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Aula 1 Introdução e Apresentação do
Curso de EQ541
Prof. Guilherme José de Castilho DEPro – Departamento de Engenharia de Processos
FEQ/Unicamp
EQ541 - FENÔMENOS DE TRANSPORTE I
O que é Fenômenos de Transporte I?
05/03/2015 09:06 1 - Apresentação 2
Introdução
HISTORICAMENTE, FTI já foi chamada de MECÂNICA DOS FLUIDOS
05/03/2015 09:06 3 1 - Apresentação
Conceito expandido de fenômenos de transporte, com o desenvolvimento dos conceitos de transferência de:
-Quantidade de movimento (momentum) -Calor -Massa
Existem analogias entre os fenômenos envolvidos nessas disciplinas
Introdução
O que é Transferência de quantidade de movimento (momentum)
05/03/2015 09:06 4 1 - Apresentação
Definimos a quantidade de movimento de um corpo que possui massa m e velocidade v como sendo o produto da
massa pela velocidade.
O que você acha mais fácil de fazer, parar uma bola de tênis a 20 km/h ou parar um carro
com a mesma velocidade?
Introdução
05/03/2015 09:06 5 1 - Apresentação
Ex.: partida de bilhar: uma bolinha transfere seu movimento totalmente ou parcialmente para outra.
O que é Mecânica dos Fluidos?
• Mecânica: ciência física que trata dos corpos tanto estacionários como em movimento sob a influência de forças.
– (estática e dinâmica)
• Mecânica dos fluidos: ciência que trata do comportamento dos fluidos em repouso (estática dos fluidos) ou em movimento (dinâmica dos fluidos).
05/03/2015 09:06 6 1 - Apresentação
O que é Mecânica dos Fluidos?
05/03/2015 09:06 7 1 - Apresentação
Mecânica dos Fluidos
Hidrodinâmica Dinâmica dos gases Aerodinâmica
Movimento de fluidos incompresíveis
Hidráulica: escoamento de
líquidos em tubulações e canais abertos
Escoamento de gases em alta velocidade
Escoamento de gases (ar) sobre corpos como aeronaves,
foguetes e automóveis
Outras categorias: meteorologia, oceanografia e hidrologia
Contextualização de Fenômenos de Transporte I no curso de EQ
05/03/2015 09:06 1 - Apresentação 8
Introdução
COMO ESSA DISCIPLINA SE INSERE NO CONTEXTO DO CURSO EQ?
CURSO EQ
05/03/2015 09:06 9 1 - Apresentação
Vamos dividir a árvore de disciplinas entre básicas, de aplicação e complementares à formação
Disciplinas básicas da EQ
• Fenômenos de Transporte
• Termodinâmicas (incluindo Introdução à Engenharia Química)
• Cinética Química
• Matemática
05/03/2015 09:06 10 1 - Apresentação
Disciplinas de Aplicação
• Operações Unitárias
• Reatores Químicos
• Processos Químicos
• Projeto Químico (disciplina que envolve todas as aplicações, inclusive vistas nas disciplinas complementares, como p. ex. análise econômica)
05/03/2015 09:06 11 1 - Apresentação
Disciplinas Complementares
• Materiais em Engenharia Química
• Bioengenharia
• Instrumentação e Controle de Processos
• Análise Econômica
• Humanidades
05/03/2015 09:06 12 1 - Apresentação
Disciplinas básicas vs. de aplicação
FT
I
Transferência de Quantidade de Movimento
FT
II
Transferência de Calor
FT
III
Transferência de Massa
05/03/2015 09:06 13 1 - Apresentação
OP
I
Sistemas Fluidodinâmicos
e Particulados
OP
II
Sistemas Energéticos O
PII
I
Operações de Transferência de
Massa
Fenômenos de Transporte
Operações Unitárias
05/03/2015 09:06 1 - Apresentação 14
Aplicações
Aplicações
• Corpo Humano
05/03/2015 09:06 15 1 - Apresentação
Bomba para sangue Equipamento ventricular
Aplicações
• Fenômenos Naturais
05/03/2015 09:06 16 1 - Apresentação
Tornados Tempestades
Clima global Furacões
Escoamentos naturais
Aplicações
• Ambiente e Energia
05/03/2015 09:06 17 1 - Apresentação
Poluição do ar Hidráulica dos rios
Aplicações
• Veículos
05/03/2015 09:06 18 1 - Apresentação
Aviões Navios
Trens de alta velocidade Submarinos
Aplicações
• Esportes e Recreação
05/03/2015 09:06 19 1 - Apresentação
Aerodinâmica de bolas
Ciclismo Natação Corridas de alta velocidade
Surf Atletismo
Aplicações
• Engenharia Química
05/03/2015 09:06 20 1 - Apresentação
Oleodutos Refinaria
História
• Nomes famosos na Mecânica dos Fluidos
05/03/2015 09:06 21 1 - Apresentação
Archimedes (C. 287-212 BC)
Newton (1642-1727)
Euler (1707-1783)
Navier (1785-1836)
Stokes (1819-1903)
Reynolds (1842-1912)
Prandtl (1875-1953)
Bernoulli (1667-1748)
Taylor (1886-1975)
Aquedutos romanos 312 a.c.
