA Jxy<br />
A<br />
YG<br />
Jxx = y . dA ⇒ Jxx = Jxo + A. YG ( )<br />
onde: Jxo = momento de inércia da figura em relação ao eixo que passa pelo centro de<br />
gravidade xo<br />
Jxoyo = é o produto de inércia da figura em relação aos eixos xo e yo que passam<br />
pelo centro de gravidade.<br />
Substituindo (9) em (8) tem-se:<br />
Mx = γ senα. .Jxx Mx = γ sen α (Jxo + AYG 2 ) (11)<br />
O momento Mx pode ser calculado por:<br />
Mx = F.Ycp (12)<br />
Substituindo (4) em (12) vem:<br />
Mx = γ. YG . senα. .A.Ycp (13)<br />
Igualando (13) e (11) tem-se:<br />
Mx = Mx<br />
xo<br />
∫<br />
A<br />
2 2 9<br />
∫<br />
Jxy = x. y. dA ⇒ Jxy = Jxoyo + A. XG. YG(<br />
) 10<br />
A<br />
X
γ.YG.senα .A.Ycp = γ sen α .(Jxo + A.YG 2 ) que pode ser escrita:<br />
49<br />
γ.sen α .(Jxo + A.YG 2 )<br />
Ycp = ------------------------------- finalmente<br />
γ.YG.A .sen α<br />
Jxo<br />
Ycp = YG + --------- (14)<br />
YG.A<br />
b)Determinação de Xcp.<br />
dMy = dF x = dMy = γ . h.dA .x = dMy = γ. y. sen α .dA. .x (15)<br />
∫ ∫<br />
My= γ sen α... xydA⇒ My= γ.sen α xydA .. ⇒ My= γ.sen α.<br />
Jxy(<br />
16)<br />
A A<br />
Substituindo (10) em (16) fica:<br />
My = γ sen α .(Jxoyo + A.XG.YG) (17)<br />
O momento My pode ser calculado por:<br />
My = F .Xcp (18)<br />
Substituindo (4) em (18) fica :<br />
My = γ. YG.senα. .A.Xcp (19)<br />
Igualando (19) com (17) tem-se : My = My<br />
γ. YG.sen α .A.Xcp = γ. senα (Jxoyo + A.XG.YG) , que pode escrita:<br />
γ. sen α (Jxoyo + A.XG.YG)<br />
Xcp = ------------------------------------------- ou finalmente:<br />
γ. YG.sen α .A<br />
Jxoyo<br />
Xcp = XG + ------------ (20)<br />
YG..A
3.1.2-Superfícies Curvas.<br />
50<br />
De forma semelhante ao caso anterior procura-se a força resultante das pressões estáticas sobre uma<br />
superfície curva genérica, que pode ser uma das paredes de um recipiente que contem fluido de massa<br />
especifica constante.<br />
Adotando-se o sistema de eixos coordenados OXYZ conforme é mostrado na figura 3.4, tem-se a<br />
força elementar sobre o elemento de área dA dada por:<br />
dF = -PdA en , sendo en dado por<br />
en = cos i + cos j + cos k. onde: α ; β e γ são os ângulos formados pela normal com<br />
os eixos X,Y e Z respectivamente.<br />
Z<br />
π γ =cte<br />
A<br />
X<br />
dAy<br />
Ay<br />
Figura 3.4 - Superficie Curva Generica.<br />
Logo pode-se escrever que:<br />
dF = - PdA(cos α i + cosβ j + cos γ K) ou<br />
dAz<br />
en<br />
dAx<br />
dF dA<br />
k Ax<br />
dF = -PdAcosα i - PdAcos β j - PdAcos γ k (1)<br />
A resultante é obtida integrando a expressão (1), que fica:<br />
∫<br />
F=− ( PdA.cos α. i+ PdA.cos β. j+ PdA.cos γ.<br />
k) ou<br />
A<br />
o J Y<br />
i Az A<br />
h
51<br />
dAx = dAcosα ; ;dAy = dAcos β e dAz = dAcos γ. .<br />
F =−∫ P. dAx . i −∫ P. dAy. j −∫ P. dAz. K( ); onde:<br />
2<br />
Ax<br />
A expressão (2) pode ser considerada nas suas componentes nas direções dos três eixos<br />
coordenados, assim:<br />
F = - Fx i - Fy j - Fz k (3)<br />
De (2) e (3) pode-se escrever que:<br />
Logo, projetando a superfície A nos planos YZ e XZ ou em planos paralelos a estes, tem-se as<br />
superfícies planas Ax e Ay respectivamente e as componentes Fx e Fy serão analisadas como forças sobre<br />
superfícies submersas planas, como no caso anterior.<br />
A componente Fz será obtida da figura 3.5:<br />
π<br />
Ay<br />
Fx = P. dAx = γ. h. dAx. ou. Fx = γ. h . Ax(<br />
4)<br />
∫<br />
∫<br />
Ax<br />
∫<br />
Ax<br />
Fy = P. dAy = γ. h. dAy. ouFy = γ.<br />
h . Ay(5)<br />
Ay<br />
∫<br />
Ay<br />
γ = cte<br />
Z<br />
dAz<br />
A Y<br />
O<br />
X<br />
Az<br />
G<br />
Ax<br />
G<br />
Ay<br />
Figura 3.5 - Componente Fz<br />
h
Fz = ∫ P. dAz =∫.<br />
h. dAz γ<br />
Az<br />
52<br />
O termo hdAz é o volume de fluido contido no cilindro de área dAz limitado entre a superfície A e<br />
a superfície livre.<br />
Logo pode-se escrever que:<br />
∫<br />
Fz = γ. dvol. ⇒ Fz = γ.<br />
Vol(<br />
6)<br />
Az<br />
A componente Fz é o peso de fluido contido entre a superfície A e a superfície livre.<br />
3.2.Empuxo.<br />
Az<br />
É a força resultante exercida por um ou mais fluidos em repouso num corpo nele submerso ou<br />
flutuando.Esta forca age sempre verticalmente dirigido de baixo para cima. .A componente horizontal da<br />
resultante é sempre nula.<br />
O empuxo num corpo submerso é dado pela diferença entre a componente vertical da força de<br />
pressão que age na sua parte inferior e a componente vertical da mesma que atua na sua parte superior.<br />
3.2.1 - Corpo Submerso em um Fluido.<br />
Na figura 3.6 tem-se um corpo de volume Vol imerso num fluido com peso específico γ.<br />
P1.dA<br />
dE<br />
dA<br />
P2.dA<br />
Figura 3.6 - Corpo Submerso em um Fluido.<br />
γ = cte<br />
h
53<br />
O elemento de empuxo dE que age no elemento cilíndrico de área dA é dado por:<br />
dE =(P2 - P1)dA = dE = γ. h .dA , onde: hdA = dVol então:<br />
dE = γ.dVol<br />
O empuxo no corpo todo será dado por:<br />
∫<br />
E = γ. dVol ⇒ E = γ.<br />
Vol(<br />
1)<br />
A<br />
3. 2.2 - Corpo Submerso em Dois ou Mais Fluidos.<br />
Tomemos, inicialmente, um corpo submerso em apenas dois fluidos com pesos específicos γ1 e<br />
γ2 , cujos volumes submersos em cada fluidos são respectivamente V1 e V2.<br />
ho<br />
P1.dA γ1<br />
h1 V1 A1<br />
dA<br />
h2 dE V2 γ2<br />
P2.dA<br />
Figura 3.7 - Corpo Submerso em dois ou mais fluidos.<br />
O elemento de Empuxo dE que age no elemento cilíndrico de área dA é dado por:<br />
dE = P2.dA - P1dA ou dE = (ho γ1 + h1. γ1 + h2. γ2 – ho. γ1)<br />
dE = (γ1h1 + γ2h2 )dA ou dE = γ1.h1.dA + γ2.h2.dA<br />
O Empuxo no corpo todo será dado por:<br />
E = γ1∫h1. dA + γ2.<br />
∫ h2. dA; como:<br />
A1<br />
A2<br />
h1dA =dV1(volume do elemento cilíndrico submerso no fluido 1) e<br />
h2dA =dV2(volume do elemento cilíndrico submerso no fluido 2 ), então:<br />
A2
E = γ1. V1 + γ2 .V2 (2)<br />
54<br />
E = γ1. ∫dV1+<br />
γ2∫dV22<br />
( ). ou. finalmente:<br />
A1<br />
A2<br />
Generalizando para um corpo submerso em n fluidos de pesos específicos γ1; γ2; γ3;...; γn-1 e γn ,<br />
cujos volumes submersos em cada fluidos são respectivamente V1; V2 ;V3 ;...;Vn-1 e Vn , o Empuxo<br />
fica:<br />
E = γ1V1 + γ2V2 + γ3V3 +...+ γn-1.Vn-1 + γ n.Vn (3)
55<br />
3.3-Exercícios do Capítulo 3-Forças Sobre Superfícies Submersas. Empuxo.<br />
1)Calcular a força que atua na comporta de fundo de 4m de largura por 2m de altura de uma barragem de<br />
concreto. Determinar também o ponto de aplicação da força .Dado γH20 =9,79kN/m 3 .<br />
H20<br />
4m<br />
30°<br />
x<br />
•<br />
y 4m<br />
y 2m<br />
2)Calcular as componentes horizontal e vertical da força que atua sobre a superfície submersa ABCD da<br />
figura abaixo.Dado : γ H20 = 9,79 KN/m 3<br />
X Y Y X<br />
2m H20 4m<br />
A=C A C<br />
2m 2m<br />
Z B=D Z B D<br />
3)Calcular o empuxo que atua sobre o cilindro de 2m de diâmetro por 4m de comprimento imerso em<br />
água .Dado: γ H20=9,79 KN/m 3 .<br />
x
H20<br />
1,5m<br />
1m<br />
1m<br />
56<br />
4)Calcular o empuxo que atua no cilindro abaixo, sabendo-se que ele mede 4m de comprimento.<br />
4m<br />
2m γol = 7,848 KN/m 3<br />
1m<br />
γ H20 =9,79 KN/m 3<br />
5)Calcular a força que atua numa barragem de concreto e o ponto de aplicação .Dado :γH20<br />
H20 h<br />
H b<br />
1m<br />
2m<br />
6)Calcular as componentes horizontal e vertical da força que atua na barragem abaixo, bem como as<br />
coordenadas do centro de pressões. Dado: γH20<br />
H H20 H b<br />
R<br />
R R<br />
7)Calcular as componentes horizontal e vertical da força que atua na comporta ABCD, assim como, as<br />
coordenadas do centro de pressões. Dado: γH20.<br />
2m
H H20 H b<br />
R<br />
57<br />
R R<br />
8)Sobre a alavanca AB se exerce uma força de N como mostra a figura abaixo. O extremo B está<br />
conectado a um pistão que se move dno interior de um cilindro de 5cm de diâmetro .Qual a força que deve<br />
atuar sobre o pistão de maior diâmetro para impedir seu movimento sabendo-se que seu diâmetro é de<br />
25cm.<br />
490,5N A<br />
20m d=5cm D=25cm<br />
10m F1<br />
óleo<br />
B<br />
9)A figura abaixo é um depósito que contém água, sobre a qual atua uma pressão PA.Determinar a força<br />
que atua sobre a comporta ABCD para os casos:PA= Patm; b)PAabs = 125,56 KN/m 2 .Dados<br />
comprimento da comporta igual a 3m e Patm =98,10 KN/m 3 .<br />
X<br />
PA C 1,5m<br />
AR<br />
1m<br />
H20<br />
A<br />
B<br />
3m<br />
10)Qual a altura máxima que o nível de água pode alcançar no esquema abaixo, desprezando-se o atrito e<br />
o peso da comporta? Dado: comprimento da comporta igual a 1m e γH20 =9,79KN/m 3 .<br />
D<br />
30°<br />
F2<br />
Y
h 9m<br />
H20<br />
60°<br />
58<br />
35,316KN<br />
11)A adufa AB da figura é articulada em A e apoiada em B e mede 3m normalmente ao plano do<br />
desenho. Determinar as reações em A e B quando: a)a água está nivelada em A e Patm do lado direito;<br />
b)quando estiver com 1,20m acima de A à esquerda e nivelada com A à direita. Dado: γH20=9,79KN/m 3 .<br />
3m<br />
R<br />
A<br />
H20 R 1,80m<br />
B<br />
12)Determinar as componentes horizontal e vertical da resultante do empuxo sobre a superfície cilíndrica<br />
da figura cujo raio é 1m e cuja geratriz é 4m.<br />
3m<br />
H20<br />
D =2m<br />
12)Determine o módulo da força que atua sobre a superfície ABC da figura abaixo sabendo-se que sua<br />
largura é 1m. Dado: γH20=9,79KN/m 3 .<br />
45°
1m<br />
1m<br />
3m<br />
A<br />
H20 B 1m 2m<br />
1m<br />
C<br />
59<br />
13)O cilindro de 1,20m de diâmetro é solicitada por água à esquerda e por óleo de densidade 0,8 à direita.<br />
Determinar: a)a força normal em B se o cilindro pesa 19,62KN e b)a força horizontal devido o óleo e a<br />
água se o nível do óleo cair de 0,30m.<br />
0,60m<br />
1,20m<br />
H20<br />
1,20m 1,20m<br />
óleo<br />
B<br />
14)Achar a força resultante que atua na superfície submersa da figura e determinar as coordenadas do<br />
centro de pressões.<br />
X<br />
60°<br />
3m<br />
H20<br />
60°<br />
Y<br />
1,2m<br />
0,3m<br />
1,2m<br />
0,3m<br />
X
60<br />
15)Verificar a estabilidade da barragem quanto ao tombamento. São dados: γcon= 23,544 KN/m 3 e<br />
γH20=9,79KN/m 3 .<br />
2m<br />
30m<br />
H20<br />
60°<br />
18,5m 8m 6m<br />
P= 20γH20 Subpressão<br />
16)Verificar a estabilidade em relação ao tombamento da barragem dada abaixo. São dados:<br />
