Fenômenos de transporte: Aplicações industriais

By Pedro Marcio Munhoz

A proposta deste livro é apresentar as aplicações diretas dos conceitos de transporte de massa e energia, com uma linguagem clara e objetiva. As aplicações exemplificadas começam com os conceitos de propriedades dos fluidos, estática e cinemática dos fluidos, balanço global de energia, passam para exemplos de aplicações industriais dos conceitos de perda de carga manométrica, transmissão de calor tanto por condução quanto por convecção até chegar ao conceito de trocadores de calor.

• Language: Português
• Publisher: SENAI-SP Editora
• Release date: Apr 6, 2018
• ISBN: 9788553400508

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1. Introdução ao conceito de fluidos

Massa específica

Peso específico

Tensão de cisalhamento, Lei de Newton da viscosidade

Aplicações industriais

Muitas tecnologias (tratamento de efluentes, análise de matéria-prima, análise de qualidade, identificação de problemas no processo etc.) utilizam a movimentação de fluidos como um dos conceitos bases, assim, cabe iniciar este capítulo perguntado, o que é um fluido?

Sacconi (2009) responde a essa pergunta da seguinte forma: Qualquer corpo gasoso ou líquido que, por ter pouca ou nenhuma coerência molecular, toma a forma do recipiente em que está contido.

Ou seja, qualquer substância que não possui forma própria assume a forma do recipiente em que está contida, podendo ser considerada um fluido, ver a Figura 1.

Figura 1 – Definição de fluido.

Verifica-se na Figura 1 que o sólido possui forma própria e não toma a forma do recipiente em que está contido, já o líquido toma a forma do recipiente em que está contido, sendo assim um fluido. Ver que o líquido possui uma superfície livre, isso o difere do fluido gasoso, que toma a forma do recipiente, porém não possui uma superfície livre.

Nos próximos subitens deste livro, tratar-se-á de algumas propriedades dos fluidos, porém, antes disso, cabe diferenciar propriedades de características de um fluido.

As propriedades são próprias de um fluido, pois não se alteram, dependem apenas do fluido, da pressão e da temperatura em que ele se encontra. Já a característica pode variar com a utilização do fluido, tomando-se como a massa específica e a velocidade. A massa específica é uma propriedade do fluido, pois, uma vez conhecida a massa específica de um determinado fluido a uma determinada pressão e a uma determinada temperatura, esta nunca vai se alterar, entretanto isso não ocorre com a velocidade, pois ela pode se alterar dependendo da aplicação desse fluido. Assim, a massa específica é uma propriedade do fluido e a velocidade é uma característica do movimento desse fluido.

Massa específica

A massa específica é a relação entre a massa e o volume que essa massa ocupa, como ressaltam Bistafa (2010) e Canedo (2014). Ver a Equação 1.

Equação 1 – Massa específica.

A massa específica é a primeira propriedade utilizada para identificar uma substância química, porém não é a única. Costuma-se confundi-la com densidade, que são conceitos diferentes, pois a massa específica é a relação entre a massa e o volume, e a densidade é a relação entre a massa específica da substância com a massa específica da água. Como esta obra tratará de aplicações industriais, será utilizado o conceito de massa específica.

Peso específico

O peso específico é a relação entre o peso e o volume que esse peso ocupa, como mostra a Equação 2:

Equação 2 – Peso específico.

Cabe relembrar que o peso é a força que a massa exerce, ou seja, G = m × g. Relacionando-se a Equação 1 com a Equação 2, tem-se:

Mas, como visto anteriormente, G = m × g, assim se tem:

Simplificando-se a massa e o volume, tem-se a relação entre massa específica e peso específico (ver Equação 3):

Equação 3 – Relação entre peso específico e massa específica.

Percebe-se que a relação entre o peso específico e a massa específica é a aceleração da gravidade.

Outra propriedade interessante é a viscosidade, que será tratada no próximo subitem.

Tensão de cisalhamento, Lei de Newton da viscosidade

Trata-se de tensões que, quando aplicadas no sentido perpendicular ao material, tendem em um primeiro momento a deformar e, se houver tensão suficiente, cisalhar (romper) o material. Ver a Figura 2:

Figura 2 – Deformação em sólidos (adaptado de BRUNETTI, 2008).

Na Figura 2, verifica-se uma mesa apoiada sobre bases sólidas, quando uma força longitudinal é aplicada na mesa, as bases sólidas tendem a se deformar ou até mesmo se romper em razão da tensão de cisalhamento aplicada a tais bases, que é a relação entre a força aplicada e a área da secção transversal das bases da mesa (ver a Equação 4). Entretanto, quando se substitui a base sólida da mesa por uma coluna de fluido, ela sofrerá as mesmas tensões, porém apenas flui (deformará continuamente), como mostrado na Figura 3. Em razão dessa propriedade, o fluido terá característica de lubrificante, pois o atrito entre sólido e sólido será substituído por um atrito entre sólido, fluido e sólido.

Figura 3 – Deformação em fluidos (adaptado de BRUNETTI, 2008).

Equação 4 – Tensão de cisalhamento.

Cabe ressaltar que existe um atrito entre as lâminas de fluido. De acordo com a Figura 3, imagine-se que a coluna de fluido seja uma pilha de livros, quando se aplica uma força no topo da pilha de livros, estes tendem a se deslocar um de cada vez, isso ocorre em razão do atrito entre as superfícies dos livros; com o fluido ocorrerá o mesmo, porém existirá um atrito entre as lâminas de fluidos, ou seja, quanto maior esse atrito, menor a capacidade de esse fluido movimentar-se. É o que se chama viscosidade dinâmica, ou seja, é uma propriedade do fluido que depende apenas dele próprio, da temperatura e da pressão. Quanto maior a viscosidade dinâmica, menor a fluidez desse fluido. Uma relação aproximada entre a viscosidade dinâmica e a tensão de cisalhamento é apresentada por Bird, Stewart e Lightfoot (1960), cujo resultado da simplificação dessa equação pode ser verificado