Apostila petrobras-mecanica-dos-fluidos

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Apostila petrobras-mecanica-dos-fluidos

  1. 1. Mecânica dos FluidosCURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA FÍSICA APLICADA MECÂNICA DOS FLUIDOS 1
  2. 2. Mecânica dos Fluidos2
  3. 3. Mecânica dos Fluidos FÍSICA APLICADA MECÂNICA DOS FLUIDOS LUIZ FERNANDO FIATTE CARVALHO EQUIPE PETROBRAS Petrobras / AbastecimentoUN´S: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP 3 CURITIBA 2002
  4. 4. Mecânica dos Fluidos 530 Carvalho, Luiz Fernando Fiatte. C331 Curso de formação de operadores de refinaria: física aplicada, mecânica dos fluidos / Luis Fernando Fiatte Carvalho. – Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002. 34 p. : il. color. ; 30 cm. Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP.4 1. Física. 2. Hidrostática. 3. Hidrodinâmica. I. Título.
  5. 5. Mecânica dos FluidosApresentação É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados,diferenciação em serviços e competência tecnológica, precisamosde você e de seu perfil empreendedor. Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre oCentro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representadapela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicosque auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planosde aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como umprocesso contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizadopela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades daPetrobras. Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outrasfontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundarseu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão naPetrobras.Nome:Cidade:Estado:Unidade:Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo. 5
  6. 6. Mecânica dos Fluidos Sumário 1 CONCEITOS DE HIDROSTÁTICA APLICADOS ....................................................... 7 1.1 Conceito de fluido ..................................................................................................... 7 1.2 Propriedades gerais dos fluidos e diferença entre líquidos e gases ........................... 7 1.2.1 Propriedades gerais dos fluidos ....................................................................... 7 1.2.2 Diferença entre líquidos e gases ...................................................................... 8 1.3 Conceitos de massa específica, peso específico e densidade .................................... 9 1.3.1 Massa específica .............................................................................................. 9 1.3.2 Peso específico ............................................................................................... 10 1.3.3 Densidade relativa .......................................................................................... 10 1.4 Variação da densidade de líquidos com a temperatura ............................................ 11 1.5 Pressão nos fluidos .................................................................................................. 12 1.5.1 Conceitos básicos de pressão ......................................................................... 12 1.5.2 Experiência de Torricelli ................................................................................ 13 1.5.3 Variação da pressão com relação à profundidade .......................................... 13 1.5.4 Medidores de pressão ..................................................................................... 14 1.6 Princípio dos vasos comunicantes ........................................................................... 15 1.7 Princípio de Pascal (prensas hidráulicas) ................................................................ 16 1.8 Princípio de Arquimedes (empuxo) ........................................................................ 17 1.9 Princípio de funcionamento de densímetros ........................................................... 18 1.9.1 Os densímetros ............................................................................................... 18 1.9.2 Método da balança hidrostática ..................................................................... 18 1.9.3 Vaso de Pisani ................................................................................................ 18 1.9.4 Hidrômetro (densímetro) ............................................................................... 19 2 CONCEITOS DE HIDRODINÂMICA APLICADOS .................................................. 20 2.1 Introdução ................................................................................................................ 20 2.2 Conceitos fundamentais .......................................................................................... 20 2.2.1 O escoamento ................................................................................................. 20 2.2.2 Vazão e Débito em escoamento uniforme ...................................................... 21 2.2.3 Equação da continuidade nos escoamentos ................................................... 22 2.2.4 Tipos de medidores de pressão ...................................................................... 236 2.2.5 Métodos de medida e Viscosímetros ............................................................. 24 2.2.6 Viscosímetros ................................................................................................. 25 2.2.7 Princípio de funcionamento do Sifão e efeitos do Golpe de Aríete .............. 26 EXERCÍCIOS ................................................................................................................ 27
  7. 7. Mecânica dos Fluidos Conceitos de hidrostática aplicados 1 Como vimos, a propriedade comum a es-1.1 Conceito de fluido tes dois estados físicos, de forma indefinida, Antes de estudarmos fluidos, devemos (líquido e gasoso) é escoar ou "fluir", com fa-lembrar que a matéria, como a conhecemos, cilidade, através de um condutor ou duto. Es-se apresenta em três diferentes estados físicos, tudaremos aqui os "fluidos ideais", tambémde acordo com a agregação de partículas: o esta- chamados fluidos perfeitos.do sólido, o estado líquido e o estado gasoso. Nos fluidos ideais, consideremos que não O estado sólido caracteriza-se por confe- existe atrito entre as moléculas que se deslo-rir a um corpo forma e volume bem definidos. cam quando o fluido escoa, nem atrito entre oOs líquidos e os gases, ao contrário dos sóli- fluido e as paredes do condutor. De qualquerdos, não possuem forma própria: assumem, maneira, este problema de atrito só será im-naturalmente, a forma do recipiente que os con- portante no estudo dos fluidos em movimentotém. Os líquidos têm volume definido, enquanto (hidrodinâmica) e, basicamente, não influiráos gases, por serem expansíveis, ocupam todo sobre os fluidos em equilíbrio, cujo estudoo volume do recipiente que estejam ocupando. (hidrostática) é objeto inicial destes primeiros Fluido é uma substância que pode escoar capítulos.(fluir) e, assim, o termo inclui líquidos e gases, Podemos adiantar, entretanto, que a gran-que diferem, notavelmente, em suas deza que caracteriza o atrito entre as molécu-compressibilidades; um gás é facilmente com- las de um fluido é a viscosidade. Por exem-primido, enquanto um líquido é, praticamente, plo, você certamente já percebeu a diferençaincompressível. A pequena (mínima) variação marcante quando despejamos uma lata de óleode volume de um líquido sob pressão pode ser em um tanque ou no chão e outra igual cheiaomitida nas situações iniciais desta apostila. de água. Dizemos que o óleo é mais viscoso Como vimos acima, os líquidos têm volu- que a água, pois "flui" com maior dificuldademe definido, enquanto os gases, por serem que a água.expansíveis, ocupam todo o volume do reci-piente em que estejam contidos. Estes aspec-tos são importantes, pois em refinarias a apli- 1.2 Propriedades gerais dos fluidos ecação destes conceitos é fundamental no estu- diferença entre líquidos e gasesdo das características físicas e químicas, de A Hidrostática, como já foi citado anterior-vapores, gasolina, petróleo, GLP e outros de- mente, trata de estudar os fluidos em equilí-rivados. brio. Caracterizaremos, agora, algumas das Estado Forma Volume propriedades dos fluidos em equilíbrio, dando Sólido Definida Definido ênfase especial aos líquidos. Mostraremos al- Líquido Indefinida Definido gumas diferenças entre líquidos e gases e dei- Gasoso Indefinida Indefinido xaremos os gases para serem estudados com maior detalhe, posteriormente. 1.2.1 Propriedades gerais dos fluidos As propriedades dos líquidos que mostra- 7 remos a seguir são de fácil verificação experi- mental e as explicações teóricas são baseadas nas leis de Newton. Sólido Líquido Gasoso
  8. 8. Mecânica dos Fluidos 1. A superfície livre de um líquido em 4. Você já deve ter observado que, ao mer- equilíbrio é plana e horizontal. gulhar em uma piscina ou mesmo no mar, a "pressão" aumenta à medida em que é maior a profundidade que você alcança. Ou seja, ocorre uma variação de pressão, em função da profundida- de. O estudo desta propriedade, com de- talhes, será feito posteriormente. 2. A força exercida por um líquido sobre uma superfície qualquer é sempre per- pendicular (normal) a essa superfície. Isto pode ser constatado quando fura- mos um vaso que contém líquidos e observamos que este se projeta (derra- Observação: Nos capítulos futuros, mos- ma, escoa) perpendicularmente à pare- traremos o que vem a ser pressão e estabele- de do vaso. ceremos uma relação matemática para se cal- cular o valor da pressão a uma certa profundi- dade, sua influência e aplicações. 1.2.2 Diferença entre líquidos e gases Apesar dos líquidos e gases serem classi- ficados como fluidos, há algumas diferenças entre eles que podemos destacar. Uma primeira diferença já foi, de certa forma, apontada anteriormente, quando vimos que os gases, por serem expansíveis, ocupam 3. A terceira propriedade diz respeito à o volume total dentro de um recipiente, qual- imiscibilidade de líquidos de diferen- quer que seja sua capacidade. tes densidades, quando em equilíbrio. Quando colocamos um certo volume de É o que observamos, por exemplo, líquido num vaso de maior capacidade, ele entre o óleo de cozinha e a água que, ocupará somente uma parte do vaso, igual ao quando colocados em um mesmo re- seu próprio volume. cipiente, não se misturam, apresen- tando uma superfície de separação plana e horizontal. O óleo, por ser menos denso do que a água, se so- brepõe a ela. Uma segunda diferença a perceber entre os gases e os líquidos é a propriedade que têm Superfície os primeiros de serem facilmente compres-8 de separação síveis. Isto significa que podemos encerrar, num recipiente de 1 litro , como o da figura acima, uma quantidade bem maior de gás, o mesmo não ocorrendo com relação aos líquidos.