γH20=9,79KN/m 3 e γcon= 23,544 KN/m 3 .<br />
15m H20<br />
P=15γH20<br />
5m<br />
60°<br />
10m 8m<br />
Subpressão<br />
O
61<br />
3.4-Respostas dos Exercícios do Capítulo 3<br />
1-F = 353,16 KN ; Ycp= 9,04m e Xcp =2,0m 2)Fy = FH =235,44KN; Xcp =2,0m e<br />
Zcp =3,11m; Fz=Fv = 190,64 KN, Xcp= 2,0m; Ycp =0,9m e Zcp= 1,26m; 3-E= 123,27 KN;<br />
γ b 2<br />
4-E = 479,84 KN ; 5-F = γ bh 2 /2 ; Ycp = 2h/3 e Xcp =b/2; 6-FH = ------(h + R) 2 ;;Zcp = ----(h + R)<br />
2 3<br />
π R 2 2 3hR + 2R 2<br />
e Xcp = b/2; Fz = γ b(-------- + hR) ; Xcp =b/2 e Ycp = ----(----------------)<br />
4 3 4h + π R<br />
1 6h 2 + 3π R h + 4 R 2 2H + R 2 3H 2 +3HR+R 2<br />
Zcp = ----- ( --------------------------- ) ; 7- FH=Fy = γ bR (-------------) ; Zcp = -----(-------------------)<br />
3 4 h + π R 2 3 2 H + R<br />
2 3HR + 2R 2<br />
e Ycp = b/2 ; Fz = γ b(R H + πR 2 /4) ; Xcp= b/2 ; Ycp = -----( -----------------) e<br />
3 4 H + π R<br />
1 6H 2 + 3πR H + 4R 2<br />
Zcp = ------( -------------------------) ; 8-F2= 24,525KN ; 9- a)F = 60,625 KN ; Xcp = 1,5m;<br />
3 4 H + π R<br />
e Ycp = 2,82m ; b) F = 184,31KN ; Xcp = 1,5m e Ycp = 2,77m ; 10-h = 5,26m ; 11- a)VA = 0;<br />
HÁ= 47,68KN e VB = 75,04 KN ; b)VB = 63,56KN ; HÁ= 63,56KN e HÁ =0 ; 12- FH=185,63N<br />
e Fz=267,35KN; 13-R =59,67KN ; 14-24,44KN ; Ycp = 4,03m e Xcp = 0,353m;<br />
15-∑Mo =160.652,05KNxm>0(estável) ;16-∑Mo65.007,04KNxm>0(estável);
62<br />
CAPITULO 4 - ESCOAMENTOS DE FLUIDOS.<br />
4. 1-Tipos de Escoamentos<br />
4.1.1-Escoamento Permanente.<br />
É aquele em que as condições do fluido são invariáveis em cada ponto em relação ao tempo. As<br />
condições podem variar de um ponto para o outro ou de seção para outra seção. Um exemplo deste tipo<br />
de escoamento é mostrado na figura 4.1, em que se tem um reservatório contendo um fluido mantido a<br />
nível constante, isto é , a quantidade de fluido que sai do reservatório é reposta de alguma forma. Pode-se<br />
observar que em cada seção escolhida as velocidades (grandezas escolhidas para análise) não variam com<br />
o decorrer do tempo , ou seja, os perfis de velocidades : V1 , V2 e V3 se mantém constantes. Porém, se for<br />
feita uma comparação entre estes perfis nos mesmos instantes, observa-se que eles são diferentes(V1≠ V2<br />
≠V3). Conclusão: a condição de permanente está relacionada apenas com o parâmetro tempo.<br />
Ncte<br />
(1)<br />
(2) (3)<br />
V1=cte V2=cte V3=cte<br />
Figura 4.1- Escoamento Permanente<br />
4.1.2-Escoamento Variado.<br />
É aquele em que as condições do fluido variam em relação ao tempo em um ponto, numa seção<br />
ou região do escoamento.<br />
Nvariável (diminui)<br />
Figura 4.2- Escoamento Variado<br />
V1(t1)<br />
(1) V2(t1) V3(t1)<br />
(2) (3)<br />
V1(t2) V2(t2) V3(t2)<br />
Na instalação da figura 4.2, em que de um reservatório contendo um fluido , cujo nível varia
63<br />
no decorrer do tempo, sai uma quantidade variável de fluido na unidade de tempo, tem-se um exemplo de<br />
escoamento variado ou não permanente. Pode-se observar nesta instalação que em cada uma das três<br />
seções tomadas para análise os perfis de velocidades variam com o decorrer do tempo, isto é,<br />
V1(t1)≠V1(t2) ; V2(t1)≠V2(t2) e V3(t1)≠V3(t2). Neste exemplo foi admitido que o nível de fluido no<br />
reservatório diminui , mas se poderia admitir que o nível aumentaria e se teria também um escoamento<br />
variado, a diferença é que neste caso as velocidades aumentam, ao invés de diminuir.<br />
4.1.3-Escoamento Uniforme.<br />
É aquele em que as condições do fluido não variam de ponto para ponto, podendo variar em<br />
relação ao tempo. Tem-se dois tipos de escoamento uniforme:<br />
a)Escoamento uniforme permanente e<br />
b)Escoamento uniforme não permanente.<br />
4.1.3.1 - Escoamento Uniforme Permanente.<br />
É aquele em que as condições do fluido não variam de seção para seção e em relação ao tempo.<br />
Na figura 4.3, é mostrado um exemplo de escoamento uniforme e permanente, em que de um reservatório<br />
contendo um fluido com nível constante sai uma quantidade fixa do fluido. Observa-se que nas seções<br />
escolhidas para análise os perfis são idênticos e não variam com o decorrer do tempo, isto é, V1 = V2 =<br />
V3.<br />
Ncte<br />
Figura 4.3- Escoamento Uniforme e Permanente.<br />
4.1.3.2 - Escoamento Uniforme e Não Permanente.<br />
(1)<br />
(2) (3)<br />
V1=cte V2=cte V3=cte<br />
É aquele em que as condições do fluido não variam de seção para seção mas variam em relação ao<br />
tempo. A instalação da figura 4.4, mostra um exemplo deste tipo escoamento, em que de um reservatório<br />
contendo um fluido com nível variável , sai uma quantidade variável de fluido. Pode-se observar que nas<br />
seções escolhidas em cada instante os perfis de velocidades são idênticos , isto é , V1(t1)=V2(t1)=V3(t1) e<br />
V1(t2)=V2(t2)=V3(t2) , mas os perfis de velocidades diferem de instante para instante ou seja :<br />
V1(t1)=V2(t1)=V3(t1) ≠ V1(t2)=V2(t2)=V3(t2)
Nváriável(aumenta)<br />
64<br />
(1) V1(t2)=cte V2(t2)=cte V3(t2)=cte<br />
(2) (3)<br />
V1(t1)=cte V2(t1)=cte V3(t1)=cte<br />
Figura 4.4- Escoamento Uniforme e Não Permanente.<br />
4.1.4-Escoamento Laminar e Turbulento.<br />
Experiência de Reynolds.<br />
H20<br />
Líquido Colorido(H20 + Corante)<br />
Filete Colorido Tubo transparente<br />
Registro de Controle de Vazão<br />
Realizando a experiência acima Osborne Reynolds observou os seguintes comportamento da água:<br />
a)Para vazões pequenas o filete colorido permanecia bem definido no escoamento. É o regime de<br />
escoamento que denominou de laminar ou lamelar.<br />
b)Para vazões maiores o filete colorido se misturava com a água .É o regime de escoamento que<br />
denominou de turbulento.<br />
Escoamento Laminar.<br />
É aquele em que as partículas fluidas apresentam trajetórias bem definidas, que não se cruzam e o<br />
fluido escoam em laminas ou lamelas, conforme mostra a figura 4.5.<br />
Lâminas ou Camadas<br />
Figura 4.5- Escoamento Laminar.
Escoamento Turbulento.<br />
65<br />
É aquele em que partículas fluidas apresentam movimento desordenado, tendo a velocidade em<br />
qualquer instante uma componente transversal a direção do escoamento, conforme ilustra a figura 4.6.<br />
Vn V<br />
Vt<br />
Figura 4.6- Escoamento Turbulento<br />
Pelo adimensional denominado NUMERO DE REYNOLDS(Re) dado por:<br />
ρ V D V D<br />
Re = ---------- = ------ , caracterizamos se um escoamento em tubos é Laminar ou<br />
µ ν<br />
Turbulento. Onde :<br />
ρ = massa especifica do fluido<br />
V= velocidade média do escoamento<br />
D= diâmetro do tubo<br />
µ =viscosidade dinâmica do fluido;<br />
ν =viscosidade cinemática do fluido<br />
Se Rey ≤ 2000 , tem-se regime laminar<br />
Se 2000 < Rey< 4000 , tem-se regime de transição, que é uma zona critica , na qual não se pode<br />
determinar com segurança a perda de carga nas canalizações.<br />
Se Rey ≥ 4000 , tem-se regime turbulento.<br />
4.2-Vazão em Volume , Vazão em Massa e Vazão em Peso.Velocidade Média.Conceitos e<br />
Unidades.<br />
Para definir os conceitos de vazão em volume ,massa e peso, vamos tomar um conduto genérico<br />
cuja seção transversal tem área A, por onde escoa um fluido de massa específica ρ e peso específico γ .<br />
Sobre este conduto , delimitaremos um elemento de volume cilíndrico(dvol) de área transversal dA e<br />
comprimento ds, conforme mostra a figura 4.7, dado por:<br />
dvol = dsxdA<br />
Figura 4.7- Escoamento genérico.<br />
ds dA<br />
dVol= ds.dA<br />
V<br />
(s)<br />
A
4.2.1-Vazão em Volume (Q)<br />
66<br />
É definida como sendo o volume de fluido que atravessa uma seção na unidade de tempo e é<br />
simbolizada por Q. Logo :<br />
volume<br />
Q = -------------<br />
Tempo<br />
A vazão dQ que passa pela seção dA é dada por:<br />
V- velocidade<br />
dvol ds . dA<br />
dQ= ------- = ---------- = V.dA dQ = Vda (4.2.1)<br />
dt dt<br />
Para obter a vazão Q , basta fazer a integração da expressão (4.2.1) na área A. Integrando vem:<br />
Q = ∫ V.dA (4.2.1a)<br />
A<br />
Unidades:<br />
m 3 /s ; L/s ; L/h e m 3 /h<br />
4.2.2- Vazão em massa (G)<br />
Definida pela relação da massa de fluido que atravessa uma seção na unidade de tempo , e é<br />
simbolizada por G . Assim:<br />
massa<br />
G = --------------<br />
Tempo<br />
A vazão em massa dG que passa pela seção dA é dada por:<br />
V- velocidade<br />
dm ρ dvol ρ ds . dA<br />
dG= -------- = ------------ = -------------- = ρV. dA dG = ρ.V.dA (4.2.2)<br />
dt dt dt<br />
Integrando a expressão (4.2.2) na área transversal A , obtém-se a vazão em massa G. Logo:<br />
Unidades:<br />
G = ∫ ρ V.dA (4.2.2a)<br />
A<br />
Kg/s , kg/h , Utm/s e g/s
4.2.3- Vazão em Peso (W)<br />
67<br />
Definida pela relação do peso de fluido que atravessa uma seção na unidade de tempo , e é<br />
simbolizada por W . Assim:<br />
Peso<br />
W= ----------tempo<br />
A vazão em peso dW que passa pela seção dA é dada por:<br />
V - velocidade<br />
dP ρgdvol ρg ds . dA<br />
dW = ------- = ---------- = ------------------ = ρg V.dA dW = ρ gV.dA (4.2.3)<br />
dt dt dt<br />
Logo:<br />
Integrando a expressão (4.2.3) na área transversal A , obtém-se a vazão em peso W.<br />
W = ∫ ρg V.dA (4.2.3a)<br />
A<br />
Unidades:<br />
kgf/s ; N/s, N/h , kgf/h e dina/s<br />
4. 2.4- Velocidade Media (Vm)<br />
A velocidade média Vm ou simplesmente V, pode ser definida pela relação da vazão em volume<br />
Q e a área da seção transversal A do conduto. Ela pode ser definida como sendo a velocidade que<br />
multiplicada pela área fornece a vazão em volume Q . Assim:<br />
Q<br />
Vm = ------- ou Q = Vm .A (4.2.4)<br />
A<br />
Para determinar a expressão matemática da velocidade média, consideremos um conduto qualquer<br />
por onde está escoando um fluido incompressível qualquer, conforme mostra a figura 4.8. Seja A a<br />
seção transversal e dA o seu elemento de área .<br />
V A<br />
Q<br />
Vm<br />
Figura 4.8- Conduto Qualquer para Determinar a Expressão de Vm.<br />
A vazão Q pode ser calculada por:
Q = ∫ V.dA<br />
A<br />
donde vem : Vm.A= ∫ V.dA , que fica:<br />
Q= Vm.A A<br />
1<br />
Vm = ----- ∫ V. dA (4.2.4a)<br />
A A<br />
68<br />
Exemplo de aplicação: No escoamento de um óleo de densidade d através de um conduto circular<br />
de raio R , a velocidade em cada ponto é expressa pela equação :<br />
v = Vmax[ 1 - (r/R) 2 ] – perfil parabólico de velocidades, onde:<br />