05/03/2015 09:06 1 - Apresentação 22
O que é um fluido?
O que é um fluido?
Fluido é uma substância na forma gasosa ou líquida
Quando trabalhamos com um fluido, temos um sentimento comum que é o oposto àquele do trabalho com um sólido
05/03/2015 09:06 23 1 - Apresentação
Fluidos Tendem a escoar quando interagimos
com ele
Sólidos Tendem a se deformar ou dobrar
Definição formal para engenheiros
• Sólido: resiste à tensão de cisalhamento aplicada deformando-se. A tensão é proporcional à deformação.
05/03/2015 09:06 24 1 - Apresentação
F
A
Solid
F V
A h
Fluid
• Fluido: deforma continuamente sob ação de tensões de cisalhamento. A tensão é proporcional à taxa de deformação.
O sólido para de deformar-se num certo ângulo
O fluido nunca para de deformar-se
O que é um fluido?
05/03/2015 09:06 25 1 - Apresentação
• O Fluido se deforma continuamente devido à Tensão de Cisalhamento, por menor que ela seja;
• À uma tensão de cisalhamento constante, o fluido nunca para de deformar;
• Taxa de Deformação é Função da Tensão.
F = A
Taxa de Deformação = u/y
= µ (u/y)
µ = viscosidade
O que é um fluido?
05/03/2015 09:06 26 1 - Apresentação
Tensão é definida como força por unidade de área
Componente normal: tensão normal
Num fluido em repouso, a tensão é chamada de pressão.
Componente tangencial: tensão de cisalhamento
O que é um fluido?
• O líquido toma a forma do recipiente no qual está contido e forma uma superfície livre.
• Um gás expande-se até
encontrar as paredes do recipiente e preenche todo o espaço disponível.
As palavras gás e vapor geralmente são usadas como
sinônimos
05/03/2015 09:06 27 1 - Apresentação
O que é um fluido?
05/03/2015 09:06 28 1 - Apresentação
Sólido Líquido Vapor
Medida microscópica
Medida macroscópica
O que é um fluido?
05/03/2015 09:06 29 1 - Apresentação
Condição de não-escorregamento (Princípio da Aderência)
O fluido em contato direto com um sólido “gruda” na superfície devido aos
efeitos viscosos e não há escorregamento.
Propriedade responsável: viscosidade
Responsável pelo desenvolvimento do perfil de velocidade.
Conteúdo e Dinâmica do Curso de EQ541-A
05/03/2015 09:06 1 - Apresentação 30
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 31 1 - Apresentação
• Ementa:
1. Conceito e definições (2 horas) •Introdução •Fluido e continuum •Propriedades em um ponto
Massa específica Tensão Pressão em um fluido estático
•Unidades •Variações pontuais das propriedades de um fluido
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 32 1 - Apresentação
• Ementa:
2. Estática dos fluidos (4 horas) •Introdução •Variação da pressão em um fluido estático •Aceleração retilínea uniforme •Atmosfera padrão •Unidades, escala e carga de pressão •Manometria
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 33 1 - Apresentação
• Ementa:
3. Descrição de um fluido em movimento (2 horas) •Leis físicas fundamentais •Campo de escoamento de um fluido •Escoamento permanente e transiente •Linhas de corrente e de curso •Sistema e volume de controle •Escoamentos unidimensionais e bidimensionais •Escoamento uniforme
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 34 1 - Apresentação
• Ementa: 4. Conservação da massa (4 horas)
•Relação integral •Formas específicas para a expressão integral
5. Segunda Lei de Newton (4 horas)
•Conservação da quantidade de movimento linear – forma integral •Aplicações
6. Conservação da energia (8 horas) •Forma integral •Equação de Bernoulli •Pressão de estagnação •Aplicações
O termo “integral” significa que trabalharemos com uma região finita (volume de controle) conforme o fluido escoa através dela.
Equação da continuidade
Teorema do Momento
Equação da energia
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 35 1 - Apresentação
• Ementa:
7. Tensão nos fluidos (4 horas) •Tensor tensão •Propriedades dos tensores •Tensor taxa de deformação •Fluidos newtonianos •Fluidos não-newtonianos •Viscosidade: definição e unidades
Grandezas tensoriais. O estado de tensão em um ponto
do fluido é caracterizado pelo TENSOR TENSÃO
zzyzzx
yzyyyz
xzxyxx
~
T
(Encerramento do conteúdo para Prova 1)
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 36 1 - Apresentação
• Ementa:
8. Equações diferenciais do escoamento de fluidos (10 horas)
•Introdução •Escoamento laminar •Viscosímetro capilar •Forma diferencial da equação da continuidade •Equações de Navier Stokes •Aplicações
V.C.