  9. 9. Mecânica dos Fluidos Uma diferença muito importante entre lí- Suponha, por exemplo, que a figura repre-quido e gás é a miscibilidade. Os líquidos, senta um bloco homogêneo de ferro. Sabemoscomo já vimos, nem sempre são miscíveis en- que sua massa (m) é igual a 15.200 kg.tre si, como no caso do óleo e da água, visto 2manteriormente. Os gases, ao contrário, sempre se mistu- 1mram homogeneamente entre si. Um exemplotípico é o ar atmosférico, constituído de nitro-gênio, oxigênio e outros gases em menor pro-porção. Um outro exemplo é o do maçaricooxi-acetilênico. O acetileno e oxigênio, pro- 1mvenientes de suas respectivas garrafas, se mis-turam no interior do maçarico. Observação: Há ainda muitas outras dife- Volume: V = 2m x 1m x 1m = 2m3renças entre fluido líquido e fluido gasoso, po- m 15.200 kgrém deixaremos que você perceba isto, à me- Como: µ = → µ=dida que estudar o comportamento dos gases V 2m 3e líquidos em diversas situações. µ = 7.600 kg / m31.3 Conceitos de massa específica, peso Observe que a massa específica está rela-específico e densidade cionada com a massa e o volume dos corpos. Para entendermos o estudo dos concei- Como massa, 1 kg de chumbo é igual a 1 kgtos que regem a mecânica dos fluidos em de isopor, porém o volume de isopor necessá-equilíbrio, isto é, a hidrostática, é importante rio para 1 kg é muito maior que o volume deque vejamos alguns conceitos básicos das chumbo necessário para o mesmo 1 kg.substâncias. Vamos mostrar isto através da massa es- Estudaremos as grandezas físicas “massa pecífica. A massa específica do isopor valeespecífica”, “peso específico” e “densidade”. 200 kg/m3 e a do chumbo 11.400 kg/m3. Va-Estas grandezas estão, de maneira geral, rela- mos calcular, aplicando a relação, µ = m/V , ocionadas com o estudo dos fluidos, portanto volume necessário de isopor e chumbo, paranos servirão tanto no estudo dos líquidos como se ter 1 kg de cada substância.no dos gases. Suas aplicações, porém, esten-dem-se aos sólidos. Para o chumbo 1 11.400 =1.3.1 Massa específica V Esta grandeza, característica específica de 1cada substância, é conhecida também pelo nome V= m3de densidade absoluta.Vamos representá-la aqui 11.400pela letra grega µ (mi). É definida pela relação V = 0,000087 m3 = 87 cm3entre a massa e o volume da substância conside- Para o isoporrada. 1 200 = v m 1 µ= V= 200 m3 v V = 0,005 m3 = 5.000 cm3 Se a massa é expressa em gramas (g) e o Constatamos que, realmente, o volume devolume em cm3, a massa específica, no siste- isopor é bem mais elevado do que o de chumbo.ma prático, é expressa em g/cm3 (gramas por De maneira geral, quando dizemos que um 9centímetro cúbico). No SI (Sistema Internaci- corpo tem massa específica elevada, isto sig-onal de Unidade), a massa é dada em quilo- nifica que ele contém uma grande massa emgramas e o volume em m3, portanto a massa um volume pequeno. Podemos dizer que oespecífica é expressa em kg/m3. corpo é muito denso.
  10. 10. Mecânica dos Fluidos Exemplo prático A massa específica da gasolina é µ = 0,66 g/cm3. Em um tanque com capacidade para 10.000 P litros (10 metros cúbicos), qual a massa de ρ= gasolina correspondente? V Solução: Podemos aplicar a definição de massa específica: P m µ= → m=µ.V Se o peso é expresso em Newton e o volu- V me em m3, a unidade de peso específico, no SI, será o N/m3. No sistema prático (CGS), esta Devemos, porém, antes de realizar os cál- unidade será expressa em dina/cm 3 e no culos, transformar litros em cm3 MKGFS (técnico) é kgf/m3. 1 litro = 1 dm3 Um quadro com as unidades de massa 1 dm3 = 1 dm x 1 dm 1 dm = 10 cm x 10 cm x específica e peso específico é apresentado a 10 cm = 1.000 cm3 seguir: Portanto: Grandeza m P V µ ρ Sistema 10.000 litros = 10.000 x 1.000 cm3 = 107 cm3 CGS dina cm3 g/cm3 g dina/cm3 (prático) Agora sim, podemos efetuar os cálculos. MKS/SI N m3 kg/m3 m=µ xV kg N/m3 (internacional) m = 0,66 g/cm3 x 10.000.000 cm3 MKGFS utm kgf m3 utm/m3 kgf/m3 m = 6.600.000 g (técnico) m = 6.600 kg Exemplo prático m = 6,6 toneladas Calcular o peso específico de um cano me- tálico de 6 kg e volume tubular de 0,0004 metros Conclui-se, então: Um tanque de 10 m3 cúbicos. de gasolina tem 6,6 toneladas do combustí- vel (aproximadamente). Peso = 6 x 9,8 = 58,8 N P ρ= V ρ = 58,8 / 0,0004 INFLAMÁVEL ρ = 147.000 N/m3 1.3.3 Densidade relativa Definiremos, agora, uma terceira grande- za física denominada densidade relativa ou simplesmente densidade. A densidade é defi- nida como a relação entre as massas específi- cas de suas substâncias. 1.3.2 Peso específico µA Definindo a massa específica pela rela- d= µB ção m/V, definiremos o peso específico de uma substância, que constitui um corpo ho- Em geral, usa-se a água como substância mogêneo, como a razão entre o peso “P” e o de referência, de modo que podemos expres- volume “V” do corpo constituído da substân- sar a equação acima da seguinte maneira:10 cia analisada. d= µ µ • Designaremos, simbolicamente, o peso H2O específico pela letra grega ρ (rô) A densidade é uma grandeza adimensio- • Lembrete: P = m . g (massa x acelera- nal, e, portanto, o seu valor é o mesmo para ção da gravidade) qualquer sistema de unidades.