v- velocidade em cada ponto da seção em m/s;<br />
Vmax – velocidade máxima que ocorre no centro do conduto em m/s;<br />
r- raio genérico quando a velocidade for v em m;<br />
R- raio do conduto em m.<br />
Determinar:a)a expressão da velocidade média , a vazão em volume , massa e peso.<br />
b) para d =0,80, ρH20 =1000kg/m 3 , R = 0,20m , g = 10m/s 2 e Vmax = 2,4m/s os<br />
valores numéricos da velocidade média e das vazões em volume , massa e peso.<br />
v dA= 2πrdr dr<br />
r R<br />
Q r<br />
Vmax<br />
R<br />
1 1 R<br />
a) Vm = ----- ∫ vdA = ----------∫ Vmax[ 1 – (r/R) 2 ] 2πrdr<br />
2 0<br />
A A πR<br />
2πxVmax R r 3 2xVmax r 2 r 4 R<br />
Vm = --------------- ∫ [ r – ------ ] dr Vm = ---------- [ ----- - ------]<br />
π R 2 0 R 2 R 2 2 4R 2 0<br />
2xVmax R 2 R 4 2 2Vmax 2R 2 - R 2<br />
Vm = ---------------[ ------- - --------] = ----------- [ --------------]<br />
R 2 2 4R 2 R 2 4<br />
2Vmax R 2 Vmax<br />
Vm = ------------ [ -----------] Vm = --------- (1)<br />
R 2 4 2 2<br />
Obs: sempre que o conduto for cilíndrico e o perfil de velocidades parabólico , a velocidade média<br />
é dada pela expressão :<br />
Vmax<br />
Vm = ------------<br />
2
69<br />
A vazão em volume Q pode ser calculada pela expressão (4.2.1a), mas vamos calcular a vazão<br />
utilizando Vm, logo:<br />
Q = VmxA , substituindo a expressão (1) e da área A = πR 2 , vem:<br />
Vmax<br />
Q = ---------- πR 2 ou Q = Vm A (2)<br />
2<br />
A vazão em massa G será calculada pela expressão:<br />
G = ∫ ρ V.dA , como o fluido é incompressível (ρ =cte), vem<br />
A<br />
G = ρ ∫V.dA , onde a integral é a vazão Q , então:<br />
A<br />
G = ρ . Q , substituindo a expressão (2) vem :<br />
Vmax<br />
G = ρ . π R 2 ---------- ou G = ρ A Vm ou G = ρ Q<br />
2<br />
A vazão em peso W será calculada pela expressão:<br />
W = g ∫ ρ V.dA , como o fluido é incompressível (ρ =cte), vem<br />
A<br />
W = g.ρ ∫V.dA , onde a integral é a vazão Q , então:<br />
A<br />
W = ρg . Q , substituindo a expressão (2) vem :<br />
Vmax<br />
W = ρg . π R 2 ---------- ou W = ρg.VmxA ou W =ρgQ ou W = γQ (4)<br />
2<br />
b) Vmax 2,40<br />
Vm = V = ---------- = --------- Vm = V = 1,20m/s<br />
2 2<br />
ρol ρol<br />
d = ---------- 0,80 = --------- ρol = 800kg/m 3<br />
ρH20 10000<br />
γol = gρol = 10x800 γol = 8000N/m 3<br />
Cálculo de Q<br />
Vmax 2,40<br />
Q = ---------- πR 2 = ---------π x0,20 2 Q = 0,1508m 3 /s ou<br />
2 2<br />
Q = VmxA = 1,20xπ.0,20 2 Q = 0,1508m 3 /s
Cálculo de G<br />
Vmax 2,40<br />
G = ρ . π R 2 ---------- = 800xπx0,20 2 x --------- G = 120,64kg/s ou<br />
2 2<br />
simplesmente G = ρQ = 800x0,1508 G = 120,64kg/s<br />
Cálculo de W<br />
70<br />
Vmax Vmax 2,40<br />
W = ρg . π R 2 --------- = γ πR 2- --------- = 8000xπx0,20 2 x--------- W = 1206,40N/s<br />
2 2 2<br />
ou W = ρg Q = γ.Q = g G = 10x120,64 W = 1206,40 N/s<br />
4.3- Equação da Continuidade.<br />
É a equação que faz o balanço de massa de um escoamento, também conhecida como equação da<br />
conservação da massa.<br />
4.3.1-Equação da Continuidade para Regime Permanente.<br />
Para determinar a expressão da equação da continuidade em regime permanente num volume<br />
com uma entrada e uma saída, vamos considerar a situação da figura 4.9. No volume entra uma vazão<br />
em massa G1 pela seção (1) e sai pela seção (2) uma vazão em massa G2. Como o regime é permanente ,<br />
vem:<br />
(1)<br />
G1 G2<br />
` ρ2 , V2, A2<br />
ρ1, V1 , A1<br />
Figura 4.9- Conduto Qualquer com uma Entrada e uma Saída.<br />
G1=G2 = ρ1.V1.A1 = ρ2.V2.A2<br />
Para fluidos incompressíveis ρ1= ρ2 = ρ ; logo:<br />
ρ V1A1 = ρ V2A2 ===> Q1 = Q2<br />
Para o volume da figura 4.10, com duas entradas e duas saídas a equação da continuidade em<br />
regime permanente, terá a seguinte expressão:<br />
(2)
71<br />
(3) ρ3;V3;A3<br />
G3<br />
(1) (4)<br />
G1 G4<br />
ρ1;V1;A1 ρ4;V4;A4<br />
(2) ρ2;V2;A2<br />
G2<br />
Figura 4.10- Um Volume com duas Entradas e duas Saídas.<br />
G1 + G2 -G3 -G4=0 , como G = ρ.V.A, logo:<br />
ρ1.V1.A1 + ρ2.V2.A2 - ρ3.V3.A3 - ρ4.V4.A4=0;<br />
Se o fluido for incompressível , então : ρ1= ρ2= ρ3= ρ4=ρ<br />
Logo:<br />
ρ. V1.A1+ ρ. V2.A2 - ρ. V3.A3 - ρ . V4.A4 = 0 ,ou<br />
Q1 + Q2 - Q3 - Q4 = 0. Q1 + Q2 = Q3 + Q4<br />
4.3.2-Equação da Continuidade para Regime Não Permanente.<br />
Para determinar a equação da continuidade para regime não permanente vamos tomar um volume<br />
com uma entrada e uma saída, mostrado na figura 4.11. Seja G1 a vazão em massa que entra pela seção<br />
(1) e G2 a vazão em massa que sai pela seção (2) e dm/dt ou dG a massa que varia no volume em relação<br />
ao tempo .<br />
1 2<br />
Vol<br />
dm<br />
G1 ρ ; -------- G2<br />
dt<br />
ρ1;V1;A1 ρ2;V2;A2<br />
Figura 4.11<br />
Então podemos escrever que: dG= G1 - G2 = dm/dt<br />
Sendo m a massa do fluido , logo : m = ρ Vol , que derivando em relação ao tempo vem:
72<br />
dm dρ dVol<br />
----- = Vol ----- + ρ. -----dt<br />
dt dt<br />
que substituída na expressão anterior fica:<br />
dρ dVol<br />
G1 - G2 = Vol ----- + ρ -------- (4.3.2)<br />
dt dt<br />
Para regime permanente(que não varia com o tempo)podemos escrever:<br />
dG =0 G1=G2 ρ1 V1 A1 = ρ2 V2 A2<br />
Exemplo de aplicação: Num reservatório de abastecimento de água de 500m 3 , pela seção (1)<br />
chega uma vazão de 150 L/s e pela seção (2) sai a vazão de 100L/s . Utilizando a equação da<br />
continuidade para regime não permanente determinar o tempo de enchimento do reservatório , sabendose<br />
que ele está vazio.<br />
(1)<br />
Q1<br />
500m 3<br />
Utilizando a expressão (4.3.2)<br />
dρ dVol<br />
G1 - G2 = Vol ----- + ρ --------- ;<br />
dt dt<br />
A água pode ser considerada um fluido incompressível ρ = cte , logo : dρ/dt =0<br />
0<br />
dρ dVol dVol<br />
G1 - G2 = Vol ----- + ρ -------- ρV1 A1 - ρ V2 A2 = ρ ---------- , sendo:<br />
dt dt dt<br />
dVol<br />
V1 A1 = Q1 ; V2A2 = Q2 e --------- = Q(vazão que efetivamente enche o reservadt<br />
tório)<br />
Logo: Q1 – Q2 = Q Q = 150 – 100 Q = 50L/s<br />
O tempo t de enchimento do reservatório será de:<br />
Volume do reservatório 500.000L<br />
t = -------------------------------- = -------------- t = 10.000s<br />
Q 50L/s<br />
(2)<br />
Q2
73<br />
4.4-Exercícios – Capítulo 4 – Cinemática dos Fluidos<br />
1)Determinar a relação entre a velocidade máxima e a velocidade média correspondente a vazão Q nos<br />
escoamentos dados:<br />
a)escoamento bidimensional com distribuição parabólica de velocidades;<br />
b)escoamento com simetria axial e distribuição parabólica de velocidades.<br />
y v<br />
R r<br />
Q Vmax h Q<br />
v Vmax<br />
y<br />
2)Determinar a relação entre a velocidade média e a velocidade máxima, para os dois escoamentos<br />
bidimensionais, cujos perfis de velocidade são os mostrados.<br />
Q Q<br />
Círculo a<br />
Vmax<br />
3)Por um longo conduto circular de 0,30m de diâmetro escoa água em regime permanente , com<br />
um perfil de velocidade v= 0,0225 – r 2 (m/s).Determinar a velocidade média com que a água sai pelas<br />
tubulações de 0,05m de diâmetro.<br />
v 0,05m<br />
r Vmax 0,3m<br />
0,05m<br />
4)No dispositivo mostrado na figura, através da tubulação A se introduz uma vazão de 140 L/s de água,<br />
enquanto que pela tubulação B se introduz 28L/s de óleo de densidade relativa 0,8 . Se os líquidos são<br />
incompressíveis e formam uma mistura homogênea de gotículas de óleo em água , qual é a velocidade<br />
média e a massa específica da mistura que abandona o dispositivo pela tubulação C de 30cm de diâmetro.<br />
Admitir uma massa específica média constante para a mistura.<br />
óleo Mistura<br />
B E D<br />
A<br />
H2O<br />
5)Se no problema anterior o pistão D se move para a esquerda com velocidade de 30cm/s e seu diâmetro é<br />
igual a 15cm, qual é a velocidade média do fluido que sai para C.<br />
C<br />
2a
74<br />
6)Por um conduto uniformemente convergente escoa água em regime permanente . Na seção 1 de<br />
diâmetro igual a 0,60m o perfil de velocidades é dado por:<br />
r 2<br />
v = 2[1 – (-------) ](m/s), e na seção 3 de diâmetro igual a 0,40m o perfil de velocidades tem<br />
0,30<br />
distribuição cônica. Determinar a velocidade máxima na seção 3 e a velocidade média na seção 2 que<br />
dista L/6 da seção 1.<br />
(1) L<br />
Q<br />
L/6<br />
(2)<br />
7)Ar escoa por um tubo de seção constante de 5cm de diâmetro . Numa seção (1) a massa específica é<br />
1,668 kg/m 3 e a velocidade de 20m/s .Sabendo-se que o regime é permanente e que o escoamento é<br />
isotérmico, determinar:<br />
a)a velocidade do ar na seção (2), sabendo-se que a pressão na seção (1) é 9,81N/cm 2 (abs) e na seção (2) é<br />
7,85N/cm 2 (abs). b)a vazão em massa c)a vazão em volume nas seções (1) e (2).<br />
8)Determinar a velocidade média do escoamento na seção 3, conhecendo-se as distribuições de<br />
velocidades nas (1) e (2) e sabendo-se que o fluido é incompressível.<br />
r<br />
Seção 1 – distribuição parabólica v1= Vmax1[ 1 – (----) 2 ]<br />
R1<br />
Seção 2- distribuição cônica v2 = Vmax2( 1 – r/R2). Dado: o raio da seção (3) igual a R3.<br />
(1)<br />
(2) R2<br />
R1<br />
9)Determinar a velocidade média na seção (3), sabendo-se que na seção (1) de diâmetro 2D o<br />
escoamento é unidimensional e na seção (2), de diâmetro D, o perfil de velocidade é dado por:<br />
v = k - r 2 , onde k é uma constante e r dimensão linear marcada a partir do eixo do conduto. Fazer as<br />
hipóteses necessárias.<br />
(3)<br />
(3)<br />
R3
(1) V1<br />
2D<br />
75<br />
10)Determinar o volume específico do fluido compressível em escoamento permanente na seção de<br />
diâmetro d3=15cm sabendo-se que a velocidade média V3= 30m/s e que as vazões em peso valem<br />
w1=0,3kgf/s e w2=0,2kgf/s .<br />
w1<br />
(3)<br />
(2)<br />
W2 (3)<br />
D<br />
D<br />
d=15cm w3<br />
11)Por um conduto convergente escoa água com uma vazão de 10L/s. A maior seção do conduto tem<br />
20cm de diâmetro e a menor 10cm. Determinar, em m/s , a expressão da velocidade média em uma seção<br />
genérica do conduto, de abscissa x, sendo L o comprimento do conduto.<br />
x<br />
L<br />
Q=10L/s<br />
12)Água escoa através de um duto longo cujo diâmetro é D =1,5m .A velocidade da água em relação ao<br />
duto é dada por: v = 2,25 - 4 r 2 (m/s) . Qual é a velocidade média da água que sai pelo pequeno tubo de<br />
diâmetro interno de 0,30m?<br />
r D=1,5m<br />
