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CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DIVISÃO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE Disciplina: Fenômenos de Transporte I

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Page 1: Apostila Ft i - Ufpa (1)

CENTRO TECNOLÓGICO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

DIVISÃO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Disciplina: Fenômenos de Transporte I

Page 2: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CT/DEQAL DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I TE-06033 (Pré-requisito - Cálculo III)

PROFESSOR: CÉLIO SOUZA:

NORMAS DA DISCIPLINA: EMENTA Teoria:

Introdução aos fenômenos de transferência. Transporte molecular de Quantidade de Movimento, Calor e Massa Transporte unidimensional em fluxo laminar: Balanços de quantidade de movimento e Calor. Transporte multidimensional: Equações de variação para sistemas isotérmicos, não isotérmicos e para mistura binárias.

Laboratório:

Análise dimensional. Determinação de propriedades de transporte (viscosidade, condutividade térmica e coeficiente de difusão), determinação de Reynolds críticos e de coeficiente de atrito, medidas de perfis de perda de carga em dutos e localizada. FAIXA DE CONCEITO

REGIME DE CRÉDITO

REGIME DE SERIADO

SR [ 00, 10 ) INS [ 00, 50 ) MAU [ 10, 30 ) REG [ 50, 70 ) INS [ 30, 50 ) BOM [ 70, 85 ) REG [ 50, 70 ) EXC [ 85, 100] BOM [ 70, 90 ) EXC [ 90, 100] APROVAÇÃO NA DISCIPLINA: a) Freqüência igual ou superior a 75% da CH (60h) b) Os conceitos de acordo com o Regimento da UFPA.

BIBLIOGRAFIA: A ) Livros Textos : 1 - BENNET, C. O. & MYERS, J. E. Fenômenos de Transporte. Trad. Eduardo Walter Leser... (et alii). São Paulo. Mc Graw - Hill, 1978, 812p. 2 - SISSOM, Beighton E. & PITTS, Donald R. Fenômenos de Transporte Trad, Adir M, Luiz Rio de Janeiro, Guanabara dois, 1979, 765p. 3 - BIRD, R, B, et alli. Fenômenos de Transporte. Trad, Fidel Mafo Vázques. Espanha, Reverté. 1978. 4 - BRODKEY, R. S. V. & HERSHEY, H.C. Transport Phenomena . McGraw-Hill, 1988. 847p.

5 - WELTY, J.R., WICKS, C.E. E WILSON, R.E. Fundamentals of Momentun, Heat, and Mass Transfer, 3a. ed. Ed. John Wiley & Sons, Inc.1969. 803p. B ) Outros: B.1 ) Transporte de Quantidade de Movimento 1 - SHAMES, J.H. Mechanics of Fluids. Ed. Mc Graw-Hill. Book company. 1982. 692p. 2 - STREET, Victor L. Mecânica dos Fluidos. Guanabara Dois. 1978. 673p. 3 - BASTOS, F. A. A. Problemas de Mecânica dos Fluidos. Ed. Guanabara Dois. 1983, 483p. B.2) Transporte de Calor 1 - KREITH, Frank. Princípios de Transmissão de Calor. Trad. Eitaro Yamane... (et alii), São Paulo. Edgard Blucher. 1973, 650p. 2 - HOLMAN, J.P. Transferência de Calor. Ed. Mc Graw-Hill. 1983, 639p. 3 - INCROPERA, F, P & WITT, D.P. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. Ed. Guanabara Koogam. 1992, 455p B.3 ) Transporte de Massa: 1 - HINES, A.L. & MADDOX, R.N. Mass Transfer. Ed. Prentice-Hall, Inc. 1985. 542p. 2 - CUSSLER, EL. Diffusion: Mass Transfer in Fluid Sistems. Ed. Cambridge University Press, 1984. 525p. PROGRAMA DE FEN. DE TRANSP. I (LAB) 1a AULA: ANÁLISE DIMENSIONAL -Considerações gerais -Leis mecânicas -Sistemas de unidades e dimensões -Teorema de Bridgman -Exercícios 2a AULA: DENSIDADE (PRÁTICA) -Considerações gerais -Definições de massa específica, peso específico e densidade -Medida da massa específica de líquidos 3a AULA: VISCOSIDADE (PRÁTICA) -Considerações gerais -Dedução da fórmula da viscosidade para o viscosímetro de Queda de Esfera. -Medida da viscosidade no viscosímetro de Queda de Esfera. 4a AULA: VISCOSIDADE (PRÁTICA) -Considerações gerais

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-Manuseio e determinação experimental da viscosidade no viscosímetro Saybolt 5a AULA: EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE -Balanço global de massa 6a AULA: TEOREMA DE BERNOULLI (MEDIDAS DE VAZÃO) -Considerações Gerais -Tubo de Pitot -Venturi -Rotâmetro 7a AULA: MEDIDAS DA VAZÃO DA PLACA DE ORFÍCIO (PRÁTICA) -Considerações Gerais -Dedução da velocidade na placa de orifício -Medida da velocidade na placa de orifício 8a AULA: PERDA DE CARGA POR ATRITO EM FLUIDO INCOMPRESSÍVEL -Considerações gerais -Balanço de energia mecânica - Equação de Bernoulli -Fórmula de Darcy -Experiência de Nikuradse -Comparação da equação de Darcy com a de Poiseuille -Exercícios 9a AULA: PERDA DE CARGA POR ATRITO (PRÁTICA) -Perda de carga em tubo de ferro galvanizado -Perda de carga em tubo de PVC -Comparação entre os dois materiais 10a AULA: PERDA DE CARGA LOCALIZADA -Fórmula de Borda -Método: Coeficiente de resistência e comprimento equivalente -Manuseio de ábacos e tabelas 11a AULA: PERDA DE CARGA LOCALIZADA (PRÁTICA) -Perdas em válvulas globo e gaveta, redução gradual e curvas 12a AULA: DIFUSIVIDADE DE MASSA−GÁS PSEUDO-ESTACIONÁRIO (PRÁTICA)

PROGRAMA DE FEN. DE TRANSP. I (TEO) 1ª AULA: ANÁLISE MATEMÁTICA -Considerações Gerais -Conceito de variável -Teoria de campos -Noções de gradiente, divergente e rotacional -Derivada substancial 2ª AULA: LEI DE NEWTON DA VSICOSIDADE -Introdução ao fenômeno de transferência -Conceitos de força motriz, meio e fluido -Equação de Newton da viscosidade -Viscosidade (conceito, dimensões, influência da temperatura e pressão) -Reologia -Exercícios 3ª AULA: BALANÇO DIFERENCIAL DE MASSA -Equação da continuidade -Exercícios 4ª AULA: EQUAÇÃO GERAL DO MOVIMENTO -Equação de CAUCHY -Outras formas da equação geral do movimento -Exercícios 5ªAULA: TRANSFERÊNCIA DE CALOR -Considerações gerais -Mecanismos de transportes -Modelos matemáticos -Aplicação em corpos de geometria simples ( Eq. de Fourrier da condução) -Exercícios 6ª AULA:EQUAÇÃO GERAL DA CONDUÇÃO DE CALOR -Considerações gerais -Equação geral da condução de calor -Casos particulares -Principais fontes de geração de energia interna -Exercícios 7ª AULA: TÓPICOS EM TRANSP. DE MASSA -Considerações gerais -Definições: concentrações, velocidades e densidades de fluxo -1ª lei de Fick da difusão -Exercícios 8ª AULA: MECANISMOS DE TRANSPORTE DE MASSA -Difusão através de um gás parado -Contra-difusão equimolar -Exercícios

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I

CONVERSÃO DE UNIDADES

Dimensões Unidades no Sistema Grandeza

Física MLT FLT CGS MKS (SI) FPS Engenharia

Comprimento L L cm m ft ft

Massa M FL-1T2 g Kg lb slug

Tempo T T s s sec sec

Velocidade LT-1 LT-1 cm/s m/s ft/sec ft/sec

Aceleração LT-2 LT-2 cm/s2 m/s2 ft/sec2 ft/sec2

Força MLT-2 F g.cm/s2 = Dina

kg.m/s2 = Newton (N)

lb.ft/sec2 = Poundal

slug.ft/sec2

= lbf

Quantidade de Movimento MLT-1 FT Dina.s N.s Pdl.sec lbf.sec

Energia e Trabalho ML2T-2 FL Dina.cm

= Erg N.m =

Joule (J) Pdl.ft lbf.ft

Potência ML2T-3 FLT-1 Erg/s Joule/s = Watt (W) Pdl.ft/sec lbf .ft/sec

Torque ML2T-2 FL Erg Joule Pdl.ft lbf.ft

Pressão e Tensão ML-1T-2 FL-2 Dina/cm2 N/m2 =

Pascal (Pa) Pdl/ft2 lbfft2 (p.s.f.)

Densidade ML-3 FL-4T2 g/cm3 Kg/m3 lb/ft3 slug/ft3

Viscosidade Dinâmica ML-1T-1 FL-2T g/cm.s

(poise) Kg/m.s lb/ft.sec = Pdl.sec/ft2

slug/ft.sec = lbf.sec/ft2

Viscosidade Cinemática L2T-1 L2T-1 cm2/s =

Stokes (St) m2/s ft2/sec ft2/sec

Tensão Superficial MT-2 FL-1 Dina/cm N/m Pdl/ft lbf/ft

Velocidade Angular T-1 T-1 rad./s rad./s rad./sec rad./sec

Momento de Inércia ML2 FLT2 g.cm2 kg.m2 lb.ft2 slug.ft2

Vazão Volumétrica L3T-1 L3T-1 cm3/s m3/s ft3/sec

(c.f.s) ft3/sec (c.f.s.)

Vazão Mássica MT-1 FL-1T-1 g/s kg/s lb/sec slug/sec

Page 5: Apostila Ft i - Ufpa (1)

CONVERSÃO DE UNIDADES 1.1 - Comprimento, Área e Volume:

Comprimento (L) 1Km = 103m 1cm = 10 −2m 1mm = 10−3m

1mícron (µ) = 10−6m 1milimícron (mµ) = 10−9m 1ângstron (A) = 10−10m1ft = 12in = 30,48cm 1in = 2,54cm 1m = 39,32in = 3,28ft

1milha = 1,609Km = 1.609m

Área (A) 1ft2 = 144m2 = 929cm2 1m2 = 10,76ft2 = 104cm2

Volume (V) 1L =103cm3 = 61,02m3 = 0,03532ft3 1m3 = 103L = 35,32ft3

1ft3 = 7,481 US galão = 0,02832m3 = 28,32L 1 US galão = 231in3 =3,785L 1 galão imperial = 1,201 US galão

1.2 - Massa:

→ X Kg g utm lb oz slug Observação

Kg 1 103 0,102 2,205 35,28 6,85x10−2 Quilograma

g 10−3 1 1,02x10−4 2,2x10−3 35,3x10−3 6,85x10-5 grama

utm 9,80665 9806,65 1 21,62 346 0,67 unid. Téc. de massa

lb 0,4535 453,5 4,62x10−2 1 16 3,1x10−2 libra-massa

oz 2,83x10−2

28,3 2,9x10−3 6,25x10−2 1 1,9x10−3 onça

slug 14,59 14589 1,49 32,17 514,7 1 _____

1.3 - Velocidade: 1.4 - Densidade Absoluta: ↑

→ X Km/h m/s no ft/s ↑

→ X Kg/m3 g/cm3 lb/ft3

Km/h 1 0,28 0,54 0,91 Kg/m3 1 10−3 6,25.10−2

m/s 3,6 1 1,94 3,28 g/cm3 103 1 62,5

no 1,852 0,51 1 1,59 lb/ft3 16 1,6.10−2 1

ft/s 1,1 0,3048 0,59 1

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1.5 - Força:

→ X dina N Kgf pdl lbf Observações

dina 1 10−5 0,102x10-5 7,23x10−5 2,3x10−6 dina

N 105 1 0,102 7,23 0,225 Newton

Kgf 980665 9,80665 1 70,95 2,205 quilograma-força

pdl 13823 0,138 1,41x10−2 1 3,1x10−2 poundal

lbf 4,45x10−5 4,45 0,453 32,17 1 libra-força

1.6 - Pressão: ↑

→ X Pa atm bar ba Kgf/m2 at lbf/ft2 psi Torr in Hg

Pa 1 9,869.10−6 10−5 10 10,2.10-2 10,2.10−6 20,9.10−3 1,45.10−4 7,5.10−3 2,95.10−4

atm 101325 1 1,01325 1,013.106 10,33.103 1,033 2116 14,6959 760 29,92

bar 105 9,87.10−1 1 106 10,2.103 1,02 2088,5 14,5 750 29,53

ba 10−1 9,87.10−7 10−6 1 10,2.10−3 10,2.10−7 2,09.10−3 14,5.10−6 7,5.10−4 29,5.10−6

Kgf/m2 9,80665 9,68.10−5 9,8.10−5 98 1 10−4 20,5.10−2 14,2.10−4 735.10−4 28,9.10−4

at 98066,5 9,68.10−1 9,8.10−1 98.105 104 1 2048 14,2 735,56 28,958

lbf/ft2 47,88 47,26.10−5 4,79.10−4 478,8 4,88 4,9.10−4 1 69,4.10−4 36.10−4 14.10−3

psi 6894,8 6,80.10−2 6,9.10−2 68,95.103 703 703.10−4 144 1 51,7 2,04

Torr 133,3 13,2.10−4 1,33.10−1 1333 13,595 13,6.10−4 2,78 19,3.10−3 1 39,4.10−3

in Hg 3386,5 3,34.10−2 33,9.10−3 33865 345,3 345.10−4 70,73 49.10−2 25,4 1

Observações:

Pascal atmosfera física ou normal bar bária

--------------------

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atmosfera técnica = 1kgf/cm2

-------------------- lbf/in2

Torricelli = 1mmHg polegada de mercúrio

1.7 - Energia e Trabalho: ↑

→ X J KJ L.atm cal Kcal Kgf.m Btu lbf.ft

J 1 10-3 98,7.10−4 238,8.10−5 23,9.10−5 10,2.10−2 94,8.10−5 737,5.10−7

KJ 103 1 98,7.10−1 238,85 23,9.10−2 101,97 94,8.10−2 737,5

L.atm 101,325 101,3.10−3 1 24,2 24,2.10−3 10,33 96.10−3 74,73

cal 4,1868 4,19.10−3 4,13.10−2 1 10−3 426,9.10−4 39,7.10−4 3,09

Kcal 4,187.103 4,1868 41,31 103 1 426,9 3,97 3,09.103

Kgf.m 9,80665 9,8.10−3 96,8.10−3 2,34 2,3.10−3 1 93.10−4 7,2

Btu 1055 1055.10−3 10,413 252 0,252 107,59 1 778,165

lbf.ft 1,356 1,36.10−3 1,3.10−2 0,324 3,2.10−4 138,3.10−3 12,9.10−4 1

Observações: Btu → Unidade Térmica Britânica J → Joule cal → caloria 1.8 - Viscosidade Dinâmica:

→ X P Kg/m.s Kg/m.h Kgf.s/m2 Kgf.h/m2 lb/ft.s lbf.s/ft2

P 1 0,1 360 0,010197 2,833.10−6 0,06721 2,0885.10−5

Kg/m.s 10 1 3600 0,10197 2,833.10−5 0,6721 2,0885.10−2

Kg/m.h 2,778.10−3 2,778.10−4 1 2,833.10−5 78,68.10−10 18,67.10−5 5,801.10−6

Kgf.s/m2 98,07 9,807 353,04.102 1 2,778.10−4 6,5919 0,20482

Kgf.h/m2 353,04.103 353,04.102 127,09.106 3600 1 23730 737,28

lb/ft.s 14,882 1,4882 5357 0,15175 4,214.10−5 1 0,03108

lbf.s/ft2 478,8 47,88 172,4.103 4,882 1,356.10−3 32,174 1

Page 8: Apostila Ft i - Ufpa (1)

(P)* → Poise = scm

gcm

sdina2 ⋅

=⋅

1.9 - Potência:

→ X W KW cv hp KJ/h KJ/min Kcal/h Kcal / min Kcal/s

W 1 10−3 1,36.10−3 1,34.10−3 3,6 0,06 0,8598 1,43.10−2 2,39.10−4

KW 103 1 1,36 1,34 3,6.103 60 859,8 14,33 0,239

cv 735,5 0,736 1 0,9868 2647,8 44,13 632,41 10,54 0,1757

hp 745,3 0,745 1,013 1 2683 44,72 640,8 10,68 0,178

KJ/h 0,278 278.10−4 3,78.10−4 3,73.10−4 1 1,7.10−2 0,239 3,98.10−3 6,64.10−5

KJ/min 16,67 1,67.10−2 2,27.10−2 2,24.10−2 60 1 14,33 0,239 3,98.10−3

Kcal/h 1,163 1,16.10−3 1,58.10−3 1,56.10−3 4,187 6,97.10−2 1 1,67.10−2 2,78.10−4

Kcal/min 69,78 6,9.10−2 9,49.10−2 9,36.10−2 251,2 4,187 60 1 1.67.10−2

Kcal/s 4186,8 4,186 5,69 5,618 15072 251,2 3600 60 1

Kgf.m/h 2,7.10−3 2,7.10−6 3,7.10−6 3,65.10−6 9,81.10−3 1,63.10−4 2,34.10−3 3,9.10−5 6,5.10−7

Kgf.m/min 0,1634 1,63.10−4 2,22.10−4 2,19.10−4 0,5884 9,81.10−4 0,141 2,34.10−3 3,90.10−5

Kgf.m/s 9,80665 9,8.10−3 1,33.10−2 1,32.10−2 35,3 0,5884 8,432 0,141 2,34.10−3

Btu/h 0,293 2,93.10−4 3,98.10−4 3,93.10−4 1,055 1,76.10−2 0,252 4,2.10−3 7.10−5

Btu/min 17,58 1,76.10−2 2,39.10−2 1,36.10−2 63,3 1,055 15,12 0,252 4,2.10−3

Btu/s 1055 1,055 1,435 1,416 3798,3 63,3 907,2 15,12 0,252

lbf.ft/h 3,77.10−4 3,77.10−7 5,12.10−7 5,05.10−7 1,36.10−3 2,26.10−5 3,24.10−4 5,4.10−6 9.10−8

lbf.ft/min 22,6.10−3 2,26.10−5 3,07.10−5 3,03.10−5 8,14.10−2 1,36.10−3 1,94.10−2 3,24.10−4 5,4.10−6

lbf.ft/s 1,356 1,35.10−3 1,84.10−3 1,18.10−3 4,88 8,14.10−2 1,166 1,94.10−2 3,24.10−4

Continua na próxima página →

Page 9: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1.9 - Potência (continuação):

→ X Kgf.m/h Kgf.m / min Kgf.m/s Btu/h Btu/min Btu/s lbf.ft/h lbf.ft /

min lbf.ft/s

W 367,1 6,12 0,102 3,412 5,68.10−2 9,48.10−4 2655 44,25 0,7375

KW 3,67.10−5 6118 101,97 3412 56,8 0,948 2,66.106 4,43.104 737,5

cv 2,7.105 4500 75 2509,6 41,83 0,697 1,95.106 3,26.104 542,5

hp 2,74.105 4560 76 2543 42,38 0,706 1,98.106 2,4.104 549,7

KJ/h 107,97 1,6695 2,83.10−2 0,9478 1,58.10−2 2,63.10−4 737,53 12,29 0,205

KJ/min 6118,3 101,97 1,6995 56,87 0,9478 1,58.10−2 4,43.104 737,5 12,29

Kcal/h 426,93 7,116 0,1186 3,968 6,61.10−2 1,1.10−3 3088 51,5 0,858

Kcal/min 2,56.104 426,9 7,12 238,1 3,968 6,61.10−2 1,85.105 3088 51,5

Kcal/s 1,54.106 2,56.104 426,9 1,43.104 238,09 3,968 1,11.107 1,85.105 3088

Kgf.m/h 1 1,67.10−2 2,78.10−4 9,3.10−3 1,5.10−4 2,58.10−6 7,23 0,12 2.10−3

Kgf.m/min 60 1 1,67.10−2 0,558 9,3.10−3 1,55.10−4 434 7,23 0,12

Kgf.m/s 3600 60 1 33,46 0,5577 9,3.10−3 26038 434 7,23

Btu/h 107,6 1,793 3.10−2 1 1,67.10−2 2,78.10−4 778,15 12,97 0,216

Btu/min 6455,3 107,6 1,793 60 1 1,67.10−2 46689 778,15 12,97

Btu/s 3,87.105 6455,3 107,6 3600 60 1 2,8.106 46689 778,15

lbf.ft/h 0,138 2,3.10−3 3,8.10−5 1,3.10−3 2,14.10−5 3,57.10−7 1 1,67.10−2 2,78.10−4

lbf.ft/min 8,296 0,138 2,3.10−3 7,7.10−2 1,3.10−3 2,1.10−5 60 1 1,67.10−2

lbf.ft/s 497,74 8,296 0,138 4,626 7,71.10−2 1,3.10−3 3600 60 1

Observações: cv → cavalo vapor hp → cavalo de potência

W → Watt = sJ

Page 10: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1.10 - Condutividade Térmica [k]:

→ X Ccm.º

W

Cm.h.º

Kcal

Ccm.s.º

cal

F.h.ºft

Btu.in2

Fft.h.º

Btu

Fin.h.º

Btu

Ccm.º

W 1 85,985 0,23885 693,5 57,79 4,815

Cm.h.º

Kcal 0,01163 1 2,778.10−3 8,064 0,6719 0,05599

Ccm.s.º

cal 4,1868 360 1 2903 241,9 20,16

F.h.ºft

Btu.in2

1,442.10−3 0,1240 3,445.10−4 1 0,08333 6,944.10−3

Fft.h.º

Btu 1,731.10−2 1,488 4,134.10−3 12 1 0,08333

Fin.h.º

Btu 0,2077 17,858 4,964.10−2 144 12 1

Observação:

Cm.º

W210Ccm.º

W1 =

1.11 - Coeficiente de Transmissão de Calor [h]:

→ X C.ºcm

W2

Cºm

W2

C.h.ºm

Kcal2

C.s.ºcm

cal2

F.h.ºft

Btu2

C.ºcm

W2

1 104 8598,5 0,23885 1761

Cºm

W2

10−4 1 0,85985 2,389.10−5 0,1761

C.h.ºm

Kcal2

1,163.10−4 1,163 1 2,778.10−5 0,2048

C.s.ºcm

cal2

4,1868 4,1868.104 3,6.104 1 7373

F.h.ºft

Btu2

5,681.10−4 5,681 4,886 1,356.10−4 1

Page 11: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1.12 - Viscosidade Cinemática (ν) , Temperatura, Densidade (ρ) e Ângulo:

Viscosidade Cinemática

1Stoke (St) = 102 centistokes (cSt) =1,076.10−3ft2/sec 1ft2/sec = 92900 (cSt) = 0,01 (St)

Temperatura

K = ºC + 273,15 = 9

5 R

R = ºF + 459,67 = 5

9 K

ºC = 9

5 (ºF − 32) = K − 273,15

ºF = 5

9 ºC + 32 = R - 459,67

Densidade 1g/cm3 = 10−3Kg/m3 = 62,43lb/ft3 = 1,94 slug/ft3 1lb/ft3 = 0,01602g/cm3

1slug/ft3 = 0,5154g/cm3

Ângulo 1rad = 57,296º 1º = 0,017453rad

Page 12: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

ANÁLISE MATEMÁTICA

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: Tem como principal objetivo o estudo das variáveis e suas inter-relações, ou seja, a análise trata de forma geral o conceito de magnitude (módulo) sem entretanto considerar seu significado físico. 2 − CONCEITO DE VARIÁVEL: Se uma grandeza física assume valores numéricos diferentes, então, podemos afirmar que a mesma é uma variável. 3 − TEORIA DE CAMPOS: 3.1 − Campo escalar: Denomina-se campo escalar a lei de correspondência que associa a cada ponto do espaço ⎥n, ou de parte do espaço, uma grandeza física escalar. Ex: Campo de temperatura, campo de concentração, campo de pressão. Se tivermos uma função escalar do ponto "M", f = f(M), onde M ∈ ⎥n, no sistema cartesiano de coordenadas (x, y, z), teremos f = f (x, y, z), logo se: F = Concentração ⇒ C = C (x, y, z); F = Temperatura ⇒ T = T (x, y, z); f = Pressão ⇒ P = P (x, y, z); 3.2 − Campo Vetorial: É a lei de correspondência que associa a cada ponto do espaço ⎥n, ou parte do espaço, uma quantidade física vetorial. Ex: Campo de velocidade, campo de quantidade de movimento, campo de aceleração.

Page 13: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2

Um campo vetorial escreve-se mediante uma função vetorial do ponto "M".

( ) ( ) ( ) ( )→→→→→

++=∴= kzyxfjzyxfizyxffMff ,,,,,, 321 logo:

( ) ( ) ( )→→→→

++= kzyxvjzyxvizyxvv ,,,,,, 321 # NOTAS:

Campo escalar e vetorial permanente ou estacionário → são aqueles que a função escalar ou vetorial só depende das coordenadas espaciais.

Campo escalar e vetorial transiente → são aqueles que as funções escalares e vetoriais dependem das coordenadas espaciais e do tempo.

Campo escalar e vetorial unidimensional e estacionário → são aqueles que as funções vetoriais e escalares independem do tempo e variam somente em uma direção.

3.3 − Campo Tensorial: Se qualquer ponto "M" do domínio de um tensor for especificado, dizemos que existe campo tensorial no domínio "D".

( )⎟⎟⎟

⎜⎜⎜

⎛=∴=

333231

232221

131211~ ~

fffffffff

fMff

Ex: Campo de tensão cisalhante: ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ =

AFCτ

Obs: A aplicação da teoria de campo escalar, vetorial e tensorial para o espaço Euclidiano ⎥3, mostra-nos que estes campos são tensores, ou seja: / Escalar → é um tensor de ordem "zero"; 30 = 1 (módulo). / Vetor → é um tensor de ordem "1"; 31 = 3 (módulo, direção e

sentido). / Tensor → é um tensor de ordem "2"; 32 = 9 (módulo, direção e

sentido nas três direções)

Page 14: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3

4 − GRADIENTE: É uma função vetorial derivada de uma função escalar. É uma função tensorial derivada de uma função vetorial. Para uma função escalar ϕ = ϕ (x, y, z)

→→→

∂∂

+∂∂

+∂∂

= kz

jy

ix

GRAD ϕϕϕϕ , onde ∇=∂∂

+∂∂

+∂∂ →→→

kz

jy

ix

∇ = Operador Nabla, então: ϕϕ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇→→→k

zj

yi

x

5 − DIVERGENTE: É uma função escalar derivada do produto escalar entre dois vetores.

Dada a função vetorial: ( ) ( ) ( ) ( )→→→→

++= kzyxvjzyxvizyxvzyxv ,,,,,,,, 321

zv

yv

xvvdiv

∂∂

+∂∂

+∂∂

= 321. ∴ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇→→→→→→kvjvivk

zj

yi

xv 321.

zv

yv

xvv

∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇ 321.