  11. 11. Mecânica dos FluidosImportante Sabemos o volume de gasolina: Uma outra observação que devemos fazer Vg = VH + V0 = 75 + 35 = 100 cm3, porém, nãoé que, muitas vezes, encontraremos a densi- conhecemos a massa de gasolina.dade expressa em unidades de massa específi- Para calculá-la, é necessário saber as mas-ca. Nestes casos, se estará considerando a den- sas de heptano e octano.sidade absoluta (massa específica) igual à den- MH = µH . VH M0 = µ0 . V0sidade relativa tomada em relação à massa es- MH = 0,68 x 65 M0 = 0,70 x 35pecífica da água, que é igual a 1 g/cm3. MH = 44,2g M0 = 24,5g Mg = M H + M 0 Atenção → 1 g/cm3 = 1.000 kg/m3 Mg = 44,2 + 24,5 Substância Densidade (água) Densidade (hidrogênio) Mg = 68,7 gHidrogênio 0,00009 1,00 Mg 68, 7Nitrogênio 0,0012 14,03 µg = → µg =Ar 0,0013 14,43 Vg 100Oxigênio 0,0014 15,96CO2 0,002 22,03 µg = 0,687 g/cm3 Por exemplo, a massa de 1 litro (1000 cm3)de água é 1000 g; sua densidade, portanto, é 1.4 Variação da densidade de líquidos1000/1000 = 1 com a temperatura Observamos que uma substância qualquer, quando aquecida, se dilata, isto é, seu volume torna-se maior. Lembre-se do que acontece com o termômetro, para medir temperaturas. µ O mercúrio, quando aquecido, aumenta de vo- µ d= lume, subindo na escala. µ H2 O H2O Valores típicos de densidade absoluta (massaespecífica) à temperatura ambiente (condiçõesnormais), são dados na tabela abaixo. Densidade Densidade Apesar desse aumento de volume, a massa Material g/cm3 Material g/cm3 da substância permanece a mesma (lembre-seÁgua 1,0 Prata 10,5 de que a massa é uma grandeza constante). Vi-Latão 8,6 Aço 7,8Cobre 8,9 Mercúrio 13,6 mos que a densidade absoluta é a relação entreOuro 19,3 Álcool 0,81 massa e volume. Mantendo a massa constanteGelo 0,92 Benzeno 0,90 e fazendo o volume variar, estamos, automati-Ferro 7,8 Glicerina 1,26 camente, provocando uma variação na densi-Chumbo 11,3 Alumínio 2,7 dade da substância. A conclusão, portanto, é quePlatina 21,4 Gasolina 0,67 a densidade absoluta varia com a temperatura.Exemplo prático O heptano e o octano são duas substâncias Suponhamos uma experiência com os se-que entram na composição da gasolina. Suas guintes dados sobre o álcool metílico:massas específicas valem, respectivamente, 1. Para 30°C, m = 790 g, V = 1.000 cm30,68 g/cm3 e 0,70 g/cm3. Desejamos saber a 2. Quando a 50°C, ocorreu um acréscimodensidade da gasolina obtida, misturando-se 65 de 12 cm3 no volumecm3 de heptano e 35 cm3 de octano. Desejamos saber qual a densidade abso- 11 Solução: Para resolver o problema, deve- luta do álcool na temperatura de 30°C e 50°C.mos aplicar a relação: µ 30°C = m/V m µ 30°C = 790/1.000 µ= µ 30°C = 0,7900 g/cm3 V
  12. 12. Mecânica dos Fluidos Na temperatura de 50°C, o volume aumen- 1.5 Pressão nos fluidos tou de 12 cm3, portanto: V = 1.000 + 12 → V = 1.012 cm3 1.5.1 Conceitos básicos de pressão A massa não varia com a temperatura, daí: O conceito de pressão foi introduzido a µ 50°C = m/V → µ 50°C = 790/1.012 partir da análise da ação de uma força sobre uma superfície; já nos fluidos, o peso do flui- µ50°C = 0,7806 g/cm3 do hidrostático foi desprezado e a pressão su- Variação: 0,7900 – 0,7806 = 0,0094 g/cm3 posta tornou-se igual em todos os pontos. En- tretanto, é um fato conhecido que a pressão Neste caso, esta variação é pequena, pois atmosférica diminui com a altitude e que, num o aumento de volume também foi pequeno. A lago ou no mar, aumenta com a profundida- temperatura elevou-se de 30°C a 50°C. de. Generaliza-se o conceito de pressão e se Para maiores variações de temperatura, define, num ponto qualquer, como a relação maiores serão as variações de volume e, con- entre a força normal F, exercida sobre uma seqüentemente, os valores de densidade come- área elementar A, incluindo o ponto, e esta çam a diferir sensivelmente. Em se tratando área: de líquidos e sólidos, a dilatação tem pouco efeito sobre a apreciável alteração no volume, para variações de temperatura elevadas. A situação se modifica bastante em rela- F ção aos gases que apresentam grande dilata- Fy ção térmica. Fx Exemplo prático Um bloco de alumínio possui, a 0°C, um Quando você exerce, com a palma da mão, volume de 100 cm3. A densidade do alumínio, uma força sobre uma superfície (uma parede, a esta temperatura, é 2,7 g/cm3 . Quando vari- por exemplo), dizemos que você está exercen- amos a temperatura do bloco de 500°C, o vo- do uma pressão sobre a parede. A figura re- lume aumenta de 3%. Calcular a densidade do alumínio na temperatura de 500°C. presenta a força F aplicada em um determina- do ponto da superfície, onde a componente nor- µ 0ºC = m/V → m = µ 0ºC . V mal (Fx) da força atua realizando pressão. m = 2,7 x 100 → m = 270 g Observe, porém que, na realidade, a força apli- Variando a temperatura de 500°C, o volu- cada pela mão distribui-se sobre uma área, me cresceu 3% e passou a ser 103 cm3. Então: exercendo a pressão. µ 500°C = 270/ 103 µ 500ºC = 2,6 g/cm3 Definimos a pressão de uma força sobre uma superfície, como sendo a razão entre a for- Observação Importante ça normal e a área da superfície considerada. Na prática, a medida da densidade é uma Então: p = F/A técnica de grande importância, em muitas p = pressão circunstâncias. O estado da bateria de um automóvel pode ser testado pela medida da A = área da superfície, densidade de eletrólito, uma solução de áci- no qual F representa uma força normal à su- do sulfúrico. À medida que a bateria des- perfície. carrega, o ácido sulfúrico (H2 SO4) combi- Sendo a pressão expressa pela relação na-se com o chumbo nas placas da bateria e P = F/A, suas unidades serão expressas pela forma sulfato de chumbo, que é insolúvel, razão entre as unidades de força e as unidades decrescendo, então, a concentração da so- de área, nos sistemas conhecidos. lução. A densidade varia desde 1,30 g/cm3, Grandeza Pressão numa bateria carregada, até 1,15 g/cm3, Sistema Área (A) Força (F) (P = F/A) numa descarregada. Este tipo de medida é CGS12 rotineiramente realizado em postos de ga- (prático) cm2 dina dina/cm2 solina, com o uso de um simples hidrôme- MKS/SI tro, que mede a densidade pela observação m2 N N/m2 (internacional) do nível, no qual um corpo calibrado flutua MKGFS m2 kgf kgf/m2 numa amostra da solução eletrolítica. (técnico)