0,30m
76<br />
13)Determinar V3 e Q3 da situação abaixo. Dados: Q; A1; A2 e A3. O fluido é incompressível.<br />
A1<br />
Q<br />
A2<br />
14)Um duto retangular de 0,30m por 0,50m conduz um fluido com γ = 19,62N/m 3 sendo a vazão igual a<br />
0,45m 3 /s .Calcular a velocidade média do fluido no duto. Se o duto se estreita para 0,15m por 0,50m ,e se<br />
o peso específico for igual a 14,72N/m 3 , determinar a velocidade média nesta seção.<br />
15)Na figura abaixo está mostrada uma seringa para injeção com as respectivas dimensões. Se a<br />
velocidade do êmbolo é 0,25cm/s e se a velocidade do líquido na agulha é 24,97cm/s , qual a porcentagem<br />
do líquido que é desperdiçado através da folga entre o êmbolo e o cilindro? Desprezar o volume contido<br />
na agulha. De=0,61cm<br />
Ve=0,25cm/s Da=0,06cm<br />
Dc=0,62cm Va= 24,97cm/s<br />
1,15cm<br />
16)No escoamento turbulento de um fluido em condutos circulares o diagrama de velocidades é dado pela<br />
equação: v = Vmax(1 - r/R) 1/7 , onde as grandezas têm os seguintes significados:<br />
Vmáx- velocidade no eixo do conduto ; R- é o raio do conduto e r- é um raio genérico para o qual a<br />
velocidade é v genérica. Verificar que : Vm/Vmáx= 49/60.<br />
17)Ar escoa num tubo convergente . A área da maior seção do tubo é 20cm 2 e a de menor seção é 10cm 2 .<br />
A massa específica do ar na seção (1) é 1,18kg/m 3 enquanto que na seção (2) é 0,88kg/m 3 . Sendo a<br />
velocidade na seção (1) 10m/s , determinar a velocidade na seção (2) e a vazão em massa.<br />
G<br />
(1) (2)<br />
18)Tem-se um escoamento de fluido compressível em regime permanente em uma convergência de seção<br />
circular . Conhecendo-se a vazão em peso w = 1,8N/s , os diâmetros d1=15cm(6”) e d2=7,5cm(3”) e<br />
também os volumes específicos v1= 1,0 m 3 /kg e v2 = 0,61m 3 /kg , pedem-se as velocidades médias do<br />
escoamento nas seções transversais (1) e (2) e as vazões. Adotar g=10m/s 2<br />
Q<br />
(1) (2)<br />
19)Uma piscina de 20mx9mx2m é alimentada através de um sistema, como mostra o esquema abaixo. O<br />
sistema consta de um poço cilíndrico de 1,20m 2 de área transversal, alimentado por uma vazão constante<br />
Qo = 10L/s , do qual uma bomba recalca a água com uma vazão constante Q1=14L/s através de uma<br />
A3
77<br />
tubulação de recalque. Uma bóia convenientemente instalada no poço provoca o funcionamento da bomba<br />
no instante t =0 , quando o nível d’água atinge o ponto (1) e a desliga quando atinge o ponto(2).<br />
Admitindo que uma válvula de retenção evita o esvaziamento da tubulação de recalque , e que a piscina<br />
está vazia no tempo t=0 , determinar:<br />
a)O intervalo de tempo entre o início e o fim de funcionamento da bomba, em cada ciclo , em minutos.<br />
b)O intervalo de tempo que a bomba permanece desligada, em cada ciclo , em minutos.<br />
c)O tempo necessário para o enchimento total da piscina em horas.<br />
d)O número de vezes que a bomba é ligada até encher a piscina.<br />
e)Traçar o gráfico Q(L/s)xt(min) correspondente ao funcionamento da bomba.<br />
1<br />
2<br />
Qo=10L/s<br />
2m<br />
A=1,2m 2 B<br />
2m<br />
Q1=14L/ 9m<br />
20)Para simular o escoamento de um rio construiu-se uma canaleta por onde escoa água com uma vazão<br />
variável em função do tempo , conforme mostra o gráfico abaixo. A canaleta alimenta um reservatório<br />
regularizador cuja comporta é comandada de tal forma a fornecer para jusante uma vazão constante igual a<br />
vazão média do intervalo de tempo considerado . Tem-se disponível para o reservatório a altura de 2,0m e<br />
uma área horizontal limitada. Determinar:<br />
a)a vazão média no intervalo de tempo de 24 horas.<br />
b)a área mínima para a execução do reservatório para que este nunca extravase, observando que no<br />
instante inicial t=0 o nível d’água no reservatório é 1,0m.<br />
c)o nível mínimo que ocorre no reservatório.<br />
d)traçar a curva volumextempo , para o reservatório.<br />
Q<br />
Canaleta (m 3 /s)<br />
Q<br />
4,0<br />
h<br />
Área=?<br />
Comporta<br />
2m 1,0<br />
6 24 t(hora)
78<br />
4.5-Respostas dos Exercícios do Capítulo 4<br />
1)a)Vm/Vmax=2/3 ; b)Vm/Vmax=1/2 ; 2) a)Vm/Vmax= π/4 ; b)Vm/Vmax=3/4 ; 3)V=0,20m/s;<br />
4)ρm= 967,26 kg/m 3 e Vm = 2,37m/s ; 5)Vm = 2,45m/s ; 6)Vmáx = 6,75m/s e Vm1=1,12m/s ;<br />
7)a)V2=25m/s ; b)G = 0,06551kg/s ; c)Q1 = 39,3L/s e Q2 = 49,1 L/s.<br />
2<br />
2<br />
1 R1<br />
R 2<br />
8) Vm =<br />
( V max1<br />
+ V max 2 )<br />
2<br />
R 2 3<br />
3<br />
9)Vm = 4V1 – K/2 ;10) v =1,06 m 3 /kg ; 11) v = --------------- (m/s) ; 12)Vm = 28,12m/s<br />
π (2 – x/L) 2<br />
A2 A2 Q<br />
13)Q3 = ----------- Q ; V3 = ------------- -------- ;14)Vm1 = 3m/s e Vm2 = 8m/s; 15)3,3% ;<br />
A2 - A1 A2 – A1 A3<br />
17)V2= 26,82m/s e G = 0,0236 kg/s ; 18)V1 = 10,19m/s ; V2= 24,86m/s ; Q1= 0,18m 3 /s e<br />
Q2=0,109m 3 /s 19)a)t = 10 min b)t =4min c)t = 10 horas e d)n = 43 vezes 20)a)Q =2,5m 3 /s<br />
b)Amin=24300m 2 c)hmin= 0,67m ;<br />
4
79<br />
CAPITULO 5 - CONCEITOS LIGADOS AO ESCOAMENTO DE FLUIDO -<br />
EQUAÇÕES FUNDAMENTAIS<br />
5.1-Sistemas e Volumes de Controle.<br />
5.1.1-Sistema:<br />
É uma quantidade fixa de matéria .A forma e o volume de um sistema pode variar, porém a sua<br />
massa é sempre a mesma. Por exemplo, podemos escolher como sistema o vapor do cilindro de motor de<br />
combustão após fechada a válvula de admissão , conforme mostra a figura 5.1. À medida que o embolo se<br />
move, o volume do sistema varia, mas a quantidade e a identidade da massa não sofre alteração.<br />
Admissão<br />
SISTEMA<br />
Vapor de Combustível<br />
Figura 5.1 – Exemplo de sistema<br />
5.1.2-Volume de Controle(V.C):<br />
E um volume arbitrário escolhido em relação a um dado referencial. No volume de controle a<br />
quantidade de matéria pode variar, mas a sua forma e seu volume e fixo. Por exemplo para estudar o<br />
escoamento de descarga de um bocal, podemos escolher como volume de controle a parte interna do<br />
bocal. A superfície que envolve o volume de controle é denominada superfície de controle(S.C). A figura<br />
5.2 mostra exemplo de volume de controle.<br />
Bocal<br />
VOLUME DE<br />
CONTROLE(V.C.)<br />
Superfície de Controle(S.C.)<br />
Figura 5.2- Exemplo de Volume de Controle(V.C.)<br />
5.2-Relação Entre Solução por Sistema e Volume de Controle.<br />
5.2.1-Grandezas Extensivas:<br />
São grandezas que dependem da massa do sistema. Por exemplo: peso; quantidade de movimento,<br />
energia; massa ; etc,.<br />
As grandezas extensivas podem ser expressas pelo produto da sua grandeza especifica e a massa.<br />
Por exemplo:<br />
1 1<br />
a)Energia cinetica -Ec= η. m = ----V 2 . m = η= --- V 2<br />
2 2
80<br />
b)Energia Potencial- Ep = η. m = gh.m = η =gh<br />
c)Massa - m = η. m == η = 1<br />
d)Peso - P = η. m =g.m = η = g<br />
e)Quantidade de movimento = η. m =V.m = η = V<br />
5.2.2- Grandezas Intensivas:<br />
São grandezas que independem da massa do sistema. Por exemplo: temperatura e pressão.<br />
Seja N uma grandeza extensiva qualquer e η o valor dessa grandeza por unidade de<br />
massa. Se dN = η .dm , então : dN= ηρ dVol , logo:<br />
Considere um campo de escoamento arbitrário V(x,y,z,t) , observado de OXYZ nos instantes t e t +<br />
∆ t, como mostra a figura 5.3:<br />
X<br />
N = ∫ dvol ηρ . .<br />
vol<br />
Z<br />
O Y<br />
Figura 5.3- Campo de Escoamento<br />
Sistema no instante<br />
t +∆t<br />
I<br />
II III<br />
N Sistema no instante t<br />
V.C.<br />
Seja calcular a razão de variação de N em relação ao tempo para o sistema:<br />
( . . dV . . dV) + ( . . dV . . dV)<br />
( Nsist) t+ t −(<br />
Nsist)<br />
∫ηρ<br />
+ ∫ηρ<br />
∆ − ∫ηρ<br />
+∫ηρ<br />
∆<br />
t II<br />
III<br />
I<br />
II<br />
=<br />
∆t∆t Rearranjando os termos vem:<br />
t t t
( ηρ . . dV) t+ ∆t −(<br />
ηρ . . dV)<br />
t ( ηρ . . dV)<br />
t+ ∆t<br />
( Nsist) t+ ∆t<br />
−(<br />
Nsist)<br />
t II<br />
II<br />
III<br />
=<br />
+ −<br />
∆t∆t∆t −<br />
∫<br />
( ηρdV . . )<br />
I<br />
∆t<br />
t<br />
Passando ao limite fazendo ∆t => 0 ,vem:<br />
81<br />
Combinando os limites c) e d) acima vem:<br />
Agrupando os limites acima vem:<br />
∫ ∫ ∫<br />
⎡(<br />
Nsit ) + ∆ −(<br />
Nsist )<br />
a) − Lim. ∆t⇒0<br />
⎢<br />
⎣ ∆t<br />
∫<br />
t t t<br />
⎤ dN<br />
⎥ ( )<br />
⎦ dt<br />
=<br />
⎡(<br />
ηρ . . dV) t+ ∆t<br />
−(<br />
ηρ . . dV)<br />
⎤<br />
t<br />
⎢<br />
⎥<br />
II<br />
∂<br />
bLim ) ⎢<br />
⎥ = . . dV<br />
∆t⇒0<br />
∆t<br />
t ∫<br />
⎢<br />
⎥<br />
∂ VC . .<br />
⎣<br />
⎦<br />
ηρ<br />
∫<br />
⎡(<br />
ηρ . . dV)<br />
⎢ III cLim ) ⎢ ∆t⇒0<br />
⎢<br />
∆t<br />
⎣<br />
∫<br />
t+ ∆t<br />
sist<br />
⎤<br />
⎥<br />
→ →<br />
⎥ = ∫ηρ . . V• dA = ∫ηρ<br />
. . V cos αdA<br />
= fluxo . de. saida<br />
⎥ AS A. S<br />
⎦<br />
⎡(<br />
ηρ . . dV)<br />
⎤<br />
t<br />
⎢ ⎥<br />
→ →<br />
I<br />
d) Lim⎢<br />
⎥ = . . V . dA . . V cos . dA fluxo. de. entrda<br />
∆t⇒ ∆t<br />
∫ηρ = ∫ηρ<br />
α =<br />
0<br />
⎢ ⎥ AE . . AE . .<br />
⎣ ⎦<br />
→ → → → → →<br />
∫ ∫ ∫<br />
ηρ . . V dA + ηρ . . V . dA = ηρ . . V . dA =<br />
fluxo. pela. S. C.<br />
AS . AE . SC . ..
82<br />
dN ∂<br />
→ →<br />
( ) sist = . . dV + . . V . dA( I)<br />
dt t ∫ηρ ∂ ∫ηρ<br />
A equação( I) afirma que a taxa de variação da grandeza N do sistema é igual a taxa de variação da<br />
grandeza N no volume de controle, mais o fluxo de N através da superfície de controle.<br />
5.3-Equação da Continuidade na Forma de Integral.<br />
Como a massa de qualquer sistema por hipótese é constante , então:<br />
onde: m= massa do sistema<br />
Se na equação ( I) a grandeza N for a massa do sistema , então η será a massa por unidade de<br />
massa , portanto igual a unidade (η =1 ).<br />
Substituindo em ( I) as considerações acima vem:<br />
A expressão (2) é a equação da continuidade na forma de integral.<br />
∂ρ<br />
Para regime permanente(------) = 0<br />
∂t<br />
Logo:<br />
VC . . SC . .<br />
dm<br />
N = m = cte ⇒ = 0 =<br />
dt<br />
∂<br />
→ →<br />
0= ∫ ρ. dV + ∫ρ.<br />
V . dA(<br />
2)<br />
∂t<br />
∫<br />
SC . .<br />
VC . .<br />
→ →<br />
ρ. V. dA = 0<br />
SC . .<br />
Para fluido Incompressível ( ρ =cte)<br />
∫<br />
ρ. VdA . = 0<br />
SC . .<br />
→ →<br />
dN<br />
dt<br />
1 o -Exemplo de aplicação: Considerando escoamento permanente aplicar a equação da continuidade<br />
na forma de integral na situação da figura a seguir.