NOTA:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⋅

→→→→BABABA ,.cos

1º0cos 1 =∴=⋅=⋅=⋅→→→→→→kkjjii

0º90cos 0 =∴=⋅=⋅=⋅→→→→→→kjkiji

Page 15: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4

6 − OPERADOR DE LA PLACE (∇2): É a divergência do gradiente (div.gradϕ ; ou ; ∇.∇ϕ ; ou ; ∇2ϕ)

2

2

2

2

2

22

zyx ∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇ , então: 2

2

2

2

2

22

zyx ∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇ϕϕϕ

7 − ROTACIONAL (ROT): É uma função vetorial derivada do produto vetorial entre dois vetores.

321 vvvkyx

kjivROT ∂∂∂∂∂∂=

→→→

onde: ( ) ( ) ( ) ( )→→→→

++= kzyxvjzyxvizyxvzyxv ,,,,,,,, 321 8 − PROPRIEDADES DO OPERADOR NABLA:

( ) 2121 ϕϕϕϕ ∇+∇=+∇ ( ) 2121 VVVV ⋅∇+⋅∇=+⋅∇ ( ) 2121 xxx VVVV ∇+∇=+∇ ( ) ( ) ( )VVV ⋅∇+∇=⋅∇ ϕϕϕ ( ) ( ) ( )VVV xxx ∇+∇=∇ ϕϕϕ ( ) 0x =∇⋅∇ A

APLICAÇÃO: Calcular o gradiente e a divergência do gradiente da função abaixo e provar que 2∇=∇⋅∇ .

332 zyyx +=ϕ

( ) →→→→→→+++=∇∴⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇ kzyjzyxixykz

jy

ix

23322 332 ϕϕϕϕϕ

Page 16: Apostila Ft i - Ufpa (1)

5

⎪⎩

⎪⎨

=+=

=∴

∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇⋅∇23

3

3222

1321

33

2

zyvzyxv

xyv

zv

yv

xvϕ

zyyzy 33 662 ++=∇⋅∇ ϕ

zyyzyzyx

3322

2

2

2

2

22 662 ++=∇∴⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇ ϕϕϕϕϕ

logo: ϕϕ ∇⋅∇=∇2

9 − DERIVADA SUBSTANTIVA: Representa a taxa de variação de uma grandeza física, associada a uma partícula em movimento.

Sendo [ ]ttztytxBB ),(),(),(= , então:

tz

zB

ty

yB

tx

xB

tB

DtDB

∂∂⋅

∂∂

+∂∂⋅

∂∂

+∂∂⋅

∂∂

+∂∂

=

onde tz

ty

tx

∂∂

∂∂

∂∂ e , são as componentes da velocidade, então:

zyx vzBv

yBv

xB

tB

DtDB

⋅∂∂

+⋅∂∂

+⋅∂∂

+∂∂

=

Page 17: Apostila Ft i - Ufpa (1)

e

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ DEQAL/CMEQ DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

LEI DE NEWTON DA VISCOSIDADE

1 − INTRODUÇÃO AO FENÔMENO DE TRANSFERÊNCIA: O processo de transferência é caracterizado pela tendência ao equilíbrio, que é uma condição em que não ocorre nenhuma variação. Numa força motriz, o movimento no sentido do equilíbrio e o transporte de alguma quantidade, são os fatores comuns a todos os processos de transferência.

2 − FORÇA MOTRIZ: É a diferença entre duas grandezas às quais ocorre uma variação ( é

dado pelo gradiente unidirecional dxdB )

Ex1: Transporte de calor: y T1 T2 Fluxo de calor da esquerda para a x direita (T1 > T2) z fonte de aquecimento 0 0

dxdTTk

zTj

yTi

xTT =∇∴

∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇→→→

Ex2: Transporte de massa: y C1 x Fluxo de massa (C1 > C2) C2 z 0 0

dxdCTk

zCj

yCi

xCC =∇∴

∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇→→→

Page 18: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Ex3: Transporte de quantidade de movimento: y x H2O Fluxo de quantidade de movimento (v1 > v2) z v1 v2 0 0

dxdvv

zv

yv

xvv xzyx =⋅∇∴

∂∂

+∂

∂+

∂∂

=⋅∇

3 − MEIO: É a porção da matéria em que ocorrem as variações, ou suja, os fenômenos de transferência. Os meios apresentam-se na forma sólida e fluida, sendo os fluidos líquidos e gases. 4 − FLUIDO: São substâncias que podem escoar, movendo-se as moléculas e mudando a posição relativa sem fragmentação da massa. Os fluidos deformam-se continuamente quando submetidos à tensões cisalhantes, por menores que estas sejam, e se adaptam às formas do recipiente que os contém. 5 − EQUAÇÃO DE NEWTON DA VISCOSIDADE: 5.1 − Considerando-se um bloco sólido: y FC (Força cisalhante) Placa Fixa x

AFC

yx =τ

y FC γ P.F. x

Page 19: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Dentro do regime de deformação elástica, temos:

γτ Gyx = onde: G → constante de proporcionalidade que é o módulo de elasticidade; γ → ângulo de deformação. Obs: O módulo de elasticidade é uma propriedade intrínseca do material. Ela é uma medida direta da resistência interna que o mesmo apresenta face às forças cisalhantes. 5.1 − Considerando um bloco fluido: y γ1 γ2 γ3 FC P. móvel FC x P. fixa

γ1 < γ2 < γ3

dtd

yxγατ ⇒ dt

dyx

γµτ ⋅= (I)

Obs: A equação (I) relaciona a tensão de cisalhamento com a taxa de deformação, conhecida como "Lei de Newton da Viscosidade", sendo "µ" a viscosidade absoluta. Obs: Como a deformação angular não é facilmente mensurável, então, procura-se expressar a equação (I) em grandezas facilmente mensuráveis. 5.3 − Seqüência do fenômeno: y FC P.M. t = 0; placa em repouso x P.F.

Page 20: Apostila Ft i - Ufpa (1)

y FC P.M. t = pequeno; há um regime transiente, ou seja, o perfil é vx = vx (y, t). x P.F. y FC P.M. t = ∞; perfil de velocidade estacionário, ou seja, vx = vx (y) x P.F. y dx P.M. dy γ vx = vx (y) x P.F.

( )dydxtg =γ ; porém para ângulos pequenos ⇒ ( )γγ tg=

logo dydx

=γ ; então ⇒ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

dydx

dtd

yxτ ∴ dydvx⋅−= µτ yx (II)

Obs: O sinal negativo da equação acima é devido ao atrito, pois o mesmo é exercido pela parede sólida sobre o fluido e em sentido contrário ao escoamento. Matematicamente, podemos dizer que o escoamento está indo de uma região de maior fluxo de quantidade de movimento para uma de menor fluxo.

tAtv

Am

Aam

AFC

yx .movimento de Quantidade.

=⋅===τ , mas...

:logo , áreaTaxaFluxo e

tempograndezaTaxa ==

τyx = Densidade de fluxo de quantidade de movimento.

Page 21: Apostila Ft i - Ufpa (1)

5.4 − Validade da Lei de Newton da Viscosidade: Fluido newtoniano; Distância entre as placas muito pequena; Utilizado para pequenas deformações.

6 − VISCOSIDADE: A constante de proporcionalidade da equação (I) ou (II) é chamada de viscosidade absoluta ou dinâmica (µ) e mede, portanto, a resistência que o fluido oferece às forças cisalhantes, ou seja, mede o atrito interno que as moléculas constituintes do fluido exercem entre si. A viscosidade cinemática (υ) é uma outra propriedade do fluido. Ela é definida como sendo a relação entre a viscosidade dinâmica (µ) e a massa específica (ρ) do fluido.

ρµυ =

6.1 − Dimensões de "µ" e "υ": a) Sistema [MLT]:

[ ]112

2

.. −−−

=∴⋅=⋅=∴= TMLTL

LL

TLMvy

AF

dydvx

yx µµτ

µ

[ ]123

11

.

.. −−

−−

=∴== TLLM

TLM υρµυ

b) Sistema [FLT]:

[ ]22 −=∴⋅=⋅= FTL

TLL

LF

vy

AF µµ

6.2 − Unidades mais usuais de viscosidade: a) Viscosidade dinâmica (µ): ## Sistema CGS:

100cP1P POISEou .

ou .2 =∴

scmg

cmsdy

Page 22: Apostila Ft i - Ufpa (1)

## Sistema Internacional:

smKg

msN

.ou .

2

## Sistema Inglês:

sftlbm

ftslbf

.ou .

2

b) Viscosidade cinemática (υ): ## Sistema CGS:

100cSt1St STOKE2

=∴=s

cm

## Sistema Internacional:

sm2

## Sistema Inglês:

sft 2

6.3 − Influência da Pressão e Temperatura: a) Pressão:

Para pressões moderadas a viscosidade dos fluidos independe da pressão (até 10atm).

Para altas pressões, os gases e a maioria dos líquidos variam, porém não existem leis bem definidas. b) Temperatura:

Nos gases, aumentando-se a temperatura, aumenta a viscosidade, devido à transferência de quantidade de movimento entre as moléculas.

Nos líquidos, aumentando-se a temperatura, diminui a viscosidade, devido diminuírem as forças de coesão entre as moléculas.

Page 23: Apostila Ft i - Ufpa (1)

6.4 − Condições finitas: Mostre que para condições finitas e perfil linear, a tensão de

cisalhamento é dada por: YV

yx =τ .

# Se o perfil de velocidade é linear, então → vx = a.y + b condições de contorno: 1ª: y = 0 ∴ vx = 0 ⇒ 0 = a.0 + b ⇒ b = 0

2ª: y = Y ∴ vx = V ⇒ V = a.Y + 0 ⇒ YVa =

YV

dydv y

YVv x

x =∴=

YV.

dydv. x µτµτ =⇒=

7 − REOLOGIA DE FLUIDOS NÃO-NEWTONIANOS: 7.1 − Definição: É a ciência que estuda a deformação e o fluxo de matérias, tais como: sangue, suspensões, tintas, vernizes, etc. Estas substâncias fluem, porém não obedecem a Lei de Newton da viscosidade, sendo estas substâncias ditas fluidos não Newtonianos. 7.2 − Diagrama Reológico ou Reograma: Na figura abaixo estão esquematizadas as relações de "τ" e "dvx/dy" para fluidos não Newtonianos, independentes do tempo. τ (dy/cm2) (2) (1) n = µ (3) n > 1 α τ0 (4) n < 1 (5) dvx/dy (s−1)

Page 24: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Curva (1) → Representa um fluido Newtoniano, onde a tangente do

ângulo "α" é igual a " µτ =dydvx ".

Ex: Substâncias de baixo peso molecular (álcool, água e todos os gases), óleos lubrificantes e óleos comestíveis. # Curva (2) → Caracteriza um plástico de Bingham. Este tipo de fluido apresenta um excesso de rigidez, o qual deve ser vencido para que o material possa fluir. Ex: Lamas de perfuração

Equação de Bingham → dydvx

pyx ⋅+= µττ 0

onde "µp" é a viscosidade do plástico. # Curva (3) → Caracteriza um fluido "Dilatante". Observa-se que sua viscosidade aumenta com o aumento da tensão cisalhante (OSBORNE REYNOLDS). Ex: Suspensões de amido, silicato de potássio e areia. # Curva (4) → Caracteriza um fluido "Pseudoplástico". Observa-se que a viscosidade diminui com o aumento do gradiente de velocidade (METZNER). Ex: Soluções de polímeros de moléculas grandes, purês de frutas e legumes, sangue, maionese. # Curva (5) → Representa um fluido ideal ou perfeito, ou seja, sem atrito, visto que a tangente é nula. 7.3 − Modelo matemático para fluidos Dilatante e Pseudoplásticos: É o modelo de Ostwald-de-Walle ou lei da potência.

dydv

dydvK x

nx

yx ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−1

τ

Page 25: Apostila Ft i - Ufpa (1)

onde: K → é o índice de consistência do fluido; n → é o índice de comportamento do escoamento do fluido;

1−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛n

x

dydvK → viscosidade aparente.

Obs: Se K = µ e n = 1, o fluido é Newtoniano; Se n > 1, fluido Dilatante; Se n < 1, fluido Pseudoplástico.

Page 26: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

Lista de Exercícios de Lei de Newton da Viscosidade

1 − A distância entre dois pratos planos e paralelos é 0,00914m e o prato inferior está sendo puxado a uma velocidade relativa de 0,366m/s. O fluido entre os pratos é óleo de soja com viscosidade de 4x10−2Pa.s a 303K. a) Calcule a tensão cisalhante e o gradiente de velocidade, em unidades do S.I. Resp: 1,6 Pa; 40

s-1 b) Caso o glicerol a 293 K com viscosidade 1,069 Kg/m.s seja usado no lugar do óleo de soja,

qual será a velocidade relativa em m/s necessária para a mesma distância entre os pratos e a mesma tensão cisalhante obtida no item (a)? Qual o novo gradiente de velocidade? Resp: 0,014 m/s; 1,5 s-1.

2 − O pistão mostrado na figura abaixo, desliza no cilindro com uma velocidade constante de 0,6m/s. Calcular o peso do pistão, sabendo-se que a viscosidade do fluido lubrificante é 200cP. Resp: 12,4 N. Lubrificante P 45º 3 − Tem-se um viscosímetro rotatório que consta basicamente de dois cilindros coaxiais onde o óleo de ensaio é colocado entre eles (ver figura). É necessário um torque de 2N.m para fazer o cilindro interno girar a 30rpm. Os cilindros possuem 0,457mde comprimento e a folga entre eles é de 0,30cm. Desprezando os efeitos de borda, demonstre que: a) A tensão cisalhante é dada por (τ = 0,697/r2); b) Calcule a viscosidade do óleo de ensaio em "Pa.s" supondo-o Newtoniano e ri

=0,15m.Resp:0,2 Pa.s.

Pistão

Dados: Comprim.Pistão = 40cm DPistão = 11,6cm Dcilindro = 12,0cm 200cP = 2P 0,6m/s = 60cm/s Obs: Considere a espessura do filme muito pequena

re ri

Page 27: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4 − A figura abaixo mostra uma placa "A", com área total de 1,0 m2 e massa de 0,10Kg, deslizando para baixo entre duas placas, entre as quais, encontra-se um óleo (µ = 407cP). Desprezando a espessura da placa "A" e o empuxo calcule: a) A tensão cisalhante no S.I; Resp: a) 0,981 N; b) v= 0,25 m/s. b) A velocidade da placa no S.I. Fc1 Fc2 P 5 − Um eixo com 18 mm de diâmetro externo, gira a 20 rotações por segundo dentro de um mancal de sustentação estacionário de 60 mm de comprimento. Uma película de óleo com espessura de 0,2 mm preenche a folga anular entre o eixo e o mancal. O torque necessário para girar o eixo é de 0,0036 N.m. Estime a viscosidade do óleo que se encontra que se encontra na folga. Resp: 0,0208 Pa.s. 6- Uma fina placa quadrada de 20 cm de lado, desliza ao longo de um palano inclinado de 300. Qual a massa da placa se a viscosidade do fluido é de 800 cP? O perfil de velocidade é dado por Vx= 3,5 y (em cm/s). Resp: 22,834 g. 7- Marque V se for verdadeira e F se for falsa: ( ) Na Lei de Newton da Viscosidade, o gradiente de velocidade eqüivale a taxa de deformação do fluido, cuja dimensão é o segundo, e sempre esse gradiente é negativo, pois o fluido movimenta-se de maiores para menores concentração de velocidade de quantidade de movimento.

( ) A diferença mecânica entre um dilatante é que esse último deve vencer uma tensão inicial para começar a se deformar. ( ) Para µ= 0,06 kg/m.s e d= 0,6, a viscosidade em Stokes é igual a 1. 8- A tabela abaixo contém dados experimentais para um reograma de um material polimérico. Determine se este fluido é um pseudoplastico. Caso o for, determine os parâmetros k e n. Resp: 9604,62 e n< 1. dv/dy (s-1) 10 20 50 100 200 400 600 1000 2000 σ (N/m2).104 2,2 3,1 4,4 5,8 7,4 9,8 11,1 13.9 17,0

y1

y2

Page 28: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resolução dos Exercícios 1ª) Solução:

Dados:YV

KTmsN

my

yx ⋅=⇒⎪⎩

⎪⎨

=⋅⋅=

=− µτµ 303

10400914,0

22

x P. Fixa y P. Móvel Fluido a) V=0,366m/s:

PamN

yxyxyx 6,1ou 6,1 00914,0366,0104 2

2 ==⇒⋅⋅= − τττ

140

00914,0366,0 −=⇒= s

YV

YV

b) KTsmKg 293 ; 069,1 =⋅=µ

15,1 069,1

6,1 −=⇒=⇒= sYV

YV

YV yx

µτ

smVV /014,0 00914,05,1 =⇒⋅=

2ª) Solução: # Como a espessura do filme é muito pequena, podemos considerar perfil linear. P. fixa P. móvel (Pistão) PX PY P 45º ∆r

bayVCosPPRRr xx +=⋅=−=∆ ; º45 ; 12

Page 29: Apostila Ft i - Ufpa (1)

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

∆=∴=∴∆=

=∴=∴=

rV

aVVry

bVy

máxmáxx

x

0 0 0

lateraláreaLDAdy

dVxyx ; →⋅⋅=⋅= πµτ

rV

CosLDP

rV

LDCosP

AP

AF máxmáxxx

yx ∆⋅

⋅⋅⋅=⇒

∆⋅=

⋅⋅⋅

===º45

º45 1

1

µπµ

πτ

NPDinasPCos

P 4,12ou 61,898.236.1 6,1112

60º45

2406,11==⇒

−⋅

⋅⋅⋅=π

3ª) Solução:

Dados: ⎩⎨⎧

⎩⎨⎧

=+=

⎩⎨⎧

==

==

mRafoRR

cmyL

rpmfmNT

e

ie

i 153,0lg

; 30,0457,0

; 30

.2

a) ( ) τππττ ⋅⋅⋅=⇒⋅⋅⋅=⇒⋅⋅=⇒⋅= 22 2 rLTrLrTrATrFT

22697,0

45,022

rr=⇒

⋅⋅= τ

πτ

b)

( )153,0

150,022

1697,0 697,0 697,0⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−−=−⋅⇒−=⇒==⋅− ∫∫ r

VVrdrdV

rdrdV

ie

r

r

V

V

e

i

e

i

µµτµ

iii V

VV 091,0 091,0 15,01

153,01697,0 =⇒−=⋅−⇒⎟

⎞⎜⎝

⎛ −=⋅− µµµ

frVrpsfs

Rotf ii ⋅=⋅=∴=⇒⋅= πωω 2 :mas 5,0 60min1

min30

sPam

sNsmVV ii .2,0ou .2,0 471,0091,0 /471,0 15,0

212 2 ==⇒=∴=⇒⋅⋅= µµµπ

4ª) Solução:

smKg

mcm

gKg

scmgPcP

.407,0

110

101

.07,407,4407

2

3 =∴⋅⋅=== µµ

2

212

21 5,0 0,1 mAAmAAA T ==⇒==+

Dado: ⎩⎨⎧

==

⎩⎨⎧

==

??

:se-pede 0,1

10,02 VmA

Kgm

T

τ

Page 30: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Balanço de força:

21 FFP +=

2.981,0 81,910,0

smKgPgmP =⇒⋅=⋅=

a) Cálculo da tensão:

22121

2

2

1

111 962,1

5,0981,0

5,05,05,05,0 mNPFFFF

AF

AF

=⇒==+

=+=+=+= ττττ

b) Cálculo da velocidade:

22

1121221121

yVA

yVAFFAAFFAF

AF

⋅+⋅=+∴⋅+⋅=+∴⋅=∴= µµττττ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅=⇒==

2121

115,0 5,0 :masyy

VPAA µ

smVV 51,0

15,01

35,01407,05,0981,0 =⇒⎟

⎞⎜⎝

⎛ +⋅⋅⋅=

5ª) Solução: h bayVr +=

V1 V2 ⎪⎩

⎪⎨⎧

−=∴=∴=

=∴=∴=

hVVaVVhy

VbVVy

r

r12

2

11

0

r

y ( )h

VVa 21 −−=

( ) ( )

dydV

hVV

dydVVy

hVVV r

yrr

r ⋅−=∴−

−=⇒+⋅−

−= µτ 211

21

( ) dAh

VVdFAF

hVV

cc

yr ⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅==⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −−⋅−= 2121 :ando)(diferenci µµτ

⎪⎩

⎪⎨⎧

⋅⋅=

=∴⋅=

cia)ircunferên(Área da cddrrdA

(Torque)r

dTdFrdFdT

θ

∫ ∫ ∫ ⋅=⋅=⇒⋅⋅=π

ππθ2

0

22

0 22 RRAddrrdA

R

Page 31: Apostila Ft i - Ufpa (1)

⎩⎨⎧

⋅=⋅=

∴⋅⋅⋅⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅=

rVrV

ddrrrh

VVdT22

1121 :mas ωω

θµ

∫∫∫ ⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅=⇒⋅⋅⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅=

πθωωµθωωµ

2

0

2

0

321

0

321 ddrrh

dTddrrh

dTdT

( ) 4214

421

32

422 d

hTd

hT ⋅−⋅

⋅⋅

=⇒⋅

⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅⋅= ωωπµωωµπ

( ) 42132

dTh

⋅⋅⋅⋅

=−πµ

ωω

Page 32: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: Célio Souza

EQUAÇÕES DE VARIAÇÃO (SISTEMAS ISTÉRMICOS - I)

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: As equações são baseadas em leis fundamentais, tais como:

Princípio da Conservação da Massa; 2ª Lei da Termodinâmica; Princípio da Conservação da Energia.

2 − EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE: Esta equação é baseada na lei de conservação da massa. Vamos considerar um balanço de massa para um fluido circulando em uma região fixa no espaço em um elemento de volume "∆x. ∆y. ∆z". 2.1 − Lei da Conservação da Massa: − =

skgm

sm

mKgAv =⋅⋅⇒== 2

3 .tempomassamassa de taxa ρ

z (ρvz)/(z+∆z) (ρvy)/(y+∆y) y (ρvx)/x (ρvx)/(x+∆x) (ρvy)/y (ρvz)/z x

Taxa de massa que entra no

volume de

Taxa de massa que sai do volume

de controle

Taxa de acúmulo de massa no vol.

de controle

Page 33: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2.1.1 − Taxa de entrada de massa no volume de controle: # em "x": ( ) zyv xx ∆∆⋅ .ρ # em "y": ( ) zxv yy ∆∆⋅ .ρ # em "z": ( ) yxv zz ∆∆⋅ .ρ 2.1.2 − Taxa de saída de massa do volume de controle: # em "x": ( ) ( ) zyv xxx ∆∆⋅∆+ .ρ # em "y": ( ) ( ) zxv yyy ∆∆⋅∆+ .ρ # em "z": ( ) ( ) yxv zzz ∆∆⋅∆+ .ρ 2.1.3 − Taxa de acúmulo de massa: (variação da massa com o tempo)

( ) tempo ∴÷=∴= ρρ VmVm

tzyx

tm

∂∂⋅∆∆∆=

∂∂ ρ..

# Substituindo cada item no balanço de massa, temos:

( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] +∆∆⋅−+∆∆⋅− ∆+∆+ zxvvzyvv yyyyyxxxxx .. ρρρρ

( ) ( )[ ] ( )zyxt

zyxyxvv zzzzz ∆∆∆÷∂∂⋅∆∆∆=∆∆⋅−+ ∆+ .. ... ρρρ

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∆−

+∆

−+

∆−

−=∂∂ ∆+∆+∆+

zvv

yvv

xvv

tzzzzzyyyyyxxxxx ρρρρρρρ

# Levando o 2º membro ao limite quando (∆x, ∆y, ∆z → 0), teremos:

( ) ( ) ( )xxxxxx v

xxvv

xρρρ

∂∂

=∆−

→∆∆+

0lim

, logo:

Page 34: Apostila Ft i - Ufpa (1)

( ) ( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂

+∂∂

+∂∂

−=∂∂

zyx vz

vy

vxt

ρρρρ (I)

Obs: A equação (I) é a equação da continuidade que pode também ser escrita da forma:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−∇=

∂∂ →

vt

ρρ . (II)

# Aplicando-se a derivada do produto em (I), teremos:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂

∂+

∂∂

+∂∂

−=∂∂

zv

zv

yv

yv

xv

xv

t zz

yy

xx ρρρρρρρ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

−=∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

zv

yv

xv

zv

yv

xv

tzyx

zyx ρρρρρ

∇−= vDtD .ρρ

(III)

Obs: A equação (III) é uma outra forma de se escrever a equação (I). Ambas são definidas para "fluido compressível e regime transiente". Obs: Não existe regime transiente incompressível, visto que para ser incompressível (ρ = cte), a variação com o tempo é nula, o que tornaria o regime em permanente. 3 − CASOS PARTICULARES:

3.1 − Fluido incompressível (ρ = cte) e regime permanente ( 0=∂∂

tρ ).

0

. ∴⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−∇=

∂∂ →

vt

ρρ 0. =∇→v

Page 35: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3.2 − Fluido compressível (ρ ≠ cte) e regime permanente ( 0=∂∂

tρ ).

0

. ∴⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−∇=

∂∂ →

vt

ρρ 0. =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∇

→vρ

4 − OUTROS SISTEMAS DE COORDENADAS: 4.1 − Coordenadas Cilíndricas (r,θ,z):

( ) ( ) ( ) 0..1..1=

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

zr vz

vr

vrrrt

ρρθ

ρρθ

4.2 − Coordenadas Esféricas (r,θ,ϕ):

( ) ( ) ( ) 0.sen1sen..

sen1..1 2

2 =∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

ϕθ ρϕθ

θρθθ

ρρ vr

vr

vrrrt r

Page 36: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

Lista de Exercícios de Equação da Continuidade 01 − Faça os cálculos para verificar se equação da velocidade V = (2xy)i + (x − y)j + (z − 2zy)k, satisfaz a equação da continuidade para o escoamento de um fluido incompressível em regime permanente. 02 − Dado o campo de velocidade V = (2x + cosy)i + (senx − 2y)j − 4zk, verifique se o mesmo é compressível ou incompressível. 03 − O escoamento de um fluido bidimensional, vx = 0, é incompressível. O componente "vy" em qualquer ponto é dado por: vy = 4y2 - cos(α)z. Encontre "vz", sabendo-se que para z = 0 ; vz = v0. 04 − Em um duto cilíndrico escoa um fluido com velocidade vz = v0 −

tZ . Ocorre

neste movimento do fluido a variação de sua massa específica somente com o tempo "t", e onde no instante t = t0, ρ = ρ0 (cte). Calcule a expressão para a massa específica "ρ" do fluido. 05 − O escoamento de um fluido incompressível em coordenadas retangulares é dado pelos componentes de velocidade: vx = x3y e vy = 2yx2, onde "vz" é desconhecido. Encontre "vz", sabendo-se que vz = 0 em z = 0. 06 − Seja vx = vx (x,t), o único componente de um escoamento em plano unidimensional e transiente para o qual a massa especifica varia de acordo com ρ = ρ0[2 − cos(ωt)]. Determine a expressão para "vx", se em x = 0; vx = v0, para qualquer valor de "t". 07 − Um campo de escoamento unidirecional é representado por vz = 1 + z. Sabendo-se que ρ = ρ(z), e sendo ρ = ρ0, quando z = 0, obtenha uma expressão para calcular "ρ".

