Mecânica Dos Fluidos

Alguns Conceitos Fundamentais (Fernando França, DE – FEM Unicamp, [e-mail])

Como uma introdução geral ao Curso de Sistemas FluidoTérmicos, EM-672, vamos rever alguns conceitos fundamentais da Termodinâmica, para que nossa base de trabalho se padronize. E o primeiro destes conceitos é a energia:

Energia

A energia é uma palavra de origem grega (enéryeia), que significa força em ação, isto é, capacidade de produzir trabalho. É o objeto comum de nosso curso, está associado a todos os temas aqui tratados: controle térmico de ambiente (calor e frio), máquinas térmicas (combustão, expansão, pressão), sistemas fluidomecânicos (energia hidráulica, energia cinética, pressão, dissipação) e geração e distribuição de vapor (combustão, pressão, calor). Assim, a energia é um conceito da antiguidade, de certa forma associado à realidade mitológica grega. Os gregos e outras culturas antigas usavam mitos para explicar os fenômenos naturais que eles observavam, e há uma clara relação entre os deuses gregos e as diferentes formas de energia:

Som Echo Luz Narciso (reflexão) Calor Prometeus Crescimento Perséfone e Demeter Movimento Hermes Eletricidade Zeus

O primeiro a estabelecer o conceito foi Aristóteles, em meados do século IV AC, em Metafísica. Ele explicou a relação entre a capacidade ou potencial de fazer e sua efetiva realização. Entre o potencial e a realização, há o movimento. E movimento significa mudança de qualidade de um estado, crescimento ou degeneração e deslocamento. O conceito, desde então, esteve presente na filosofia. Posteriormente surgiu a eficiência, (enérgema), isto é, a qualidade da realização do potencial. Interessante observar que o conceito filosófico de poder e potência (energia na unidade de tempo) ganha corpo somente no século XVIII, par e passo com a Revolução Industrial, a invenção das máquinas a vapor e dos grandes teares. Um dos filósofos modernos a tratar do poder (being), na perspectiva das relações sociais, e da tecnologia, foi Heidegger (Martin). Na abordagem filosófica tradicional (Aristóteles, Kant) está a tese de que o conhecimento teórico representa a mais fundamental relação entre o ser humano e os demais seres no mundo, inclusive ele próprio. Heidegger rejeita essa tese e adota a versão do método fenomenológico. Seu ponto de partida é o fenômeno da intencionalidade. O comportamento humano é intencional, na medida em que é direcionado a algum ser – toda construção é a construção de alguma coisa, todo discurso é o discurso sobre alguma coisa. O conhecimento teórico representaria, então, somente um aspecto do comportamento intencional, que estaria apoiado no engajamento prático fundamental com o mundo em torno (a velha dicotomia da teoria com a prática, heim!? Para Aristóteles, a relação fundamental do homem com o mundo se completa com conhecimento teórico; para Heidegger, a teoria é um dos aspectos da inserção do ser no mundo). Enfim, segundo

Heidegger, uma entidade é o que é (i. e., é um ser, o being) na medida em que surge no contexto de um engajamento prático: um martelo é um martelo não porque se parece e tem propriedades de martelo, mas por ser usado para martelar! E o que tem a ver potência com tudo isto? Potência é a expressão prática da energia: "… poder produz, produz realidade” como disse Foucault (Michel), “ …ele determina o que faz sentido acreditar e fazer.". Em suma, para trazer todo este arrazoado de conceitos, história, e um pouquinho de filosofia, para nosso mundo terreno, da preguiça, do sono, de professores chatos que ficam falando bobagens para a gente ouvir, quando tem muito mais coisas interessantes a fazer, a balada de quarta-feira, a festa de quinta, a viagem do fim-de-semana, podemos resumir com uma frase simplória, parafraseando o Che: “Não basta ser somente engenheiro mecânico; há que ser, também, mecânico engenheiro”. E vamos aos pioneiros da Termodinâmica, homens que juntaram, de forma soberba, a teoria à prática.

Os pioneiros da Termodinâmica

O primeiro cientista a ser mencionado pela contribuição ao estabelecimento da Termodinâmica como ciência foi Lavoisier (Antoine Laurent). É considerado o fundador da química moderna. Estudou a combustão, a composição do ar e da água. Afirmou: “Nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, isto é foi o primeiro a enunciar a 1a Lei da Termodinâmica. Foi decapitado pela Revolução Francesa (devem ter achado que falava muita besteira; naquele tempo, pré-Che, não tinha essa conversa de ternura e revolução).

Carnot (Nicolas Sadi) inaugurou o estudo das máquinas térmicas. Seu ciclo ideal ainda é a referência para a análise dos modernos ciclos termodinâmicos. Carnot foi o engenheiro mecânico ideal: cara de menino, olhos verdes, hem? Veja abaixo.

Carnot, 1796 – 1832 1824

Clausius (Rudolf J.) introduziu uma nova propriedade termodinâmica, a entropia. É o criador da formulação matemática da 2a Lei da Termodinâmica.

Lorde Kelvin (William Thomson), veremos adiante, contribuiu para a sistematização do conceito de temperatura.

Joule (James P.), um conhecido industrial, fabricante de cerveja, propôs a equivalência entre energia térmica e trabalho.

1818 – 1889 Uma das máquinas de Joule

Gibbs (Josia W.) estabeleceu os conceitos e numerosas equações fundamentais entre as propriedades termodinâmicas que deram base para a termodinâmica moderna e a mecânica estatística.

Os demais conceitos são:

Sistema: porção do universo sob análise. Todo sistema tem um contorno, paredes, fronteiras ou limites do sistema, que podem ser reais ou imaginários. Todos estes termos tratam de um conceito único: a superfície de contorno. O meio externo, ou entorno do sistema é a parte do universo próxima ao sistema que é afetada, em alguma medida, por ele. Um sistema pode ser fechado, isto é, é uma porção constante de massa. Alguns autores, de princípio, definem sistema como sendo, necessariamente, o sistema fechado. O sistema pode também ser aberto, quando a transferência de massa e energia ocorre através de seus limites. Nesse caso é mais usual que os autores o definam como volume de controle, e a superfície limítrofe, que em parte é permeável, é chamada de superfície de controle. O sistema pode ser também um sistema isolado, quando ele não transfere massa ou energia para o meio externo.

Fase é uma porção de matéria,