ρ1;V1;A1<br />
(1)<br />
dA<br />
V.C.<br />
83<br />
dA V1 d A V2<br />
dA<br />
(1) V1 • dA = -V1dA (2) V2 • dA = V2dA<br />
→ →<br />
0= ∫ + ∫ •<br />
∂<br />
. dV ρ.<br />
V. dA<br />
∂t<br />
VC . .<br />
SC . .<br />
∂ρ<br />
Para regime permanente (------ = 0)<br />
∂t<br />
→ → → →<br />
∫ ∫ ∫ ∫<br />
(2) ρ2;V2;A2<br />
ρ. V• dA= 0⇒ ρ. V• dA=− ρ. V. dA + ρ.<br />
V . dA=<br />
0<br />
1 1 2 2<br />
SC .. SC ..<br />
A1<br />
A2<br />
∫<br />
A1<br />
ρ . VdA . = ρ . VdA . ⇒ ρ . VA . = ρ . V. A<br />
1 1 2 2 1 1 1 2 2 2<br />
A2<br />
2 o -Exemplo de Aplicação :Aplicar a equação da continuidade na forma de integral na situação a<br />
seguir , admitindo escoamento permanente.<br />
(1) (3)<br />
dA V.C.<br />
∫<br />
dA ρ3;V3;A3<br />
dA<br />
ρ1;V1;A1 S.C. (2) ρ2;V2:A2
5.4.Equação de Bernoulli.<br />
84<br />
No escoamento da figura 5.4 entre as seções (1) e (2) vamos tomar um elemento de volume dado<br />
por dvol= dA.ds e determinar a Equação de Bernoulli, válida para as seguintes hipóteses:<br />
a)regime permanente;<br />
b)fluido ideal(escoamento sem atrito);<br />
c)fluido incompressível;<br />
d)sem trocas de calor;<br />
e)propriedades uniformes na seção;<br />
f)sem presença de máquinas.<br />
ds dA<br />
V+dV (2)<br />
V V2;P2<br />
P α dz<br />
(1) V1<br />
dA P+dp<br />
P1<br />
dw=ρ.g.ds.dA<br />
z1 z z z2<br />
Plano Horizontal de Referência(PHR)<br />
Figura 5.4- Um Escoamento Qualquer<br />
Aplicando a 2 a Lei de Newton na direção do escoamento vem:<br />
dF = dm.a<br />
dz<br />
PdA - (PdA + dpdA) – dW .----- = dm.a<br />
ds<br />
dz<br />
P.dA – P.dA –dp.dA -ρd ds.dA ---- = ρ.ds.dA.a (1)<br />
ds<br />
A velocidade é dada por:<br />
V<br />
dV ds dV<br />
V= V(s,t) ; logo a = --------. -------- = V. -----ds<br />
dt ds<br />
dV<br />
a = V. ------ (2)<br />
ds<br />
Substituindo (2) em (1), vem:<br />
dV<br />
-dp . dA -ρ.g.dA.dz = ρ.ds.dA.V ------ds
-dp - ρ . g.dz =ρ.V.dV (3)<br />
Dividindo (3) por : -ρ.g = - γ , vem :<br />
dp V.dV<br />
------ + dz + --------- = 0 (4)<br />
γ g<br />
Integrando a expressão (4) entre os pontos 1 e 2 vem:<br />
2 2 2 2 2 2 2<br />
dp V.dV P V<br />
------- + dz + ----------- = 0 = -------- + z + -------γ<br />
g γ 2g<br />
1 1 1 1 1 1<br />
85<br />
2 2 2 2<br />
P2 – P1 V2 - V1 P1 V1 P2 V2<br />
------------ + Z2 – Z1 + -------------- ------- + Z1 + ------- = -------- + ------- = H<br />
γ 2g γ 2g γ 2g<br />
Significado de cada termo da Equação de Bernoulli.<br />
Z = energia potencial por unidade de peso(m)<br />
P<br />
-------- = energia de pressão por unidade de peso(m)<br />
γ<br />
V 2<br />
-------- = energia cinética por unidade de peso (m)<br />
2g<br />
H = energia total por unidade de peso(m)<br />
EQUAÇÃO DE BERNOULLI<br />
V 2 P<br />
Os termos : Z ; ------ e -------- têm a dimensão de comprimento.<br />
2g γ<br />
Estes termos são normalmente denominados de:<br />
Z= carga potencial ;<br />
V 2<br />
--------- = carga cinética ou de velocidade;<br />
2g<br />
P<br />
--------- = carga de pressão e<br />
γ
H = carga total<br />
86<br />
V 2<br />
-------- = energia cinética por unidade de peso (m)<br />
2g<br />
H = energia total por unidade de peso(m)<br />
V 2 P<br />
Os termos : Z ; ------ e -------- têm a dimensão de comprimento.<br />
2g γ<br />
Estes termos são normalmente denominados de:<br />
Z= carga potencial ;<br />
V 2<br />
--------- = carga cinética ou de velocidade;<br />
2g<br />
P<br />
--------- = carga de pressão e H= carga total.<br />
γ<br />
Se o escoamento for permanente , fluido incompressivel e ideal, sem presença de máquinas e nem<br />
trocas de calor as cargas totais se mantém constantes em qualquer seção, não havendo , nem ganhos e<br />
nem perda de carga.<br />
1)Exemplo de Aplicação – Determinar a velocidade de saída e a vazão da água que escoa através<br />
do bocal da figura a seguir.<br />
Ncte<br />
PHR<br />
(1)<br />
6m H20<br />
Solução: aplicando a Equação de Bernoulli entre (1) e (2), vem:<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
----- + Z1 + ----- = -----+ Z2 + ------ ; onde:P1=Patm=0;<br />
γ 2g γ 2g<br />
P2=Patm(jato livre)=0; V1=0(A1>>>A2) e Z2=0 Logo:<br />
(2)<br />
φ 0,10m
87<br />
V2 2<br />
----= Z1 == V2= 2.Z1 .g = 2x6x9,81<br />
2g<br />
V2= 10,85m/s<br />
π. 0,10 2<br />
Q= V.A = 10,85---- -------- === Q= 0,085m 3 /s<br />
4<br />
2o-Exemplo de Aplicação: Calcular a vazão Q do vertedor retangular da figura dada a seguir:<br />
(1)<br />
h h dh<br />
(2)<br />
H H<br />
H20<br />
Bernoulli entre (1) e (2)<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
---- + Z1 + ----- = ---- + Z2 + ----- onde :<br />
γ 2g γ 2g<br />
P1=Patm=0 ; Z1=h ; V1=0(A1>>>A2) e Z2=0.<br />
Logo : V2 2<br />
---- = h V2 = 2gh<br />
2g<br />
Para o elemento de área dA = b.dh , tem-se :<br />
H<br />
dQ= V.dA = 2gh . bdh⇒ Q= 2g . b.h 1/2 . dh<br />
0<br />
h 3/2 H 2 b<br />
Q = 2g .b.----- ⇒ Q= ------. 2g H 3/2<br />
3/2 0 3<br />
b<br />
dA =b.dh
88<br />
3o-Exemplo:Calcular a vazão Q de um vertedor triangular da figura dada a seguir:<br />
H<br />
(1) H H<br />
h h x<br />
(2) dh H<br />
H20<br />
Aplicando a Equação de Bernoulli entre as seções (1) e (2) obtém-se:<br />
V= 2gh (1) e dQ = V. dA (2)<br />
H H<br />
h dA= x dh<br />
x dh<br />
H<br />
dA=X.dh<br />
Da figura acima tem-se : dA = x.dh e por semelhança de triângulos vem:<br />
H H - h<br />
----- =- ---------⇒ x =2(H - h), logo dA=2(H-h).dh(3)<br />
2H x<br />
Substituindo em (1) e (3) em (2) tem-se:<br />
dQ=V. dA = 2gh . 2(H - h).dh<br />
H<br />
Q= 2. 2g. h 1/2 .(H - h)dh<br />
0<br />
H<br />
h 3/2 h 5/2<br />
Q= 2. 2g [----- H - ------ ]<br />
3/2 5/2 0<br />
2 2<br />
Q= 2. 2g [-----H 5/2 - ------ H 5/2 ]<br />
3 5<br />
8<br />
Q = ----- . 2g . H 5/2<br />
15
5.5-Medida de Velocidade<br />
89<br />
A medida de velocidade de fluidos geralmente é feita através de aparelhos denominados Tubo de<br />
Pitot. Tem-se o Tubo de Pitot Simples e Tubo de Pitot Estático.<br />
5.5.1-Tubo de Pitot simples<br />
Pode ser um tubo com uma curva em angulo reto, tendo as extremidades abertas, conforme se vê<br />
na figura 5.5. Uma partícula no centro da seção (1) animada com velocidade V1, ao atingir a seção (2) é<br />
freada e sua energia cinética transforma-se em pressão, que é denominada pressão dinâmica. O Tubo de<br />
Pitot mede a pressão da seção (2), que é denominada pressão total e é a soma das pressões estática e<br />
dinâmica. A pressão estática é aquela obtida por uma tomada de pressão instalada perpendicularmente a<br />
direção do escoamento. A diferença das pressões total e estática é a pressão dinâmica. Com a pressão<br />
dinâmica determina-se a velocidade V1, através da fórmula que será deduzida, a seguir, a partir da<br />
Equação de Bernoulli .Na figura dada a seguir num trecho de um conduto, tem-se instalados um Tubo de<br />
Pitot simples e uma tomada de pressão estática.<br />
Tubo de Pitot<br />
∆h γ<br />
ho<br />
(1) (2)<br />
Z1=Z2<br />
PHR<br />
Figura 5.5 – Tubo de Pitot simples<br />
Aplicando a Equação de Bernoulli entre as seções (1) e (2) vem:<br />
Bernoulli entre (1) e (2)<br />
2 = 2 0 =<br />
P1 V1 P2 V2<br />
---- + ----- + Z1 = ----- + ----- + Z2<br />
γ 2g γ 2g<br />
Z1=Z2-tem a mesma cota ;<br />
V2=0(ponto de estagnação , a velocidade pode ser considerada nula).<br />
2<br />
P1 V1 P2 (P1- P2)2g<br />
Logo : ----- + ----- = ----- = V1 = --------------- (1)<br />
γ 2g γ γ<br />
Aplicando a equação manométrica vem:<br />
P1 = hoγ + Patm (-1) P2 - P1 = ∆h γ(2)<br />
P2= (∆h + ho)γ + Patm<br />
Substituindo (2) em (1):
90<br />
∆h. γ .2g<br />
V1= ----------- = V1 = 2g . ∆h (4.4.1)<br />
γ<br />
5.5.2-Tubo de Pitot Estático<br />
O Tubo de Pitot Estático é um instrumento que possui as duas tomadas pressão : estática e<br />
dinâmica , fazendo de uma só vez a leitura destas duas pressões, conforme mostra da figura 5.6. A<br />
velocidade V1, pode ser obtida através da fórmula que será deduzida, a seguir, utilizando a Equação de<br />
Bernoulli.<br />
γ<br />
(1) (2)<br />
Z1=Z2<br />
Figura 5.6 – Tubo de Pitot Estático<br />
γ<br />
ho<br />
γ<br />
∆h<br />
PHR γm<br />
Aplicando a Equação de Bernoulli entre as seções (1) e (2) vem :<br />
Bernoulli entre (1) e (2)<br />
2 = 2 0 =<br />
P1 V1 P2 V2<br />
----- + ----- + Z1 = ----- + ----- + Z2<br />
γ 2g γ 2g<br />
Z1=Z2-pontos de mesma cota;<br />
V2=0-ponto de estagnação.<br />
(P1- P2)2g<br />
V1= (1)<br />
γ<br />
Pela equação manométrica da seção(1) a (2) vem:<br />
P1- ho.γ + ∆h.γm - ∆h.γ + ho .γ = P2,que fica: P2 - P1 = ∆h(γm - γ ) (2)<br />
Substituindo (2) em (1), vem:<br />
Logo: ∆h(γm - γ)2g<br />
V1 = ------------------ (4.4.2)<br />
γ
91<br />
Obs: Para medir a velocidade com qualquer dos dois instrumentos , após a sua instalação, basta fazer a<br />
leitura do ∆h e calcular V1 através das expressões 4.4.1 ou 4.4.2 conforme seja um Tubo de Pitot<br />
simples ou Estático.<br />
5.6.Equação de Bernoulli em Presença de uma Máquina.<br />
A figura 5.7 mostra um escoamento em que entre as seções (1) e (2), existe uma máquina<br />
hidráulica(bomba ou turbina hidráulica).<br />
(1) Hm (2)<br />
M<br />
P1;V1 P2;V2<br />
Z1 Z2<br />
PHR<br />
Figura 5.7 –Escoamento com a presença de uma máquina<br />
Se na Equação de Bernoulli, tivermos H1=H2(energia total igual nas seções 1 e 2 )não há entre<br />
estas seções presença de máquina, onde :<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
H1 = ----- + ----- + Z1 e H2 = ----- + ----- + Z2.<br />
γ 2g γ 2g<br />
Bombas Hidráulicas: São máquinas que fornecem energia ao fluido(se há presença de<br />
bomba tem-se H1 H2)<br />
Chamando de Hm a carga manométrica das maquinas(bombas ou turbinas) a Equação de Bernoulli<br />
passa a ter a seguinte expressão:<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
------ + ----- + Z1 + Hm = ----- + ----- + Z2.<br />
γ 2g γ 2g<br />
H1 + Hm = H2 ; onde:<br />
Para as turbinas: Hm = - HT(carga manométrica das Turbinas)<br />
Para as bombas: Hm = HB(carga manométrica das bombas)<br />
5.7-Potencia e Rendimento de uma Máquina.<br />
a)Potência de uma maquina (P)<br />
Energia PesoxHm VolxHm<br />
P= ------------ = -------------- = -------------tempo<br />
t t
92<br />
γ Q .Hm<br />
P= Q.Hm (KW) e P= --------------- ( CV)<br />
75<br />
onde: γ =peso especifico do fluido em kN/m 3<br />
Q =vazão em m 3 /s<br />
Hm =carga manométrica em m.<br />
b)Rendimento das Máquinas η<br />
Potência Útil<br />
η =------------------------------<br />
Potência posto em jogo<br />
Como nem toda a potência de uma bomba é fornecida ao fluido e nem toda potência do fluido é<br />
absorvida pela turbina, devido as perdas por atrito do fluido no interior das máquinas e as perdas por atrito<br />
nas partes movéis das máquinas, por isso a potência útil não coincide com a potência posto em jogo. Dai a<br />
noção de rendimento. No caso das bombas a potência útil fornecida ao fluido é menor que a potência<br />
da maquina(potência posto em jogo) , enquanto que na turbina a potência útil da máquina é menor que a<br />
potência fornecida pelo fluido(potência posto em jogo).Daí a noção de rendimento.<br />
Para as bombas tem-se:<br />
P P γ Q .Hm γ Q .Hm<br />
ηB =--------- ⇒ PB= --------- PB = -------------(KW) ou PB = -------------(CV)<br />
PB η B ηB 75ηB<br />
Para as turbinas tem-se:<br />
PT γ Q.HT. ηT<br />
ηT= ------- ⇒ PT= P. ηT ⇒ PT= ------------------ (CV) ou PT = γ Q.HT. ηT (KW)<br />
P 75<br />
onde:<br />
PB= potência da bomba em CV ou KW<br />
PT= potência da turbina em CV ou KW<br />
5.8-Equação de Bernoulli na presença de uma Máquina.<br />
Na figura 5.8 tem-se um escoamento por onde escoa um fluido real, de forma que quando ele escoa<br />
de (1) para (2) parte de sua energia é dissipada no trecho. A energia dissipada simbolizada por HP1,2, é<br />
conhecida por perda de carga entre as seções (1) e (2).<br />
HP1,2 (2)<br />
(1)<br />
H1<br />
Z1<br />
PHR<br />
Figura 5.8- Escoamento de um fluido real.<br />
Na Equação de Bernoulli para fluido ideal tem-se:<br />
H2<br />
Z2
93<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
H1 = H2 ⇒ ----- + ----- + Z1 = ----- + -----+ Z2<br />
γ 2g γ 2g<br />
Para fluidos reais , existe atritos durante o transporte e consequente dissipação de energia, então<br />
nesse caso H1> H2.<br />
Para haver igualdade nos membros da equação, adicionamos a energia dissipada(perdas)HP1,2 , no<br />
segundo membro .Logo:<br />
H1 = H2 + Hp1,2 , que desenvolvida fica:<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
---- + ----- + Z1 = ---- + ------ + Z2 + HP1,2<br />
γ 2g γ 2g<br />
Na presença de máquina a Equação de Bernoulli passa a ter a seguinte expressão:<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
---- + ---- + Z1 + Hm = ---- + ---- + Z2 + Hp1,2(perdas)<br />
γ 2g 2g γ<br />
A potência dissipada pode ser calculada pela expressão:<br />
Pat= Q.Hp1,2 (KW)<br />
γ Q.Hp1,2<br />
Pat=--------------- (CV)<br />
75<br />
5.9-Coeficiente de Energia Cinética α .<br />
Se a distribuição de velocidade numa mesma seção fosse uniforme e a energia cinética calculada<br />
com esta velocidade, então ela seria verdadeira. Mas acontece que a distribuição de velocidade na seção<br />
nem sempre e uniforme, por isso, é necessário introduzir nestes casos, um fator de correção no cálculo da<br />
energia cinética do escoamento. Na figura 5.9 tem um escoamento em que o perfil de velocidades na seção<br />
não é uniforme, que será utilizado para determinar a expressão do coeficiente de energia cinética α.<br />
A v<br />
Vm<br />
Figura 5.9<br />
A energia cinética real que passa pela seção A na unidade de tempo é igual a:<br />
ρ V 2 . dG ρ V 2 . dQ ρ V 2 .V.dA<br />
Ec1= ----------- = ------------- = ----------------<br />
A 2 A 2 A 2
94<br />
A energia cinética que passa na unidade de tempo calculada com a velocidade media Vm é igual a :<br />
ρVm 3 .A<br />
Ec2 =-----------<br />
2<br />
Introduzindo o fator de correção α , pode-se escrever :<br />
ρ Vm 3 .A ρ.V 3 .dA<br />
. α ----------- = ---------- donde vem:<br />
2 A 2<br />
1 V<br />
α ρVm 3 .A = ρV 3 .dA ⇒ α = ---- . ( ----- ) 3 .dA<br />
A A A Vm<br />
A Equação de Bernoulli passa a ter a seguinte expressão ao introduzir os fatores de correções α1 e<br />
α2 ,nas seções (1) e (2).<br />
P1 V1 2 P2 V2 2<br />
----- + α1------ + Z1 + Hm = ---- + α2------ + Z2 + Hp1,2<br />
γ 2g γ 2g<br />
5.10-Metodo de Solução de Problema.<br />
a)escolher um único Plano Horizontal de Referencia(PHR), cotando o CG das seções a partir deste<br />
plano;<br />
b)verificar as seções nas quais a velocidade e conhecida ou possa ser adotada. Para reservatório de<br />
grande dimensões , pode-se adotar velocidade nula para a superfície livre.<br />
c)verificar as seções onde a pressão é conhecida ou possa ser adotada .Num liquido em repouso a<br />
pressão varia com a Lei de Stevin e num gás em repouso pode adotar pressão constante em qualquer ponto<br />
Os pontos de superfície livre de um reservatório e os jatos tem pressão do ambiente.<br />
d)aplicar a equação de Bernoulli entre as duas seções. Uma das seções pode conter uma incógnita a<br />
outra não. No caso da incógnita ser a potência da maquina, ou a perda de carga as seções não podem ter<br />
incógnitas nas duas seções.