Page 37: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resolução dos Exercícios

1ª) Solução:

( ) ( ) ( ) yz

vy

vy

xv

kzyzjyxixyv zyx 21 ; 1 ; 2 22 −=∂∂

−=∂

∂=

∂∂

⇒−+−+=→→→→

02112 )( 0 =−+−⇒=∂∂

+∂

∂+

∂∂

yyívelincompressz

vy

vx

v zyx (sim)

2ª) Solução:

( ) ( ) 4 ; 2 ; 2 42sencos2 −=∂∂

−=∂

∂=

∂∂

⇒−−++=→→→→

xv

yv

xv

kzjyxiyxv xyx

4422 )( 0 −=−+−⇒=∂∂

+∂

∂+

∂∂

ívelincompressz

vy

vx

v zyx (compressível)

3ª) Solução:

02 0 0 ? cos4 vv zvvzyv zxzy =⇒=∴=∴=∴−= α

0

08 0 8 =+∴=∂∂

+∂

∂+

∂∂

∴=∂

dzdv

yz

vy

vx

vy

yv zzyxy

∫ ∫ =⇒=∴+−=∴−= 0 :.. 8 v 8 0z zvvcontcondCyzdzydv zz

yzvvvCCyv z 8 08 000 −=∴=∴+⋅−= 4ª) Solução: 0 0

( ) ( ) ( ) ( )⎩⎨⎧

=⇒==

∴=∂∂

+∂∂

++∂∂

00 ,

0 1 1ρρ

ρρθ

ρρθ tt

tzvvv

zv

rvr

drd

rtzz

zr

0

( ) 0 0 0 =∂∂

+∂∂

∴=∂∂

+∂∂

+∂∂

∴=∂∂

+∂∂

zv

tzv

zv

tv

ztz

zz

z ρρρρρρρ

∫ ∫=∴=∴=−∂∂

∴−=∂∂

∴−=tdtd

tdtd

tttzv

tzvv z

z ρρρρρρ 0 1 0

Page 38: Apostila Ft i - Ufpa (1)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=∴⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛=∴∴+=

0

0

0

0 lnlnln ln .. . lnlnt

tt

CcontcondasubstCtρ

ρρ

ρ

00

0

0 lnlntt

tt

ρρρ

ρ =∴⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅=

5ª) Solução:

0 0:. . ; ? ; 2 ; 23 =⇒==== zvcontcondvyxvyxv zzyx

023 2x

3x

0 2222 =++∴=∂∂

∴=∂∂

∴=∂∂

+∂

∂+

∂∂

dzdvxyxx

vyx

vz

vy

vx

v zxxzyx

( ) ( )∫ ∫ ∴++−=∴+−= : ,. . 23 23 2222 temosccasubstCzxyxvdzxyxdv zz

( ) zxyxvC z 23 0 22 +−=∴=

6ª) Solução:

( ) ( ) 00 0:. . ; ? ; cos2 ; , vvxcontcondvttxvv xxxx =⇒==−== ωρρ 0 0 0 0 0

0 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

zv

yv

xv

zv

yv

xv

tzyx

zyx ρρρρρ

( ) tdtdt

dtdv

dtd

xv

txx sen cos2 0 0 00 ωωρρωρρρρρρ

=∴−=∴=+∴=∂∂

+∂∂

( )tt

dxdv

dxdv

tt xx

cos2 sen 0 cos2 sen 00 ω

ϖϖωρϖϖρ−

−=∴=−+

∫ ∫ +⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−=∴⋅

−−= Cx

ttvdx

ttdv xx cos2

sen cos2 sen

ωϖϖ

ωϖϖ

xttvvvvxcontcond xx ⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−=∴=⇒=

cos2 sen 0:.. 00 ω

ϖϖ

7ª) Solução:

( ) 0 : 0 1 0 =⇒=∴==∴=∴+= zcond.cont.vvzzv yxz ρρρρ

( ) ∫ ∫ +−=∴=++∴=

∂∂

∴=∂∂

+∂∂

zdzd

dzdz

zv

zv

zv xz

z 1 01 1 0

ρρρρρρ

( ) ( ) 00 ln 01lnln:. . 1lnln ρρρ =∴++−=∴++−= CCccasubstCz

Page 39: Apostila Ft i - Ufpa (1)

( )zz

z+

=∴⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=∴++−=1

1

lnln ln1lnln 000

ρρ

ρρρρ

Page 40: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

EQUAÇÕES DE VARIAÇÃO PARA SISTEMAS ISOTÉRMICOS 1 − EQUAÇÃO GERAL DO MOVIMENTO: Esta equação se fundamenta na 2ª Lei de Newton do movimento, na qual se faz um balanço de forças (taxa de quantidade de movimento) em um elemento de volume de lados "dx, dy, dz". 1.1 − Segunda Lei de Newton: = + +

tF

tvmFamF movimento de quantidade . . =∴=∴=

1.1.1 − Forças de Inércia (Fi):

dxdydzdmdVdmadmFd i . . ρρ =∴=∴=

→→

(1) (2)

( )zyxvvdtvda ,,

→→→

→=∴=

# Aplicando-se a regra da cadeia, temos:

tt

tv

tz

zv

ty

yv

tx

xv

dtvda

∂∂⋅

∂∂

+∂∂⋅

∂∂

+∂∂⋅

∂∂

+∂∂⋅

∂∂

==

→→

tv

zvv

yvv

xvva zyx ∂

∂+

∂∂

+∂∂

+∂∂

=→

Forças de Inércia

Forças de Pressão

Forças Viscosas

Forças de Campo

Page 41: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Da definição de derivada substantiva, observa-se que:

( )Dt

vDaAvtA

DtAD

→→→

→→

=⇒∇+∂∂

= .

(3) # Substituindo-se (2) e (3) em (1), teremos:

( )Dt

vDdxdydz

dFdvDt

vDdxdydzdF ii

→→

=⇒÷= . .. ρρ

(A) 1.1.2 − Força de Pressão (Fp): (em todas as direções) z Pz+dz.dAz Py.dAy Px.dAx Px+dx.dAx Py+dy.dAy Pz.dAz x y

( )( )( )

zyxP

dzzzz

dyyyy

dxxxx

z

y

x

p

dFdFdFdFdxdyPPdFdxdzPPdFdydzPPdF

dxdydAdxdzdAdydzdA

dAPdF

++=⇒⎪⎩

⎪⎨

−=−=−=

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

====

+

+

+

...

.

# Consideremos a série de Taylor truncada no 2º termo: 0 0

....!3!2

33

32

2

2

+∂

∂+

∂∂

+∂∂

+=+ dxxPdx

xPdx

xPPP xxx

xdxx

# Então teremos para cada caso:

Page 42: Apostila Ft i - Ufpa (1)

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⋅∂∂

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

−−=

⋅∂

∂−=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂−−=

⋅∂∂

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

−−=

dxdydzzPdxdydz

zPPPdF

dxdydzyP

dxdzdyyP

PPdF

dxdydzxPdydzdx

xPPPdF

zzzzz

yyyyy

xxxxx

.

.

.

( )dvdxdydzzP

yP

xPdFdFdFdF zyx

zyxP ÷⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

−=++= .

Pdxdydz

dFp −∇= (B)

1.1.3 − Forças Viscosas (Fv): (tensões sobre o elemento de volume) z τzz τzx τzy τxz τyz τxx τxy x τyx y τyy # τxx, τyy e τzz → são tensores normais; # Os demais são tangenciais.

Page 43: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Explicita-se, então, somente os tensores na direção "x" separadamente. z τzx/z+dz τyx/y τxx/x τxx/x+dx x τyx/y+dy τzx/z y # Temos, então, o balanço de força na direção "x".

( ) ( ) ( )dxdydxdzdydzF dzzzxzzxdyyyxxyxdxxxxxxxx +++ −+−+−=∑ ////// ττττττ # Dividindo-se pelo volume (dv), temos:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

−= +++∑dzdydxdxdydz

dF zzxdzzzxyyxdyyyxxxxdxxxxx ////// ττττττ

# Se levarmos ao limite o 2º membro quando dx, dy e dz → 0, então:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

−=∑zyxdxdydz

dF zxyxxxx τττ ; e analogamente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂+

∂+

∂−=

∑zyxdxdydz

dF zyyyxyy τττ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+

∂+

∂−=

∑zyxdxdydz

dF zzyzxzz τττ

Page 44: Apostila Ft i - Ufpa (1)

τ. −∇=⇒++= ∑∑∑dxdydz

dFdxdydz

dFdxdydz

dFdxdydz

dFdxdydz

dF VzyxV (C)

1.1.4 − Forças de campo (Fc): (campo gravitacional)

( )dvgdxdydzFdgdmFdgmF ccc ÷=∴=∴=→→→→→→

.. . . ρ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

→→→→→→→

zyxc gggggg

dxdydzFd ,, onde , .ρ

(D) # Substituindo (A), (B), (C) e (D) no balanço de força, temos:

→→

+∇−−∇= gPDt

vD ρτρ . (I)

Obs: A equação (I) é a Equação Geral do Movimento, sendo também chamada de equação de "CAUCHY". # Para cada eixo, temos:

eixo "x" → xzxyxxxxx gzyxx

PDt

Dv →+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

−∂∂

−= ρτττρ

eixo "y" → yzyyyxyyy gzyxy

PDt

Dv →+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂+

∂+

∂−

∂−= ρ

τττρ

eixo "z" → zzzyzxzzz gzyxz

PDtDv →

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

−∂∂

−= ρτττρ

2 − FORMAS PARTICULARES: 2.1 − Fluido Newtoniano e incompressível: (µ e ρ = cte)

de viscosidadaNewton de lei . →∇−=→vµτ

Page 45: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Substituindo-se a lei de Newton na equação geral, temos:

→→→

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∇∇+−∇= gvP

DtvD ρµρ .. ; como "µ" é constante, então:

→→→

+∇+−∇= gvPDt

vD ρµρ 2 (II)

Obs: A equação (II) é a equação de Navier-Stokes. Esta equação será utilizada no curso de Fenômenos I (ver tabela). # Escrevendo-se a equação de Navier-Stokes em coordenadas cartesianas na direção "x":

xxxxxx

zx

yx

xx g

zv

yv

xv

xP

zvv

yvv

xvv

tv ρµρ +⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

2

2

2

2

2

2

2.2 − Efeitos viscosos nulos: ( 0. =∇τ → fluido ideal) 0

→→

+∇−−∇= gPDt

vD ρτρ . ∴ →

+−∇= gPDt

vD ρρ (III)

Obs: A equação (III) é chamada de Equação de Euler, que para regime permanente e fluido incompressível e em uma só direção obtemos a equação de Bernoulli. 2.3 − Fluido em repouso: (M.R.U. → v = cte)

Se v = cte então 0. e 0 =∇=

τDt

vD . Logo a equação geral fica:

=∇ gP ρ (IV)

Page 46: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# Escrevendo-se a equação (IV) em uma só direção obtemos a equação da estática dos fluidos "P = ρ.g.h".

2.4 − Efeito de pressão e gravidade desprezíveis:( 0g e 0 ==∇→

ρP )

→→

∇= vDt

vD 2µρ ou →

∇= vDt

vD 2υ

Page 47: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I PROF: CÉLIO SOUZA

EQUAÇÃO DE VARIAÇÃO PARA SISTEMAS ISOTÉRMICOS

EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE NOS DISTINTOS SISTEMAS DE COORDENADAS: Coordenadas retangulares (x, y, z): ( ) ( ) ( ) 0=+++ zyx v

zv

yv

xtρ

∂∂ρ

∂∂ρ

∂∂

∂∂ρ

Coordenadas cilíndricas (r, θ, z): ( ) ( ) ( ) 011

=+++ zr vz

vr

rvrrt

ρ∂∂ρ

∂θ∂ρ

∂∂

∂∂ρ

θ

Coordenadas esféricas (r, θ, φ): ( ) ( ) ( ) 0

sen1sen

sen11 2

2 =+++ Φvr

vr

vrrrt r ρ

∂φ∂

θθρ

∂θ∂

θρ

∂∂

∂∂ρ

θ

EQUACÃO DO MOVIMENTO EM COORDENADAS RETANGULARES (x, y, z): Em função dos gradientes de velocidade para um fluido Newtoniano de "ρ" e "µ" constantes: Componente "x":

xxxxx

zx

yx

xx g

zv

yv

xv

xP

zv

vy

vv

xv

vt

∂∂

∂∂

∂∂

µ∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

ρ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+++ 2

2

2

2

2

2

Componente "y":

yyyyy

zy

yy

xy g

z

v

y

v

x

vyP

zv

vy

vv

xv

vt

∂µ

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

ρ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+++ 2

2

2

2

2

2

Componente "z":

zzzzz

zz

yz

xz g

zv

yv

xv

zP

zvv

yvv

xvv

tv ρ

∂∂

∂∂

∂∂µ

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂ρ +⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+++ 2

2

2

2

2

2

EQUAÇÃO DO MOVIMENTO EM COORDENADAS CILÍNDRICAS (r, θ, z): Em função dos gradientes de velocidade para um fluido Newtoniano de "ρ" e "µ" constantes:

Componente "r":

( ) rrr

r

rz

rrr

r

gzvv

rv

rrv

rrr

rP

zv

vr

vvr

vr

vv

tv

ρ∂∂

∂θ∂

∂θ∂

∂∂

∂∂µ

∂∂

∂∂

∂θ∂

∂∂

∂∂

ρ

θ

θθ

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−++

2

2

22

2

2

2

211

Page 48: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Componente "θ":

( ) θθθ

θ

θθθθθθ

ρ∂∂

∂θ∂

∂θ∂

∂∂

∂∂µ

∂θ∂

∂∂

∂θ∂

∂∂

∂∂

ρ

gzvv

rv

rrv

rrr

Prz

vv

rvvv

rv

rv

vt

v

r

zr

r

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++++

2

2

22

2

2211

1

Componente "z":

zzzz

zz

zzr

z

gzvv

rrv

rrr

zP

zv

vv

rv

rv

vt

v

ρ∂∂

∂θ∂

∂∂

∂∂µ

∂∂

∂∂

∂θ∂

∂∂

∂∂

ρ θ

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++

2

2

2

2

2

11

EQUAÇÃO DO MOVIMENTO EM COORDENADAS ESFÉRICAS (r, θ, φ): Em função dos gradientes de velocidade para um fluido Newtoniano de "ρ" e "µ" constantes: Componente "r":

rrr

rrrr

r

gv

rv

rv

rv

rv

rP

rvvv

rvv

rv

rv

vt

v

ρ∂φ∂

θθ

∂θ∂

µ∂∂

φ∂φ∂

θφ

∂θ∂

∂∂

∂∂

ρ

φθ

θ

θθ

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−−∇+−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−+++

sen2cot222

sen

22222

22

Componente "θ":

θφθ

θ

φθθφθθθθ

ρ∂φ∂

θθ

θ∂θ∂µ

∂θ∂

θ∂φ∂

θ∂θ∂

∂∂

∂∂ρ

gv

rrvv

rvP

r

rv

rvvv

rvv

rv

rvv

tv

r

rr

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−+∇+−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−++++

222222

2

sencos2

sen21

cotsen

Componente "φ":

φθφ

φ

φθφφφφθφφ

ρ∂φ∂

θθ

∂φ∂

θθµ

∂φ∂

θ

θ∂φ∂

θ∂θ∂

∂∂

∂∂

ρ

gvr

vrr

vvP

r

rvv

rvvv

rvv

rv

rv

vt

v

r

rr

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−∇+−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++++

2222222

sencos2

sen2

sensen1

cotsen

Obs: Nestas equações o operador laplaciano é:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=∇ 2

2

2222

22

sen1sen

sen11

∂φ∂

θ∂θ∂θ

∂θ∂

θ∂∂

∂∂

rrrr

rr

Page 49: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

Aula de Exercícios de Equação Geral do Movimento

1 − Determinar o perfil de velocidade, o perfil de tensão, velocidade máxima, velocidade média, vazão volumétrica e vazão mássica por unidade de largura, para o escoamento livre e unidimensional de um líquido Newtoniano incompressível em uma placa inclinada em regime permanente (ver figura abaixo). 2 − Seja o tubo circular de raio "R" e comprimento "L", inclinado de um ângulo "α" em relação à vertical, no qual escoa um fluido Newtoniano incompressível em regime permanente. As pressões no tubo em (z = 0) e (z = L) são (P = P0) e (P = PL), respectivamente. Encontre o perfil de velocidade e de tensão, as velocidades máxima e média, a vazão volumétrica. 3 − Encontrar o perfil de velocidade de um fluido Newtoniano, fluindo em regime estacionário entre dois tubos concêntricos, como mostra a figura abaixo. Considerar o fluido incompressível e regime laminar.

Page 50: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4 − Demonstre que a velocidade média de um fluido Newtoniano e incompressível em um duto circular de raio "R", a partir do perfil de velocidade dado por:

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡−⋅

+⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

=++

nn

nn

n

z Rn

nKLPV

111

r12

é como abaixo:

13.

2.

11

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

=+

nnR

KLPV n

nn

z

Em seguida encontre a relação MAXz,z V/V .

Dado: ∫∫∫∫=

R

Rz

z

VV

0

2

0

0

2

0

rdrd

drdr

θ

θπ

π

5 − Mostre que o perfil de velocidade para fluxo laminar tangencial de um fluido incompressível escoando no espaço compreendido entre dois cilindros verticais coaxiais, quando o cilindro inferior gira com velocidade angular "Ω", é dado por:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −⋅

−⋅Ω

=r

RrK

KV22

2

2

Page 51: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resolução dos Exercícios 1ª) Solução: a) Perfil de velocidade: 0 0 0 0 0 0 0

zzzzz

zz

yz

xz g

zV

yV

xV

zP

zVV

yVV

xVV

tV

ρµρ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+

∂+

∂+

∂∂

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

2

2

2

2

2

2

µβρ

µβρβρµ cos cos cos0 2

2

2

2 gdx

dVdxdg

dxVdg

xV zzz −=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛∴−=∴+

∂=

∫ ∫ +⋅−=∴⋅−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

1cos cos Cxg

dxdVdxg

dxdVd zz

µβρ

µβρ

# 1ª cond. de cont.:

0 0ou 0 0

0ou 0 1

,=⇒

⎪⎩

⎪⎨

==⇒=

==⇒=C

dxdVxem

dxdVVVxem

zxz

zmáxzz

τ

∫ ∫ +⋅−=∴−= 22cos cos CxgVxdxgdV zz µ

βρµ

βρ

# 2ª cond. de cont.: 0 =⇒= zVxem δ

µδβρδ

µβρ

2cos cos0

2

222 ⋅

=∴+⋅−=gCCg

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅=⇒⋅+⋅−=

2222 1

2cos

2cos

2cos

δδ

µβρδ

µβρ

µβρ xgVgxgV zz

b) Perfil de tensão:

xgdx

dVxgdx

dVdx

dV zzzyx ⋅−=∴⋅−=∴−=

µβρ

µβρµτ cos

2cos2

xgxgyxyx ⋅=⇒⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅−= βρτ

µβρµτ cos cos

c) Velocidade máxima: max, 0 zz VVxem =⇒=

Page 52: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2, 2

cos δµβρ⋅=

gV máxz

d) Velocidade média:

∫∫ ∫

∫ ∫∴⋅⋅

⋅=∴

δ

δ

δ 0

0 0

0 0 : temos,"" dosubstituin 1 zzzw

w

z

z VdxVww

Vdxdy

dxdyVV

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⋅⋅−+⋅⋅−= ∫∫ dxgdxxgV z

2

0

2

0 2cos

2cos1 δ

µβρ

µβρ

δ

δδ

( ) 2

cos32

cos10

2

0

3

⎥⎥

⎢⎢

⎡+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−= δ

δ

µβδρ

µβρ

δxgxgV z

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−⋅=∴⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⋅−= 3

333

32cos1

2cos

32cos1 δδ

µβρ

δµβδρδ

µβρ

δgVggV zz

2

3

3cos

32

2cos1 δ

µβρδ

µβρ

δ⋅=⇒⋅⋅=

gVgV zz

# Relação entre :" " e "" max, zz VV

23

3cos2cos

max,

2

2

max, =⇒⋅

⋅=

z

z

z

z

VV

g

g

VV

δµ

βρ

δµ

βρ

e) Vazão volumétrica (Q)

32

3cos

3cos δ

µβρδδ

µβρ wgQwgQAVQ z ⋅=⇒⋅⋅=∴⋅=

f) Vazão mássica por unidade de largura ( •

mQ )

32

3

3cos

3cos δ

µβρρδ

µβρρ

⋅=⇒⋅⋅=⋅

= •• gQw

wgw

QQ mm

Page 53: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2ª) Solução: a) Perfil de concentração: 0 0 0 0 0 0 0

zzzzz

zzz

rz g

zVV

rrVr

rrzP

zVVV

rV

rVV

tV

ρθ

µθ

ρ θ +⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

∂+

∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+∂∂

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

2

2

2

2

211

αρµαρµ cos1 cos10 gdzdP

drdVr

drd

rg

rVr

rrzP zz +=⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∴−⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+∂∂

−= (I)

Pressão Absoluta (P)

# Convenção de sinal: (+) → quando o fluido escoa na direção contrária de "g". (−) → quando o fluido escoa na mesma direção de "g". Obs: no problema em questão é positivo (+), logo:

Onde: ⎪⎩

⎪⎨

→→→

estática Pressão dinâmica Pressão Absoluta Presão

gzPPAb

ρ

⎪⎩

⎪⎨

⎧→=−⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

segundo. ao relação com constanteé membro 1º o então ,r"" com nem "V" com

varianão como ;z"" com somente variadP"" cos1

zdzdPg

drdVr

drd

rz αρµ

LPP

KLKPPdzKdPdzdPK L

L

L

L

P

P

L0

0 0

−=∴⋅=−∴=∴= ∫∫

αρµ cos1 0 gL

PPdr

dVrdrd

rLz +−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ (A)

⎪⎩

⎪⎨

+=⇒=∴=

=⇒=∴=⇒+=

(2)

(1) 0

00 0

gLPPLzPP

PPzPPgzPP

LAbL

Ab

Ab

ρ

# Diminuindo (2) de (1), temos: ( )

zLAbAbL

LAbAb gL

PPPPPgLPPP L

Lρρ +

−=

−⎯⎯ →⎯−+=− ÷ 0

0 L 0

0

L1 cos

L00 (A) em subst.0 AbAbzLAbAb PP

drdVr

drd

rg

LPPPP

LL−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎯⎯⎯⎯ →⎯+

−=

−µαρ

rL

Pdr

dVrdrd

LP

drdVr

drd

rAbzAbz ⋅

∆−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛∴

∆−=⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

µµ 1

12

2 Cr

LP

drdVrrdr

LP

drdVrd AbzAbz +⋅

∆−=∴⋅

∆−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∫ ∫ µµ

PAb = P + ρgz

Page 54: Apostila Ft i - Ufpa (1)

# 1ª cond. de cont.:

0 0 0 1max, =⇒=∴=∴= Cdr

dVVVr zzz

222

4

2

2Cr

LP

VrdrL

PdVr

LP

drdVr Ab

zAb

zAbz +⋅

∆−=∴

∆−=∴⋅

∆−= ∫∫ µµµ

# 2ª cond. de cont.:

22 4

0 RL

PCVRr Ab

z ⋅∆

=∴=∴=µ

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅

∆=∴⋅

∆+⋅

∆−=

2222 1

4

44 RrR

LP

VRL

Pr

LP

V Abz

AbAbz µµµ

b) Perfil de tensão:

rL

Pdr

dVrL

Pdr

dVdr

dV AbzAbzzzr ⋅

∆−=∴⋅

∆−=∴⋅−=

µµµτ

2 2

4

rL

Pr

LP Ab

zrAb

zr ⋅∆

=⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆−−=

2

µµτ

c) Cálculo de " max,zV ":

2max, 4

0 RL

PVVVrem Ab

zzz ⋅∆

=⇒=∴=µ

d) Cálculo da velocidade média ( zV ):

∫∫

∫ ∫

∫ ∫⋅=

=

=R

z

R

z

R

R

z

z rdrdVRR

rdrdV

rdrd

rdrdVV

022

02

0 0

2

0 0 2

22

π

θπ

θ

θ

π

π

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

∆=∴⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅

∆+⋅⋅

∆−= ∫ ∫∫∫

R RAb

z

RAb

RAb

z rdrRdrrLR

PVrdrR

LP

rdrrL

PR

V0 0

232

0

2

0

22 4

2

4

42

µµµ

24

2

44

2 8

42

242R

LP

VRLR

PVRR

LRP

V Abz

Abz

Abz ⋅

∆=⇒⋅

∆=∴⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

∆=

µµµ

# Relação entre " "" e "max, zz VV :

2max, =z

z

VV

Page 55: Apostila Ft i - Ufpa (1)

e) Vazão volumétrica (Q): 422

8

8 R

LP

QRRL

PQAVQ AbAb

z πµ

πµ

⋅∆

=⇒⋅⋅∆

=∴⋅=

3ª) Solução: 0 0 0 0 0 0 0

zzzzz

zzz

rz g

zVV

rrVr

rrzP

zVVV

rV

rVV

tV

ρθ

µθ

ρ θ +⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

∂+

∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+∂∂

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

2

2

2

2

211

⎩⎨⎧

→=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

dinâmica pressão própria a é absoluta pressão a gravidade da termoo temosnão como caso, neste

1dzdP

drdVr

drd

rzµ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=−∴⎥

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ∫∫ dr

dVrdrd

rLPPdz

drdVr

drd

rdP z

Lz

P

P

1 112

0

2

1

µµ

∫∫∆

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∴

∆−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ rdr

LP

drdVrd

LP

drdVr

drd

rzz

µµ 1

( )r

CrL

Pdr

dVCrL

Pdr

dVr zrz 11

2

2

2+⋅

∆−=⎯⎯→⎯+⋅

∆−= ÷

µµ

212

1 ln2

2

CrCrL

PVrdrCrdr

LPdV zz ++⋅

∆−=⇒+

∆−= ∫ ∫∫ µµ

(1)

# 1ª cond. de cont.:

bCbL

PCCbCbL

PVbrPara z ln4

ln4

0 0 12

2212 −⋅

∆=⇒++⋅

⎩⎨⎧ ∆

−=∴=∴=µµ

# 2ª cond. de cont. (2)

bCbL

PaCaL

PVarPara z ln4

ln4

0 0 12

12 −⋅

∆++⋅

⎩⎨⎧ ∆

−=∴=∴=µµ

( ) ( ) ( )( )baL

baPCbaL

PbaCln

14

4

lnln22

122

1 ⋅−∆

=⇒−∆

=−µµ

(3)

# Substituindo (3) em (2), teremos:

( ) ( ) bba

baL

PbL

PC lnln

144

2222 ⋅⋅−

∆−⋅

∆=

µµ (4)

# Substituindo (4) e (3) em (1), teremos:

Page 56: Apostila Ft i - Ufpa (1)

( ) ( ))/ln(

ln44

ln)/ln(

144

222222

babba

LPb

LPr

baba

LPr

LPVz ⋅−

∆−⋅

∆+⋅⋅−

∆+⋅

∆−=

µµµµ

( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅−−+⋅−+−

∆=

)/ln(ln

)/ln(ln

4222222

barbab

barbar

LPVz µ

( ) ( ) [ ]⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−⋅−

+−∆

= brbabarb

LPVz lnln

)/ln(4

2222

µ

( ) ( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

−+−

∆= )/ln(

)/ln(4

2222 br

babarb

LPVz µ

4ª) Solução:

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⋅−⋅⋅

+⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

=∴

=

= ∫ ∫∫

∫ ∫

∫ ∫ ++R R

z

R

z

R

R

z

z drrrdrRn

nKLP

RV

R

rdrV

rdrd

rdrdVV n

nn

nn

0 022

02

0 0

2

0 0121

1

122

22

2

π

π

θ

θ

π

π

onde: cten

nKLP

R

n==

+⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆ φ

122

1

2

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

+−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=∴

⎥⎥

⎢⎢

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

++++nn

nn

nn

nn

RnnRRV

nnrrRV z

RR

z131131

132

132

2

00

2φφ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−⋅

+⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

=∴⎥⎥

⎢⎢

⎡⋅

+−=

+++

1321

122

132

131

1313

2 nnR

nn

KLP

RVR

nnRV n

nnnnn

n

zz φ

( ) ⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡+−+

⋅⋅+

⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

= −+

132213

122 2

131

nnnRR

nn

KLPV n

nnz

132

131.