Com a análise “diferencial” podemos estudar o movimento individual de fluido ou grupo de partículas. Envolve a aplicação de todo o campo de escoamento (sistema)
integral
Sistema
diferencial
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 37 1 - Apresentação
• Ementa:
9. Análise dimensional e similaridade (6 horas) •Introdução •Dimensões •Sistemas de unidades •Similaridades cinemática, geométrica e dinâmica •Teoria dos modelos •Método de Buckinghan •Parâmetros adimensionais
Como fazemos para obter grupos adimensionais?
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 38 1 - Apresentação
• Ementa:
10. Escoamento em tubos (10 horas) •Análise dimensional •Coeficiente de atrito •Escoamento laminar •Escoamento turbulento •Região turbulenta e de transição •Diagramas de Moody, Von Karman e Ramalho •Equação da energia com equipamentos de transporte •Perda de carga em acidentes •Diâmetro equivalente •Aplicações •Redes de tubulação
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 39 1 - Apresentação
• Ementa:
11. Teoria da camada limite (4 horas) •Definição de camada limite •Camada limite em placa plana •Camada limite laminar •Solução de Blasius •Método de Kárman-Pohlhausen •Camada limite turbulenta •Escoamento com gradiente de pressão •Coeficiente de atrito na entrada de tubos
Conteúdo e Dinâmica do Curso
05/03/2015 09:06 40 1 - Apresentação
• Ementa:
12. Escoamento turbulento (4 horas) •Introdução •Propriedades médias no tempo •Equação de Navier-Stokes para escoamento turbulento •Tensão aparente •Viscosidade tubilhonar •Teoria do comprimento de mistura de Prandtl •Perfil universal de velocidades •Relações empíricas
v
t
Escoamento laminar permanente
v
t
Escoamento turbulento
permanentevxv
'vx
'v y
AVALIAÇÃO
05/03/2015 09:06 41 1 - Apresentação
• Prova intermediária (P1) • Prova final (P2) • Testes ao longo do curso (2 testes) (T = 0, 5*T1 +0, 5*T2) • Atividades (em sala de aula, listas de exercícios etc.) (A)
𝑴 = 𝟐, 𝟓 ∗ 𝑷𝟏 + 𝟐, 𝟓 ∗ 𝑻 + 𝟒 ∗ 𝑷𝟐 + 𝟏 ∗ 𝑨
𝟏𝟎
A Média das notas (M) será calculada a partir da seguinte fórmula:
AVALIAÇÃO
05/03/2015 09:06 42 1 - Apresentação
Critérios para aprovação:
Situação 1
Se média ≥ 7,0 e freqüência
≥ 75%, o aluno será considerado aprovado na disciplina e estará dispensado do Exame e essa será considerada sua Nota Final.
Se média < 2,5 ou frequência
< 75%, o aluno será considerado reprovado na disciplina.
Situação 2
Se 2,5 < M < 7,0 e freqüência > 75% o aluno
deverá prestar o Exame Final (E). A Nota Final (NF) será calculada da seguinte forma:
𝑵𝑭 = 𝑴 + 𝑬
𝟐
- se NF < 5,0 o aluno será considerado
reprovado na disciplina.
- se NF ≥ 5,0 então o aluno é aprovado.
AVALIAÇÃO
05/03/2015 09:06 43 1 - Apresentação
Prova Data Teste Data P1 22/04 T1 25/03
P2 29/06 T2 20/05
EXAME 13/07
Datas das Provas
Não haverá prova substitutiva, por isso, não falte às provas!
Bibliografia
05/03/2015 09:06 44 1 - Apresentação
Çengel, Yunus A.; John M. Cimbala, Mecânica dos fluidos : fundamentos e aplicações, São Paulo, SP: Mc Graw-Hill, 2007. White, Frank M., Mecânica dos fluídos, 6.ed., Rio de Janeiro, RJ: McGraw-Hill, 2011. Welty, James R. Welty et al., Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer, 5.ed., Hoboken, NJ: John Wiley, 2008. Fox, Robert W.; Alan T. McDonald; Philip J. Pritchard, Introdução à mecânica dos fluidos, 7.ed., Rio de Janeiro, RJ: Livros Técnicos e Científicos, 2010. Potter, Merle C.; David C. Wiggert com Midhat Hondzo; Tom I. P. Shih, Mecânica dos fluidos, São Paulo, SP: Pioneira Thomson Learning, 2004.
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