5.11-Exercícios Capítulo 5<br />
1)Determinar a velocidade e a vazão do bocal da situação abaixo.<br />
Ncte<br />
6m H20<br />
95<br />
2)Calcular a vazão Q do vertedor retangular abaixo.<br />
H<br />
3)Determinar a vazão Q do vertedor triangular abaixo.<br />
H<br />
b<br />
φ0,10m<br />
4)Determinar a velocidade e a vazão do líquido que sai pelo orifício do tanque do grandes dimensões da<br />
figura abaixo.<br />
h<br />
5)Uma bomba deve recalcar 0,15m 3 /s de óleo γ = 760kgf/m 3 para o reservatório C. Adotando que a perda<br />
de carga seja de 2,5m de (A) até (1) e 6m de (2) a (C), determinar a potência da bomba supondo seu<br />
rendimento de 75%.<br />
90°<br />
d<br />
H<br />
H
(A)<br />
15m óleo<br />
(1) (2)<br />
B<br />
96<br />
‘<br />
6)A pressão no ponto S do sifão da figura não deve cair abaixo de 0,25kgf/cm 2 (abs). Desprezando as<br />
perdas, qual é a máxima altura do ponto s em relação ao ponto A.<br />
s<br />
(A)<br />
H20 1,2m<br />
(B)<br />
7)O óleo de γ = 760kgf/m 3 escoa do tanque A para E , como é mostrado na figura .Determinar:a)a vazão<br />
b)a pressão em C. são dadas as perdas de carga :<br />
2 2 2 2<br />
VB VB VD VD<br />
HpA,B= 0,6------; HpB,C =9 ------ ; HpC,D = 0,4 ------ e HpD,E = 9 -------<br />
2g 2g 2g 2g<br />
Patm<br />
(C)<br />
60m<br />
(D)<br />
(A) (C) 0,60m<br />
φ15cm 12m<br />
oleo (E)<br />
(B) D=30cm<br />
oleo<br />
9)Na instalação da figura são dados : HpB,C=0 ; Q =3,14m 3 /s ;D=2m ; PB=4 kgf/cm 2 ; γ = 1000kgf/m 3<br />
.Determinar: a)as cargas totais em: A, B e C; b)o sentido de escoamento ; c)o tipo de máquina ;d)a perda<br />
de carga entre A e B e e)a potência da máquina se o rendimento é de 80%.
(A)<br />
97<br />
30m<br />
H20 M<br />
(B) 5m<br />
( C) PHR<br />
H20<br />
10)Na instalação abaixo pede-se :a)altura manométrica ;b)a potência fornecida ao fluido pela bomba ;<br />
c)admitindo-se η=83%, a potência dissipada na bomba. Dados: Q=30m 3 /h ;<br />
γ =1000kgf/m 3 ; Pe= 3mca e Ps =10mca.<br />
Pe Ps<br />
B 0,5m<br />
11)Um tubo de Pitot é preso num barco que viaja a 45km/h de tal forma que a tomada do tubo de Pitot fica<br />
a uma profundidade pequena . Qual será a altura alcançada pela água no ramo vertical.<br />
h<br />
Tubo de Pitot<br />
12)Desprezando-se os atritos no pistão na situação abaixo, determinar:<br />
a)a potência da bomba em CV se seu rendimento for 70% b)a força que o pistão pode equilibrar com a<br />
haste .Dados: Hp1,2= 0,5m ;Hp3,4=0,5m; Hp4,5=0;Hp5,6=1m; Q=5L/s;<br />
A1=A2=10cm 2 ;A3=A4=A5=A6=5cm2; AG=21,5cm 2 ; g=10m/s 2 ; γ = 1000kgf/m 3 ;<br />
Ap=10cm 2 ;AH=5cm 2 .Supor o cilindro num plano horizontal a 2m acima da referência.<br />
Ap<br />
H20<br />
(2) (3) 10m<br />
2m B<br />
(1) (4) (G) (5)<br />
AH<br />
(6)
98<br />
13)Óleo com densidade d=0,9 escoa num tubo de 150mm de diâmetro à velocidade de 3m/s , passando<br />
por um Venturi como mostrado na figura. O diâmetro da garganta do medidor é 75mm . Qual será o nível<br />
do óleo no piezometro ligado à garganta do Venturi ?<br />
Desprezar as perdas .<br />
1,20m<br />
0,90m<br />
(1)<br />
(2) φ 75mm φ 150mm<br />
φ150mm<br />
14)Na instalação abaixo , o eixo da turbina transmite uma potência de 15CV.Sendo a vazão de 20L/s , e a<br />
pressão na entrada 6 kgf/cm 2 e na saída 0,2kgf/cm 2 , tendo o tubo de entrada uma seção de área de 10cm 2<br />
e o de saída de 20cm 2 , determinar o rendimento da turbina .Desprezar as perdas nos condutos entre (1) e<br />
(2).<br />
(1)<br />
5m<br />
PHR<br />
TURBINA 15CV eixo<br />
(2)<br />
15)Água escoa na tubulação da figura abaixo, saindo ao ar livre na seção 4. O recipiente é de grande<br />
dimensões transversais e o nível de água é mantido constante. Conhecem-se Z1=80m ; Z2=40m ;Z3=<br />
30m;Z4 =20m ;d2=0,60m ;d3=d4=0,30m e g=10m/s 2 .Supondo que a água seja um fluido ideal , calcular:<br />
a)a vazão b)a altura atingida pela água nos tubos piezométricos.<br />
PHR<br />
(1)<br />
(2)<br />
Z1 Z 4<br />
Z2 (3) (4)<br />
Z3<br />
16)A bomba da figura recalca 84L/s de água. Um manômetro diferencial acusa um desnível de 20cm de<br />
Hg. Determinar a potência da bomba se seu rendimento é 70% e que γ = 1000kgf/m 3 e dHg = 13,6.
99<br />
D1=25cm (2) D2=15cm<br />
B<br />
(1)<br />
20cm Hg<br />
17)Desprezando o atrito no tubo calcular a potência desenvolvida na turbina pela água proveniente do<br />
reservatório. Dado: γH20 = 1000kgf/m 3<br />
30,5m<br />
φ75mm<br />
H20 φ150mm φ150mm<br />
T Vj=9,15m/s<br />
18)Desprezando-se os atritos no pistão da figura, determinar: a)a potência da bomba se seu rendimento for<br />
80%; b)a força que o pistão pode equilibrar com a haste. Dados: A2 =A3 =<br />
A4 =A5 =A6 =10cm², AG =8cm², Ap=20cm², AH =10cm², Hp1,2=0,5m;Hp3,4=0,5m. ;Hp4,5=0 e<br />
Hp5,6=1m, g=10m/s²; γ= 1000kgf/m³. Supor o cilindro no plano de referencia.<br />
4m<br />
(1) Ap<br />
PHR (4) V=10m/s<br />
B<br />
(2) (3) G (5) (6)<br />
19)Dada a instalação na figura por onde escoa água, pedem-se: a)a pressão reinante no interior da câmara<br />
acima da superfície da água. b)a pressão na entrada da bomba.<br />
Dados: Q=25L/s;Hp1,3 =3mca; Hp1,2=0,5mca;g=10m/s²;γ=1000kgf/m³ e P=1CV (potência fornecida à<br />
água).<br />
Ar<br />
(1)<br />
3m A=0,005m 2<br />
(2)<br />
B<br />
(3)<br />
AH<br />
7m
100<br />
5.12-Respostas dos exercícios do capítulo 5<br />
1)V=10,8m/s;Q=0,085m³/s; 2) Q=2/3.b 2g H 2/3 ; 3)Q=8/15 2g H 5/2<br />
4)V = 2gh ; Q = 2gh . π d 2 /4 5)PB =108CV 6)Z=6,3m 7) a)Q = 86,20 L/s<br />
b)PC = -1010kgf/m2 ; 8)a)HA= 35m ; HB= 45,05m e HC = 0 ; b)sentido de escoamento<br />
de C para A; c)HpB,A = 10,05m; PB= 2358CV; 10)a)HB = 7,5m ; b)P=083CV ; c)0,17CV;<br />
11)h = 7,81m ; 12)a)PB=1,62CV; b)F =12kgf ; 13)P2/γ = - 4,56m(o piezometro não funciona);<br />
14)ηT=72%; 15)Q =2,45m3/s; h2= 36,25m; h3= -10m ; 16)PB = 5,6CV ; 17)PT = 14,14CV;<br />
18)a)PB =0,5CV ; b) F =3,8kgf ;19)P1 = - 8750kgf/m 2 e P2= - 7500kgf/m 2 .
101<br />
CAPITULO 6 - EQUAÇÃO DA QUANTIDADE DE MOVIMENTO.<br />
X<br />
Na figura 6.1 tem-se um campo de escoamento por onde escoa um fluido qualquer.<br />
Z<br />
O<br />
Figura 6.1<br />
Y<br />
N = m. V<br />
V.C.<br />
dN ∂<br />
Se na equação (----) = ---- ∫ η ρ dV + ∫ ηρ V • dA ,<br />
dt sist ∂ t V.C S.C<br />
a grandeza N for a quantidade de movimento (m V) e η a quantidade de movimento por unidade de<br />
massa: m V<br />
η = ------ = V , então temos que:<br />
m<br />
dN ∂<br />
(----) = ---- ∫ η ρ dV + ∫ ηρ V • dA ,<br />
dt sist ∂ t V.C S.C<br />
d ∂<br />
---(m V) = ---- ∫ V ρ dV + ∫ Vρ V • dA (1),<br />
dt ∂ t V.C S.C<br />
Da 2a Lei de Newton vem:<br />
d<br />
ΣFext = ---(m V )= força de superfície(pressão + atrito) +força de campo(peso) (2)<br />
dt<br />
Substituindo (2) em (1) vem:<br />
∂<br />
ΣFext = ---- ∫ V ρ dV + ∫ Vρ V • dA (3),<br />
∂ t V.C S.C<br />
6.1-Aplicação da equação da quantidade de movimento.<br />
S.C.