12

11

11

+⋅⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

=⇒⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

++

+⋅⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ∆

=++

nnR

KLPV

nn

nnR

KLPV n

nnn

nnzz

5ª) Solução: R

Ω KR

Page 57: Apostila Ft i - Ufpa (1)

0 0 0 0 0 0 0

Componente "θ":

( ) θρ∂

θ∂

∂θ∂

∂θθ∂

θ∂∂

∂∂µ

∂θ∂

∂θ∂θ

∂θθ∂θ

∂θ∂

∂θ∂

ρ

gz

vrv

r

v

rrv

rrr

Prz

vzv

rvrvv

rv

rv

rvt

v

+⎥⎥

⎢⎢

⎡+++⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++++

2

2

22

2

2

211

0 0 0 0

1

( ) ( ) ( ) rdrCrVdCrVdrd

rrV

drd

rdrd

⋅=∴=⋅∴=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅ 11 1 01

θθθ

# Integrando-se, teremos: ( )

rCrCVCrCrV r 21

221

2

2+⋅=⎯⎯→⎯+⋅= ÷

θθ (1)

# Aplicando as condições de contorno abaixo, teremos:

: teremoscont., de cond. as se-dosubstituin ,

0

⎩⎨⎧

Ω=∴==∴=

KRVKRremVRrem

θ

θ

( )( )

( )1 e

12

2

2

22

2

1−

Ω−=

−⋅Ω⋅

=K

KRCK

KC

# Substituindo-se "C1" e "C2" em (1), teremos:

( )( )

( ) ( )( )

( ) rKKRr

KKV

rKKRr

KKV

⋅−Ω

−⋅−

⋅Ω=∴

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⋅

−Ω

−+⋅−⋅Ω⋅

=11

1121

22

2

2

2

2

2

2

2

θθ

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −⋅

−⋅Ω

=r

RrK

KV22

2

2

Page 58: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: Transferência de Calor e Massa (REVISÃO) PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

LEI DE FOURIER DA CONDUÇÃO DE CALOR

1 − CONCEITOS: A transferência de calor é a transmissão de energia resultante de uma diferença de temperatura. Ex: T0 Tx Fluxo de calor T0 > Tx Nota-se haver uma distribuição desigual de temperatura o que acarretará em um transporte de calor no sentido do Sol para Terra. Observa-se, também, que a temperatura cresce da Terra para o Sol, isto é, no sentido contrário ao do transporte de calor. 2 − MECANISMOS DE TRANSPORTE DE CALOR: 2.1 − Condução: A calor pode ser conduzido através de sólidos, líquidos e gases pela cinética de impacto direto de moléculas adjacentes. O fluxo de energia não é acompanhado por um movimento apreciável de matéria. 2.2 − Convecção: É parcialmente regida pelas leis da mecânica dos fluidos, já que a transferência de energia depende do movimento de porções macroscópicas de um líquido ou gás (fluido). 2.2.1 − Convecção natural: É induzida por diferença de densidade, o que acarreta em uma diferença de temperatura.

Sol

terra

Page 59: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Ex: Correntes convectivas Fonte de calor 2.2.2 − Convecção forçada: É resultante de uma força externa (bombas, agitadores, etc.) 2.3 − Radiação: Propaga-se através do vácuo, gases, líquidos ou sólidos transparentes. A energia é transportada por ondas eletromagnéticas ou fótons de comprimento variando desde 10−11m (ondas curtas dos raios cósmicos) até 103m (ondas longas de rádio comunicação). Obs: Raramente o calor é transferido por um só mecanismo. Geralmente ocorre uma combinação em série ou paralelo. 3 − MODELOS MATEMÁTICOS: 3.1 − Convecção: A taxa de calor por convecção é calculada pela Lei de Newton do Resfriamento.

( )fSC TTdAhdq −= .. onde: dqC → taxa de calor por convecção (Kcal.h−1) ou (Watt); dA → elemento de área em que flui a quantidade de calor "dqC" (m2); TS → temperatura da superfície no elemento "dA" (ºC); Tf → temperatura do fluido ao longe da superfície (ºC); h → coeficiente de convecção local (Kcal/m2.h.ºC) ou (Watt/m2ºC). 1ª Obs: Caso a temperatura do fluido seja maior que a da superfície, então (TS − Tf) fica (Tf − TS). 2ª Obs: "h" depende do tipo de escoamento (laminar ou turbulento), características geométricas, condutividade térmica, viscosidade, calor

H2O

Page 60: Apostila Ft i - Ufpa (1)

específico, do mecanismo de transferência por convecção (natural ou forçada), etc. 3ª Obs: Caso "h" seja constante ao longo da superfície "A", então a equação de Newton pode ser escrita da seguinte forma:

( ) fSfSC TTTTAhq ⟩∴−= para .. 3.2 − Radiação: A energia radiante pode ser refletida (α), transmitida (β) ou absorvida (γ), onde α + β + γ = 1 Ex: Negro de fumo (γ ≅ 0,97; α ≅ 0,03; β ≅ 0); Placa de alumínio (γ ≅ 0,1; α ≅ 0,9; β ≅ 0). Obs.1: O corpo negro é o corpo que absorve toda a energia radiante que atinge sua superfície (γ = 1) e a taxa de calor é dada por:

4.. SR TAq σ= (Lei de Stefan-Boltzmann) Obs.2: Quando dois corpos negros trocam radiação a taxa de calor é dada por:

( )4421

.. SSR TTAq −=σ Obs.3: Caso o corpo não seja um corpo negro (γ < 1) a taxa de calor é dada por:

( )4421

... SSR TTAq −= σε onde: qR → taxa de troca de calor por radiação térmica (Watt); σ → constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10−8W/m2K4); ε → emissividade do meio (adimensional, variando de 0 a 1);

Page 61: Apostila Ft i - Ufpa (1)

A → área superficial (m2); TS → temperatura da superfície (absoluta, "K" ou "R"). 3.3 − Condução e Condutividade Térmica: y P.S. PLACA SÓLIDA P.I. x y T0 P.S. P.I. x y T0 P.S. T = T (y,t) P.I. x y T0 P.S. T = T(y) P.I. x # De acordo com o experimento acima, podemos concluir que:

FLUXO DE CALOR α GRADIENTE DE TEMPERATURA NA DIREÇÃO (Y)

dydTK

Aq

−= (Lei de Fourrier da Condução)

Obs: O sinal negativo é devido ao fluxo térmico estar no sentido contrário ao gradiente de temperatura.

Considerar que haja um sorvedouro de calor na placa superior,

mantendo-a fria

t = 0 → a placa superior está na mesma temperatura da placa inferior

"T0"

t = pequeno → a placa superior aumenta sua temperatura havendo um regime transiente T = T(y,t)

t = ∞ → haverá formação final do perfil de temperatura, ou seja,

T = T(y)

Page 62: Apostila Ft i - Ufpa (1)

sendo: q → taxa de calor por condução [Kcal/h; Btu/h; Joule/s (W)]; A → área (m2; ft2); K → condutividade térmica (Kcal/h.m.ºC; Btu/h.ft.ºF);

dydT → gradiente unidirecional de temperatura (ºC/m).

1ª Obs: A condutividade térmica é a capacidade que o material apresenta em conduzir calor. É função do estado molecular e, portanto, depende da temperatura K → ∞ (condutores) → materiais metálicos; K → 0 (isolantes) → isopor, cortiça. 2ª Obs: Quando as condutividades térmicas relacionadas a eixos direcionais são as mesmas, o meio é dito "ISOTRÓPICO", ou seja, quando "K" independe da direção do fluxo. Caso contrário, o meio é dito "ANISOTRÓPICO". z Kz Ky y Kx x # Introduziremos à Lei de Fourrier da Condução a massa específica (ρ) e o calor específico (CP), onde: ρ = (Kg/m3) e CP = (Kcal/Kg.ºC).

( )cteCeC

TCdydK

Aq

dydTK

Aq

pP

P =∴⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=∴−= caso

... ρ

ρρ

αρρ

ρ=⋅−=

PC.K mas,,

...

dydT

CCK

Aq

P

P

Kx = Ky = Kz = K → meio Isotrópico (materiais homogêneos)

Kx ≠ Ky ≠ Kz → meio Anisotrópico (Substâncias amorfas como madeira)

Page 63: Apostila Ft i - Ufpa (1)

dydTC

Aq

P..ρα−= ou dydTCQ P..ρα−=

Obs: "α" é a difusividade térmica que representa a relação entre a capacidade do material em transportar energia e sua capacidade em absorver energia. # Dimensão de "α":

[ ]1223

.º..

−==∴⋅== TLh

mKgm

CmhKcal

CK

P

αρ

α

4 − APLICAÇÃO EM CORPOS DE GEOMETRIA SIMPLES: 4. 1 − Placa Plana: Dada uma placa plana de espessura "∆x" como mostra a figura abaixo, na qual as duas faces estão mantidas às temperaturas "T1" e "T2" (T1 > T2). A quantidade de calor que passa através da área "A" por

unidade de tempo é dada por "dxdTK.A.q −= ". Encontre uma expressão

para "T2".

∫∫ −=∴−=∆ 1

2. .. x

0

T

TdTAKdxq

dxdTAKq

T1

q T2 ( ) 1212 . .. TT

AKxqTTAKxq +−=

∆⋅∴−−=∆

y

x KxQTT

AKxqTT ∆

⋅−=∆

⋅−= 1212 ou .

∆x

iRU .= iRP .=

AKLR

ALR

.ou .

==ρ

RC 1=

R → resistência (Ω) ρ → resistividade (Ω.m) K → condutância (1/Ω.m) i → corrente (A) U → potencial (Volt)

L → comprimento A → área C → condutância

Page 64: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4.2 − Placa Plana Composta: T1 q T4 ∆xA ∆xB ∆xC

( ) ( ) ( )C

CCB

BBA

AA xTTAKq

xTTAKq

xTTAKq

∆−

⋅⋅=∆−

⋅⋅=∆−

⋅⋅= 433221 ; ;

CBA qqqq ===

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆⋅=−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆⋅=−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆⋅=−

AKxqTT

AKxqTT

AKxqTT

C

c

B

B

A

A

43

32

21

, somando-se membro a membro, temos:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

∆⋅=−

AKx

AKx

AKxqTT

C

C

B

B

A

A41

# Fazendo-se uma analogia com a resistência elétrica, verificamos que:

AKxR

ALR TE ⋅

∆=⇔=

CBA TTT RRRTTq++

−= 41

∴ ∑−

=

−= 1

1

41n

iTR

TTq ∴ ∑−

=

∆= 1

1

n

iTR

Tq

(A)

T2

(B)

T3

(C)

* Reg. Permanente * A = cte * q = cte

* dxdTK.Aq −=

Page 65: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4.3 − Cilindro Oco: T2 r2

( )121

2r

r2

rrlnq 2

rdrq ..2.

2

1

2

1

TTLKdTLKdrdTrLkq

T

T−−=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∴−=∴−= ∫∫ πππ

( )( )

( )( )

( )12

21

12

12

12

12

12

21

ln.2.2

ln2

rrTT

rrLrLrKq

rrrr

rrTTLKq

−−

⋅−

⋅=∴⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

×−

⋅=πππ

( )( )

( )12

21

12

12

ln rrTT

AAAAKq

−−

⋅−

⋅= ∴ rTAKq ml ∆

∆⋅⋅= ,

4.4 − Cilindro Oco Composto: r4 em: r = r1 ⇒ T = T1 ; r = r2 ⇒ T = T2 ; r = r3 ⇒ T = T3 ; r = r4 ⇒ T = T4

r1,T1

* Reg. Permanente * A = 2πrL ≠ cte * q = cte

* drdTK.Aq −=

r1

* Reg. Permanente * A = 2πrL ≠ cte * q = cte

* drdTK.Aq −=

Page 66: Apostila Ft i - Ufpa (1)

CmlC

BmlB

AmlA r

TAKqrTAKq

rTAKq ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∆∆⋅⋅=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∆∆⋅⋅=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∆∆⋅⋅= , ; , ; ,

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

=−=∆

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

=−=∆

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

=−=∆

CmlC

BmlB

AmlA

AKrqTTT

AKrqTTT

AKrqTTT

,

,

,

43

32

21

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

=−CmlBmlAml AK

rAKr

AKrqTT

,,,41

Tml

CmlBmlAml

RAKr

AKr

AKr

AKr

TTq =⋅∆

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

−=

, sendo ,

,,,

41

∑−

=

∆= 1

1

n

iTR

Tq

4.5 − Esfera Oca: r2

r1

* Reg. Permanente * A = 4πr2 ≠ cte * q = cte

* drdTK.Aq −=

Page 67: Apostila Ft i - Ufpa (1)

( )1222 4.1 4. .4.

2

1

2

1

2

1

TTKr

qdTKrdrq

drdTrKq

r

r

T

T

r

r−−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −∴−=∴−= ∫∫ πππ

( ) ( )2121

1221

21

4 411 TTkrrrrqTTK

rrq −=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−

∴−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛− ππ

212

22

12121 .4.4.4 .4 rrrrAAA,rTrrKq mg ππππ =⋅=⋅=⇒∆∆

=

rTAKq mg ∆

∆⋅⋅= ,

4.6 − Esfera Oca Composta:(exercício) Deduza a equação para uma esfera oca, composta de três materiais diferentes. Resp.:

∑−

=

∆= 1

1

n

iTR

Tq ; 41 ; ,.

TTTAKrR

mgT −=∆

∆=

5 − BALANÇO DE ENERGIA: T1 INT. EXT. T6 q q T5 y x ∆xA ∆xB ∆xC

T2

(F)

T3

(G)

T4

(H)

* Reg. Permanente * A = cte * q = cte

* dxdTK.Aq −=

Page 68: Apostila Ft i - Ufpa (1)

qConvec = qF = qG = qH = qConvec

( ) ( ) ( ) ( ) ( )6554433221 TTAhTTx

AKTTx

AKTTx

AKTTAh EC

C

B

B

A

AE −=−

∆=−

∆=−

∆=−

54321

6554433221

TTTTT RTT

RTT

RTT

RTT

RTTq −

=−

=−

=−

=−

=

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⋅=−⋅=−⋅=−⋅=−⋅=−

qRTTqRTTqRTTqRTTqRTT

T

T

T

T

T

5

4

3

2

1

65

54

43

32

21

; ( )5432161 TTTTT RRRRRqTT ++++=−

∑−

=

−= 1

1

61n

iTR

TTq

Page 69: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

Aula de Exercícios da Equação de Fourier

1 − Em uma indústria de Alimentos A parede de um forno é constituída de três camadas justapostas: uma camada de tijolo refratário (K1 = 1,38W/mºC), uma intermediária de tijolo isolante (K2 = 0,17W/mºC) e uma de tijolo comum (K3 = 1,73W/mºC).a face externa do material refratário está a 115ºC, e a externa do material comum está a 38ºC. Qual a taxa de calor que atravessa a parede composta, sabendo-se que as espessuras das camadas são: X1 = 0,6m (refratário), X2 = 0,9m (isolante) e X3 = 0,3m (comum), enquanto que a altura e a largura da referida parede são "3m" e "1,5m", respectivamente. 115ºC q 38ºC ∆X1 ∆X2 ∆X3 2 − Considerando o exercício anterior, colocando-se na camada central do material isolante um vazio de "AR", simetricamente disposto e com 2,4m de altura, pede-se verificar qual será a nova taxa de calor, admitindo-se que a condutividade térmica do "AR" seja (KAR = 0,0346W/mºC). 0,3m K4 2,4m 0,3m

K1

K2

K3

* Reg. Permanente * A = cte * q = cte

* dxdTK.Aq −=

K1

K2

K2

K3

Page 70: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3 − Um tubo de parede de aço (KAço = 19W/mºC) com dois centímetros de diâmetro interno e quatro centímetros de diâmetro externo, é coberto com uma camada de isolamento de amianto (KA = 0,2W/mºC). A temperatura da parede interna do tubo é mantida a 120ºC e a superfície externa do isolante a 35ºC. Calcule a perda de calor por metro de comprimento. 0,02 0,04 0,10 4 − Através de um fio de 1mm de diâmetro e 10cm de comprimento passa uma corrente elétrica. O fio está imerso em água à pressão atmosférica. A corrente é aumentada até a água entrar em ebulição. Para esta situação o coeficiente convectivo é igual a 5.000W/m2ºC e a temperatura da água é 100ºC. Qual a potência elétrica que deve ser fornecida ao fio para que sua superfície seja mantida a 114ºC? Qual a temperatura no fio na metade do seu raio, sabendo-se que Kfio = 31W/mºC. 5 − Demonstrar que para qualquer distância "X" da superfície de uma parede plana a temperatura é dada por:

aaKT

aTX

1 Q.X21

0

2

1 −⋅

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

sendo a condutividade térmica uma função da temperatura, obedecendo a relação K = K0(1 + aT), onde "Q" é o fluxo de calor (W/m2) e "T1" a temperatura da superfície da parede (ºC); "a" é uma constante.

Dado: dXdTKQ −=

* ∑∆

=TR

Tq

* RT = Raço + RA *

Amiantoml

AçomlT

AKr

AKrR

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

+

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅∆

=

,

,

Page 71: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resolução dos Exercícios 1ª) Solução:

⎪⎩

⎪⎨⎧

⋅∆

=++

∆=

=⇒==

AKxR

RRRTq

mAxuralxalturaA

;

5,4 5,1 3arg

321

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

++−

=⇒

=⋅

=⋅

∆=

=⋅

=⋅

∆=

=⋅

=⋅

∆=

0385,0176,10966,038115q

0385,05,473,1

3,0AK

xR

176,15,417,0

9,0AK

xR

0966,05,438,1

6,0AK

xR

WCº

3

33

WCº

2

22

WCº

1

11

Watt733,58q =

2ª) Solução: R'2 R1 R' R3 R'2 R2

( )

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

=⋅

=⋅

∆=

=⋅

=⋅

∆=

⇒++=

WC

Ar

WC

AKxR

AKxR

RRRR º'

º

2

'2'

2

'2

''22 2254,7

5,14,20346,09,0'

7647,115,13,017,0

9,0

1111

WCR

22

243,3 2254,71

7647,1121

=⇒+=

W 794,22q

0385,0243,30966,077

RRR38115q

321=⇒

++=

++−

=

Page 72: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3ª) Solução:

( ) ( ) 212, 2 0,1

ln1

2mDLDrLAmL

AAA

AAlm πππ ===∴=∴−

=

( )( )( )

( )( )

( )( )( )

( )( )⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪

=−

=−

=

=−

=−

=

)(2057,0ln

04,01,0ln

)(0906,0ln

02,004,0ln

2

04,01,0

23,

2

02,004,0

12,

23

12

mDD

A

mDD

A

DDAmiantolm

DDAçolm

ππ

ππ

AmiantoAço

WCº

Amianto

WCº3

Aço

RR35120q

)(73,02057,02,0

02,005,0R

)(10x81,50906,019

01,002,0R

+−

=⇒

⎪⎪

⎪⎪

=⋅−

=

=⋅−

= −

( )mW

352,115q

73,010x81,535120q =⇒+

−=

4ª) Solução:

CmW

S hCTCTº2000.5 ; º100 ; º114 === ∞

( ) ( ) 2410142,3 1,0001,0 2 mxALDrLA −=⇒⋅⋅=== πππ a)

( ) ( ) WqxqTTAhq CCSC 99,21 10011410142,3000.5 4 =⇒−⋅⋅=⇒−⋅⋅= −∞

b)

qqq ConvecçãoCondução ==

( )

( )( )

CTTTTLKqR

RRRCond º78,114

ln

1141,031299,21 ln

2 1121

.

21

2=∴

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

⋅⋅⋅⋅=∴−

⋅= ππ

Page 73: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEQAL DISCIPLINA: Transferência de Calor e Massa PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

EQUAÇÃO GERAL DA CONDUÇÃO DE CALOR

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS:

Está fundamentada na 1ª Lei da Termodinâmica ou princípio da conservação da energia;

Será estudada a aplicação de um balanço de energia em geometria retangular e, com a introdução da Lei de Fourrier, será possível a obtenção dos perfis de temperatura.

2 − EQUAÇÃO GERAL DA CONDUÇÃO DE CALOR: Esta equação se constitui em um caso particular da equação da energia aplicada a sólidos. Considere o elemento de volume mostrado abaixo. O balanço de energia neste elemento pode ser expresso como: + = z Q/z+∆z Q/y Q/x Q/x+∆x x y Q/y+∆y Q/z

Taxa líquida de ganho de calor por condução

Taxa de geração interna

de calor

Taxa de variação de

calor

Page 74: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Obs: A taxa líquida de ganho de calor representa a diferença entre as taxas de entrada e de saída de calor por condução. 2.1 − Taxa de calor na entrada do elemento de volume: / Em x: Q/x . (∆y.∆z) / Em y: Q/y . (∆x.∆z) / Em z: Q/z . (∆x.∆y) 2.2 − Taxa de calor na saída do elemento de volume: / Em x: Q/x+∆x . (∆y.∆z) / Em y: Q/y+∆y . (∆x.∆z) / Em z: Q/z+∆z . (∆x.∆y) # A taxa líquida de ganho de calor será:

( ) ( ) ( )[ ]x.y.Q/Q/z.x.Q/Q/z.y.Q/Q/ zzzyyyxxx ∆∆−+∆∆−+∆∆− ∆+∆+∆+ 2.3 − Taxa de geração interna de calor(q'''):

Onde (q''') é a geração interna de calor (energia térmica) por unidade de volume (W/m3

ou N/m2.s).

q'''.(∆x∆y∆z) 2.4 − Taxa de variação de calor (acúmulo): É resultante da variação da temperatura com o tempo, e pode ser escrita da seguinte forma:

)zyx.(tT.C. P ∆∆∆∂∂ρ

Onde: CP → calor específico do material (Kcal/Kg ºC); ρ → massa específica (Kg/m3). # Por análise dimensional, o termo da taxa de variação de calor resulta em (Kcal/s).

Page 75: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Substituindo, então, todos os elementos acima no Balanço de Energia, teremos: ( ) ( ) ( )[ ]+∆∆−+∆∆−+∆∆− ∆+∆+∆+ x.y.Q/Q/z.x.Q/Q/z.y.Q/Q/ zzzyyyxxx

zy.x..tT..Czy.x..''q' P ∆∆∆∂∂

=∆∆∆+ ρ

# Invertendo-se a primeira parcela do primeiro membro da equação acima e dividindo-se tudo pelo volume (∆x∆y∆z), teremos:

tT.C.''q'

zQ/Q/

yQ/Q/

xQ/Q/

Pzzzyyyxxx

∂∂

=+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∆−

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆

−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∆−

− ∆+∆+∆+ ρ

# A medida que ∆x, ∆y e ∆z → 0, o termo entre colchetes, por definição, torna-se a derivada do fluxo de calor com relação a "x", "y" e "z", respectivamente, então a equação acima fica:

tT..C''q'

zQ

yQ

xQ

Pzyx

∂∂

=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂

∂+

∂∂

− ρ (1)

# Os componentes do fluxo de calor, de acordo com a Lei de Fourrier, são:

zTKQ ;

yTKQ ;

xTKQ zyx ∂

∂−=

∂∂

−=∂∂

−=

# Substituindo as três equações acima em (1), teremos:

tT..C''q'

zTK

zyTK

yxTK

x P ∂∂

=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂ ρ (2)

Obs: A equação (2) é aplicável para transferência de calor em regime transiente, com geração interna de calor e condutividade térmica do meio variável, portanto, uma equação geral para condução em sólidos.

Page 76: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3 − CASOS PARTICULARES: 3.1 − Condutividade Térmica Constante:

K)( ; tT.P.C''q'2Z

T2

2Y

T2

2X

T2K ÷

∂∂

=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+

∂+

∂ ρ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

∂∂

=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+

∂+

∂α

ρρ 1K

P.C ;

tT.

KP.C

'''Kq

2Z

T2

2Y

T2

2X

T2

tT.1

K''q'T2

∂∂

=+∇α ; onde (∇2T) é o laplaciano da temperatura

3.1.1 − Sem geração interna de calor:

tT.1T2

∂∂

=∇α ; Equação de Fourrier da Condução onde (q''' = 0)

3.1.2 − Condução de calor em regime estacionário:

0K

''q'T2 =+∇ ; Equação de Poisson onde ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ =∂∂ 0

tT

3.1.3 − Condução de calor em regime estacionário sem geração interna de calor:

0T2 =∇ ; Equação de La Place, onde ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ==∂∂ 0''' e 0 q

tT

Obs: A aplicação da Equação de La Place na condução de calor através de uma parede plana, permite a demonstração do perfil linear de temperatura através da parede.

Page 77: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4 − PRINCIPAIS FONTES DE ENERGIA INTERNA: Fissão nuclear, como no caso dos elementos combustíveis nos reatores nucleares;

Desintegração de elementos radioativos;

Conversão de energia química em calor;

Degradação da energia mecânica (dissipação viscosa);

Passagem de corrente elétrica através de sólidos (efeito Joule).

