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INTRODUÇÃO

As aplicações de fenômenos de transporte são diversas e podem ser desenvolvidas em várias áreas tais como;

Engenharia Civil e Arquitetura: Hidráulica, hidrologia e conforto térmico de edificações;

Engenharia Sanitária e Ambiental: Estudo da difusão de poluentes e tratamento de resíduos;

Engenharia Elétrica e Eletrônica: Cálculos da dissipação térmica e de potência;

Engenharia Química: Todas as Operações Unitárias;

Engenharia Mecânica: Usinagem, tratamentos térmicos, máquinas hidráulicas, máquinas térmicas (motores e refrigeração) e aeronáutica (aerodinâmica);

Engenharia de Produção: Otimização de processos, transporte de fluidos e de material, troca de calor e estudos de ciclo de vida.

Vamos nos ater em uma dessas áreas expondo o comportamento do fluido exemplificando uma estrutura de um aquário.

ETAPA 1 – Definição e Propriedades dos Fluidos

Passo 1

Definir a geometria que utilizará para desenvolver o tanque principal, considerando que eu tenho 50 litros de água quando completamente cheio; o tanque auxiliar que tenha 3 litros de água quando Completamente cheio e um tubo que fica quase perpendicular e conecta os dois tanques, com diâmetro de 10 cm na saída e um comprimento de 15 cm. Desenhar o layout do projeto com o dimensionamento dos tanques, dos canos, bombas, fixação das resistências e locais onde ficarão conectores e circuitos de acionamento. Desenhar o tanque principal e o auxiliar com o auxílio de software disponível na unidade ou outro em comum acordo com o professor.

Dado o tema em questão precisamos antes explorar a ciência dos fluidos e um pouco de seu comportamento.

Fluido:

Qualquer substância capaz de fluir como os líquidos e os gases e que não resiste de maneira permanente às mudanças de forma provocadas pela pressão, isto é, se deforma continuamente (escoa) sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento tangencial.

Os fluidos podem ser classificados como:

a) Compressíveis (sob o efeito da pressão);

b) incompressíveis (sob o efeito da pressão);

c) Dilatáveis (sob o efeito da temperatura);

d) indilatáveis (sob o efeito da temperatura).

a) Compressíveis: São os fluidos cujos volumes dependem da pressão, isto é, apresentam volumes próprios dependentes da pressão à que estão submetidos, tal como os gases.

b) Incompressíveis: São os fluidos cujos volumes não dependem da pressão, isto é, apresentam volumes próprios independentes da pressão à que estão submetidos, tal como os líquidos.

c) Dilatável: São os fluidos cujos volumes dependem da temperatura, isto é, apresentam volumes próprios dependentes

da temperatura à qual estão submetidos, tal como os gases.

d) Indilatável: São os fluidos cujos volumes independem da temperatura, isto é, apresentam volumes próprios independentes da temperatura à qual estão submetidos, tal como os líquidos.

FLUIDOS

Hipótese do Contínuo:

O comportamento dos fluidos é explicado por sua estrutura molecular, a qual se mantém coesa pela atração entre as partículas que a compõem, e que dão a sua mobilidade. Se ampliarmos sua estrutura molecular nós veremos imensos vazios entre as moléculas.

Água pontes de hidrogênio gases

FLUIDOS

Hipótese do Contínuo:

Isto traz uma dificuldade matemática principalmente para o cálculo diferencial. Isto é, a derivada de uma função só pode ser calculada em um ponto se a função é contínua naquele ponto.

Para contornar esta situação, foi formulada a HIPÓTESE DO CONTÍNUO, que admite a matéria contínua nas condições normais da engenharia, permitindo a aplicação das ferramentas utilizadas em cálculo diferencial e integral. Mesmo assim não deve ser aplicada para gases rarefeitos como nos estudos com plasma ou em voos no limite da atmosfera.

Massa específica (ρ):

A massa específica de um fluido (também conhecida como densidade) é definida como a quantidade de matéria contida num certo volume de fluido.

Esta propriedade é utilizada normalmente para caracterizar a massa de um fluido. Podemos inferir por meio das definições dadas anteriormente que, um fluido incompressível e indilatável (tal como os líquidos), apresenta massa específica constante com a temperatura e com a pressão. Já para um fluido compressível e dilatável (tal como os gases), a massa específica é uma função da temperatura e da pressão.

Volume específico (v):

O volume específico é definido como o volume ocupado por unidade de massa. Assim, o volume específico é o recíproco da massa específica, ou seja,

PESO específico (γ):

O peso específico de uma substância, designado por γ, é definido como o peso dividido por volume. Assim, o peso específico pode ser obtido pelo produto da massa específica, dividido pela aceleração da gravidade.