102<br />
Utilizando-se uma curva redução da figura 6.2 vamos determinar a expressão da equação da<br />
quantidade de movimento válida para regime permanente e propriedades uniformes nas seções de entrada<br />
e saída.<br />
dA<br />
(2)<br />
A2<br />
(1) dA<br />
P<br />
V2<br />
P2 (2)<br />
τ<br />
A1 P P<br />
τ τ<br />
P1<br />
V1 τ Ry R<br />
(1) P<br />
Figura 6.2<br />
W Rx<br />
Chamando de R a resultante das tensões normais e cisalhantes da superfície sólida(curva) sobre o<br />
fluido e W o peso da massa de fluido contido na curva, então temos:<br />
ΣFext = - ∫ P1 dA - ∫ P2 dA + R + W (4)<br />
A1 A2<br />
Substituindo (4) em (3) , vem:<br />
∂<br />
-∫ P1 dA - ∫ P2 dA + R + W = ---- ∫ ρ V dV + ∫ V ρ V •dA (5)<br />
A1 A2 ∂t V.C S.C<br />
A equação (5) é a Equação da Quantidade Movimento aplicada na curva redução.<br />
6.1.1 Simplificações da Equação da Quantidade de Movimento.<br />
Forma Geral:<br />
∂<br />
- ∫ P1 dA - ∫ P2 dA + R + W = --- ∫ V dV + ∫ ρ V V •. dA<br />
A1 A2 ∂t V.C S.C
103<br />
∂<br />
Para regime permanente: ---- ∫ ρ V dV = 0 , logo:<br />
∂ t V.C<br />
- ∫ P1 dA - ∫ P2 dA + R + W = ∫ ρ V V •. dA.<br />
A1 A2 S.C<br />
Para propriedades uniformes nas seções e seções pequenas e planas, pode-se escrever:<br />
- P1 ∫ dA - P2 ∫ dA +R + W = ρ1 Vm1 2 . ∫ dA + ρ2 Vm2 2 ∫ dA<br />
A1 A2 A1 A2<br />
R + W = P1 ∫ dA + P2 ∫ dA + ρ1 Vm1 2 ∫ dA + ρ2 Vm2 2 ∫ dA<br />
A1 A2 A1 A2<br />
Para seções planas e sendo n1 e n2 os seus versores normais e unitários, vem:<br />
R + W = P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + ρ1 Vm1 2 A1 n1 + ρ2 Vm2 2 A2 n2<br />
6.2-Coeficiente da quantidade de movimento β<br />
A distribuição de velocidades numa seção de escoamento nem sempre é uniforme(constante), como<br />
está mostrado na figura 6.3.Por isso ao calcular a quantidade de movimento a partir das velocidade médias<br />
, dependendo do regime de escoamento podemos estar introduzindo um erro. O coeficiente β da<br />
quantidade de movimento faz justamente a correção deste erro.<br />
V A<br />
Vm<br />
Figura 6.3<br />
ρ Vm 2 A = ∫ ρ v 2 dA<br />
A<br />
Introduzindo o coeficiente β pode-se escrever:<br />
∫ ρ v 2 dA = β ρ Vm 2 A e para ρ =cte , vem:<br />
A<br />
1 v<br />
β = ---- ∫ (------) 2 dA<br />
A A Vm
Valores de β :<br />
a) para regime turbulento β =1<br />
b) para regime laminar β = 4/3<br />
104<br />
Introduzindo os coeficientes β1 e β2 da quantidade de movimento nas seções (1) e (2) , a equação<br />
da quantidade de movimento passa a ter a seguinte expressão:<br />
R + W = P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + β1 ρ1 Vm1 2 A1 n1 + β2 ρ2 Vm2 2 .A2 n2<br />
1o-Exemplo de Aplicação: Calcular a força que atua num redutor escoando água no seu interior em<br />
regime permanente com velocidade constante nas seções (1) e (2)( β1= β2=1,0)<br />
Q n1 n2<br />
D1 V.C. d2<br />
P<br />
W<br />
τ τ P<br />
n1 V.C. n2<br />
P2<br />
P1 τ τ<br />
( i • )R + W =P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + β1 ρ1 Vm1 2 A1 n1+ β2 ρ2 Vm2 2 A2 n2<br />
i • n1 = -1 ; i • n2 = 1 ; i • R =Rx e i • W =0<br />
Rx=- P1.A1 + P2.A2 - ρ1 Vm1 2 A1 + ρ2 Vm2 2 A2 , onde:<br />
Q 4 Q Q 4 Q<br />
Vm1= ---- = ---------- e Vm2 = ------ = ---------<br />
A1 πD1 2 A2 πD2 2<br />
Logo:<br />
Q 2 Q 2<br />
Rx = -P1.A1 + P2.A2 - ρ1 ---- + ρ2 -----<br />
A1 A2<br />
Chamando de Kx= - Rx a força do fluido sobre o redutor temos que:<br />
P<br />
W<br />
P
105<br />
Q 2 Q 2<br />
Kx=- Rx = P1.A1 -P2.A2 + ρ1----- - ρ2------<br />
A1 A2<br />
( j • ) R + W =P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + β1 ρ1Vm1 2 A1 n1 + β2 ρ2Vm2 2 A2 n2<br />
j • n1 = 0 ; j • n2 =0 ; j • R= Ry e j • W = -W logo:<br />
Ry -W =0 = Ry = W<br />
Chamando Ky= - Ry vem : Ky = - W<br />
A resultante K será dada por:<br />
2 2<br />
K = Kx + Ky<br />
2 o -Exemplo de Aplicação: Calcular a força que atua numa curva redução , escoando um fluido<br />
incompressível de massa especifica ρ , em regime permanente e turbulento. Dimensionar o bloco de<br />
ancoragem.<br />
Y<br />
D1<br />
(1)<br />
(2)<br />
V2 n2<br />
θ<br />
d2<br />
n1 Ry R<br />
Rx<br />
V1<br />
P2 n2<br />
P θ<br />
j P τ<br />
P Vm2<br />
x τ<br />
i Vm1<br />
P1 P<br />
τ<br />
n1<br />
P P<br />
τ<br />
W P
106<br />
( i •) R + W = P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + ρ1Vm1 2 A1 n1 + ρ2Vm2 2 A2 n2<br />
i • n1 = -1 ; i. • n2 = cos θ ; i • R =Rx ; i •.W =0<br />
Rx= - P1.A1 + P2.A2 cosθ - ρ1Vm1 2 A1 + ρ2Vm2 2 .A2 cosθ<br />
Kx=-Rx=P1A1 + ρ1Vm1 2 A1 - P2A2 cosθ - ρ2Vm2 2 A2 cosθ<br />
Kx= A1(P1 + ρ1 Vm1 2 ) - A2 cosθ (P2 + ρ2 Vm2 2 )<br />
( j • ) R + W =P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + ρ1Vm1 2 A1 n1 + ρ2Vm2 2 A2 n2<br />
j • n1 = 0 ; j • n2 =sen θ ; j • R= Ry e j • W = -W logo:<br />
Ry -W = (P2.A2 + ρ2 Vm2 2 A2)senθ<br />
Ky = -Rx =-W - (P2.A2 + ρ2 Vm2 2. A2)sen θ<br />
2 2<br />
K = Kx + Ky<br />
Dimensionamento do bloco de ancoragem (curva no plano horizontal)<br />
A área da seção do concreto para resistir K:<br />
K K<br />
fck = ------ Acon = -------<br />
Acon fck<br />
A área do solo para resistir a resultante K é dada por:<br />
k K<br />
σadmSolo= ------- Asolo = -----------<br />
Asolo σadmSolo<br />
Bloco de Ancoragem<br />
Acon<br />
Kx<br />
Ky K<br />
Asolo
107<br />
3 o -Exemplo:Calcular a força que age no desviador de jato fixo.<br />
n2<br />
V2 θ2<br />
V1 (2)<br />
n1 θ1 (1)<br />
P τ<br />
P<br />
P τ<br />
τ τ<br />
P<br />
τ<br />
τ Ry<br />
n1 θ1 P R<br />
P W<br />
2 2<br />
( i •) R + W = P1A1 n1 + P2A2 n2 + ρ1Vm1 2 A1 n1 + ρ2Vm2 2 A2 n2<br />
i • n1 = - cosθ1 ; i. • n2 = cos θ2 ; i • R =Rx e i •.W =0<br />
0 0<br />
Rx= - P1A1 + P2A2 - ρ.Vm1 2 A1 cosθ1 + ρ.Vm2 2 A2 cosθ2<br />
Kx= - Rx= ρ.Vm1 2 .A1.cosθ1 - ρ.Vm2 2 .A2. cosθ2<br />
0 0<br />
( j • ) R + W =P1A1 n1 + P2A2 n2 + ρVm1 2 A1 n1 + ρVm2 2 A2 n2<br />
j • n1 = 0 ; j • n2 =sen θ ; j • R= Ry e j • W = -W logo:<br />
Ry -W = - ρ.Vm1 2 .A1.senθ1 + ρ Vm2 2 A2 .senθ2<br />
Ky = -Rx =-W + ρVm1 2 .A1.senθ1 - ρ Vm2 2 A2 .sen θ2<br />
2 2<br />
K = Kx + Ky<br />
n2<br />
θ2<br />
Rx
x<br />
108<br />
6.3-Força sobre superficie sólida em movimento.<br />
z<br />
O y<br />
Vabs<br />
u1 W<br />
Na figura acima tem-se que:<br />
-Vs - velocidade do anteparo em relação ao sistema fixo;<br />
-Vabs - velocidade absoluta do jato;<br />
- u - velocidade relativa do jato. Sendo:<br />
Vabs = Vs + u u = Vabs - Vs<br />
Vs<br />
Substituindo a expressão da velocidade relativa na equação da quantidade de movimento vem:<br />
R + W = P1.A1 n1 + P2.A2 n2 + ρ1u1 2 A1 n1 + ρ2 u2 2 A2 n2.<br />
1 o -Exemplo de Aplicação: Calcular a forca que atua no anteparo curvo dado a seguir , sabendo-se<br />
que ele se move com velocidade constante Vs.<br />
P n2<br />
P<br />
θ<br />
(2) P<br />
P V.C.<br />
Vj<br />
n1<br />
S.C.<br />
P (1) P<br />
z Aj W Vs<br />
P<br />
x<br />
O y<br />
R + W = (P1A1 + ρ1u1 2 A1) n1 + (P2A2 + ρ2 u2 2 A2) n2<br />
P1=P2=Patm=0 ; u =Vj - Vs ;A1=A2=Aj e ρ1 = ρ2= ρ<br />
u2
( .i • ) R + W = ρ u1 2 A1 n1 + ρ u2 2 A1 n2<br />
109<br />
i • n1= -1 ; i • n2= cos θ ; i • W= 0 e i • R =Rx<br />
Rx = - ρ (Vj - Vs) 2 Aj + ρ (Vj - Vs) 2 Aj cosθ<br />
Kx= - Rx= ρ (Vj -Vs) 2 Aj(1 - cos θ)<br />
( .j • )R + W = u 2 Aj n1 + u 2 Aj n1<br />
j •. R = Ry ; j .• W = -W ; j .• n1 = 0 e j •. n2 =senθ<br />
Ry - W = ρ(Vj - Vs) 2 Aj sen θ<br />
Ky= -Ry = -W - ρ(Vj -Vs) 2 Aj sen θ<br />
2 2<br />
K = Kx + Ky<br />
2 o -Exemplo de Aplicação :Calcular a força exercida pelo jato de água incidindo sobre uma placa<br />
plana.<br />
(1)<br />
n2<br />
V2 Patm<br />
P2=Patm<br />
V.C.<br />
n1 P1=Patm<br />
V2<br />
Patm<br />
n2 P2=Patm<br />
Na direção radial as componentes se cancelam restando apenas força na seção (1).<br />
( i • ) R + W =(P1A1 + ρV1 2 A1) n1<br />
i • R =Rx e i •.n1 = -1; P1=Patm =0 , logo:<br />
Rx= - ρV1 2 A1 Kx= -Rx= ρV1 2 A1 Kx= ρ Q V1<br />
6.4- Potencia de uma Turbina Hidraulica.
110<br />
A potência pode ser obtida do produto de uma força com uma velocidade Neste caso a forca será a<br />
componente da forca(Kx) que age sobre as pás da turbina e a velocidade e a velocidade tangecial das<br />
pás(Vs) da turbina.<br />
H20<br />
h ω<br />
Vj=Vabs<br />
n2<br />
(Vj –Vs)<br />
n1 (2) θ r<br />
P= força x velocidade PT= Kx .Vs<br />
Kx =força do fluido sobre a pá na direção do movimento<br />
Vs ω<br />
Vs= W r= velocidade das pás da turbina(velocidade tangencial)<br />
PT= Kx.Vs = ρVj(Vj - Vs)Aj(1 - cos θ)Vs<br />
PT= ρQ(Vj - Vs)(1 - cos θ)Vs<br />
PT= ρQ(Vj - ωr)(1 - cos θ) ωr
111<br />
6.5-Exercícios do Capítulo 6 – Equação da Quantidade de Movimento<br />
1)Calcular a força que atua num redutor escoando água no seu interior em regime permanente com<br />
velocidade constante nas seções (1) e (2).<br />
P1<br />
P2<br />
Q<br />
D1 V.C. d2<br />
ρ1<br />
W<br />
2)Calcular a força que atua numa curva redução, escoando um fluído impossível de massa específica ρ,<br />
em regime permanente e turbulento. Dimensionar o bloco de ancoragem.<br />
D1<br />
(1)<br />
V1<br />
3)Calcular a força que age no desviador do jato fixo. Dados:ρ1, ρ2, Vml, Vm2, θ1 e θ2.<br />
(2)<br />
ρ2<br />
Vm2 θ2<br />
Vm1 (2)<br />
θ1<br />
(1)<br />
4)Calcular a força que atua no anteparo curvo abaixo sabendo-se que ele se move com velocidade ‘cte Vs.<br />
São dados- W, Vj, Aj, ρ e θ.<br />
V2<br />
θ<br />
d2
Vj<br />
.<br />
112<br />
(1)<br />
Aj W Vs<br />
5)Calcular a força exercida pelo jato de água incidindo numa placa plana. São dados: ρ, V1 e A1.<br />
Vj<br />
Aj<br />
6) Calcular as componentes horizontal e vertical da força que o jato de água exerce sobre o desviador. Dados: ρ=1000kg/m3,<br />
Q=20L/s, Dj=10cm.<br />
θ = 45°<br />
Dj<br />
7)Calcular o esforço horizontal sobre a estrutura do ventilador da figura e a potência transmitido ao fluido<br />
pelo mesmo. Desprezar as perdas de cargas entre as seções (1) e (2). Dados: D2=0,38m, V2=30m/s, γ=<br />
12,75N/m3 e V1≅ 0<br />
(1)<br />
(2)<br />
(2)<br />
θ
113<br />
8)Um jato de água saí de um bocal com velocidade de 6m/s e atinge uma placa estacionária, normal ao<br />
jato. A seção de saída do bocal tem uma área de 6,25cm². Qual a força horizontal sobre a placa?<br />
ρ=1000kg/m³.<br />
Vj = 6m/s<br />
Aj<br />
9)Refazer o problema anterior quando a placa desloca para a direita com uma velocidade de 1,5m/s.<br />
Vj =6m/s<br />
Aj<br />
Vs=1,5m/s<br />
10) A água contida no tanque 1 é descarregada através do bocal sem atrito. Seu nível h1 pode ser<br />
considerado cte. O jato incide sobre a placa de grandes dimensões que cobre a saída do bocal do tanque 2<br />
que contém água a uma h2 acima do orifício. Os bocais são iguais. Se h2 for conhecido, determinar h1 tal<br />
que a força do jato seja suficiente para anular a resultante das forças horizontais que agem sobre a placa.<br />
h1 h2<br />
11)Determinar as componentes da força que atua sobre a curva de uma canalização conforme a figura. A<br />
curva encontra-se num plano horizontal e o líquido que escoa tem ρ=1000kg/m³, são dados θ =30°,<br />
A2=A1=0,1m², V1=2m/s P2=137,34KN/m2 e P1=147,15KN/m2. Desprezar o peso do fluido e da curva.<br />
(2)<br />
θ=30°<br />
(1)<br />
12)A água que sai de um reservatório de grandes dimensões penetra num conduto de 15cm de diâmetro e<br />
incide sobre uma pá refletora fixa que desvia o jato de 90º conforme a figura. Sabendo-se que o empuxo<br />
horizontal desenvolvido sobre a pá é 981N, determinar a potência da turbina. Dados: ρ=1000kg/m³, perda<br />
de carga desprezível e η =70%.