5 − LAPLACIANO DA TEMPERATURA EM COORDENADAS: 5.1 − Cilíndricas (r,θ,z):

T22Z

T2

2T2

2r

1rTr

rr1

∇=∂

∂+

∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

θ

5.2 − Esféricas (r,θ,ϕ):

T22T2

2sen2r

1Tsensen2r

1rT2r

r2r

1∇=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

∂∂

ϕθθθ

θθ

Page 78: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEQAL DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

Aula de Exercícios de Calor com Geração

1 − Um elemento cilíndrico de um reator nuclear resfriado a gás combustível tem taxa de geração de calor interna por unidade de volume, devido à fissão nuclear, dada pela equação:

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

2

0 1'''Rrqq ,

onde "R" é o raio do elemento combustível. A superfície (r = R) está mantida a "T0". Encontre a expressão para o perfil de temperatura radial no elemento cilíndrico. 2 − Uma parede plana tem geração de calor por unidade de volume (q'''). A espessura da placa é "2L". Um dos lados da parede se encontra isolado, enquanto que o outro lado está em contato com um fluido. Calcule a temperatura máxima da parede. Sabe-se que o fluido está a uma temperatura "T∞" e o coeficiente convectivo é "h∞". 3 − Uma corrente elétrica gera calor "G", por unidade de tempo e volume que escoa no interior de um cilindro metálico delgado de raio "R" e comprimento "L". Sabe-se que o condutor está no ambiente a uma temperatura "Tf" e possui coeficiente de troca térmica convectiva "hf". Determine o perfil de temperatura e a temperatura máxima do condutor. 4 − Uma parede de espessura "2L" tem uma geração interna de calor que varia segundo a equação:

( )xaqq .cos''' 0= , onde (q''') é o calor gerado por unidade de volume no centro da parede (x = 0) e "q0" é uma constante dimensional. Se em ambos os lados as paredes forem mantidas a temperatura constante "Tp", obtenha uma expressão da perda de calor total da parede por unidade de área. Considerar regime permanente. 5 - Em um fio de aço inoxidável( k= 19 w/m2 0C) de 3 mm de diâmetro passa uma corrente elétrica de 200 A. A resistividade elétrica do aço e 70 µ.Ω.cm e o comprimento do fio é 1 m. O fio está imerso no fluido a 1100C e o coeficiente de transferência de calor por convecção é 4 Kw/m2 0C. Calcule a temperatura no centro do fio. 6 - Quando passamos uma corrente elétrica I, uma barra de ferro de cobre de seção transversal retangular ( 6mm x 150 mm), experimento uma geração de calor uniforme a uma taxa q,,, ( w/m3) dada por: q,,, = aI2 onde a = 0,015w/m3.A2. Se a barra está num ambiente onde h = 5 w/m2K e sua temperatura máxima não deve exceder a temperatura do ar ambiente mais do que 30 0 C, qual será a corrente elétrica permitida para esta barra? Dado: k= 401 w/mK Resp: I= 1825,7 A. 7- Uma parede plana de espessura 0,1 m e K = 25 w/mk; tendo uma geração de calor volumétrica uniforme de 0,3 x 105 w/m3 está sendo isolada em uma das superfícies enquanto que a outra superfície está exposta a um fluido a 92 oC. O coeficiente de transferência de calor entre a parede e o fluido é 500 w/m2k. Determine a temperatura máxima na parede. R: 104 o C 8- Um fio de resistência elétrica posui uma geração interna de calor que obedece a equação a seguir q’’’= qo. (1 - br), onde qo é a potência de calor gerado por unidade de volume no centro do fio, e sendo b uma constante dimensional. Expresse uma equação para o fluxo de calor Q, sendo que a temperatura na superfície externa do fio se mantém uniforme.

Page 79: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resolução dos Exercícios 1ª) Solução:

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

⋅−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛∴=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

20 1 0'''1

Rr

Krq

drdTr

drd

Kq

drdTr

drd

r

)( 0 0:.. 42 .12

420

máxTdrdTrcontcondC

Rrr

Kq

drdTr =⇒=∴+⎥

⎤⎢⎣

⎡−−=

)1( 164

42

0 ; 22

420

2

30

1 CR

rrKq

TRrr

Kq

drdTCentão +⎥

⎤⎢⎣

⎡−−=⇒⎥

⎤⎢⎣

⎡−−=⇒=

2

220

00 164 :, :.. CRR

Kq

TentãoTTRrcontcond +⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−==⇒=

:)1( ; 16

3

411

4 , 2

20

0220

02 em CdosubstituinKRq

TCRK

qTCe +=∴⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −+=

0

4220

20

02

42

2

20

41

43

4

43

4164T

Rr

Rr

KRq

TKRq

TR

rrKR

RqT +

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⇒⋅++⎥

⎤⎢⎣

⎡−−=

2ª) Solução:

T∞ 0'''=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

Kq

dxdT

dxd

h∞ − L +L 0 isolamento

21

2

)(1 2''' (1) ''' CxCKxqTCx

Kq

dxdT

x ++−=∴+⋅−= (2)

LKqCisolamdTLxcontcond ''' .)( 0

dx :.. 1 −=⇒=∴=

02

2

)( :.. ; '''2

''' TTLxcontcondCxLKq

KxqT x =∴=+⋅−−=

x

Page 80: Apostila Ft i - Ufpa (1)

KLq

KLqTC

22

02'''

2'''

++= (3)

( )∞∞= −⋅=⋅−⇒=⇒= TTAhdxdTAKq qL xporém, em Lxconvcond 0.. .

( )∞∞ −=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−−⇒−−=

=TTh

KLq

KLqKde

KLq

KLq

dxdT

Lx 0'''''' )"1" ( ''''''

( ) ∞∞

∞∞ +=∴−= Th

LqTTThLq '''2 '''2 00 (4)

# substituindo (4) em (3); e (3) e "C1" em (2), teremos:

) x é máx. emT(TK

LqKLq

hLq

KxLq

KxqT x 0"" '''

2''''''2'''

2''' 222

)( =∴++++⋅

−−= ∞∞

∞∞

++= TK

Lqh

LqTmáx 2'''3'''2 2

.

3ª) Solução:

12

2 0'''1 Cr

KG

drdTrr

KG

drdTr

drd

Kq

drdTr

drd

r+−=∴−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛∴=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

0 0 0 :.. 1 =⇒=⇒= CdrdTrcontcond

022

)( :.. 4

2

TTRrcontcondCrK

GTrK

GdrdT

r =⇒=∴+−=∴−=

convcond q qR mas em rTRK

GCCRK

GT =⇒=∴+=∴+−= .02

222

0 4

4

( ) RK

GdrdT mas TTh

drdTK RrffRr 2

0 −=∴−=− ==

( ) "" ; 2

2 200 Cdo em substituinTR

hGTTThR

KGK f

fff +=∴−=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−−

ff

rff

Th

GRRr

KGRT, entãoTR

KGR

hGC ++

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=++=

21

4 :

42

22

)(2

2

Page 81: Apostila Ft i - Ufpa (1)

ff

máxmáx. Th

GRK

GRTT T mas em r ++=∴=⇒=24

02

.

4ª) Solução:

( ) 0''' . cos''' 0 =+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∴=

Kq

dxdT

dxdxaqq

TP TP −L +L

100 ).( sen ).( cos C

axa

Kq

dxdTxa

Kq

dxdT

dxd

+−=∴−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

( )xaaKq

dxdTC

dxdTx . sen (A)

# mas da Eq. de Fourier da condução temos:

5ª) Solução: 10cm 1m δ 2cm

a) 1''' ''' 0''' Cx

Kq

dxdT

Kq

dxdT

dxd

Kq

dxdT

dxd

+−=∴−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∴=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

22

)(1 2''' ''' 0 0 0 Cx

KqTx

Kq

dxdTC

dxdTx x +⋅−=∴⋅−=∴=∴=⇒=

y x

y x

Page 82: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Kxq

KqTT

KqTCTTx PxPP 2

'''2'''

2'''

22

)(

2

2 −+=∴+=∴=⇒=δδδ

PMáxMáxxPx TK

qTTTxxK

qTT +=∴=⇒=∴⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=−

2''' 0 1

2''' 2

..)(

2

)(δ

δδ

b)

LAA

LEq

RE

LAEq

LAiEq

VolP

qmWq elét

⋅⋅⋅

=∴⋅⋅

=∴⋅⋅

=∴=∴=ρ

2.

3 ''' ''' ''' .

''' '''

36

25

2

2

21006,3'''

)1(107,4)12(''' ''' mWxq

xq

LEq =∴

⋅=∴

⋅=ρ

CTCxT MáxMáx º64,790 º76052

)01,0(1006,3.

26

. =∴+⋅⋅

=

Page 83: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

TRANSFERÊNCIA DE MASSA − I

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: 1.1 − Conceito: É a tendência de um componente "i" da mistura passar de uma região de alta concentração para uma região de baixa concentração, deste componente. Ex1: K2Cr2O7 Ex2: Naftaleno Ar ambiente 1.2 − Difusibilidade: Representa a maior ou menor facilidade que um elemento tem em atravessar um plano normal ao gradiente de concentração para outro, sendo uma característica de cada substância. 1.3 − Difusão Molecular: Ocorre em sistemas sólidos, líquidos e gasosos devido ao espaçamento entre as moléculas.

D.M. → G > L > S 10−1 10−5 10−8

H2O Cristal de K2Cr2O7 difundindo-se em H2O facilmente detectado pela coloração laranja (sólido−líquido)

Detectado através do olfato (sólido−gás)

Page 84: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2 − DEFINIÇÕES DE CONCENTRAÇÕES: 2.1 − Concentração: É a relação entre a massa do soluto e o volume da solução ou

mistura. ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ =

VmC

2.2 − Concentração de massa (ρi):

Vmi

i =ρ [ ]⎩⎨⎧

mLgcmgML -

; :unidade:dimensão

3

3

2.3 − Concentração molar (Ci):

VnC i

i = ∴ Mol

massamolesdenni == º ∴ i

ii M

mn =

1∴=∴⋅=

i

ii

i

ii M

CVM

mC ρ iii CM=ρ

[ ]⎩⎨⎧ −

mLgmolcmgmolLmoles

; :unidade.:dimensão

3

3

2.4 − Fração de massa (wi):

ρρ i

iw = ; onde: ncba ρρρρρ ++++= ...

2.5 − Fração molar (xi):

CCx i

i = ; onde: ncba CCCCC ...+++=

2.6 − Resumo de concentrações para uma mistura binária (A e B):

Page 85: Apostila Ft i - Ufpa (1)

BA ρρρ += AAA CM .=ρ VmAA =ρ ρρ AAw =

BA CCC += AAA MC ρ= VnC AA = CCx AA =

1=+ BA xx 1=+ BA ww CM .=ρ

3 − DEFINIÇÕES DE VELOCIDADES: 3.1 − Velocidade média de massa (v):

=

== n

ii

n

iii v

v

1

1.

ρ

ρ

[ ]⎩⎨⎧ −

smscmLT

; :unidade:dimensão 1

# onde "ρ.v" é o fluxo de massa que atravessa uma seção unitária, perpendicular à mistura com velocidade média "v". 3.2 − Velocidade média molar (v*):

=

== n

ii

n

iii

C

vCv

1

1*.

Obs: Em sistemas de fluxo, geralmente temos interesse na velocidade de uma determinada espécie "i" em relação a "v" ou "v*", que, com respeito a um eixo de coordenadas estacionárias, temos as velocidades de difusão. 3.3 − Velocidade de difusão da espécie "i" (vi) em relação a "v":

( )vvi −

Page 86: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3.4 − Velocidade de difusão da espécie "i" (vi) em relação a "v*":

( )*vvi − 3.5 − Resumo de velocidades para uma mistura binária (A e B): Velocidade da espécie "A" em relação a eixos fixos.

Av

Velocidade de difusão da espécie "A" em relação a "v".

vvA −

Velocidade de difusão da espécie "A" em relação a "v*".

*vvA −

Velocidade média de massa. BA

BBAAA

vvvρρρρ

++

=..

Velocidade média molar. BA

BBAAA CC

vCvCv++

=..

4 − DEFINIÇÕES DE DENSIDADE DE FLUXO: 4.1 − Densidade de fluxo relativa a eixos fixos ou estacionários: a) Para massa:

iii v.ρη = [ ]⎩⎨⎧ −−

scmgTML.:unidade

:dimensão2

12

b) Para moles:

iii vCN .= [ ]⎩⎨⎧ −−

scmgmolTLM molar

.:unidade:dimensão

2

12

4.2 − Densidade de fluxo relativa à velocidade média de massa: a) Para massa:

( )vvj iii −= ρ

Page 87: Apostila Ft i - Ufpa (1)

b) Para moles:

( )vvCJ iii −= 4.3 − Densidade de fluxo relativa à velocidade média molar: a) Para massa:

( )** vvj iii −= ρ b) Para moles:

( )** vvCJ iii −= 4.4 − Resumo de densidades de fluxo para sistemas binários:

GRANDEZA Com relação a eixos fixos

Com relação a "v"

Com relação a "v*"

Velocidade da espécie Av ( )vvA − ( )*vvA −

Densidade de fluxo de massa AAA v.ρη = ( )vvj AAA −= ρ ( )** vvj AAA −= ρ

Densidade de fluxo molar AAA vCN .= ( )vvCJ AAA −= ( )** vvCJ AAA −=

Page 88: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS DO SUL E SUDESTE DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO/CENTRO DE GEOCIÊNCIAS CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM TECNOLOGIA MINERAL E METALURGIA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

TRANSFERÊNCIA DE MASSA − II

1 − 1ª LEI DE FICK DA DIFUSÃO: y P.Sup. (saturada em água) AR SECO (umidade = 0) P. Inf. (agente dessecante) x onde "A" é o vapor d'água e "B" é o ar seco. y CA1 P.S. P.I. x y CA1 P.S. P.I. x y CA1 P.S. P.I. x

DENSIDADE DE FLUXO MOLAR α

GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO DA

ESPÉCIE "A" EM RELAÇÃO A "y"

t = 0; a placa superior está saturada de água

t = pequeno; começa haver um gradiente de velocidade da espécie "A" em regime

transiente. CA = CA(y,t)

t = grande (∞); em regime permanente, haverá

formação do perfil linear CA = CA (y)

Page 89: Apostila Ft i - Ufpa (1)

dydCDN A

ABAy−= → 1ª Lei de Fick da difusão

onde: DAB → é a difusividade de "A" em "B" [cm2/s]; NA → é a densidade de fluxo molar da espécie "A" [gmol/cm2.s]; CA → é a concentração molar da espécie "A" [gmol/cm3]; "y" → é a distância entre as placas [cm]. 2 − OUTRAS FORMAS EQUIVALENTES DA 1ª LEI DE FICK:

dydD A

ABaρη −= ;

dydwDj A

ABA .ρ−= ; dydxDCJ A

ABA .* −=

# Mas para pressão e temperatura constantes:

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−=∴−=∴−=C

vCvCCvCJvCvCJvvCJ BBAAAAAAAAAAAAA

*****

( ) ( )BAAAABAAAA NNxJNNNxNJ ++=∴+−= **

( )BAAA

ABA NNxdydxDCN

y++−= .

3 − DIFUSÃO ATRAVÉS DE UM GÁS PARADO: Ar circundante (B) xAδ z δ (A) xA0

H2O

H20

Dispositivo para manter o nível de

água constante

Page 90: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Obs: Ao longo de "z" "xA" decresce e "xB" cresce, sendo (xA + xB = 1). 0

( ) ( )dz

dxDCxNNNxdz

dxDCN AABAABAA

AABA zzzz

.1 . −=−∴++−=

# Condições de contorno:

⎩⎨⎧

=→==→=

δδ AA

AA

xxzxxz 00

⇒ ∫∫ −−=

δδ A

Az

x

x A

AABA x

dxDCdzN01

.0

( )[ ] ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=⋅∴−−−=⋅01

1ln.. 1ln.0

A

AABA

xxAABA x

xDCNxDCNz

AAz

δδδ δ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

⋅=01

1ln.

A

AABA x

xDCNz

δ

δ (I)

# A equação (I) é utilizada para o cálculo do fluxo molar de um gás parado. 4 − CONTRADIFUSÃO EQUIMOLAR: A difusão posta desta maneira indica que para cada mol da espécie "A" que difunde em um determinado sentido e direção, um mol de "B" se move na mesma direção, porém em sentido contrário de modo que:

zz BA NN −= xA = xA0 xA = xAδ δ

zAN zBN

Gás A

Gás B

Page 91: Apostila Ft i - Ufpa (1)

( ) ( )zzzzzz AAA

AABABAA

AABA NNx

dzdxDCNNNx

dzdxDCN −+−=∴++−= . .

∫∫ −=∴−=δδ A

Azz

x

xAABA

AABA dxDCdzN

dzdxDCN

0

. .0

( )0. AAABA xxDCNz

−−=⋅ δδ ⇒ ( )δδ AAAB

A xxDCNZ

−⋅= 0.

(II)

# A equação (II) é utilizada para o cálculo do fluxo molar de um gás em contadifusão equimolar.

Page 92: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARA CENTRO TECNOLÓGICO DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTE I LISTA DE EXERCÍCIO -TRANSPORTE DE MASSA - TEORIA - 1O SEM/2005 1- Usando as definições de concentração, mostre que para um sistema binário: a) dwA = MA MB d XA

(XA MA + XB MB)2 b) WA(VA - V) + WB (VB - V*) = (V - V*) c) JA* - JB* = 0 d) XA = WA / M A. (WA + WB)

MA MB)

2- Calcular o fluxo de difusão do açúcar através de um filme de 0,1 cm de espessura, onde as concentrações são 14% e 6%, respectivamente, em cada lado do filme. Assuma a difusividade do açúcar através do café nas dadas condições de 0,7 x 10-5 (cm2/seg) e a densidade da solução a 10% de 1,013 (g/cm3). RESP: NA = 6,31 x 10-6 (g/cm2.seg) 3- Oxigênio esta se difundindo através do monoxido de carbono estacionário. A pressão total e 1 atm e a temperatura t =0OC. A pressão parcial do oxigênio em dois planos separados 0,2 cm e respectivamente 100 e 50 mm de Hg. A difusividade do oxigênio em monoxido de carbono e 0,185 cm2/s ( a 0oC ). Calcule o fluxo molar de oxigênio. RESP: NA = 3,01x 10-3 gmol / cm2.seg. 4- Em uma mistura gasosa de oxigênio e nitrogênio a 1 atm. e 250c, as concentrações molares do oxigênio em 2 planos separados em 2 mm são 10% e 20% respectivamente. Calcular o fluxo de difusão do oxigênio para o caso em que o nitrogênio não esta difundido e quando houver interdifusao. RESP: NA = 5 x 10-3 gmol / cm2.seg NA = 4 x 10-3 gmol / cm2 seg 5- Calcule o tempo necessário para que uma porção de 0,5 lbm de co2 se difunda através de 3 in de espessura, se a área perpendicular a direção do fluxo de massa for igual a 50 ft2 . Considere o co2 de um lado da camada igual a 0,0008 lbmol/ft2 e nula do outro lado, a uma pressão de 1 atm e a uma temperatura de 70oC. DADO:DAB = 0,15 (cm2/s) RESP: 6,1 min. 6- Determine o fluxo de difusão do vapor d'água num poço de 20m de profundidade para o ar existente no topo, a 25oC e 1 atm. Nessas condições a difusividade do vapor d'água no ar e 0,256cm2/s e a pressão de vapor d'água e 23,756 mmHg. Justifique sua resposta para as condições feitas na resolução do problema. DADO: 82,06 atm cm3/gmol k RESP: 1,65 x 10-10 gmoles/cm2 s.

Page 93: Apostila Ft i - Ufpa (1)

7- Monoxido de carbono difunde através de 0,1 in em um filme de ar estagnado ate um banho de acido sulfurico onde desaparece instantaneamente por reação química. Estime a velocidade de transferencia por área se a temperatura e a pressão do sistema são 100C e 1 atm, respectivamente, e se a concentração do monoxido de carbono na borda exterior da camada de ar e 3 moles percentuais. Determine o perfil de concentração para este processo. Dados: DAB = 0,185(cm2/s) ; R = 82,05(cm3atm/gmol k) RESP: NAZ = 9,55 x 10-7(gmol/cm2seg) 8- Determine a velocidade de evaporação do sistema gasoso binário oxigênio ccl4, considerando o oxigênio no estado estacionário a 0oC. DADOS: Pressão total = 775 mmHg, Do2-ccl4 = 0,0636 (cm2/s) Pressão de vapor do ccl4 a 0oC = 33 mmHg Distancia do nível do liquido a parte superior do tubo = 17,1cm Seccao transversal do tubo de difusão = 0,82cm2 Mccl4 = 154 (g/gmol) RESP: 3,33 x 10-3 (g/h) 9- Gás amônia (A) e nitrogênio (B), estão se difundindo em contra-difusao equimolecular através de um tubo de vidro retilíneo de 0,01 m de comprimento com diâmetro interno de 24,4 mm a 25oC e 101,325 kPa. Ambos os lados do tubo estão conectados a grandes câmaras de misturas a 101,325kPa. A pressão parcial do NH3 em uma das câmaras e constantes e igual a 20 kPa e 6,666 kPa na outra câmara. A difusividade da amônia no nitrogênio, nas condições acima e de 2,3 x 10-5 m2/s. a) Calcule a taxa de difusão do NH3 em kgmol/s b) Calcule a taxa de difusão do N2 em kgmol/s c) Calcule a pressão parcial do NH3, no ponto a 0,305 m do tubo Dado: R = 8314,34 Pa.m3 / kgmol k RESP: a) 9,48 x 10-11 kgmol/s; b) -9,84 x 10-11 kgmol /s; c) 13,48kPa

Page 94: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

TEOREMA DE BERNOULLI

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: A equação de Bernoulli e a equação da continuidade são fundamentadas em leis físicas como o Princípio da conservação da massa, a 2ª Lei de Newton e o princípio da conservação da energia. 2 − EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE: A1 A2 dL2 V2 dL1 V1 B C dt B' C' dt Obs: Supor que o fluido entre as seções transversais tomadas nos pontos BB', após um intervalo de tempo "dt", o fluido estará em CC'. Pelo princípio da conservação da massa, a massa entre as seções

C'B' e BC , devem ser iguais. Logo:

222111222121 dLAdLA VV mm ρρρρ =∴=∴=

# Dividindo-se a expressão acima por "dt", tem-se:

2221112

221

11 vAvA dt

dLAdt

dLA ρρρρ =∴=

Page 95: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2

# Se o fluido for incompressível, "ρ" é constante; então:

2211 vAvA = (1) 2.1 − Definições de vazões: a) Vazão volumétrica (Q) → é o produto da velocidade pela área ou

quociente entre o volume pelo tempo.

v.AQ = ou tVQ = Q = [L3T−1]

b) Vazão mássica (Qm) → é o quociente entre a massa pelo tempo ou o

produto entre a vazão volumétrica e a massa específica.

tmQm = ou ρ.QQm = Q = [MT−1]

# Então a equação (1) pode também ser escrita da seguinte forma:

21 QQ = 3 − EQUAÇÃO DE BERNOULLI "FLUIDOS IDEAIS" (µ = 0) A equação de Bernoulli é um caso particular da equação de Euler para regime permanente e unidirecional. A própria equação de Euler é um caso particular da equação geral do movimento (equação de Cauchy). Então, para uma tubulação, escrevemos a equação de Euler em coordenadas cilíndricas. 0 0 0

zz

zzz

rz g.

zP

zvvv

rv

rvv

tv ρ

θρ θ −

∂∂

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

Page 96: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3

zz

z g.zP

zvv. ρρ −

∂∂

−=∂∂

# Como está em uma só direção a derivada passa a ser total:

0g.dzdP

dzdvv. z

zz =++ ρρ (x dz)

0dzg.dPdvv. zzz =++ ρρ (÷ρg = γ)

0dzdPdvvg1

zz =++γ

(integrando-se de "1" a "2")

( ) 0zzPP2g

vv12

2121

22 =−+

−+

−γ

⇒ 22

22

11

21 zP

2gvzP

2gv

++=++γγ

4 − VALIDADE PARA O TEOREMA DE BERNOULLI:

Fluido ideal; Regime permanente; Sujeito somente ao campo gravitacional; Fluido incompressível; Variações isotérmicas.

5 − INTERPRETAÇÃO FÍSICA DE CADA TERMO: 5.1 − Para "z":

"z" representa a energia potencial por unidade de peso da partícula, também chamado de cota geométrica.

wE

Z w.ZE 11 =∴= ∴ z = [L]

5.2 − Para "P/γ":

"P/γ" representa a energia de pressão por unidade de peso da partícula, também chamado de cota piezométrica.

P.VE P.A.LE entoF.deslocamE 222 =∴=∴=

Page 97: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4

wEP wP.E wV 2

2 =∴=∴=γγγ

∴ P/γ = [L]

5.3 − Para v2/2g: "v2/2g" representa a energia cinética por unidade de peso da partícula, também chamada de cota cinética.

2gvw.E

gwm m.g w

2mvE

2

3

2

3 =∴=∴=∴=

wE

2gv 3

2

= ∴ v2/2g = [L]

# Então: CwE

wE

wE 321 =++

5.4 − Conclusão: "E/w" ou "C" é a energia mecânica total da partícula por unidade de peso. Essa energia mecânica permanece constante ao longo de uma tubulação, podendo apenas ocorrer transformação de uma modalidade de energia em outra; jamais em forma de calor, visto que µ = 0. 6 − MEDIDORES DE VAZÃO: Os medidores de vazão podem ser de leitura direta (Rotâmetro) ou leitura indireta (Tubo de Pitot, Medidor Venturi e Placa de Orifício). Os medidores de vazão de leitura indireta geralmente são associados a um balanço hidrostático em um tubo "U". 6.1− Pressões: A pressão pode ser medida em relação a qualquer referência arbitrária, adota-se usualmente para tal o zero absoluto ou vácuo absoluto. a) Pressão Absoluta → É medida com referência ao zero absoluto.

atmefabs PPP += b) Pressão Efetiva ou Manométrica → É medida em relação à pressão

atmosférica local. O instrumento utilizado para medir pressões

Page 98: Apostila Ft i - Ufpa (1)

5

efetivas é o manômetro. Dentre os vários tipos de manômetro, tem-se: Piezômetro → o mais simples dos manômetros; Manômetro diferencial → mede diferenças de pressões entre dois pontos; Vacuômetro →mede pressões efetivas negativas, nulas e positivas.

Obs: A pressão hidrostática é um tipo de pressão manométrica devida a uma coluna de fluido.

h.P γ=

c) Pressão Atmosférica Local → É medida pelo barômetro, que mede a diferença de pressão entre a atmosfera local e um reservatório onde foi feito vácuo.