  13. 13. Mecânica dos Fluidos A unidade SI é também conhecida pelo Pressão Atmosférica = 1 atm = 760 mmHg = 10,3 m (H2O) = 105 N/m2nome PASCAL, abreviando-se Pa. 1 N/m2 = 1 Pa Outras unidades utilizadas • Libras força por polegada quadrada = Lbf/pol² • Atmosfera técnica métrica = atm • Milímetros de mercúrio = mmHg As unidades atm e o mmHg surgiram dasexperiências realizadas por TORRICELLI (físi- Pabs = 1,03 kgf/cm2co italiano), para medir a pressão atmosférica. Pabs = 14,7 psi 1 atm = 1 kgf/cm2 = 1 bar1.5.2 Experiência de Torricelli 1.5.3 Variação da pressão com relação à O físico italiano pegou um tubo de vidrode cerca de 1m de comprimento, fechado em profundidadeuma das extremidades. Encheu o tubo de mer- Se você mergulhar, já deve ter percebidocúrio, tampou a extremidade aberta, com o que, ao afundar na água, a pressão aumentadedo, e inverteu o tubo, introduzindo-o em uma (lembre-se da dor que você sente no ouvido).cuba de mercúrio. Observou, então, que o tubo O mesmo fenômeno pode ocorrer na atmosfe-não ficava completamente cheio, isto é, o ní- ra, quando você desce de uma montanha. Ovel de mercúrio diminuía no interior do tubo, aumento de pressão, neste caso, também afetamantendo uma altura de cerca de 760 mm em o seu ouvido.Vejamos, então, como calcularrelação ao nível de mercúrio da cuba. esta variação de pressão que os corpos experimen- tam à medida que se aprofundam num fluido. Vácuo Consideremos o caso particular de um reci- Tampa A piente cilíndrico que contém um líquido de mas- sa específica µ até uma altura h acima do fundo. 76 cm P atm → g↓ h(a) (b) (c) A experiência comprova a existência da Como P = mg (peso), m = µV(massa),pressão atmosférica, ou seja, a coluna de mer- V = Ah(volume) e p = F/A(pressão)cúrio equilibra-se por ação da pressão que a at- Temos P = µghmosfera exerce sobre a superfície livre de mer-cúrio na cuba, e esta pressão é numericamente Pressão total no fundoigual ao peso de uma coluna de mercúrio de Esta pressão será dada pela pressão atmos-760 mm de altura.Variações em torno deste va- férica que age sobre a superfície livre do lí-lor serão obtidas segundo o local em que se re- quido, mais a pressão que, devido ao peso doalize a experiência. Ao nível do mar, obtem-se líquido, age sobre o fundo do recipiente.760 mmHg. Em lugares mais altos, como a pres- ATMsão atmosférica é menor, a altura da coluna lí-quida de mercúrio também será menor. h No alto do monte “Everest”, por exem-plo, a experiência acusaria uma pressão at-mosférica da ordem de 300 mmHg. A experiên-cia também pode ser realizada com outros líqui-dos que não o mercúrio. A altura da coluna é Teremos, então: 13inversamente proporcional à densidade do líqui- Pressão total = pressão atmosférica + pressãodo empregado. Isto significa que quanto menor da coluna líquidaa densidade do líquido, maior a altura da coluna. Pt = P(atm) + P(liq) → Pt = Patm + µgh sendoNo caso da água, atingiria o valor de 10,3 m. ∆P = µgh
  14. 14. Mecânica dos Fluidos Diferença de pressão P = Patm + µhg Analisando a situação anterior, vamos de- duzir a fórmula que fornece a diferença de pres- A pressão atmosférica, no CGS, vale: são entre pontos de profundidade diferente. 1 atm = 101,325 N/m2 e 1 N = 105 dina e 1 m2 = 104 cm2 g 1 atm = 1.013.250 dina/cm2 Podemos arredondar e usar A Patm = 1,01 x 106 dina/cm2 h g = 10 m/s2 = 1.000 cm/s2 B Levando os valores à fórmula: P = 1,01 x 106 + 0,67 x 1.000 x 100 P = 1,01 x 106 + 6.700 P = 1.010.000 + 6.700 Temos PB = PA + P(liq) → PB – PA = µgh P = 1.016.7000 ou arredondando sendo ∆P = µgh P = 1,02 x 106 dina/cm2 Esta relação é conhecida como Lei de Stevin ou equação fundamental da hidrostática 1.5.4 Medidores de pressão e pode ser enunciada da seguinte maneira: O tipo mais simples de medidor de pres- “A variação da pressão entre dois pontos são é o manômetro de tubo aberto, representa- quaisquer de um fluido é igual ao produto do na figura abaixo. de sua massa específica pela diferença de Consiste num tubo em forma de U, con- nível entre os dois pontos e pela aceleração tendo um líquido, uma extremidade estando da gravidade”. à pressão P que se deseja medir, enquanto a Para compreendermos melhor, vejamos a outra é aberta na atmosfera, à pressão Pa. situação abaixo: P2 = Pa P2 = Pa A B h2 – h1 PA = PB < PC h2 – h1 h2 – h1 (h) (h) Pressão P y2 C escala P1 = Pa P1 = P h1 y1 Exemplo prático (a) (b) Um recipiente contém gasolina. Qual a pressão exercida pela gasolina a uma distân- O barômetro de mercúrio é um tubo longo, cia de 100 cm abaixo de sua superfície, dado de vidro, cheio deste metal e invertido numa g = 10 m/s2 e µ = 0,67 g/cm3? cuba também contendo mercúrio. O espaço Aplica-se a lei de Stevin. Neste exemplo, acima da coluna contém somente vapor de mer- trabalharemos com o sistema CGS (prático). cúrio, cuja pressão, em temperatura ambiente, é tão pequena que pode ser desprezada. Vê-se, facilmente, que: 100cm Pa = µg(y2 – y1) = µgh14 Como vimos, a unidade SI de pressão é o Pascal (1Pa), igual a um Newton por metro quadrado (1 N.m–2). Uma unidade relaciona- da é o bar, definido como 105 Pa. Por serem o
  15. 15. Mecânica dos Fluidosbarômetro e o manômetro de mercúrio alturas hA = hB = hC sejam iguais entre si, istofreqüentemente usados em laboratórios, é é, hA = hB = hC.costume expressar a pressão atmosférica e Podemos concluir que, num sistema deoutras em “polegadas, centímetros ou milí- vasos comunicantes, como o mostrado na fi-metros de mercúrio”, embora não sejam uni- gura, as superfícies livres do líquido estão to-dades reais de pressão. A pressão exercida das no mesmo nível, nos diversos vasos dopor uma coluna de um milímetro de mercú- sistema.rio é comumente chamada um torr, em ho- Este princípio dos vasos comunicantesmenagem ao físico italiano já citado anterior- permite, por exemplo, que você possa transfe-mente. rir um líquido de um reservatório para outro, Um tipo de medidor, normalmente usa- sem necessidade de bombeamento, como sedo pelos médicos, para medida da pressão vê na figura abaixo:sangüínea contém um tipo de manômetro.Medidas de pressão sangüíneas, como 130/80,referem-se às pressões máxima e mínima,medidas em milímetros de mercúrio ou torr.Devido à diferença de altura, a pressão hi-drostática varia em diferentes pontos do cor-po; o ponto de referência padrão é o antebra-ço, na altura do coração. A pressão também éafetada pela natureza viscosa do fluxosangüíneo e pelas válvulas ao longo do siste-ma vascular, que atuam como reguladores depressão. Uma aplicação também importante deste princípio é que ele nos permite calcular a den-1.6 Princípio dos vasos comunicantes sidade absoluta dos líquidos. O dispositivo da figura abaixo, demons- Suponhamos um vaso comunicante, notra como ocorre o princípio dos vasos comu- qual colocamos dois líquidos imiscíveis, pornicantes. exemplo, água e óleo. Patm Patm Patm hA hB hC água A B C (A) Patm Na figura, os pontos A,B, e C estão situa- Patmdos a um mesmo nível em relação à superfícielivre e, portanto, as pressões PA, PB, e PC sãoiguais entre si. h óleo óleo h Suponha que o líquido tenha massa espe- águacífica µ. As pressões PA, PB, e PC são, respecti- Avamente: B PA = Patm + µghA água (B) PB = Patm + µghB 15 PC = Patm + µghC Na figura A, temos somente água no tubo, e, na figura B, colocamos óleo. Neste caso, as Para que sejam efetivamente iguais, como alturas são diferentes, pois as densidades dosdeduzimos anteriormente, é necessário que as líquidos são diferentes.