30m<br />
T<br />
114<br />
13) O tubo BC da figura está ligado ao tanque por meio de uma junta elástica de borracha que impede a<br />
transferência de esforços, entre o tanque e o tubo. Calcular a altura h do nível de água do, tanque para que<br />
a força horizontal sobre o suporte D seja anula. Dados:g=10m/s², ρ=1000kgm/m³ e HpA,B=0.<br />
PB=49,05 KN/m 2<br />
AB=80cm 2<br />
h B 60°<br />
Ac=20cm 2<br />
14) Dados o esquema da figura, sabendo-se que a seção do jato tem uma área de 520cm² e que a área do<br />
pistão é 20cm², determinar a vazão do bocal. Dado γH2O=9,81KN/m³, g=10m/s². Obs. O sistema está em<br />
equilíbrio.<br />
60°<br />
15)O cotovelo da figura está preso por duas luvas elástica de forma não é influenciado pelo resto da<br />
instalação. Sendo a área de sua seção 20cm²a vazão de 20L/s, qual será a força causada pelo escoamento<br />
do fluido se a perda é 1m(γ=9,81KN/m³).<br />
H20<br />
1,2m<br />
2m<br />
Hg
1m<br />
1m (2)<br />
(1) P=196,2KN 2<br />
115<br />
16) A turbina da figura “extrai” a potência de 5,3KW(3,9CV) da água em escoamento. Desprezando as<br />
perdas na redução, calcular as forças exercidas pela água sobre a redução e sobre a turbina<br />
respectivamente. Dados: g=10m/s2e γ H20=9,81KN/m³.<br />
P= 82,40 KN/m 2<br />
V1=3m/s D1=30cm<br />
Redução D2=15cm<br />
Turbina<br />
17) Na instalação esquematizada na figura, T é turbina e o fluido que escoa é água de γ=9,812KN/m³. A<br />
vazão que escoa é 314L/s e as pressões em (1)e (2) são respectivamente: P1=176,58KN/m2 e P2= -<br />
19,62KN/m 2 . Desprezando-se as perdas, pedem-se.<br />
a)a potência consumida pela turbina<br />
b)esforço segundo x que atua na base da turbina. Adotar g=10m/s²;A1=0,0314 m² e A2=0,126m².<br />
(1) 1m<br />
D1=0,20m (2)<br />
T<br />
D2=0,40m
116<br />
6.6-Respostas dos exercícios do capítulo 6<br />
1)Kx=P1πD1 2 /4 – P2πd2 2 /4 + ρ1.4Q²/π D1²- ρ2.4Q²/π d2² ; ky=-W<br />
2)Kx=(P1=ρV1²) π D1² /4 – (P2-ρV2²) πd2² cosθ/4;<br />
Ky=-W- (P2+ρV2²) πd2² senθ/4<br />
3)Kx=(P1 +ρ1Vm1²)A1 cosθ1 – (P2+ρ2Vm2²)A2 senθ2<br />
4)Kx=ρ(Vj-Vs)²Aj(1-cosθ); Ky=-W-ρ(Vj-Vs)²Aj senθ; 5)Kx=ρV1²A1<br />
6)Kx=15,10N;Ky=-36,49N ;7)Kx=-130,08N e P=1,95KW(2,65CV);<br />
8)Kx=-38,16KN ; 9)kx=12,36N; 10)h1=h2/2;11)kx=2,88KN e Ky=-7,07KN<br />
12)Nt=24,84KW(33,75CV); 13)h=7,5m; 14)Q=0,233m ³/s; 15)K=8805,10N;<br />
16)KxR= 3,66KN e KxT=0,24KN; 17)a)NT=79,16KW(107,56CV) b)Kx=8,62KN
117<br />
CAPÍTULO 7-TRANSPORTE DIFUSIVO DE MASSA<br />
7.1-Equação da Difusão de FICK.<br />
A Figura 7.1-a representa duas placas paralelas de grandes dimensões, separadas por uma<br />
distância b, e contendo ar seco entre elas. A placa superior é feita de material poroso e pode ser saturada<br />
com água e mantida nesse estado. A placa inferior é recoberta com material dissecante, como sílica-gel,<br />
que pode absorver continuamente toda a água(vapor)que a atingir, mantendo o ar sempre seco nas suas<br />
vizinhanças. No instante t= 0 a placa superior é saturada com água e mantida nesse estado. Imediatamente<br />
após, aparecerá no espaço entre as placas um campo (perfil) de concentração de vapor de água parecido<br />
com aquele indicado na figura 7.1-b por t≅0. Um mecanismo de transporte de massa na direção y é<br />
desencadeado pelo estado de desequilíbrio criado pelas placas.<br />
Figura 7.1<br />
Nesta discussão, por razões de simplicidade, está sendo examinado o caso de um sistema binário ,<br />
ou seja, composto de dois componentes. De uma maneira geral, quando houver interesse em estudar-se a<br />
mistura entre dois gases diferentes, um deles pode ser designado como o componente A e outro como B.<br />
Casos mais complexos, como por exemplo , a mistura entre água do mar e água doce, podem ser tratados<br />
com boa aproximação como um sistema binário, muito embora a água do mar seja, na verdade um sistema<br />
constituído de muitos componentes. Entretanto, se admitirmos que a concentração de cloreto de sódio é<br />
um parâmetro representativo da concentração da água do mar, o processo pode ser considerado binário,<br />
com o cloreto de sódio escolhido como sendo o componente A e a água doce como o componente B.<br />
Antes de iniciar uma análise quantitativa do mecanismo de difusão é necessário definir algumas<br />
grandezas:<br />
A massa específica parcial de um componente ou simplesmente massa específica é definida como<br />
a relação entre a massa do componente e o volume da mistura. Assim:<br />
massa do componente A<br />
ρA= ------------------------------------- = massa específica do componente A<br />
volume da mistura de A e B<br />
massa do componente B<br />
ρB= ------------------------------------- = massa específica do componente B
volume da mistura de A e B<br />
118<br />
A massa específica da mistura é dada por:<br />
massa de A + massa de B<br />
ρ = --------------------------------------volume<br />
da mistura de A e B<br />
As definições acima são válidas para meios homogêneos. Se houver diferença em massa específica<br />
de um ponto para outro, como por exemplo em um fluido estratificado, é preciso que os volumes<br />
considerados sejam elementares, e as definições são substituídas por limites dos mesmos quocientes<br />
quando os volumes da mistura tendem para um valor pequeno.<br />
A massa específica ρ da mistura é igual a:<br />
ρ = ρA + ρB<br />
As concentrações de A e B são definidas respectivamente, como :<br />
ρA<br />
cA = -------ρ<br />
ρB<br />
cB = -------ρ<br />
A soma das concentrações cA e cB é igual a:<br />
cA + cB = 1<br />
Existem outras definições para concentração um pouco diferentes destas aqui apresentadas, como<br />
por exemplo : chamar de concentração a massa específica parcial.<br />
O fato de se utilizar uma ou outra definição não traz dificuldade, porém é necessário observar que<br />
a massa específica parcial é uma grandeza dimensional cuja unidade pode ser: µg/litro; µg/m 3 ; g/cm 3 , etc.<br />
Aqui, concentração é uma grandeza adimensional, pois é uma relação entre massas. Se, por exemplo , 20g<br />
de sal de cozinha forem dissolvidas em 100kg de água, a concentração de NaCl na mistura será de:<br />
20g 20<br />
cA = ------------------- ≅ ------------ = 2x10 -4 ou cA = 0,02% NaCl (em massa)<br />
(100x10 3 +20g) 100x10 3<br />
Ou utilizando a unidade ppm(partes por milhão)<br />
cA = 200 ppm(em massa) de NaCl em água.<br />
Isto significa que uma massa de 200g de NaCl está dissolvida em uma massa de 10 6 g de água.<br />
Esta unidade de medida (ppm em massa) é muito usada pelos técnicos da área de saneamento para avaliar<br />
problemas de poluição, dosagem de produtos químicos na água de abastecimento.<br />
Vale a pena dizer que é comum utilizar-se a unidade ppm volumétrica ao analisarem misturas de<br />
gases. Nos dados de poluição atmosférica, por exemplo, 2ppm de NO no ar significa que em 10 6 litros de<br />
ar estão dissolvidos em 2 litros de NO, ambos nas condições de 25 o C de temperatura e á pressão<br />
atmosférica.
119<br />
Fica assim bem evidente que a unidade ppm quando não claramente definida pode criar dúvidas<br />
pois a medida de uma concentração ppm volumétrica é diferente da mesma medida em ppm mássica em<br />
geral. Aqui a concentração será sempre relações entre massas(adimensionais).<br />
Exemplo 1.1:<br />
A massa específica parcial de 4mg/m 3 de SO2 no ar corresponde que concentração em<br />
ppm(massa)?<br />
ρA= 4mg/m 3 ; ρ ≅ρar= 1,18kg/m 3 a 25 o C e 1 atm.<br />
ρA 4mg/m 3<br />
cA = ------- = --------------------- = 3,39x10 -6 = 3,39ppm(massa)<br />
ρ 1,18x10 6 mg/m 3<br />
Exemplo 1.2:<br />
No caso anterior, qual é a concentração em ppm volumétrica?<br />
cA = 3,39 ppm(massa)<br />
3,39kg de SO2<br />
cA = --------------------<br />
10 6 kg de ar<br />
1 mol de SO2 = 32 + 2x16 =64kg<br />
1 mol de ar = 28,8kg<br />
3,39kg<br />
Logo: 3,39 kg de SO2 = ---------------- = 5,3x10 -2 moles<br />
64kg/mol<br />
10 6 kg<br />
10 6 kg de ar = ----------------- = 3,47x10 4 moles<br />
28,8kg/mol<br />
Nas condições normais de temperatura (0 o C) e pressão (1 atm) 1mol de um gás ocupa um volume<br />
de 22,4 litros. A temperatura de 25 o C o volume será maior , e de acordo com a lei dos gases perfeitos:<br />
Logo:<br />
273+ 25 298<br />
V25oC= V0oC -------------= 22,4 x---------- V25oC= 24,45litros.<br />
273 273<br />
3,39 kg de SO2 = 5,3x10 -2 moles = 5,3x10 -2 moles x24,45 litros/mol<br />
= 1,3litros de SO2<br />
10 6 kg de ar =3,47x10 4 moles = 3,47x10 4 molesx24,45 litros/mol<br />
=8,48x10 5 litros.<br />
E finalmente,<br />
1,3 litros de SO2<br />
cA =------------------------------ = 1,53x 10 -6 = 1,53 ppm(vol)<br />
8,48x 10 5 litros de ar
120<br />
A figura 7.1-b ilustra a variação em função do tempo do perfil de concentração cA do vapor<br />
de água no espaço compreendido entre as duas placas. Nos instantes iniciais (t=0) haverá um<br />
grande gradiente de concentração nas camadas anexas à placa superior, pois nesta região haverá<br />
uma diferença grande de concentração de uma camada de fluido para a camada vizinha. Nas<br />
camadas subsequentes(inferiores) a concentração cai rapidamente para zero, o mesmo acontecendo<br />
com o gradiente.<br />
Em conseqüência, nas camadas superiores surgirá um grande fluxo de massa, pois a<br />
diferença de concentração entre camadas adjacentes será muito grande, enquanto que nas<br />
inferiores o fluxo será nulo.<br />
Com o passar do tempo, o perfil de concentração evolui, como representado na figura, até<br />
atingir a situação estacionária em que o perfil é linear(t=∞).<br />
O perfil do fluxo de massa na direção y, Jy modifica-se como na figura 7.1-c .No início<br />
(t=0) há um grande fluxo nas camadas superiores, e um fluxo nulo nas inferiores. A situação evolui<br />
no sentido de se eliminar esta discrepância. No final (t=∞) o fluxo de massa será constante através<br />
de todas as camadas. O regime de transferência de massa torna-se permanente, ou seja, a descarga<br />
de massa liberada pela placa superior é a mesma que a absorvida pela placa inferior.<br />
Experimentalmente verifica-se que existe uma proporcionalidade entre o fluxo de massa e o<br />
gradiente de concentração. Quando o regime permanente é alcançado o gradiente de concentração<br />
é dado simplesmente por cAo/b . Nesse caso,<br />
m cAo<br />
Jy = ------- = - D ρ -------(1.1) , onde:<br />
A b<br />
m = é a descarga de massa , com dimensões: MT -1 (kg/s);<br />
Jy = é a componente do fluxo de massa na direção y, com dimensões:<br />
ML -2 T -1 (kg/m 2 s);<br />
D = é a difusividade ou coeficiente de difusão, com as dimensões :<br />
L 2 T -1 (m 2 /s);<br />
ρ= é a massa específica da mistura binária com dimensões ML -3 (kg/m 3 );<br />
cAo = é a concentração da camada superior.<br />
O sinal negativo indica que o fluxo se dá no sentido oposto ao eixo y , isto é,<br />
da região de maior concentração para a de menor concentração.<br />
Durante o período transiente uma equação semelhante à equação (7.1) pode ser escrita para<br />
uma fatia bem fina , de espessura ∆y, localizada numa posição genérica y, como mostra a figura 7.2.<br />
y<br />
Figura 7.2<br />
∆c<br />
∆y<br />
cAo<br />
c
121<br />
O fluxo através do plano horizontal na altura y é dado aproximadamente por:<br />
∆(ρ c)<br />
Jy = - D ----------- ou, mais precisamente por:<br />
∆y<br />
∆c ∆(ρ c)<br />
Jy = - D lim ρ ------ Jy = -D lim ------------, ou<br />
∆y0 ∆y ∆y 0 ∆y<br />
∂(ρ c)<br />
Jy = - D --------(7.2)<br />
∂y<br />
∂c<br />
Jy = - Dρ ------, quando ρ não (ou varia muito pouco) de um ponto<br />
∂y para outro.<br />
A equação 7.2 é conhecida como a equação da difusão de Fick. O parâmetro D é o coeficiente de<br />
difusão para um sistema binário e quantifica o processo de difusão. Sua unidade no sistema MKS é o m 2 /s<br />
. Valores elevados de D indicam processos em que a difusão é rápida, enquanto que valores baixos<br />
identificam processos lentos de difusão. A equação 7.2 afirma que um componente por exemplo o vapor<br />
de água difunde na mistura<br />
(vapor de água e ar ) na direção do decréscimo da concentração do componente.<br />
As tabelas A .10 e A .11 fornecem respectivamente os coeficientes de difusão de gases e vapores<br />
em ar a 25 o C e atm , e de líquidos a 20 o C.
122
123<br />
Exemplo. Uma descarga m = 0,2kg/h de dióxido de carbono é liberada de uma superfície<br />
permeável com 5m 2 de área e difunde no ar atmosférico à temperatura de 30 o C. A concentração de CO2<br />
no ar junto a superfície é co= 0,04, e a uma distância de 5cm é praticamente desprezível. Determine a<br />
difusividade do CO2 no ar. Hipótese: suponha que o perfil de concentração seja quase linear junto à<br />
superfície , logo:<br />
∂c ∆c 0,04<br />
- -------- ≅ -------- = ---------- = 0,8m -1<br />
∂y ∆y 0,05
124<br />
O fluxo de CO2 será:<br />
m 0,2<br />
Jy = ------- = ---------- Jy = 0,04kg/h.m 2<br />
A 5<br />
Como a porcentagem de CO2 é pequena , a massa específica da mistura é praticamente igual a<br />
massa específica do ar a 30 o C, que vale ρ = 1,165kg/m 3 .<br />
Jy 0,04<br />
Logo : D = -------------= -------------- D =4,3x10 -2 m 2 /h<br />
(-∂ρc/∂y) 1,165x0,8