6.2 − Balanço Hidrostático: Dois pontos de mesmo nível unidos por uma coluna contínua e estática de mesmo fluido estão na mesma pressão. P1 P2 1 2 H 3 6 h 4 5 P4 = P5

Hipótese: P1 > P2

ff14 hHPP γγ ++= ∴ fmf25 hHPP γγ ++=

Page 99: Apostila Ft i - Ufpa (1)

6

fmf2ff1 hHPhHP γγγγ ++=++ ∴ ( )ffm21 hPP γγ −=− 6.3 − Tubo de Pitot: Os Tubos de Pitot medem a velocidade local ou num ponto pela determinação da diferença entre a pressão de impacto e a pressão absoluta. Pressão absoluta Pressão de impacto . . 1 2 h

P2 > P1 ∴ Z1 = Z2 ∴ v1 > v2 = 0 # Aplicando Bernoulli entre os pontos "1" e "2": 0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=∴++=++

γγγ122

122

22

11

21 PP2g v zP

2gvzP

2gv

# Aplicando o balanço hidrostático:

( ) ( )f

ffm21ffm12 2gh v hPP

γγγγγ −

=∴−=−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 12ghv

f

fm1 γ

γ ou ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 12ghv

f

fm1 ρ

ρ

Page 100: Apostila Ft i - Ufpa (1)

7

# Caso o fluido que circule na tubulação seja água, então:

( )1d2ghv fm1 −= Obs: Os Tubos de Pitot servem para medir a velocidade em um ponto qualquer de uma corrente líquida (rio, canal, etc.). 6.4 − Medidor Venturi: O Medidor Venturi consiste em um pequeno trecho de tubo retilíneo, ligado à tubulação por meio de seções cônicas. . . 1 2 h

P1 > P2 ∴ Z1 = Z2 ∴ v2 > v1 ∴ A2 > A1

# Aplicando Bernoulli entre os pontos "1" e "2":

2gv

2gv

gP

gP zP

2gvzP

2gv 2

12221

22

22

11

21 −=−∴++=++

ρργγ

Q1 = A1.v1 → v1 = Q1/A1

Q1 = Q2 = Q

Q2 = A2.v2 → v2 = Q2/A2

Page 101: Apostila Ft i - Ufpa (1)

8

( ) ( )21f

2

1

12

2

221

f

21

22 PP2

AQ

AQ PP2vv −=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∴−=−

ρρ

( ) ( )21f

21

22

22

212

21f

21

22

2 PP2AAAAQ PP2

A1

A1Q −=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ −∴−=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−

ρρ

22

21

12f

2122

21

12

AA2AAK onde ; PP2

AAAAQ

−=

−⋅⋅

−=

ρ

f

21 PPKQρ−

=

6.5 − Placa de Orifício: . . 1 2 h

P1 > P2 ∴ Z1 = Z2 ∴ v2 > v1 # Aplicando Bernoulli entre os pontos "1" e "2":

2vvPP z

gP

2gvz

gP

2gv 2

122

f

212

222

11

21 −

=−

∴++=++ρρρ

# Pela equação da continuidade, temos:

Page 102: Apostila Ft i - Ufpa (1)

9

1

2212211 A

Av v AvAv =∴=

( ) ( )21f

21

222

221f

21

22

222

2 PP2AA1 v PP2

AAvv −=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−∴−=−

ρρ

( )

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

2

1

2

212

AA1

PP2v

(I)

# Pelo balanço hidrostático temos que:

( )ffm21 hPP γγ −=− # Substituindo o balanço hidrostático na equação (I), temos:

2

1

2

f

fm

2

AA1

12ghv

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=ρρ

Obs: O Medidor Orifício opera segundo o mesmo princípio que o Medidor Venturi, porém com pequenas diferenças importantes:

A Placa pode ser facilmente mudada para acomodar vazões bastantes diferentes, enquanto que o diâmetro do estrangulamento de um Venturi é fixo. A Placa tem queda brusca de pressão, enquanto que no Venturi as seções cônicas diminuem a pressão gradativamente.

Page 103: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: CÉLIO SOUZA

EXERCÍCIOS DE BERNOULLI E CONTINUIDADE

1) Um tubo de PVC para drenagem apresenta 312 furos (cada um com 6mm de diâmetro)

por metro linear de tubo. A velocidade de drenagem é de 5cm/s. Obter a vazão em L/h para cada metro de tubo.

Resp.: Q = 1.588L/h, por metro linear de tubo. 2) A água que flui através de um grande reservatório aberto (figura abaixo), descarrega

horizontalmente na atmosfera. Considerando a carga do reservatório constante e que não há perdas de energia em todo o sistema, calcule as velocidades nos pontos (3) e (2).

(1) d2 = 2cm d3 = 1cm 6m (2) (3) 2m Resp.: V2 =8,86m/s ; V3 = 2,22m/s 3) Determine a vazão, em litros por segundo, da água escoando através do dispositivo,

conforme indicado na figura abaixo, se não há perdas de energia entre os pontos "1" e "2".

Dados: cmDsmgdd tuboHgOH 6 ; /81,9 ; 6,13 ; 12

==== H2O 1 2 1cm Hg Resp.: Q = 4,45L/s 4) Determinar no dispositivo abaixo: a) A diferença de pressão em Kgf/m2 entre os dois piezômetros;

Page 104: Apostila Ft i - Ufpa (1)

b) A vazão em L/s. Sabendo-se que o fluido possui γ = 950Kgf/m3. φ = 2" 10cm 2 90cm 30cm 1 φ = 4" Fluido Resp.: a) ∆P = 760Kgf/m2 ; b) Q = 6,6L/s 5) Pelo tubo "1" de 600mm de diâmetro, escoa água com vazão Q1 = 240 L/s e com

pressão de 5mca. Uma parte do líquido sobe pelo tubo "2" de diâmetro igual a 50mm e altura de 4,5m, para alimentar o reservatório "R", cujo volume é 0,382m3. Determinar o tempo necessário para encher o reservatório "R", sendo desprezadas as perdas nas tubulações.(Ver Fig. abaixo)

Dados: ( )OH2γ = 1000Kgf/m3 ; 1 atm ≡ 10,33mca ≡ 1,033x104Kgf/m2

Tubo − 2 2 h 1 Tubo − 1 Resp.: t = 1minuto 6) Um óleo de densidade 0,75 está escoando através de um tubo (ver figura) de 150mm

de diâmetro sob uma pressão de 1,0Kgf/cm2. Se a energia total relativa a um plano de 2,4m abaixo da linha do centro do tubo é de 18 Kgm/Kgf. Determinar a vazão do óleo em "m3/s".

Reservatório

Page 105: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2,4m Resp.: Q = 0,12m3/s 7) Na determinação do desnível de um trecho de rio, verificou-se a profundidade e as

velocidades das águas em dois pontos distintos, obtendo-se na primeira determinação 8m e 1,2m/s, respectivamente. Na Segunda determinação 2m de profundidade e uma velocidade de 12,4m/s, devido ao desnível do trecho. Calcular esse desnível.

Resp.: h = 1,763m 8) Uma tubulação vertical de 150mm de diâmetro apresenta, em um pequeno trecho, uma

seção contraída de 75mm, onde a pressão é de 1atm. A 3m acima desse ponto, a pressão eleva-se para 21 lb/in2. Calcule as velocidades e a vazão para a água que escoa nessa tubulação.

Dado: 33 /102

mKgfOH =γ Resp.: V = 3,185m/s ; V = 12,74m/s e Q = 55L/s 9) Desprezando-se as perdas, determinar a vazão na figura abaixo: 0,9m H2O 1,2m φ = 4" Resp.: Q = 49L/s 10) Um reservatório de grande seção transversal, dotado de um tubo horizontal de saída,

contém um líquido perfeito. Determinar a velocidade do jato, quando a superfície livre está situada na cota 8m em relação do eixo do tubo (ver figura abaixo).

8m Resp.: V = 12,52m

Óleo d = 0,75

Page 106: Apostila Ft i - Ufpa (1)

11) De uma pequena barragem parte uma canalização de 250mm de diâmetro, com poucos metros de extensão, havendo depois uma redução para 125mm. Do tubo de 125mm, a água passa para a atmosfera sob a forma de jato d'água. A vazão foi medida, encontrando-se 105 L/s. Calcular a pressão na seção inicial da tubulação de 250mm, a altura da água "H" na barragem e a potência bruta do jato.

H Resp.: P = 3.492,5Kgf/m2 ; H = 3,7m ; Pot = 5,18cv 12) O dispositivo mostrado na figura abaixo é utilizado para determinar a velocidade do

líquido do ponto "1". Esse dispositivo é constituído de um tubo, cuja extremidade inferior é dirigida para montante e cujo ramo vertical é aberto à atmosfera. O impacto do líquido na abertura "2", força o mesmo a subir o ramo vertical a uma altura Z = 10cm acima da superfície livre. O ponto "2" é uma zona de estagnação, onde a velocidade de escoamento anula-se, criando uma pressão devido ao impacto a qual força o líquido no ramo vertical. Calcular a velocidade no ponto "1", sabendo-se que a aceleração da gravidade no local é 9,81m/s2.

Z 1 2 Resp.: V = 1,4m/s 13) Para o Venturi representado na figura abaixo, a deflexão do mercúrio no manômetro

diferencial é 360mm. Determinar a vazão de água através do medidor se não há perdas de energia entre "A" e "B".

Page 107: Apostila Ft i - Ufpa (1)

B φB = 150mm 750mm A φA = 300mm Z 360mm Resp.: Q = 172L/s 14) Um tubo transportando óleo de densidade 0,877 muda de bitola de 150mm na seção

"A" para 450mm na seção "B". A seção "A" está 3,6m abaixo de "B" e sua pressão é 1,0Kgf/cm2. Se a vazão for de 0,15m3/s, qual será a pressão em "B".

Resp.: PB = 0,6 Kgf/cm2 15) Uma tubulação inclinada de diâmetro igual a 6" é ligada por meio de um redutor a um

tubo de diâmetro igual a 4". A água escoa através do tubo como indicado na figura abaixo. Calcule a velocidade média "V2".

2 h 1 Z 12in Resp.: V2 = 9,705m/s

Page 108: Apostila Ft i - Ufpa (1)

16) A queda de pressão entre duas seções é medida com um manômetro de mercúrio (ver figura abaixo), com deflexão de 0,5m. Calcule as velocidades nos pontos "1" e "2". Calcule, também, a vazão através do duto.

φ1 = 76,5cm φ2 = 54,1cm 1 2 H2O h = 0,5m d(Hg) = 13,6 Resp.: V1 = 6,42m/s ; V2 = 12,84m/s ; Q = 2,953m3/s 17) Determinar a velocidade V1 e a vazão no Pitot da figura abaixo: φ = 8" 1 2 H2O 30,5cm d = 0,8 Resp.: V1 = 1,09m/s ; Q = 35,34L/s 18) Um fluido incompressível e sem atrito escoa através do dispositivo indicado na figura

abaixo. A densidade do fluido é igual a 0,799. Calcular a descarga em "L/s" e a vazão em "Kg/s".

8" φ = 8" 4" φ = 4" Resp.: Q = 14,46L/s ; Qm = 11,556Kg/s

Page 109: Apostila Ft i - Ufpa (1)

19) De um depósito, descarrega-se água a uma temperatura de 25ºC, através de um bocal indicado na figura abaixo. Para uma pressão de 1,5atm indicada no manômetro, e, desprezando-se as perdas, qual deverá ser o valor de "H" para uma velocidade de 2,06m/s no tubo de saída de 300mm?

manômetro H φ = 300mm φ = 100mm bocal Resp.: H = 2,015m 20) Em um edifício de 12 pavimentos, a vazão máxima provável, devida ao uso de

diversos aparelhos, em uma coluna de distribuição de 60mm de diâmetro, é de 7,5 L/s. Determinar a velocidade de escoamento.

Resp.: V = 2,65m/s 21) Verificou-se que a velocidade econômica para uma extensa linha de recalque é

1,05m/s. A vazão necessária a ser fornecida pelas bombas é de 450m3/h. Determinar o diâmetro da linha.

Resp.: D = 0,39m 22) Uma tubulação vertical, como mostra a figura abaixo, de 150mm de diâmetro

apresenta, em um pequeno trecho, uma seção contraída de 75mm, onde a pressão é 1atm. A 3,0m acima desse ponto, a pressão eleva-se para 1,43atm. Calcular as velocidades V1 , V2 e a vazão.

1 P1 = 1,43atm 3,0m 2 P2 = 1,0atm Resp.:V1 = 3,16m/s ; V2 = 12,64m/s ; Q = 56L/s

Page 110: Apostila Ft i - Ufpa (1)

23) Em um canal de concreto, como mostra a figura abaixo, a profundidade é de 1,20m e a água escoa com uma velocidade média de 2,40m/s até um certo ponto, onde, devido a uma queda, a velocidade se eleva a 12m/s, reduzindo-se a profundidade a 0,60m. Desprezando as possíveis perdas por atrito, determinar a diferença de nível entre as duas partes do canal.

1 1,2m h 2 0,60m Resp.: h = 6,50m 24) De um grande reservatório aberto (R), água é drenada por meio de um sifão, como

mostra a figura abaixo. Se a distância entre nível do líquido no tanque e o fim do tubo é h = 0,5m. Calcule a velocidade do fluido no tubo. Considere que a área de seção transversal do tubo é uniforme.

1 2 h = 0,5m 3 (R) Resp.: V = 3,13m/s 25) Água (γ = 1000Kgf/m3) circula pela tubulação da figura abaixo, onde D1 = 200mm e

D2 = 100mm. A tubulação é ligada a um manômetro de mercúrio (γ = 13600Kgf/m3). Admitindo que não haja perdas de energia entre "1" e "2", determine:

a) Uma expressão para a vazão volumétrica em função da altura manométrica; b) Calcular a vazão.

Page 111: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2 λ = 0,75m 1 H h = 0,56m Hg

Resp.: a) ( )

22

21

212

2

AA

ddghAAQ OHHg

−⋅⋅= ; b) Q = 0,077m3/s

26) Um tubo de Pitot estático, conforme figura abaixo, é usado para medir a vazão

volumétrica de água (d = 1,0), que circula em uma tubulação de 4cm de diâmetro. Determine a vazão volumétrica, mediante as seguintes considerações: regime permanente e fluido ideal. O fluido manométrico é mercúrio (dHg = 13,6).

φ = 4cm 4cm X h Hg Resp.: Q= 3,96L/s

1

2

Page 112: Apostila Ft i - Ufpa (1)

27) Uma tubulação de aço para a alimentação de uma usina hidrelétrica deve fornecer 1.500 L/s. Calcule o diâmetro da tubulação de modo que a velocidade da água não ultrapasse 2,5m/s.

Resp.: D ≥ 0,764m 28) Em um tubo de 250mm de diâmetro a velocidade é 40cm/s. Achar a velocidade de um

jato d'água através de um bocal, de 50mm de diâmetro, preso ao tubo. Resp.: 10m/s 29) Pela tubulação abaixo, escoam 71L/s de água de modo que, no manômetro superior,

lê-se a pressão de 0,6Kgf/cm2. Calcule a pressão no manômetro inferior. φ1 = 0,30m D1 4,76m D2 φ2 = 0,15m Resp.: 1,05Kgf/cm2 30) A água escoa na tubulação "BMC", ver figura abaixo, com as seguintes características:

Z1 → cota do ponto "B"= 20m; Z2 → cota do ponto "C"=10m; P1 → pressão em "B"=1,5Kgf/cm2; V1 → velocidade no trecho "BM"= 0,6m/s; D1 → diâmetro no trecho "BM" = 0,2m; D2 → diâmetro no trecho "MC" = 0,1m. B M C Z1 Z2 Plano de referência Calcular: a) A carga total;

Page 113: Apostila Ft i - Ufpa (1)

b) A velocidade no trecho "MC"; c) A vazão; d) A pressão no ponto "C";

Obs: Considerar g = 10m/s2 Resp.: a) H = 35,018m ; b) VMC = 2,4m/s ; c) Q = 18,8L/s ; d) PC = 2,47Kgf/cm2 31) A água escoa na tubulação da figura abaixo. Calcule o diâmetro "d" para que as

leituras manométricas sejam as mesmas. Dados: V2 = 6m/s ; g = 9,81m/s2 φ1 = 0,30m 2 P2 3,0m 1 P1 d Resp.: d = 0,235m 32) A figura abaixo mostra um sifão. Se desprezarmos inteiramente o atrito, qual será a

velocidade da água em "m/s" que sai pelo ponto "C" como um jato livre? Quais são as pressões da água, em atm, no tubo em "B" e "A"?

B 4ft A 8ft C Reservatório Resp.: a) VC = 6,91m/s ; b) PA = 0,763atm e PB = 0,645atm 33) Calcular a vazão de água no escoamento da figura abaixo:

Page 114: Apostila Ft i - Ufpa (1)

0,6cm φ = 150mm φ = 75mm Resp.: Q = 6,06L/s 34) Determinar a deflexão em "cm" que deve existir no manômetro diferencial de uma

tubulação, conforme figura abaixo, sabendo-se que pela tubulação escoa um fluido de densidade d = 0,933 que alimenta um tanque, mantendo seu nível constante. Há três orifícios laterais no tanque com D1 = 20mm e V1 = 3,0m/s; D2 = 25mm e V2 = 2,5m/s; D3 = 30mm e V3 = 2m/s.

Dado: ρf.man. = 13,6g/cm3 φ = 60mm φ = 30mm 1 2 h Resp.: h = 9,04cm 35) Caso se despreze inteiramente o atrito no sifão mostrado na figura abaixo, qual será a

vazão de água que sai do ponto "D" como um jato livre? Qual a pressão nos pontos "B" e "C" em "atm"?

Dado: DSifão = 16mm

Page 115: Apostila Ft i - Ufpa (1)

C 1,22m A B 2,44m D Reservatório Resp.: Q = 1,4L/s ; PB = 0,763atm e PC = 0,645atm 36) Um tanque está suspenso por um dispositivo que foi construído para suportar uma

carga máxima de 15.000N de fluido. Considerando o esquema abaixo, determine o tempo em minutos em que o tanque terá atingido esta carga.

Dado: dfluido = 0,833 ; df.manom. = 13,6 ; Vrecip. = 3m3 ; g = 9,81m/s2 D = 1/2" 1 2 D = 1" h = 0,2m Resp.: t = 29,27min 37) De quanto por cento deve-se reduzir o diâmetro de uma seção num duto circular para

que a velocidade aumente de 44%. Resp.: 16,7% 38) Desprezando-se as perdas, calcular a vazão do reservatório mostrado na figura abaixo: Dados: 1KPa = 1000N/m2; 1atm = 101,325 KPa; 1Kgf/m2 = 9,81N/m2; γ(H2O) = 1000Kgf/m3.

Recipiente

Page 116: Apostila Ft i - Ufpa (1)

AR 1 Pman = 15KPa 2m 2 φ = 70mm dóleo = 0,82 Cd = 0,74 Resp.: Q = 24,79L/s 39) Um manômetro de Tubo "U" contendo mercúrio e com um de seus ramos fechado está

ligado ao lado inferior de uma linha que transporta água, como indica a figura abaixo. Em eu ponto situado na mesma vertical e acima da toma da de pressão desse manômetro, encontra-se ligada a tomada de pressão anterior de um segundo manômetro de tubo "U", que se encontra em posição invertida. A densidade do líquido manométrico do segundo manômetro é de 0,5 g/cm3. Calcular as pressões nos pontos "1" e "2".

Líquido (d = 0,5g/cm3) 94cm 30cm 1 2 147cm 102cm Mercúrio (d = 13,6g/cm3) Resp.: P1 = 1.210.496g/cm.s ; P2 = 1.179.136g/cm.s

Page 117: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1

PERDA DE CARGA POR ATRITO

1 − CONCEITOS BÁSICOS: As perdas de carga são devido às resistências encontradas pelo fluido no escoamento, sendo essas perdas de energia dissipada na forma de calor. 2 − CLASSIFICAÇÃO: 2.1 − Perdas de Carga por Fricção: É causada unicamente pela circulação do fluido através da tubulação devido ao atrito. É observada em qualquer tipo de tubulação, mesmo nas mais cuidadosamente fabricadas e preparadas. 2.2 − Perda de Carga Localizada: Devido principalmente aos acessórios existentes ao longo da tubulação como válvulas, cotovelos, curvas, etc. 3 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: Para escoamento laminar, incompressível e desenvolvido num tubo circular, a simetria axial e a ausência de rotação, significa não existir componente radial nem tangencial da velocidade, ou seja, vθ = vr = 0; portanto a equação de Navier−Stokes em coordenadas cilíndricas se reduz a:

dzdP

drdvr

drd

r1 z =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛µ (1)

# Sendo ρgz = 0, visto que "g" não está na direção "z". # resolvendo-se a equação (1), temos:

( )22Z rR

dzdP

41v −−=µ

(2)

# Mas para r = 0; vZ = vMAX., então a equação (2) fica:

2MAX R

dzdP

41vµ

−= (3)

Page 118: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2

Obs: dzdP < 0, devido à gradual diminuição da pressão do fluido no

sentido do escoamento. # Cálculo da velocidade média ( )Zv :

2MAX R

dzdP

81v v

21v −=∴= ZZ (4)

4 − EQUAÇÃO DE DARCY−WEISBACH: Na prática de engenharia, o gradiente de pressões é usualmente expresso em termos de um fator de atrito "f", definido por:

2v.

Df

dzdP 2ρ

=− (5)

# Resolvendo-se a equação diferencial (5) na seguinte condição de contorno: em l = l1; P = P1 e l = l2; P = P2 ,e, fazendo-se ∆P = P1 − P2 e L = l2 − l1, podemos expressar este resultado como:

g2v

DLfP )( ;

2v.

Df

LP 22

⋅⋅=∆

⇒÷=∆

γγρ

⇒=∆ então , HP como Tγ

g2v

DLfH

2

f ⋅⋅= (6)

Obs: Esta equação é utilizada para todos os tipos de escoamento. # Substituindo-se (5) em (4), temos:

Page 119: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3

vD64f

2D

2v.

Df

81v

22

ρµρ

µ=∴⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

DRe64f = ⇒ Para regime laminar ⇒ Re < 2000

# Onde:

Hf → Perda de carga por fricção ao longo da tubulação [L]; f → Fator de atrito [adimensional]; L → Comprimento da tubulação [L]; v → Velocidade média do fluido [LT−1].

6 − EQUAÇÃO DE HAGEN−POISEUILLE (para regime laminar): É normalmente útil escrever equações operativas em termos da vazão volumétrica (Q):

2

2

D.4Q v v

4D.Q A.vQ

ππ

=⇒=∴= (7)

# Substituindo-se (7) em (4), temos:

4

2

2 D.Q128

dzdP

4D

dzdP

81

D.4Q

πµ

µπ−=⇒⋅⋅−= (8)

# Integrando-se (8) sobre um comprimento finito "L", obtemos:

421 D.128QLPPPπ

µ=∆=− (9)

# Dividindo-se (9) por "ρg", obtém-se a equação de Poiseuille abaixo:

gρπµ

4f D.128QLH =

Page 120: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4

7 − COMPARAÇÃO DA EQUAÇÃO DE DARCY E A EQUAÇÃO DE POISEUILLE:

ρπµ

ρπµ

gvD.2v.AvL256H A.vQ se-fazendo e ;

2v2v

D.128QLH 4f4f =⇒=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛×=

g

.v2gD.DLv64H

D.gD.2

Lv4D.256

H2

f4

22

f ρµ

ρπ

µπ

=⇒=

g2v

DL

Re64H

2

f ⋅⋅= (10)

# A equação (10) é a mesma da equação (6), sendo ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ =

Re64f .

8 − EXPERIÊNCIA DE NIKURADSE: Nikuradse utilizou tubulações de três tamanhos diferentes com variação de diâmetro e comprimento. Nelas produziu uma rugosidade artificial, utilizando grãos de areia padronizados (K = diâmetro dos grãos de areia ou rugosidade absoluta). Nikuradse verificou, então, que para um determinado valor de "Re", o coeficiente de atrito "f", era idêntico para as três tubulações, para os mesmos valores de "K/D" ou rugosidade relativa. Logo concluiu que:

É válido o conceito de rugosidade relativa (K/D);

É correta a expressão: ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

DK , Ref φ

Page 121: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Gradiente de pressão e potência de bombeamento. Efeito do atrito ∆P Pbomb. 11.1) ∆P no lado dos tubos.

),,,d,U(LP

im εµρφ=∆ para escoamento laminar ou turbulento (10)

onde: ε é a rugosidade [L] Duto circular

( )( ) ⎟

⎞⎜⎝

⎛ εφ=ρ

∆i

Fanning de atrito defator como definido ladmensiona grupo

2mi d

Re,2UDL4

P (11)

( )( )2UdL4

Pf 2mi ρ

∆= (12)

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ εφ=id

Re,f (13)

Gráfico de Mood

Re16f = Regime laminar (14.a)

2,0Re046,0f −= 3 x 104 <Re < 106 (turbulento) (14.b) 25,0Re079,0f −= 4 x 103 < Re < 105 (turbulento) (14.c)

Page 122: Apostila Ft i - Ufpa (1)
Page 123: Apostila Ft i - Ufpa (1)
Page 124: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Para fluidos Não-Newtonianos

Power Law: n

yU⎟⎠⎞

⎜⎝⎛δδ=τ ⎟

⎞⎜⎝

⎛ εφ= n,d

,Refi

a ; ap

ima

dUgReµ

ρ=

Page 125: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Plástico de Bingham: yU

0 δδµ−τ=τ ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ εφ= y,

diRe,f ; ( )0fy τ=

Onde: y é o limite de escoamento adimensional.

Herschel-Bulkley: n

0 yUK ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛δδ−τ=τ ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ εφ= n,y,

di,Ref a

Nas indústrias: - Caracterização reológica dos fluidos de processo - Determinar f adequadamente - Caracterização reológica: Viscosímetros e reômetros.