  16. 16. Mecânica dos Fluidos Com a introdução de óleo, a água teve sua Quando comprimimos o êmbolo 1, o altura alterada. À medida que o sistema tende acréscimo de pressão transmite-se pelo líqui- ao equilíbrio, a água pára de subir no ramo di- do e atinge o êmbolo 2, que é móvel. Entre reito e as pressões nos dois ramos se igualam. este êmbolo, que possui na sua parte superior Vamos calcular essas pressões. Temos, uma plataforma móvel, e a plataforma fixa, é como nível de referência, a linha que passa pela colocado o corpo que se deseja comprimir. superfície de separação dos dois fluidos. A força F1 exercida no êmbolo de área A1 Observe a figura b. As pressões, nos pon- provoca um acréscimo de pressão no líquido: tos A e B são, respectivamente: P = F/A = F1/A1. Pelo princípio de Pascal, este acréscimo de pressão transmite-se pelo líqui- PA = Patm + µ0h0g O = óleo do, atingindo, neste caso, o êmbolo de área PB = Patm + µAhAg A = água A2. Se a área aumentou, a força exercida so- Já sabemos que PA e PB são iguais, pois bre o êmbolo também crescerá a fim de man- ter constante a pressão. Portanto: representam pressões aplicadas no mesmo ní- F1 vel de um líquido em equilíbrio, então: PA = PB Patm = µ0h0g = Patm + µAhAg µ0h0g = µAhAg → → µ h A1 A2 µ0h0 = µAhA ou 0 = A µA h0 Com esta expressão, podemos calcular a densidade absoluta do óleo de qualquer outro não miscível. F2 1.7 Princípio de Pascal (prensas hidráulicas) O princípio de Pascal pode ser enunciado Exemplo prático da seguinte maneira: Os pistões de uma prensa hidráulica de um “Um acréscimo de pressão, num ponto sucateador de automóveis têm, respectivamen- qualquer de um líquido em equilíbrio, trans- te, 1 m e 3 m de diâmetro. Uma força de 100 kgf mite-se integralmente a todos os pontos do lí- atua no pistão menor. Que força deve ser aplica- da pelo pistão maior, para funcionar a prensa? quido”. Isto significa que, quando aumentamos de uma quantidade P a pressão exercida na su- perfície livre de um líquido em equilíbrio, to- dos os pontos do líquido sofrerão o mesmo acréscimo de pressão P. Uma aplicação práti- ca do princípio de Pascal é a da prensa hidráu- lica, ilustrada na figura abaixo. Corpo a Plataforma fixa comprimir f Plataforma Você já sabe que: p = F/A → Fa /Aa= Fb/Ab → móvel 2 1 Como, neste caso, os pistões são cilíndricos, e as áreas de suas bases são respectivamente: Aa = πr²; como r = d/2 então Aa = πd²/416 Ab = πR2; como R = D/2 então: Ab = πD²/4 Fa/Aa = Fb/Ab, Líquido substituindo, teremos: Fb = 900 kgf
  17. 17. Mecânica dos Fluidos1.8 Princípio de Arquimedes (empuxo) Você sabia??? Você já deve ter observado que os corpos, O peso de um dirigível flutuando no ar,quando imersos em água, perdem “aparentemen- ou de um submarino a uma certa profundi-te” um pouco de seu peso, ou seja, é mais fácil dade, é exatamente igual ao do volume delevantar um corpo dentro da água do que fora ar ou de água deslocado, que é exatamentedela. Podemos presumir, portanto, que a água igual ao volume do dirigível ou do subma-exerce uma força sobre o corpo, de modo a equi- rino. Dessa maneira, as densidades médiaslibrar o peso resultante. Esta força exercida pelo do dirigível e do submarino são iguais à dofluido sobre o corpo é chamada de empuxo. ar e da água, respectivamente. Arquimedes enunciou, então, o seguinteprincípio: Cálculo do Empuxo E “Todo corpo imerso em um fluido, estásujeito à ação de uma força vertical de baixopara cima (empuxo), cujo módulo é igual aopeso da quantidade de fluido deslocada”. P E • O peso do corpo vale: P = mg, ou ainda, PC já que m = µV (A) P = µcVc . g onde Vc é o volume do corpo. • Quando o corpo está mergulhando no fluido, ele desloca um certo volume E deste fluido (dois corpos não ocupam o mesmo lugar no espaço, simultanea- mente) e recebe um empuxo E. • Esse líquido deslocado tem um certo PC peso e o empuxo representa o peso do (B) líquido deslocado, quando da imersão do corpo. Analisemos, agora, a influência do pesonas diversas situações: E = peso líquido deslocado E = mL . g E E  E = µLVd . g  m ––massa dode líquido deslocado Vd volume líquido deslocado  P Exemplo prático P Um cilindro de 40 cm de altura está par- P>E P<E cialmente imerso em óleo (0,90 g/cm3). A par- Corpo afunda Corpo sobe te do cilindro que está fora do óleo, tem 10 cm de altura. Calcule a massa específica de que é E feito o cilindro. E P h H P 17 P=E P=E Corpo em equilíbrio, corpo em equilíbrio, totalmente imerso parcialmente imerso. Óleo – µ = 0,90 g/cm3
  18. 18. Mecânica dos Fluidos Se o corpo flutua, significa que ele está em equilíbrio. Portanto, é válido escrever que: P = E. Já vimos, porém, que: P = µcVc g e E = µLVd g Logo: µcVc g = µLVd g µcVc = µLVd (1) Não sabemos o valor de Vc e tampouco m Vd. Todavia, sabemos calcular o volume de um µ = 1g/cm3 cilindro que é igual à área da base, vezes a Η2Ο altura. Vc = A x H e O corpo é pesado dentro e fora dágua, in- Vd = A x h dicando, respectivamente, as massas m e m. Quando o corpo está totalmente imerso no lí- Lembre-se de que Vd é o volume de líqui- quido, temos que: do deslocado que, neste caso, é igual ao volu- Vc = Vd me da parte imersa do corpo. Reescrevendo a Vc = m/µc Vd = mL/µL expressão (1), obtemos: Portanto: m/µc = mL/µL µcA x H = µLA x h µc x H = µL x h, ou ainda, µc = m/mL x µL µc = µL x h/H Observe que mL é a massa do líquido des- locado quando o corpo foi imerso; se o corpo Aplicando os dados numéricos tinha massa m e passou a ter massa m’, signi- µL = 0,90 g/cm3, h = 30 cm, H = 40 cm fica que mL = m – m’. µc = 0,90 x (30/40) Portanto, a expressão acima pode ser es- µC = 0,675 g/cm3 crita: µc = m/m – m’ . µL 1.9 Princípio de funcionamento de densímetros 1.9.3 Vaso de Pisani 1.9.1 Os densímetros O vaso de Pisani é mostrado na figura abaixo: Os densímetros são aparelhos destinados a medir a densidade dos corpos. Vimos os métodos analíticos de calcular e analisar a densidade. Além destes métodos, ve- jamos aparelhos destinados a medir a densi- dade dos corpos e que também se baseiam no princípio de Arquimedes. 1.9.2 Método da balança hidrostática O corpo de massa m é abandonado, sua- vemente, na superfície do líquido. Recolhe-se líquido que extravasa o recipiente e determi- na-se sua massa mL. Esta água foi deslocada pelo corpo, logo, tem o mesmo volume que ele: V c = Vd18 m E chegamos à mesma conclusão que no método anterior: µc/µL = m/mL
  19. 19. Mecânica dos Fluidos1.9.4 Hidrômetro (densímetro) Este é um dispositivo que usa o princípioda flutuação, para determinar a densidade deum líquido por leitura direta. Haste graduada Lastro O hidrômetro é constituído de um reci-piente de vidro que compreende uma haste finagraduada e uma ampola inferior que contémlastro de mercúrio ou esferas de chumbo. Ao ser introduzido no líquido, o hidrôme-tro flutua. Se o líquido é muito denso, o volu-me do hidrômetro mergulhado será pequeno.À medida que a densidade do líquido diminui,mais o hidrômetro submerge. Anotações 19