Peso específico relativo ou densidade relativa (γr ou S):

É a relação entre o peso específico de um fluido e o peso específico de um outro fluido de referência. Geralmente o fluido de referência para líquidos é a água e para os gases é o ar. Esta propriedade é útil, pois não depende do sistema de unidades (adimensional), isto é, seu valor é o mesmo em qualquer sistema de unidades.

se o fluido de referência for a água, teremos onde γágua ≈ 9810 N/m3

a) Sistemas de Unidades Absolutos: Existem três sistemas de unidades absolutos: o c.g.s. (CGS), o Giorgi ou SI (MKS) e o inglês (FPS). De todos estes, as dimensões fundamentais são comprimento, massa, tempo e temperatura.

Passo 2

Determinar o valor da massa de água e o peso específico da água quando o tanque principal estiver completamente cheio de acordo com a geometria escolhida. Para efeito de cálculos, considerar que a massa especifica da água é igual a 0,998 g/cm³. Adotar a aceleração da gravidade igual a 9,81 m/s.

Massa da água

P= 0,998 g/cm³

g= 9,81 m/s

50L = 50000 cm³

P= mv

M=p.v=50000x0.998=49900g

Peso especifico da agua=0.998x981= 979 g/cm^2.s

Passo 3

Pesquisar em livros da área, revistas e jornais ou sites da internet sobre a viscosidade da água e por que especialistas em aquários recomendam utilizar sal como uma forma de alterar a viscosidade em torno do peixe.

Viscosidade é a resistência apresentada por um fluido à alteração de sua forma, ou aos movimentos internos de suas moléculas umas em relação às outras. A viscosidade de um fluido indica sua resistência ao escoamento sendo o inverso da viscosidade, a fluidez. Devido a sua ligação de hidrogênio, justifica-se a causa da água ser pouco viscosa, pois a ligação estre as moléculas é muito forte, fazendo com que elas sejam muito unidas, e se há uma perturbação em uma molécula, as moléculas ao seu redor, devido à forte ligação, também sofreram consequência desta perturbação. A água em escoamento reage à tensão de cisalhamento, sofrendo uma deformação angular que é proporcional a essa tensão. Somente viscosidade, é a constante de proporcionalidade definida como a razão entre essa tensão de cisalhamento e o gradiente de velocidade.

Adicionando sal culinário à água do aquário, irá aumentar a resistência dos peixes. A viscosidade na superfície do corpo do peixe é estimulada pelo sal, isso agira como um campo de proteção de modo que bactérias nocivas e parasitas são parcialmente repelidas. Além disso, o sal dificulta a reprodução de bactérias na água. Por isso os especialistas em aquários recomendam utilizar sal como uma forma de alterar a viscosidade em torno do peixe.

Passo 4

Elaborar um relatório parcial com desenho do projeto e os cálculos envolvidos.

O tema traz uma abordagem sobre: Definição e Propriedades dos Fluidos. O objetivo é compreender as propriedades dos fluidos e calculá-los para o desenvolvimento do projeto.

Na primeira etapa foram feitos os cálculos da massa e PESO especifica da água com um esboço dos tanques principal e auxiliar, e um estudo sobre viscosidade da água para facilitar o desenvolvimento do projeto. E Se adicionar sal culinário à água do aquário, isto vai aumentar a resistência dos peixes. O sal estimula a formação de viscosidade na superfície do corpo, de modo que bactérias nocivas e parasitas são parcialmente repelidas. Além disso, o sal dificulta a reprodução de bactérias na água. Por isso os especialistas em aquários recomendam utilizar sal como uma forma de alterar a viscosidade em torno do peixe.

ETAPA 2 - Estática dos Fluidos. Cinemática dos Fluidos

Passo 1

Calcular a pressão no fundo do tanque principal e do tanque auxiliar, quando estiver completamente cheio, ambos abertos a atmosfera, de acordo com a geometria estabelecida.

Tanque Principal

l= 40cmb= 60cmh= 31,25cm

P= j.h

P= 979x31,25

P=

30591gs^-1/cm

Tanque Auxiliar

l= 11,6cmb=12cmh=29,25cm

P= j.h

P= 979x31,25

P= 30591gs^-1/cm

Passo 2

Encontrar qual é a vazão de enchimento da câmara e quanto tempo é gasto em minutos, considerando que o tubo que conecta o tanque principal ao auxiliar tem 10 cm de diâmetro e que a velocidade média na tubulação seja no máximo 2 m/s, e de acordo com a geometria estabelecida.

A= π x D²

A = 3,14 x (0,1)²

A= 0,0314m²

Q= 2 x 0,0314

Q= 0,0628 m³/s

Q= 0,0628 m³1 s

Tempo em relação em minutos

1 s _________ 0,0628 m³/s

60 s ________ X

X = 3,768 m³/min

Passo 3

Calcular o numero de Reynolds e descobrir qual é o regime de escoamento para a tubulação que faz o enchimento do tanque principal.

Re = 2*0,11*10^-6Re = 2*10^5