- Plástico de bingham:

( ) ( )( )28,3

ã3ã125,5

4yRe8

fReã1log073,4

Rey2f

1 21

2 +−−+⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −−=

−;

fRey2a =

Num duto circular f pode ser relacionado a tensão Tw na parede: P1 P2 No escoamento completamente desenvolvido:

2di4

.PFp π∆= L.di..TF wvisc π=

viscFFp = L.di..TPdi4 w

2 π=∆π 2

w

Um21

Tfρ

= (15)

Dutos de secção não circular: A Onde, De será o diâmetro equivalente (di é substituído por De)

Page 126: Apostila Ft i - Ufpa (1)

molhado Perímetro

l tranversasecção da Área x 4PA4Dw

e == (16)

b )1(2

b4b)/a2(a

ab/a x 4b)2(a

ab x 4De δ+=

+=

+=

a ab=δ , Se a = b => δ = 1 => De = b

( )( )( ) i0

i0

2i

20

e dddd

dd44D −=+π−π

=

Para um duto circular De = di di do O número de Reynolds de transição para dutos não circulares é aproximadamente 2300. (Como para dutos circulares). Escoamento laminar 2b

b2D ; b U 12

XP

e2m =

µ=

∆∆

( )( )2/UDL4Pf

mo ρ∆= (17)

Page 127: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: Emanuel Macêdo

PERDA DE CARGA LOCALIZADA

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: Os casos mais comuns de perdas em tubos, além da perda por atrito, incluem as perdas que ocorrem em conexões e as produzidas quando a configuração da tubulação se expande ou contrai, que são denominadas perdas de carga localizada. 2 − DEFINIÇÕES: As perdas de carga localizadas, também chamadas por perdas singulares, são ocasionadas por mudanças na seção de escoamento ou de direção da corrente. Estas mudanças ocasionam turbilhonamento e, devido a inércia, parte da energia mecânica disponível se converte em calor e se dissipa sob esta forma, resultando numa perda de energia ou perda de carga. 3 − EXPRESSÃO GERAL: De um modo geral, todas as perdas localizadas podem ser expressas pela equação de Borda. (ver tabela)

2gvKH

2

L =

4 − MÉTODOS PARA DETERMINAR HL: 4.1 − Método do Coeficiente de Resistência "K": Neste método a perda de carga por fricção é calculada pela fórmula de Darcy e a perda de carga localizada pela fórmula de Borda. A perda de carga total é dada pela soma das duas perdas de carga. 4.2 − Método dos comprimentos equivalentes: Uma canalização que possui ao longo de sua extensão diversas singularidades equivale, sob o ponto de vista de perda de carga, a um encanamento com comprimento maior sem singularidades. O método

Page 128: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2

consiste em adicionar à extensão da canalização um comprimento tal que corresponda à mesma perda de carga que causariam as singularidades existentes. A fórmula de Darcy é utilizada para o cálculo da perda de carga total. (ver tabela)

( )2gv

DLLfH

2E

T ⋅+

=

Ex - 01: Determine a perda de carga total para o esquema abaixo, utilizando os métodos: a) Coeficiente de resistência; b) Comprimento equivalente. Dados: - tubulação de ferro; - diâmetro nominal 4" SCH 40; - 02 válvulas gavetas aberta; - vazão igual a 32,84 L/s; - fator de atrito igual a 0,016; - comprimento da tubulação 100m a) Método do coeficiente de resistência: RGA RGA L

HT = Hf + HL ; 2gv

DLfH

2

f ⋅= ; 2gvKH

2

L =

1ft = 0,3048m ; 1in = 0,0254m

Page 129: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3

# Cálculo da área: 4" SCH 40 (Trevisan pag. 132) ⇒ Dint =4,026in e Aint = 0,08840ft Dint = 4,026 x 0,0254 ⇒ Dint = 0,102m Aint = 0,08840 x (0,3048)2ft ⇒ Aint = 8,21x10−3m2 # Cálculo de "v":

4m/s v 1021,81084,32

AQv 3

3

=⇒== −

xx

# Cálculo de Hf:

m79,12H 81,92

4102,010016,0H f

2

f =⇒⋅

⋅⋅=

# Cálculo de HL: K (RGA) = 0,20 (tabela de singularidades) K = 0,20 x 2 = 0,40 (são duas válvulas RGA)

m32,0H 81,92

440,0H L

2

L =⇒⋅

⋅=

HT = 12,79m + 0,32m ⇒ HT = 13,11m b) Método dos comprimentos Equivalentes: L L1 L2 Le

( )2gv

DLLfH

2E

T ⋅+

= ∴ Le(tabelado) = 0,70

Le = 2 x 0,7 = 1,4 (são duas RGA)

Page 130: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4

( ) m97,12H

81,924

102,04,1100016,0H T

2

T =⇒⋅

⋅+

⋅=

Ex - 02: Determine a perda de carga total para e esquema abaixo, utilizando o método do coeficiente de resistência. Redução Gradual RGA φ = 4" φ = 2" L1 L2 L3 Hf1 Hf2 Hf2 Dado: - Tubo de ferro galvanizado; - υ(H2O) = 1x10−6m2/s; - Vazão = 10−2 m3/s; - L1 = 25m , L2 = 4m , L3 = 6m. # Cálculo de A1 e A2:

( ) 23-1

221

1 m8,1x10A 4

40254,04D.A =⇒

⋅==ππ

( ) 23-2

222

2 mx1002,2A 4

20254,04D.A =⇒

⋅==ππ

# Cálculo de v1 e v2:

m/s23,1 v 8,1x10

10AQv 13

2

11 =⇒== −

m/s95,4 v 2,02x10

10AQv 23

2

22 =⇒== −

Page 131: Apostila Ft i - Ufpa (1)

5

# Cálculo de Re:

516

111 1025,1Re

100,02544"1,23DvRe ⋅=⇒⋅⋅

== −υ

526

222 105,2Re

100,02542"95,4DvRe ⋅=⇒⋅⋅

== −υ

# Rugosidade relativa (D/K):

670KD

0,000152

0,02544"KD 11

≅⇒⋅

=

335KD

0,0001520,02542"

KD 22 ≅⇒

⋅=

# Cálculo de f1 e f2: Re1 f1 ⇒ f1 = 0,023 (MOODY ROUSE)

KD1

Re2 F2 ⇒ f2 = 0,028 (MODY ROUSE)

KD2

# Cálculo da perda de carga por fricção (Hf):

( ) m44,0H 9,8120,0254x4"

1,23250,0232gv

DLfH f1

221

1

11f1 =⇒

⋅⋅⋅⋅

=⋅=

( ) ( ) m88,6H 9,8120,0254x2"

4,95100,0282gv

DLLfH f2

222

2

322f2 =⇒

⋅⋅⋅⋅

=⋅+

=

7,32mH 6,880,44HHH fTf2f1fT =⇒+=+=

Page 132: Apostila Ft i - Ufpa (1)

6

# Cálculo da perda de carga localizada (HL):

2gvKH

2

L =

K (Redução Gradual) = 0,15 K (RGA) = 0,20 KTOT = 0,35 (maior velocidade)

( ) m437,0H 9,8124,950,35H L

2

L =⇒⋅

=

m757,7H 0,4377,32H TOTTOT =⇒+=

# Perda de Carga Unitária:

LHJ f=

# Problemas em que não sejam fornecidas as velocidades:

DRe v vDRe υ

υ=∴=

LfHgD2 v

2gv

DLfH f

2

f ⋅⋅⋅⋅

=∴⋅=

Lf

HgD2D

Re f ⇒⋅⋅⋅⋅

2f

3

LHgD2fRe

υ⋅⋅⋅⋅

=

Page 133: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: Emanuel N. Macêdo

EXERCÍCIOS DE PERDA DE CARGA

1) Um mesmo fluido escoa através de 300m de um tubo "1" de 75mm de diâmetro e em

um outro tubo "2" de 300m de 100mm de diâmetro. Os tubos são lisos e os escoamentos são de tal modo que o número de Reynolds sejam os mesmos. Determine a razão entre suas perdas de carga.

Resp.: Hf1/Hf2 = 2,37 2) Calcular a perda unitária "m/m", devido ao escoamento de 22,5L/s de um óleo com

υ = 0,0001756 m2/s. Este escoamento é feito através de uma canalização de ferro fundido de 6 polegadas de diâmetro interno. O comprimento da tubulação é de 6.100m.

Resp.: J = 0,030m/m 3) Determine a perda de carga total para o esquema abaixo, utilizando o método do

coeficiente de resistência. Dados: L1 = 25cm; L2 = 4cm; L3 = 6cm. Tubo de ferro galvanizado novo. Viscosidade cinemática da água igual a 106m2/s e a vazão de 10L/s.

Redução Gradual RGA φ = 2" φ = 4" L1 L2 L3 Resp.: HT = 6,64m 4) Um fluido de viscosidade de 98,1 cP e densidade 0,85, escoa no interior de um duto de

ferro fundido novo de 259mm de diâmetro e 300m de comprimento à vazão de 0,38m3/s. Calcule a diferença de pressão no duto em atm.

Dados:1atm = 1,033Kgf/cm2 e γ = 103 Kgf/cm3 Resp.: ∆P = 7,33atm 5) Calcular a perda de carga total utilizando: a) O método do coeficiente de resistência e

b) O método dos comprimentos equivalentes no escoamento da água à vazão de 5m3/h, através de uma tubulação horizontal de ferro galvanizado de 1,5 polegadas, constituída de 200m de canos retos, 5 cotovelos de 90º RC, 2 registros de gaveta, 1 válvula globo e uma válvula de retenção tipo leve. Calcule o desvio entre os dois métodos.

Resp.: a) HT = 9,418m ; HT = 9,841m ; Desvio Relativo = 4,29%

Page 134: Apostila Ft i - Ufpa (1)

6) Determine a vazão e o tipo de regime de escoamento de água que passa por um conduto de ferro fundido novo de diâmetro 0,1m. Sabe-se que a viscosidade da água é 7.10−7m2/s e que a perda de carga unitária é de 0,0115m/m.

Resp.: Q = 7,32L/s ; Turbulento 7) Pelo interior de uma tubulação de PVC de 2" e 60m de comprimento, circula um

fluido com viscosidade de 9,8.10−6Kg/m.s e vazão mássica de 5Kg/min. Determine o fator de atrito desse escoamento.

Resp.: f = 0,015 8) Para o dispositivo da figura abaixo, determine: a) A perda de carga por fricção ao

longo da canalização de saída lateral; b) A perda de carga localizada na redução gradual; c) A perda de carga total; d) O valor de "H" em metros. Utilize o método do coeficiente de resistência para uma vazão de 10L/s, sabendo-se que a canalização é de ferro fundido novo.

Entrada de Canalização H Redução Gradual Saída de canalização smH /10 26

02

−=ν φ = 78mm φ = 155mm 2m 4m Resp.: a) Hf = 0,31465m ; b) HL = 0,033m ; c) HT = 0,578m ; d) H = 0,802m 9) Por uma tubulação lisa de 2" de diâmetro escoa um determinado fluido de viscosidade

cinemática igual a 3,5.10−6m2/s. A perda de carga por fricção em 10 metros de tubulação é 3,85m. Determine a vazão e o tipo de regime desse escoamento.

Resp.: Q = 8,92.10−3 m3/s ; Turbulento 10) Se 680L/s de água fluem numa tubulação de 150mm de diâmetro, tendo

protuberâncias rugosas de altura média igual a 0,75mm, e se rugosidades semelhantes de altura média igual a 0,375mm existem num tubo de 75mm de diâmetro, então, qual será a vazão de óleo cru que deve ocorrer nesse tubo, para que os coeficientes de fricção dos dois tubos sejam os mesmos?

Dados: smcPcmg OHOHOH /1052,3 ; 05,1 ; /9982,0 263222

−⋅=== νµρ Resp.: Qóleo = 18,95L/s

Page 135: Apostila Ft i - Ufpa (1)

11) Óleo combustível (υ = 0,028cm2/s) é transportado por 50m em uma tubulação de aço de diâmetro interno igual a 3", na qual existem 10 junções, 2 curvas de 90º e 2 registros globo. Esta tubulação sofre uma ampliação gradual de seu diâmetro para 4", onde o fluido percorre 15m. Calcular a perda de carga total, sabendo-se que a vazão do transporte é de 18L/s. Utilize o método do coeficiente de resistência.

Resp.: HT = 31,843m 12) Um fluido de densidade 0,92 e viscosidade igual a 0,096N.s/m2, flui numa tubulação

lisa de bronze de 100mm de diâmetro. Calcule a perda de carga em 300m de tubo para: a) O escoamento laminar no limite máximo; b) O escoamento turbulento no limite mínimo.

Resp.: a) Hf = 21,31m ; b) Hf = 106,553m 13) Por dois tubos, um de ferro fundido e outro de aço novo, fluem, respectivamente,

gasolina e água a 20ºC. Em qual destes tubos a perda de carga é maior? Sabe-se que o 1º tem 50mm de diâmetro e o 2º 45mm e que os fluidos percorrem 24m de tubulação com vazão de 1,0L/s.

Dados: Viscosidade da gasolina = 0,648 centistokes; Viscosidade da água = 1,007.10−6m2/s. Resp.: Hf,Fe = 2,06m < Hf,aço = 2,8m 14) Uma tubulação de aço com 0,3m de diâmetro e 300m de comprimento conduz 130L/s

de água. A rugosidade do tubo é de 0,003m e a viscosidade do fluido é 1,127.10−6m2/s. Determine a velocidade média e a perda de carga por fricção.

Resp.: V = 1,84m/s ; Hf = 6,56m 15) Determine a perda de carga total para o esquema abaixo, utilizando o método do

coeficiente de resistência. Dados: Tubulação de ferro galvanizado; υ(H2O) = 10−6m2/s; vazão de 2.10−2m3/s e L1 = 8m; L2 = 3m; L3 = 3m; L4 = 30m Curva de 90º RGA Ampliação Gradual φ = 6" L2 L3 L4 L1 φ = 2"

Page 136: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resp.: HT = 41,66m 16) Em um tubo recurvado com diâmetro D1 = 125mm no ponto "1", tem-se a pressão

efetiva P1 = 1,9Kgf/cm2, assinalada pelo manômetro "M". Pela extremidade "2", onde o diâmetro é D2 = 100mm, descarregam-se 23,6L/s de água na atmosfera. Calcular a perda de carga por fricção. Considere g = 10,0m/s2.

2 1,25m M 1 Resp.: Hf = 17,481m 17) Em uma unidade industrial, utiliza-se tubo de PVC de 63,5mm de diâmetro e 50m de

comprimento, onde escoa água com uma vazão de 6,35L/s. Na unidade de refrigeração, utiliza-se tubo de ferro galvanizado novo revestido de asfalto de 50mm de diâmetro, onde flui água com vazão igual a do tubo PVC. Admitindo idênticas as perdas de carga por fricção nos dois tubos, pede-se:

a) O número de Reynolds no tubo de PVC; b) O comprimento do tubo de ferro; c) Regime de escoamento do tubo de ferro. Dado: υágua = 10−6m2/s. Resp.: a) Re = 1,27.105 ; b) LFe = 10,06m ; c) Turbulento 18) Óleo combustível de massa específica igual a 0,820g/cm3 e viscosidade cinemática de

0,028cm2/s circula em uma tubulação horizontal de aço de 150mm de diâmetro interno a uma distância de 50m. A tubulação é constituída de duas válvulas globo, duas curvas de 45º e 15 junções. A razão do escoamento é 18L/s. Calcular a queda de pressão na linha e a perda de carga unitária.

Resp.: ∆P = 0,142atm ; J = 0,036m/m 19) Para o esquema abaixo, calcule o desnível "h" entre os dois tanques. Dados: Q = 7,87ft3/s De "B" até "G" De "G" em diante g = 32,2ft/s2 L = 150ft L = 100ft Filtro "F" (K = 8,0) φ = 12" φ = 6" Válvula cruzeta (K = 0,7) f = 0,025 F = 0,020 Medidor "H" (K = 6,0)

Page 137: Apostila Ft i - Ufpa (1)

A Cotovelo 90º h RGA B R.GL.A RGA R.GL.A Te saída bilateral Curva 90º Medidor Válvula Cruzeta "G" Te saída bilateral Resp.: h = 604,077ft 20) Um óleo de viscosidade 0,01Kgf.s/m2 e densidade 0,850, flui através de 3.000m de um

tubo de ferro fundido de 300mm de diâmetro a uma vazão de 0,5m3/s. Determinar a diferença de pressão no tubo em atm. Utilize a equação de Darcy.

Resp.: ∆P = 58,7atm 21) Calcular a perda de carga total utilizando o método dos comprimentos equivalentes no

escoamento da água à razão de 5m3/h, através de uma tubulação de ferro galvanizado de "1 2

1 , constituída de 200m de canos retos, 3 cotovelos de 90º RC, 2 registros de gaveta abertos e 1 válvula globo.

Dados: µágua = 1,05 cP e ρágua = 1,0g/cm3 Resp.: HT = 13,41m 22) Determinar a perda de carga associada a um escoamento através de um trecho reto de

tubulação, e determine também, qual o regime de escoamento. Considerar tubo liso Dados: Vazão = 40m3/h; Tubulação de 80m; φinterno = 4"; υ = 5,5 cS Resp.: a) Turbulento ; b) Hf = 1,81m 23) Em uma instalação industrial está uma linha de transporte de tolueno de um tanque

"A" a um sistema de depósito "B", distanciados entre si de 650 metros. Na linha de tubulação existem duas válvulas do tipo globo, dois cotovelos de 45º e 120 junções. A linha de tubulação é de 5in SCHEDULE 40 e transporta tolueno a 20ºC com uma vazão de 650 litros por minuto. Calcular a perda de carga total do sistema, utilizando o método do coeficiente de resistência.

Dados: υTolueno = 0,60.10−6m2/s ; K = 1,28.10−5m Resp.: HT = 5,48m

F

M

Page 138: Apostila Ft i - Ufpa (1)

24) De uma pequena barragem parte uma canalização de ferro galvanizado (o nível de água na barragem está localizado a 16m acima do nível zero) de 152mm de diâmetro interno, a qual transporta a um reservatório de distribuição (o reservatório está aberto com o nível d'água a 10m acima do nível zero). Determinar o fator de fricção ao longo da canalização, considerando-se que as perdas localizadas eqüivalem a 3% da perda total existente na efetivação do transporte. Sabe-se, ainda, que na tubulação existem 1 curva de 90º, 2 cotovelos de 45º e 1 RGA.

Dados: υágua = 10−6m2/s Resp.: f = 0,020 25) Em um processo industrial, óleo a 80ºC é armazenado. O óleo de viscosidade igual a

0,85 cP escoa com uma vazão de 1800Kg/min, através de uma tubulação de 30 cm de diâmetro, do local onde é produzida até o tanque de armazenamento. A tubulação é de aço inox e lisa de 400m de comprimento. Durante o escoamento, verifica-se uma perda de carga por atrito de 40m. Desprezando-se as outras perdas, determine a vazão volumétrica do escoamento.

Resp.: Q = 0,424m3/s 26) Em uma instalação, circula-se água a 180ºF à razão de 46,80ft3/min, através de uma

tubulação de PVC de 6,5" de diâmetro externo e espessura de parede de 0,021ft. A instalação apresenta um comprimento de 450ft e possui: 3 curvas de 90º, um controlador de vazão e 2 válvulas globo abertas. A viscosidade da água a 180ºF é 0,37cS. Calcular a perda de carga total, utilizando o método do coeficiente de resistência para a perda localizada.

Dado: g = 32,18ft/s2 Resp.: HT = 8,72ft 27) Determinar a taxa volumétrica de um óleo, cuja densidade é 0,80, que escoa por um

conduto liso de bronze de diâmetro igual a 4in a 37ºC. A perda de carga em 60m de tubulação é 0,05m e a viscosidade cinemática do óleo a 37ºC é 2,05.10−2cm2/s.

Resp.: Q = 1,7L/s 28) Um fluido de densidade 0,91 escoa através de uma tubulação de PVC de diâmetro

igual a 5,3in a 40ºC. A perda de carga ao longo da tubulação de 45ft de comprimento é de 0,85m. Determine a taxa volumétrica do fluido de viscosidade cinemática igual a 2,05 cS, em unidades do "CGS".

Resp.: Q = 4,68cm/s 29) Por uma tubulação de PVC de 2,54cm, escoa água (µ = 0,95cP e ρ = 1g/cm3). O

comprimento dessa tubulação é de 50m, sendo a perda de carga unitária de 0,06m/m. Calcule a vazão em "L/s" e o tipo de regime desse escoamento.

Resp.: Q = 0,5685L/s 30) Um líquido escoa através de uma tubulação de aço comercial a uma taxa de 9,89L/s. O

diâmetro da tubulação é 0,0505m, a viscosidade do líquido é 4,46cP e a massa específica 801Kg/m3. Calcule a perda de carga por fricção para 36,6m de tubulação.

Resp.: Hf = 17,81m

Page 139: Apostila Ft i - Ufpa (1)

31) Água a 4,4ºC (ρ = 103 Kg/m3 e µ = 1,55cP) escoa através de uma tubulação horizontal de aço comercial, tendo um comprimento de 305m e diâmetro igual a 0,0954m. Há uma perda de carga por fricção de 6,1m. Calcule a velocidade e a vazão volumétrica de água na tubulação.

Resp.: V = 1,35m/s e Q = 9,65.10−3m3/s 32) Pela tubulação abaixo, calcule a perda de carga total pelo método do coeficiente de

resistência. Dados: υágua = 10−6 m2/s; φ1 = 0,30m; φ2 = 0,10m; Q = 35L/s; g = 9,81m/s2 L1 = 2,0m; L2 = 6,0m; L3 = L4 = 2,5m; L5 = L6 = 1,5m; L7 = 1,3m L1 Redução Gradual L6 φ1 φ2 Curva de 90º L2 L7 Cotovelo de 90º L5 RGA L3 L4 Resp.: HT = 3,341m 33) Dado o trecho de tubulação abaixo, determine a perda de carga total pelo método do

coeficiente de resistência. Dados: L1 =15m

Fluido = água L2 = 7m

υágua = 10−6m2/s L3 = 2,5m

Vazão = 3,5.10−2m3/s L4 = 2,5m

Tubulação = PVC L5 = 10m

Page 140: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Redução Gradual 10" Curva 90º L2 L1 L3 RGA Cotovelo 90º 4" L4 L5 Resp.: HT = 4,386m 34) Em uma refinaria de óleo de soja, deseja-se bombear algumas toneladas desse óleo

através de uma tubulação lisa de aço-inox de 450ft de comprimento e 6" de diâmetro interno. A tubulação contém algumas singularidades tais como: 3 curvas de 90º, um controlador de vazão e duas válvulas globo. A viscosidade do óleo a 190ºF é 0,37cS. Calcule a perda de carga total utilizando o método dos coeficientes de resistência.

Dados: g = 32,18ft/s2 ; Qóleo = 46,80ft3/min Resp.: HT = 8,75ft 35) Em uma experiência no laboratório de Fenômenos de Transportes, foi realizada uma

experiência de perda de carga por fricção ao longo de um tubo de comprimento igual a 5m, através do qual escoa água (dágua = 1,0). Neste comprimento há um tubo manométrico diferencial contendo mercúrio (dHg = 13,6), que acusa uma deflexão h = 10cm. Através desses parâmetros, determine:

a) Que a perda de carga por fricção, é função da deflexão e propriedades físicas dos fluidos;

b) A perda de carga em "m/m". Resp.: a) ( )1−= Hgf dhH ; b) J = 0,252m/m 36) Em uma fábrica, deseja-se transportar um ácido através de uma tubulação de aço

revestido de chumbo. O ácido é transportado a 25ºC por uma tubulação de 3" (D.I) à vazão de 350L/min a 450m de distância. Calcule a perda de carga por fricção, desprezando-se as outras perdas.

Dados: dácido = 1,84 ; µácido = 1cP ; ρágua = 1g/cm3 Resp.: Hf = 9,37m 37) Por uma tubulação horizontal de 50mm de diâmetro interno, flui água com uma

velocidade média de 2m/s. A tubulação está conectada, mediante uma redução, a outra de 40mm de diâmetro. Dispõe-se de um tubo de vidro vertical em um ponto "A", 30mm antes da conexão e outro em "B". A perda de carga por fricção de "A" até a conexão é de 3,5cm e desde a conexão até "B" é de 1,1cm. Calcular a diferença entre os níveis de água "h" nos dois tubos. (Ver figura abaixo).

Page 141: Apostila Ft i - Ufpa (1)

h A B Redução Gradual Resp.: h = 0,4136 38) Em uma indústria existe um tanque de armazenagem de benzeno, do qual sai uma

tubulação de ferro galvanizado revestido de asfalto de 5in de diâmetro e 1.200m de comprimento, onde ocorre uma perda de carga por fricção de 25m. Do tanque de depósito, o fluido escoa a razão de 63Kg/s, com uma viscosidade de 0,702cP. Desprezando as perdas localizadas, determine a velocidade média do escoamento.

Resp.: V = 1,62m/s 39) Determine a perda de carga total para os dados abaixo, utilizando os métodos: a)

coeficiente de resistência e b) comprimento equivalente. Dados: # Diâmetro nominal 4" SCH 40; # 2 RGA; # Vazão = 32,84L/s; # Fator de atrito = 0,016; # Comprimento da tubulação = 100m. Resp.: a) HT = 13,11m ; b) HT = 12,97m

Page 142: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I

VALORES DOS COMPRIMENTOS EQUIVALENTES PARA PERDAS LOCALIZADAS (Le)

(Expressos em metros de canalização retilínea)

DIÂMETRO (D)

mm pol.

Cotovelo 90º

(Raio Longo)

Cotovelo90º

(Raio Médio)

Cotovelo90º

(Raio Curto)

Cotovelo

45º

Curva 90º

R/D = 11/2

Curva 90º

R/D = 1

Curva

45º

Entrada

normal

Entrada

de borda

Saída de

canalização

13 1/2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,2 0,3 0,2 0,2 0,4 0,4

19 3/4 0,4 0,6 0,7 0,3 0,3 0,4 0,2 0,2 0,5 0,5

25 1 0,5 0,7 0,8 0,4 0,3 0,5 0,2 0,3 0,7 0,7

32 1 e 1/4 0,7 0,9 1,1 0,5 0,4 0,6 0,3 0,4 0,9 0,9

38 1 e 1/2 0,9 1,1 1,3 0,6 0,5 0,7 0,3 0,5 1,0 1,0

50 2 1,1 1,4 1,7 0,8 0,6 0,9 0,4 0,7 1,5 1,5

63 2 e 1/2 1,3 1,7 2,0 0,9 0,8 1,0 0,5 0,9 1,9 1,9

75 3 1,6 2,1 2,5 1,2 1,0 1,3 0,6 1,1 2,2 2,2

100 4 2,1 2,8 3,4 1,5 1,3 1,6 0,7 1,6 3,2 3,2

125 5 2,7 3,7 4,2 1,9 1,6 2,1 0,9 2,0 4,0 4,0

150 6 3,4 4,3 4,9 2,3 1,9 2,5 1,1 2,5 5,0 5,0

200 8 4,3 5,5 6,4 3,0 2,4 3,3 1,5 3,5 6,0 6,0

250 10 5,5 6,7 7,9 3,8 3,0 4,1 1,8 4,5 7,5 7,5

300 12 6,1 7,9 9,5 4,6 3,6 4,8 2,2 5,5 9,0 9,0

350 14 7,3 9,5 10,5 5,3 4,4 5,4 2,5 6,2 11,0 11,0

CONTINUA →

Page 143: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I

VALORES DOS COMPRIMENTOS EQUIVALENTES PARA PERDAS LOCALIZADAS (Le)

(Expressos em metros de canalização retilínea)

DIÂMETRO (D)

mm pol.