  20. 20. Mecânica dos Fluidos Conceitos de hidrodinâmica aplicados 2 No início de qualquer escoamento, o mes- 2.1 Introdução A hidrodinâmica é o estudo de fluidos em mo é instável, mas, na maioria dos casos, pas- movimento. É um dos ramos mais comple- sa a ser estacionário depois de um certo perío- xos da Mecânica dos Fluidos, como se pode do de tempo. A velocidade em cada ponto do ver nos exemplos mais corriqueiros de flu- espaço, no escoamento estacionário, perma- xo, como um rio que transborda, uma barra- nece constante em relação ao tempo, embora a gem rompida, o vazamento de petróleo e até velocidade de uma determinada partícula do a fumaça retorcida que sai da ponta acesa de fluido possa variar ao longo da linha de escoa- um cigarro. Embora cada gota dágua ou par- mento. tícula de fumaça tenha o seu movimento de- Linha de corrente é definida como uma terminado pelas leis de Newton, as equações curva tangente, em qualquer ponto, que está resultantes podem ser complicadas demais. na direção do vetor velocidade do fluido na- Felizmente, muitas situações de importância quele ponto. No fluxo estacionário, as li- prática podem ser representadas por mode- nhas de corrente coincidem com as de es- los idealizados, suficientemente simples para coamento. permitir uma análise detalhada e fácil com- preensão. 2.2.1 O escoamento O movimento de fluidos pode se proces- 2.2 Conceitos fundamentais sar, fundamentalmente, de duas maneiras di- Inicialmente, vamos considerar apenas o ferentes: que é chamado fluido ideal, isto é, um fluido – escoamento laminar (ou lamelar); incompressível e que não tem força interna de – escoamento turbulento. atrito ou viscosidade. A hipótese de incom- pressibilidade é válida com boa aproximação O escoamento laminar caracteriza-se pelo quando se trata de líquidos; porém, para os gases, só é válida quando o escoamento é tal movimento ordenado das moléculas do flui- que as diferenças de pressão não são muito do, e todas as moléculas que passam num dado grandes. ponto devem possuir a mesma velocidade. O O caminho percorrido por um elemento movimento do fluido pode, em qualquer pon- de um fluido em movimento é chamado li- to, ser completamente previsto. nha de escoamento. Em geral, a velocidade do elemento varia em módulo e direção, ao longo de sua linha de escoamento. Se cada elemento que passa por um ponto tiver a mesma linha de escoamento dos preceden- tes, o escoamento é denominado estável ou estacionário. O escoamento turbulento é o contrário do escoamento laminar. O movimento das molé-20 culas do fluido é completamente desordena- do; moléculas que passam pelo mesmo ponto, em geral, não têm a mesma velocidade e tor- na-se difícil fazer previsões sobre o compor- tamento do fluido.
  21. 21. Mecânica dos Fluidos fluido, em dada seção do condutor, pela área (A) da seção considerada, ou seja: Q = Av Para demonstrar, suponhamos um condu- tor de seção constante. L 1 2 O escoamento turbulento não é interessan-te devido às desvantagens e perigos que suapresença pode acarretar. Quando um corpo se Amove através de um fluido, de modo a provo-car turbulência, a resistência ao seu movimento vé bastante grande. Por esta razão, aviões, car-ros e locomotivas são projetados de forma a O Volume escoado entre as seções (1) eevitar turbulência. No caso de refinaria, a preo- (2) de área A é igual:cupação é com o escoamento de produtos pe- V=A.Lrigosos. Porém L = vt (o movimento é uniforme)2.2.2 Vazão e Débito em escoamento uniforme e, daí, temos que: A vazão ou débito de um fluido é a razão V = A vtentre o volume de fluido escoado em um tem-po e o intervalo de tempo considerado. Como Q = V/t , temos: Q = Av Exemplo prático Um condutor de 20 cm2 de área de secção reta despeja gasolina num reservatório. A ve- locidade de saída da água é de 60 cm3/s. Qual a vazão do fluido escoado? Q = V/t Onde V é o volume escoado no tempo t, eQ é a vazão. As unidades de vazão, você pode obser-var, são resultantes da razão entre unidades devolume e unidades de tempo. Assim: Solução Grandeza Sistema Volume (V) Tempo (t) Vazão (Q) Sabemos que a vazão Q é dada por Q = V/TCGS (prático) cm3 S cm3/s ou Q = AvMKS (internac) SI m3 S m3/ Neste caso, torna-se evidente que deve-MKGFS (técnico) m3 S m3/s mos usar a relação Q = Av, porque conhece- mos a velocidade do fluido e a área da secção São ainda muito usadas as unidades litro reta do condutor.por segundo e metro cúbico por hora (m3/h). V = 60 cm3/s A = 20 cm2 21Se tivermos num condutor um fluido em es- Q = Avcoamento uniforme, isto é, o fluido escoandocom velocidade constante, a vazão poderá ser Q = 20 x 60calculada multiplicando-se a velocidade (v) do Q = 1.200 cm3/s
  22. 22. Mecânica dos Fluidos Suponha que, no exemplo, o reservatório obrigação que vb e vc sejam iguais a va. O im- tenha 1.200.000 cm3 de capacidade. Qual o portante é que toda partícula que passe por B tempo necessário para enchê-lo? tenha a mesma velocidade vb e por C a mesma Solução velocidade vc. Temos V = 1.200.000 cm3 Se unirmos os pontos A, B e C, temos a Q = 1.200 cm3/s trajetória de qualquer partícula que tenha pas- T=? sado pelo ponto A. Esta trajetória é conhecida pelo nome de linha de corrente. Aplicando a relação Q = V/t, tiramos t = V/Q Suponhamos, agora, um fluido qualquer t = 1.200.000/1.200 t = 1.000 segundos escoando em regime permanente no interior t = 16 minutos 40 s de um condutor de secção reta variável. Exemplo prático Uma bomba transfere óleo diesel em um reservatório à razão de 20 m3/h. Qual é o vo- lume do reservatório, sabendo-se que ele está completamente cheio após 3 horas de funcio- namento de bomba? A velocidade do fluido no ponto A1 é V1, e no ponto A2 é V2 . A1 e A2 são áreas da secção reta do tubo nos dois pontos considerados. Já vimos que Q = V/t e Q = Av, portanto Solução podemos escrever que: Temos que Q = 20 m3/h V/t = Av t=3h V = A vt V=? Sabemos, ainda, que a massa específica é Q = V/t V=Qxt definida pela relação: V = 20 x 3 µ = m/V V = 60 m3 m = µV m = µAvt 2.2.3 Equação da continuidade nos escoamentos Podemos, então, dizer tendo em vista Dizemos que um fluido encontra-se es- esta última equação, que a massa de fluido coando em regime permanente quando a veloci- passando através da secção A1 por segundo dade, num dado ponto, não varia com o tempo. é m = µ1A1v1; e que a massa de fluido que atra- vessa a secção A2, em cada segundo é igual a vC m = µ2A2v2. C Estamos supondo aqui que a massa espe- cífica do fluido varia ponto a ponto no interior do tubo. A massa de fluido, porém, permane- ce constante, desde que nenhuma partícula flui- B da possa atravessar as paredes do condutor. vB Portanto, podemos escrever: A va µ1A1v1 = µ2A2v2 Assim, considerando A como um ponto Esta é a equação da continuidade nos22 qualquer no interior de um fluido, este estará escoamentos em regime permanente. Se o flui- em regime permanente, desde que toda partí- do for incompressível, não haverá variação de cula que chegue ao ponto A passe com a mes- volume e, portanto, µ1 = µ2 e a equação da ma velocidade e na mesma direção. O mesmo continuidade toma uma forma mais simples, é válido para os pontos B e C, porém não há qual seja A1v1 = A2v2 ou Q1 = Q2.
  23. 23. Mecânica dos Fluidos Esta relação nos mostra que onde a área da Exemplo práticosecção do condutor for maior, a velocidade de escoa- Calcular a velocidade do fluido na parte maismento da massa fluida é menor e vice-versa. larga do condutor mostrado na figura abaixo:Exemplo prático Considere um fluxo de água num condu- v1 = 5,0 cm/stor de 15 cm de diâmetro com velocidade de v2 = ?8,5 cm/s. Em determinado ponto, há um A1 = 40 cm2estreitamento de diâmetro igual a 10 cm. Qual A2 = 150 cm2a velocidade da água neste estreitamento? Solução Aplicamos a equação da continuidade: Av A1v1 = A2v2 → v2 = 1 1 A2 40 x 5 200 v2 = → v2 = → v2 = 1,3 cm/s 150 150 Solução 2.2.4 Tipos de medidores de pressão Podemos aplicar diretamente a equação da Dois aparelhos são utilizados para medircontinuidade. a vazão de um fluido em escoamento. Nenhum A1v1 = A2v2 dos dois fornece uma leitura direta da vazão, A1 havendo necessidade de cálculo suplementar V2 = V1 para se obter o resultado desejado. A2 V1 = 8,5 cm/s Tubo de Pistot A1 = πr21 = π x 7,52 = = 56,25 πcm2 É constituído, basicamente, de um tubo em A2 = r22 = π x 52 = 25 πcm2 forma de U, provido de duas aberturas que per- 56, 25π . manecem imersas no fluido. Por uma torneira V2 = 8,5 T (vide figura), pode-se aspirar o fluido e me- 25π dir o desnível h que se estabelece entre os dois V2 = 19,12 cm/s ramos do tubo. A expressão para calcular a vazão é a seguinte:Exemplo prático Um duto de secção retangular possui um Q=A 2h / µestreitamento cuja área de secção é de 100 cm2.Certo líquido flui no duto à razão de 90 litros/min. Sendo: A – área da secção reta do tuboCalcular a velocidade do líquido no por onde o fluido escoa.estreitamento. µ – Massa específica do fluido. h – Altura manométrica. Solução T O problema nos fornece vazão do líquidono interior do duto em sua parte mais larga. hSabemos que: Q1 = Q2 A B Q1 = A2v2 Logo, v2 = Q1/A2 T Devemos estar atentos para as unidades.Trabalhemos no sistema CGS. h 23 Q1 = 90 l/ min = 90 dm3/60s = 90.000 cm3/60s Q1 = 1.500 cm3/s v2 = Q1/A2 A B V2 = 1.500/100 V2 = 15 cm/s
  24. 24. Mecânica dos Fluidos Medidor Venturi 2 x 1.000 (13, 6 − 0,90) x 10 Constitui-se de uma seção convergente Q = 16 π que reduz o diâmetro da canalização entre a 0,90 metade e um quarto. Segue-se uma seção di- 20.000 x 12, 7 vergente (vide figura a seguir). A função da Q = 16 π seção convergente é aumentar a velocidade do 0, 90 fluido e temporariamente diminuir sua pres- são. A diferença de pressões entre a entrada 25, 4 x 104 Q = 16 π = 16 π 28, 2 x 104 do Venturi e a garganta é medida num 0,90 manômetro de mercúrio. O cone divergente Q = 16π 5,3 x 102 serve para a área de escoamento e para reduzir Q = 26.700 cm3/s, a perda de energia. ou Q = 26,7 litros /s a v A µ 2.2.5 Métodos de medida e Viscosímetros Quando você introduz um tubo de vidro em água e logo o retira, pode observar que no extremo do tubo permanece pendurada uma garganta gota do líquido. Há, portanto, uma aderência h entre o líquido e o sólido que mantém a gota em repouso, impedindo-a de se desprender por ação da gravidade. Para se calcular a vazão, usa-se a equação Quando um fluido qualquer escoa sobre da continuidade e a equação de Bernouilli, ob- uma placa plana horizontal, observa-se que a tendo-se a seguinte expressão: camada de fluido que está em contato com a 2g (µ − µ) h superfície da placa encontra-se em repouso Q=a devido ao fenômeno da aderência. µ Pequena viscosidade em que: a – área da secção reta na garganta do Venturi µ – massa específica do líquido do manômetro µ – massa específica do fluido em es- coamento h – altura manométrica Grande viscosidade g – aceleração da gravidade Exemplo prático Benzeno flui num medidor Venturi que tem 20 cm de diâmetro na sua parte mais larga e 8 cm na garganta. A pressão manométrica A velocidade das partículas fluidas nas lida no manômetro é de 10 cm Hg. Calcular a diferentes camadas vai aumentando gradativa- vazão do benzeno, sabendo-se que sua massa mente, à medida que é maior a distância da específica vale 0,90 g/cm3 e que Hg = 13,6 g/cm3; camada em relação à superfície da placa. g = 10 m/s2. As camadas sucessivas do fluido têm, por- Solução tanto, diferentes velocidades. Isto implica que Apliquemos a equação de vazão para o cada camada tende a retardar o movimento da medidor Venturi: vizinha, que se move com maior velocidade e, a = πR2 = π x (20/2)2 = 100 π cm2 ao contrário, acelerar a camada vizinha com a = πR2 = π x (8/2) = 16 π cm2 menos velocidade. Assim, numa determinada24 µ = µHg = 13,6g/cm3; µ = 0,90 g/cm3 camada de fluido atuam duas forças: uma na di- h = 10 cm; g = 10 m/s2 = 1.000 cm/s2 reção do escoamento e outra em sentido oposto. 2g (µ − µ) h F2 F1 Q=a µ Escoamento
  25. 25. Mecânica dos Fluidos Estas forças surgem devido ao que cha- 2.2.6 Viscosímetrosmamos de viscosidade do fluido. A viscosi- Um viscosímetro ou viscômetro é um ins-dade é, para fluidos, uma grandeza análoga ao trumento para medir viscosidades. A opera-atrito, ou seja, a viscosidade é uma espécie de ção de um viscosímetro depende da realiza-atrito entre as partículas do fluido que se mo- ção de um escoamento laminar sob certas con-vem com velocidades distintas. Em geral, expressamos este atrito entre as dições controladas.partículas dos fluidos pela grandeza denomi-nada coeficiente de viscosidade ou simples- Viscosímetro Sayboltmente viscosidade, que é característica para Este tipo de instrumento de medida e afe-cada fluido. rição é muito utilizado em indústrias, princi- Denotaremos o coeficiente de viscosida- palmente para produtos de petróleo e lubrifi-de pela letra grega η (eta). cantes em geral. tensão de cisalhamento F/A O líquido a ser testado é introduzidoη= = taxa de variação da deformação de cisalhamento υ/l num tubo com uma rolha na extremidade inferior. Este tubo é imerso num banho lí- ν F = ηA quido para manter a temperatura do líquido l a testar. Quando o equilíbrio térmico é esta- belecido, a rolha é retirada e o tempo neces-Lei de Poiseuille É evidente, pela natureza geral dos efeitos sário para 60 mililitros de fluido escoarem,viscosos, que a velocidade de um fluido visco- é medido. Este tempo, medido em segundos,so, que escoa através de um tubo, não será cons- é chamado de leitura universal Saybolt. En-tante em todos os pontos de uma secção reta. A tra-se num gráfico viscosidade x tempo ecamada mais externa do fluido adere às paredes obtém-se o valor da viscosidade. Um des-e sua velocidade é nula. As paredes exercem so- ses gráficos é mostrado a seguir, para a tem-bre ela uma força para trás e esta, por sua vez, peratura de 38°C.exerce uma força na camada seguinte na mesma µdireção e assim por diante. Se a velocidade não g/cm3for muito grande, o escoamento será lamelar, avelocidade atingirá um máximo no centro dotubo, decrescendo a zero nas paredes. µ0 Como vimos, o escoamento é semelhanteao do movimento de vários tubos telescópios θ = 38oCque deslizam um em relação ao outro: o tubocentral avança mais rapidamente, enquanto oexterno permanece em repouso. o C T Considere a variação de velocidade em t0relação ao raio de um tubo, cujo raio interno éR, através do qual escoa um fluido coaxial, com Correlação entre a leitura universalum tubo, de raio r e comprimento. A força, na Saybolt (óleos) e a Viscosidadeextremidade esquerda do tubo, é µ1 π r2 e, nadireita, é µ2 π r2. A força propulsora é: F = (µ1 – µ2– ) π r 2Unidades de viscosidade CGS ......................................dina.s/cm2 MKS .....................................N.s/m2 MKgfS ..................................kgf.s/m2 A unidade dina.s/cm2 é conhecida pelo 38oC 25nome de POISE. Outras unidades de viscosidade são: • o centipoise – 1 cp = 10–2 poise 38 • o micropoise – 1 µp = 10–6 poise
  26. 26. Mecânica dos Fluidos Observe que o gráfico apresenta valores A pressão em C, que tende a suportar o de viscosidade cinemática. Esta grandeza que líquido no tubo, é igual à pressão atmosférica, vamos expressar pela letra grega ν (nu) é defi- menos o peso da coluna de líquido BC. nida pela razão entre a viscosidade dinâmica Pc = Patm − µgh BC (η) e a massa específica da substância. e Patm = Pc + µgh BC Patm = PA + µgh DB ν = η/µ A viscosidade que estudamos até o mo- Portanto: mento (η) é chamada de viscosidade dinâmica. PA + µghDB = Pc + µghBC A unidade de viscosidade cinemática é o Como hBC é maior que hDB, para a igualda- cm /s (no CGS). 2 de acima ser verdade, a pressão que empurra o líquido em A deve ser maior que a pressão Exemplo prático que suporta o líquido em C. A leitura Saybolt para um óleo a 38°C, tendo massa específica 0,92 g/cm3 é 100 se- PA – PC = µg (hBC – hDB) gundos. Qual a viscosidade dinâmica do Estabelece-se, portanto, uma corrente de óleo? líquido desde A até C, enquanto o extremo Solução: C permaneça mais baixo que o nível do lí- Sabemos que: ν = η/µ , daí vem que η = ν . µ quido (D). O valor de é obtido do gráfico. Entramos Para fazer o sifão funcionar, é necessá- com t = 100 s e obtemos = 0,20 cm2/s. rio enchê-lo, previamente, com o líquido ou, η = 0,20 x 0,92 então, depois de introduzi-lo no recipiente, η = 0,18 poise aspirar pelo outro extremo. Aríete hidráulico – o Aríete hidráulico 2.2.7 Princípio de funcionamento do Sifão e ou martelo hidráulico, ou ainda carneiro hi- dráulico, é um dispositivo para elevar um efeitos do Golpe de Aríete (martelo hidráulico) líquido, que aproveita a própria energia do Sifão – um sifão nada mais é que um tubo líquido. encurvado, aberto nos extremos e com um ramo maior que o outro. Nível de B montante hDB D Ar hBC A Altura Recalque da queda C Válvula B Enchendo o tubo com líquido e introdu- Válvula A zindo o extremo da parte mais curta num re- cipiente contendo o mesmo líquido com que Quando se fecha bruscamente a válvu- se encheu o sifão, dá-se início a um escoa- la A, a parada do líquido produz um cho- mento sem que haja necessidade de bombas que brusco (golpe de Aríete) e a pressão ou outro equipamento qualquer. O fenôme- aumenta instantaneamente, provocando a no pode ser explicado da seguinte maneira: abertura da válvula B. O líquido é então a pressão em A, que empurra o líquido para empurrado para o reservatório superior, sob26 cima dentro do tubo, é igual à pressão at- o efeito da sobrepressão. Quando a válvula mosférica, menos o peso da coluna de líqui- B se fecha, abre-se a válvula A, estabele- do DB. cendo o escoamento e o fenômeno pode ser PA = Patm – µghDB reproduzido.
  27. 27. Mecânica dos Fluidos Exercícios 04. Uma mistura de leite enriquecido com sais minerais e água, cujas densidades são, respec-01. A prensa hidráulica (apresentada abaixo) tivamente, 1,10 g/cm3 e 1,00 g/cm3, possui, emé baseada: volume, 70% em leite e 30% em água. A den- sidade da mistura será em g/cm3: a) 1,01. b) 1,03. F1 F2 S1 S2 c) 1,05. d) 1,07. e) 1,09. 05. Uma das maneiras de se verificar a quali- dade do álcool, em alguns postos de combus- tível, consiste em usar duas bolas de materiais distintos, colocadas em um recipiente trans- a) no princípio de Pascal, parente na saída da bomba de álcool. A bola b) no princípio de Arquimedes, de densidade maior que a do álcool fica no fundo do recipiente, enquanto que a outra, de c) na lei de Stevin, densidade menor que a do álcool, fica na parte d) na lei de Coulomb, de cima do recipiente. Determine o maior per- e) na lei de Avogadro. centual em volume de água que pode ser acres- centado ao álcool, de tal forma que a bola mais densa ainda permaneça no fundo do recipien-02. Se dois corpos têm todas as suas dimen- te. Assuma que a densidade da bola é 1% maiorsões lineares proporcionais por um fator de es- que a do álcool puro e que a variação da den-cala β, então a razão entre suas superfícies é β2 sidade da mistura, com o percentual volu-e entre seus volumes é β3 . Seres vivos perdem métrico. A µ da água, em g/cm3, é dada por µágua por evaporação, proporcionalmente às suas = 1 g/cm3.superfícies. Então, eles devem ingerir líquidosregularmente, para repor essas perdas de água. 06. Uma lata contém 900 cm3 de óleo de mas-Considere um homem e uma criança com to- sa específica igual a 0,9 g/cm3. Podemos con-das as dimensões proporcionais. Considere ain- cluir que a lata contém, de óleo:da que o homem tem 80 kg, 1,80 m de altura e a) 1000 g.bebe 1,2 litro de água por dia, para repor as per- b) 900 g.das devidas apenas à evaporação. c) 810 g. d) 800 g. a) Se a altura da criança é 0,90 m, qual é e) 100 g. o seu peso? b) Quantos litros de água, por dia ela, deve 07. Um adulto possui em média 5 litros de san- beber, apenas para repor suas perdas por gue. Cada milímetro cúbico de sangue possui evaporação? cerca de 5 milhões de glóbulos vermelhos, com diâmetro de 0,007 mm. Se esses glóbulos ver-03. Um estudante encontra um termômetro melhos forem colocados lado a lado formando uma linha, qual seria o tamanho desta, apro-quebrado, sem o bulbo, mas com a coluna do ximadamente?tubo capilar cheia de mercúrio, e decide deter- a) 1,75 . 106 m.minar o diâmetro interno d, do capilar. Para b) 3,2 . 106 m.isso, dispõe de uma régua graduada em milí- c) 1,6 . 107 m.metros (que não permite que se faça a medida d) 3,2 . 107 m.do diâmetro diretamente), de uma balança pre- e) 1,75 . 108 m.cisa e, além disso, conhece a densidade µ domercúrio à temperatura ambiente. 08. Assinale a alternativa correta: 27Descreva um procedimento a ser realizado à a) Dois corpos de mesma densidade têmtemperatura ambiente que, utilizando o mate- necessariamente a mesma massa.rial disponível, leve à determinação do diâme- b) Dois corpos de mesma densidade têmtro interno d, do capilar. necessariamente o mesmo volume.

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