Registro de gaveta

aberto

Registro de globo aberto

Registro de ângulo

aberto

Tê Passagem

direta

Tê Saída de

Lado

Tê Saída

Bilateral

Válvula de pé e crivo

Válvula de Retenção tipo leve

Válvula de Retenção

tipo pesado

13 1/2 0,1 4,9 2,6 0,3 1,0 1,0 3,6 1,1 1,6

19 3/4 0,1 6,7 3,6 0,4 1,4 1,4 5,6 1,6 2,4

25 1 0,2 8,2 4,6 0,5 1,7 1,7 7,3 2,1 3,2

32 1 e 1/4 0,2 11,3 5,6 0,7 2,3 2,3 10,0 2,7 4,0

38 1 e 1/2 0,3 13,4 6,7 0,9 2,8 2,8 11,6 3,2 4,8

50 2 0,4 17,4 8,5 1,1 3,5 3,5 14,0 4,2 6,4

63 2 e 1/2 0,4 21,0 10,0 1,3 4,3 4,3 17,0 5,2 8,1

75 3 0,5 26,0 13,0 1,6 5,2 5,2 20,0 6,3 9,7

100 4 0,7 34,0 17,0 2,1 6,7 6,7 23,0 6,4 12,9

125 5 0,9 43,0 21,0 2,7 8,4 8,4 30,0 10,4 16,1

150 6 1,1 51,0 26,0 3,4 10,0 10,0 39,0 12,5 19,3

200 8 1,4 67,0 34,0 4,3 13,0 13,0 52,0 16,0 25,0

250 10 1,7 85,0 43,0 5,5 16,0 16,0 65,0 20,0 32,0

300 12 2,1 102,0 51,0 6,1 19,0 19,0 78,0 24,0 38,0

350 14 2,4 120,0 80,0 7,3 23,0 22,0 90,0 28,0 45,0

NOTA → Os valores indicados para registros de globo aplicam-se também às torneiras, válvulas para chuveiros e válvulas de descarga.

Page 144: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I

VALORES DOS COEFICIENTES "K" CORESPONDENTES

ÀS DIVERSAS SINGULARIDADES

FÓRMULA DE BORDA →

SINGULARIDADES K

Ampliação Gradual 0,30* Bocais 2,75 Comporta Aberta 1,00 Controlador de vazão 2,50 Cotovelo de 90º 0,90 Cotovelo de 45º 0,40 Crivo 0,75 Curva de 90º 0,40 Curva de 45º 0,20 Curva de 22 1/2º 0,10 Entrada Normal de Canalização 0,50 Entrada de Borda 1,00 Existência de pequena derivação 0,03 Junção 0,40 Medidor Venturi 2,50** Redução Gradual 0,15* Registro de Ângulo Aberto 5,00 Registro de Gaveta Aberto 0,20 Registro de Globo Aberto 10,00 Saída de Canalização 1,00 Tê, Passagem Direta 0,80 Tê, Saída de Lado 1,30 Tê, Saída Bilateral 1,80 Válvula de pé 1,75 Válvula de Retenção 2,50 Velocidade 1,00 * Com base na velocidade maior (seção menor). ** Relativa à velocidade na canalização.

2gVKH

2

L ⋅=

Page 145: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I

Tubos normalizados para condução de fluidos: Padrão Schedule

Diâmetro nominal do

tubo

Diâmetro externo

Padrão Schedule

Espessura da parede

Diâmetro interno

Área de seção

transversal do metal

Área de seção

transversal interna

1/8 0,405 40⊥ 80+

0,068 0,095

0,269 0,215

0,072 0,093

0,00040 0,00025

1/4 0,540 40⊥ 80+

0,088 0,119

0,364 0,302

0,125 0,157

0,00072 0,00050

3/8 0,675 40⊥ 80+

0,091 0,126

0,493 0,423

0,167 0,217

0,00133 0,00098

1/2 0,840 40⊥ 80+ 160

0,109 0,147 0,187

0,622 0,546 0,466

0,250 0,320 0,384

0,00211 0,00163 0,00118

3/4 1,050 40⊥ 80+ 160

0,113 0,154 0,218

0,824 0,742 0,614

0,333 0,433 0,570

0,00371 0,00300 0,00206

1 1,315 40⊥ 80+ 160

0,133 0,179 0,250

1,049 0,957 0,815

0,494 0,693 0,815

0,00600 0,00499 0,00362

1 e 1/4 1,660 40⊥ 80+ 160

0,140 0,191 0,250

1,380 1,278 1,160

0,699 0,881 1,107

0,01040 0,00891 0,00734

1 e 1/2 1,900 40⊥ 80+ 160

0,145 0,200 0,281

1,610 1,500 1,338

0,799 1,068 1,429

0,01414 0,01225 0,00976

2 2,375 40⊥ 80+ 160

0,154 0,218 0,343

2,067 1,939 1,689

1,075 1,477 2,190

0,02330 0,02050 0,01556

2 e 1/2 2,875 40⊥ 80+ 160

0,203 0,276 0,375

2,469 2,323 2,125

1,704 2,254 2,945

0,03322 0,02942 0,02463

3 3,500 40⊥ 80+ 160

0,216 0,300 0,437

3,068 2,900 2,626

2,228 3,016 4,205

0,05130 0,04587 0,03761

3 e 1/2 4,000 40⊥ 80+

0,226 0,318

3,548 3,364

2,680 3,678

0,06870 0,06170

4 4,500 40⊥ 80+ 120 160

0,237 0,337 0,437 0,531

4,026 3,826 3,626 3,438

3,173 4,407 5,578 6,621

0,08840 0,07986 0,07170 0,06447

↑in

Unidades → in _____ in in in2 ft2

+ Padrão ASA B36−10 ⊥Designa tamanhos padrões antigos CONTINUA

Page 146: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Tubos normalizados para condução de fluidos: Padrão Schedule (continuação)

Diâmetro nominal do

tubo

Diâmetro externo

Padrão Schedule

Espessura da parede

Diâmetro interno

Área de seção

transversal do metal

Área de seção

transversal interna

5 5,563 40⊥ 80+ 120 160

0,258 0,375 0,500 0,625

5,047 4,813 4,563 4,313

4,304 6,112 7,953 9,696

0,1390 0,1263 0,1136 0,1015

6 6,625 40⊥ 80+ 120 160

0,280 0,432 0,562 0,718

6,065 5,761 5,501 5,189

5,584 8,405 10,71 13,32

0,2006 0,1810 0,1650 0,1469

8 8,625

20 30⊥ 40⊥ 60

80+ 100 120 140 160

0,250 0,277 0,322 0,406 0,500 0,593 0,718 0,812 0,906

8,125 8,071 7,981 7,813 7,625 7,439 7,189 7,001 6,813

6,570 7,260 8,396 10,48 12,76 14,96 17,84 19,93 21,97

0,3601 0,3553 0,3474 0,3329 0,3171 0,3018 0,2819 0,2673 0,2532

10 10,75

20 30⊥ 40⊥ 60+ 80 100 120 140 160

0,250 0,307 0,365 0,500 0,593 0,718 0,843 1,000 1,125

10,250 10,136 10,020 9,750 9,564 9,314 9,064 8,750 8,500

8,24 10,07 11,90 16,10 18,92 22,63 26,24 30,63 34,02

0,5731 0,5603 0,5475 0,5185 0,4989 0,4732 0,4481 0,4176 0,3941

12 12,75

20 30⊥ 40 60 80 100 120 140 160

0,250 0,330 0,406 0,562 0,687 0,843 1,000 1,125 1,312

12,250 12,090 11,938 11,626 11,376 11,064 10,750 10,500 10,126

9,82 12,87 15,77 21,52 26,03 31,53 36,91 41,08 47,14

0,8185 0,7972 0,7773 0,7372 0,7058 0,6677 0,6303 0,6013 0,5592

14 14

10 20 30 40 60 80 100 120 140 160

0,250 0,312 0,375 0,437 0,593 0,750 0,937 1,062 1,250 1,406

13,500 13,376 13,250 13,126 12,814 12,500 12,126 11,876 11,500 11,188

10,80 13,42 16,05 18,61 24,98 31,22 38,45 43,17 50,07 55,63

0,9940 0,9750 0,9575 0,9397 0,8956 0,8522 0,8020 0,7693 0,7213 0,6827

↑in

Unidades →

in _____ in in in2 ft2

Page 147: Apostila Ft i - Ufpa (1)
Page 148: Apostila Ft i - Ufpa (1)

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: Célio

VISCOSIDADE − HOEPPLER (PRÁTICA)

1 − CONSIDERAÇÕES GERAIS: A viscosidade é a propriedade que um fluido apresenta em resistir ao escoamento, ou seja, à deformação quando forças constantes atuam sobre o fluido. Como propriedade do fluido a viscosidade depende da temperatura e da pressão e composição. 1.1 − Viscosidade em função da temperatura: a) Para gases → a viscosidade de um gás aumenta com a temperatura,

devido as forças de coesão aumentarem com o choque entre as moléculas.

b) Para líquidos → a viscosidade diminui com o aumento da temperatura,

devido as forças de coesão diminuírem com o aumento da temperatura. 1.2 − Viscosidade em função da pressão: Para pressões moderadas, a viscosidade é independente da pressão. Para pressões elevadas, a viscosidade dos gases e da maioria dos líquidos varia, porém não existem leis bem definidas. 1.3 − Viscosidade em função da composição: Depende diretamente da massa específica, ou seja, quanto maior a massa específica maior a viscosidade. Ex: Melaço e alcatrão são muito viscosos, enquanto que a água e o ar são pouco viscosos. 2 − VISCOSÍMETRO DE QUEDA DE ESFERA (HOEPPLER): 2.1 − Balanço de massa para partículas esféricas (M.R.U): As forças atuantes em uma partícula esférica que cai em um fluido são o seu "Peso" (P), o "Empuxo" (E) e as forças de resistência, também conhecidas como "Arraste" (D).

Page 149: Apostila Ft i - Ufpa (1)

2

D E ( ) ∑ ==+−dt

dvmFEDP t

Vt = cte ⇒ 0dtdv

=

0E)(D-P =+ (I) P 2.1.1 − Peso da esfera (P):

pppp

ppp .Vm

Vm

.gmP ρρ =∴=⇒=

p

3p

p

3p

p3pp 6

d.m

6d.

V ou r.34V ρ

πππ ×=∴==

g6.d

P3p

p ×⋅=π

ρ (1)

2.1.2 − Força de empuxo (devida ao fluido): # Postulado ou Princípio de Arquimedes → Um corpo imerso num fluido recebe um empuxo numericamente igual ao peso do fluido deslocado.

ffff

fff .Vm

Vm .gmE ρρ =∴=⇒=

f

3p

fpf 6d.

m VV ρπ

×=∴= ⇒ g6.d

E3p

f ×⋅=π

ρ (2)

Page 150: Apostila Ft i - Ufpa (1)

3

2.1.3 − Forças de resistência ou Arraste (D): As forças de resistência surgem de duas maneiras: resistências de forma ou sustentação e resistência de fricção ou atrito. a) Resistência de forma ou sustentação → é baseada na Lei de Newton da

viscosidade.

2

AA Lv..AF esfera

St

SS =∴= µ

2d.

Aou 2r.4

A2p

S

2p

Sππ

==

L = comprimento característico da esfera = 2

dr pp =

2dv

2d.

Fp

t2p

S ××= µπ

⇒ tpS v..d.F µπ= (3)

b) Resistência de fricção → também é baseada na lei de Newton da

viscosidade. → Atua em toda a superfície do fluido

esferaft

ff AA Lv..AF =∴= µ

2

pf2pf d.A r.4A ππ =∴=

L = rp = 2

dp

∴⋅⋅=

2dvd.F

p

t2pf µπ tpf v..d.2F µπ= (4)

Page 151: Apostila Ft i - Ufpa (1)

4

D = FS + Ff = ∴+ v..d.2v..d. tptp µπµπ tp v..d.3D µπ= (5) 2.1.4 − Substituindo (1), (2) e (5) em (I):

0g6

d.v..d3 g

6d. 3

ptp

3p =⋅−⋅

πρµπ

πρ fp - ⇒ 0g6

dv.3 g

6d 2

pt

2p =⋅−⋅ fp - ρµρ

t

2p

2p v.3g

6d

g6

dµρρ =⋅−⋅ fp ⇒ ( ) t

2p v.36.gd

µρρ =− fp

( )fp ρρµ −⋅=t

2p

18v.gd

ou ( )fp ρρµ −⋅⋅=t

2p

18v.gd

K

Obs: "K" é o fator de correção para o viscosímetro HOEPPLER. É função da esfericidade, dos ajustes nas condições físicas, efeito de parede, desvio na velocidade terminal, etc. Obs: Para se usar a Lei de Newton da viscosidade tem que se fazer algumas considerações:

Perfil ser linear; A esfera ser bem pequena; Movimento retilíneo uniforme.

Page 152: Apostila Ft i - Ufpa (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FENÔMENOS DE TRANSPORTES I PROFESSOR: MARCOS VINÍCIOS PINTO

EXERCÍCIOS DE ANÁLISE DIMENSIONAL

1) A força por unidade de área que um líquido em movimento exerce sobre a parede de

um conduto pode ser determinada pela fórmula empírica:

31

2021,0−

= rvρτ onde: ρ → é a massa específica do líquido (lbm/ft3); v → é a velocidade média do líquido (ft/s); r → é o quociente da seção reta pelo perímetro molhado - raio hidráulico - (ft) Modifique essa fórmula para que ela dê resultados para "τ" expressos no sistema SI.

Resp.: 31

200141,0−

rvρ 2) Sabendo-se que A, B, C e D são respectivamente homogêneas a um comprimento, a

um trabalho, a uma força e a uma área, verificar se a equação:

( )43

21

31

⋅⋅=

D

CBA

é homogênea. Tem-se que a constante é expressa por "1/N.m". Resp.: Sim 3) Determine que a vazão "Q", através de um tubo capilar horizontal, depende da queda

de pressão por unidade de comprimento "∆P/L", do diâmetro do capilar "d" e da viscosidade absoluta do fluido "µ".

Resp.: µ

4dLPKQ ⋅

∆⋅=

4) Um vertedor triangular é uma placa com um entalhe de ângulo de abertura "φ",na sua

parte superior, colocada transversalmente num canal. O líquido no canal é retido e obrigado a escoar pelo entalhe. A vazão "Q" é uma certa função de cota "H" da superfície livre a montante do vertedor, medida a partir do fundo do entalhe. Além disso a vazão depende da aceleração da gravidade "g" e da velocidade "v0" de aproximação ao vertedor. Determinar a forma da equação que fornece a vazão, sendo "g" e "H" as grandezas da base.

Resp.: φπππ ==⋅

= 30

22

51 ; ; gHv

Hg

Q

Page 153: Apostila Ft i - Ufpa (1)

5) Por análise dimensional, expresse a vazão mássica "Qm" através de um tubo circular em termos do raio "R" do cilindro, da velocidade média "v" e da massa específica "ρ" no fluido, sendo:

( )L

RPPK L

µπ

8 ve

20 −==

Resp.: ( )

ρµ

π⋅

−=

LRPPQ L

m 8

40

6) A força de atração entre dois pontos materiais "m1" e "m2", segundo a Lei de Newton,

tem por expressão:

221

rmmKF =

sendo "r" a distância entre ambos os pontos. Encontre a dimensão da constante nos sistemas [FLT] e [MLT], respectivamente. Resp.: 231441 e −−−− == TLMKTLFK 7) O aumento de pressão através de uma bomba "∆P" pode considerar-se afetado pela

densidade do fluido "ρ", a velocidade angular "ϖ", o diâmetro do motor "D", a rapidez do fluxo volumétrico "Q" e a viscosidade do fluido "µ". Encontre os grupos adimensionais adequados, escolhendo-os de tal maneira que "∆P", "Q" e "µ" apareçam, cada um, somente em um parâmetro adimensional.

Resp.: 2332221 e ; DD

QD

Pρϖµπ

ϖπ

ϖρπ ==

∆=

8) A potência de uma hélice de avião depende do raio da hélice, da velocidade angular e

massa específica do ar. Determine no sistema [MLT] uma expressão para essa dependência.

Resp.: ρϖ 35rKP ⋅= 9) A seguinte equação representa a variação que ocorre na concentração em um tanque

agitado contendo etanol, com uma concentração "C0"(Kg/m3), ao qual é adicionada água pura à vazão constante. Qual é a dimensão de "K" de acordo com a expressão:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

VQtEXPKCC 0

onde: C → concentração em massa por unidade de volume; Q → vazão de alimentação d'água no tanque; V → volume do tanque; T → tempo; K → constante experimental do sistema. Resp.: Adimensional

Page 154: Apostila Ft i - Ufpa (1)

10) Defini-se uma grandeza hipotética "X", como sendo o produto da força e tempo, dividido pelo volume. Apresente a equação dessa grandeza "X" no sistema [MLT] e diga de quantas unidades C.G.S desta grandeza correspondem a uma unidade SI da mesma.

Resp.: unidades deTML 101 ; 12 −−

11) Em 1890 Robert Manning, um engenheiro irlandês, propôs a seguinte fórmula

empírica para o cálculo da velocidade média em um canal aberto sob ação da gravidade em um escoamento uniforme (em unidades inglesas):

21

3249,1 SR

nv ⋅⋅=

onde: R → raio hidráulico do canal; S → inclinação do canal; n → fator de rugosidade de Manning. "n" é uma constante para uma dada condição de superfície das paredes e base do canal. Pergunta-se: a) A fórmula de Manning é dimensionalmente consistente? b) Tal fórmula é comumente usada para fornecer resultados em unidades inglesas, com

"n" tomado como um parâmetro adimensional. Rescreva-a em unidades SI.

Resp.: b) 21

321v SR

n⋅⋅=

12) Determinar a pressão dinâmica exercida pelo escoamento de um fluido incompressível

sobre um objeto imerso, considerando-se que a pressão "P" é função da massa específica "ρ" e da velocidade "v" do fluido.

Resp.: 2vρ⋅= KP 13) No escoamento laminar, a tensão cisalhante "τ" é considerada uma função da forma:

( )dyd ,v,µττ = onde:

µ → viscosidade absoluta ou dinâmica do fluido; dv → gradiente de velocidade; dy → distância entre duas placas horizontais onde o fluido escoa.

Determine a forma de "τ", utilizando o teorema de Bridman no sistema [MLT] e no sistema [FLT].

Resp.: dydK vµτ ⋅= , para ambos os sistemas

14) A densidade de um fluido pode ser expressa pela fórmula empírica:

( ) cPebTa ⋅+=ρ

Page 155: Apostila Ft i - Ufpa (1)

onde: ρ → é expressa em g/cm3; T → é expressa em ºC; P → é expressa em atm. Determine as dimensões e as unidades das constantes "a", "b" e "c", para que a equação acima seja dimensionalmente homogênea. Resp.: [ ]( ) [ ]( ) [ ]( )121313133 ; /º ; / −−−−−−− =⋅== atmLTMccmgCMLbcmgMLa θ 15) Para um fluido ideal, expressar a vazão volumétrica, através de um orifício, em termos

do diâmetro do orifício, da diferença de pressão e de sua massa específica.

Resp.:ρPDKQ ∆

⋅= 2

16) O número de Reynolds, definido abaixo, é um parâmetro encontrado em problemas de

quantidade de movimento para caracterizar o tipo de escoamento de fluidos:

µρvRe D

=

sendo: D → comprimento característico v → velocidade característica ρ e µ → massa específica e viscosidade absoluta do fluido respectivamente. Demonstre que "Re" é um parâmetro adimensional. 17) Um aluno de Fenômenos de Transportes, precisa definir uma equação para a pressão

"P" que um líquido ao escoar exerce sobre um sólido imerso. Ele considerou que a pressão depende da massa específica "ρ", da viscosidade dinâmica "µ" do fluido e da velocidade de escoamento "v". determine a expressão para essa dependência e diga se o aluno está correto ou não em adotar as três variáveis do fenômeno.

Resp.: nãoKP ; v2ρ⋅= 18) Determinar a dimensão da grandeza "X" na equação abaixo, definida como segue:

PetWX⋅⋅

= 2

onde: W → trabalho; e → comprimento; t → tempo; P → pressão. Resp.: [ ]LTX = 19) Mostrar que a energia cinética de uma partícula é expressa em termos da massa e

velocidade dessa partícula.

Page 156: Apostila Ft i - Ufpa (1)

Resp.: 2vmKEc ⋅= 20) Um método para determinação da velocidade de escoamento em condutos é através do

conhecimento da vazão volumétrica, área de seção transversal do duto e viscosidade do fluido. Utilizando o conceito do teorema de Bridman, determine a equação que descreva o fenômeno, utilizando o sistema [MLT].

Resp.: AQK ⋅=v

21) Em um duto de comprimento "L", escoa um fluido de viscosidade absoluta "µ" e

massa específica "ρ". Demonstre, através do teorema de Bridman, uma equação para a velocidade de escoamento.

Resp.: 11v −−= ρµLK 22) A energia "E" e a massa "m" são relacionadas pela equação E = mc2, onde "c" é a

velocidade da luz. Verificar se esta equação é dimensionalmente homogênea. Resp.: Sim 23) Verificar se é dimensionalmente homogênea a equação do movimento uniformemente

variado: 2

00 21v attee ++=

onde "1/2" é adimensional. Analisar o caso particular para 1546te 2 +−= t . Resp.: A equação é homogênea. No caso particular os números "+6", "−4" e "+15" não são simples fatores sem dimensão. 24) Considerando a potência "P", fornecida por uma bomba, como função do peso

específico "γ" do fluido, da vazão volumétrica "Q" e da altura "H". Estabelecer uma equação através de análise dimensional.

Resp.: QHKP γ⋅= 25) A potência "P" que é necessária para fazer funcionar um compressor, varia de acordo

com o diâmetro "D", sua velocidade angular "ϖ", a vazão volumétrica "Q", a massa específica "ρ" e a viscosidade do fluido "µ". Encontre uma relação entre essas variáveis através da análise dimensional na qual apareçam a viscosidade e a velocidade angular, cada uma, somente em um grupo adimensional.

Resp.: ρµπϖπ

ρπ

QD

QD

QPD

=== 3

3

23

4

1 ; ;

26) Num processo de galvanização, a velocidade com que os íons se movem em situações

eletrolíticas diluídas para o eletrodo em forma de disco é função da velocidade de difusão de massa dos íons. O processo depende do controle das variáveis abaixo. Obtenha os grupos adimensionais para estas variáveis, onde "K", "µ" e "D" estejam em grupos separados.

Page 157: Apostila Ft i - Ufpa (1)

onde: K → é o coeficiente de transferência de massa (m/s); D → é o coeficiente de difusão (m2/s); d → é o diâmetro do disco (m); ϖ → é a velocidade angular (s−1); ρ → é a massa específica (Kg/m3); µ → é a viscosidade (Kg/m.s).

Resp.: ϖ

πρϖ

µπϖ

π 23221 ; .

; d

Ddd

K===

27) Um fluido está passando sobre um corpo sólido. A força "F" exercida sobre o corpo é

função da velocidade do fluido "v", da massa específica do fluido "ρ", da viscosidade do fluido "µ" e de uma dimensão do corpo "L". Por análise dimensional, obter os grupos adimensionais formados pelas variáveis dadas. Faça com que "µ" esteja em uma única equação.

Resp.: ρ

πρµπ 2221 v

; v L

FL

==

28) A perda de carga por unidade de comprimento "∆H/L" no escoamento, em regime

turbulento, num conduto liso, depende da velocidade "v", do diâmetro "D", da aceleração da gravidade "g", da viscosidade dinâmica "µ" e da massa específica "ρ". Determinar, com o auxílio da análise dimensional, os grupos adimensionais formados pelas variáveis mencionadas. Faça com que "v", "D" e "ρ" sejam as variáveis da base.

Resp.: LHgD

D∆

=== 3221 ; v

; v

ππρ

µπ

29) Para medir a vazão em peso "G" de um gás através de um orifício, adota-se a fórmula:

QGondePgDG . ; ...24

... 2

γγπεα=∆⋅=

sendo: α → coeficiente de vazão (adimensional); ε → coeficiente de compressibilidade (adimensional); D → diâmetro do orifício G → aceleração da gravidade; γ → peso específico do gás no orifício; ∆P → diferença de pressão; Q → vazão volumétrica. Verifique se esta fórmula é dimensionalmente homogênea. Resp.: Sim 30) A análise dimensional é usada para correlacionar dados sobre tamanhos de bolhas com

as propriedades do líquido, quando bolhas de gás são formadas por um insuflamento de gás a partir de um pequeno orifício abaixo da superfície do líquido. Assumir que as

Page 158: Apostila Ft i - Ufpa (1)

variáveis significantes são: o diâmetro da bolha "D", o diâmetro do orifício "d", a massa específica do líquido "ρ", a tensão superficial "τ", a viscosidade absoluta do líquido "µ" e a aceleração da gravidade "g". Encontre os parâmetros adimensionais, sabendo-se que "d", "ρ" e "g" como variáveis repetidas.

Resp.: 23

21321

.. ;

.. ;

dgdgd

D

ρ

µπρτππ ===

31) Na transferência de massa para convecção forçada as variáveis pertinentes são: a

massa específica "ρ" (g/cm3), o comprimento característico "L" (cm), a difusividade mássica "DAB" (cm2/s), a viscosidade absoluta "µ" (g/cm.s), a velocidade "v∞" (cm/s)e do coeficiente de transferência de massa convectivo "Kc" (cm/s). Determine os grupos adimensionais sendo que "µ", "v∞" e "Kc" devem aparecer, cada um, somente em uma equação.

Resp.: AB

C

ABAB DLK

DL

D=== ∞

321 ; v ; ππρ

µπ

32) Um observador olhando a ação de um pêndulo simples observa que seu período de

vibração "τ" depende do comprimento "L" do pêndulo, de sua massa "m" e da aceleração da gravidade "g". Determine, pelo teorema dos "π's" seu período em função dessas variáveis.

Resp.: τ = π1 gL

33) Estabeleça a equação para a velocidade "v" de um corpo que cai livremente de uma

altura "h" a partir do repouso. A velocidade dependerá da aceleração da gravidade "g" e da altura "h".

Resp.: v = g.hK 34) Aplicando o teorema de Buckingham, obtenha o número admensional N1, que

relaciona as seguintes grandezas: Tensão superficial “σ” (Kg/m2), massa específica “ρ” (Kg/m3) e viscosidade dinâmica “µ” (Kg/m.s) do fluido, além da aceleração da gravidade “g” (m/s2). Confirme o resultado através do princípio da homogeneidade dimensional.

Resp.: 35) Em uma experiência de Fenômenos de transportes, um tanque de água, com diâmetro

"D" é drenado a partir do seu nível inicial "h0". O orifício de drenagem, perfeitamente arredondado e de bordas muito lisas, tem um diâmetro "d". Admita que a vazão em massa de saída do tanque é uma função de "h0", "D", "d", "g", "ρ" e "µ", onde "g" é a aceleração da gravidade e "ρ" e "µ" são propriedades do fluido. As variáveis devem ser correlacionadas de forma admensional, empregando-se o teorema de Buckingham. Determine:

a) O número de grupamentos adimensionais resultantes;

Page 159: Apostila Ft i - Ufpa (1)

b) O grupamento admensional que contém a viscosidade dinâmica; para tal, "d", deve ser considerada uma variável de base.

Resp.: 36) Em uma coluna de spray para transferência de massa, um líquido é aspergido dentro

de uma corrente de ar, e a massa é trocada entre o líquido e a fase gás. A massa das gotas formadas no tubo do spray é considerada como função do diâmetro do tubo "D", da aceleração da gravidade "g", da tensão superficial do líquido contra o gás "σ", da densidade "ρL", da viscosidade dinâmica "µL" e da velocidade "vL" do líquido, viscosidade dinâmica "µG" e densidade média "ρG" do gás. Arranje estas variáveis em grupos adimensionais. Considere "ρL", "µL" e "D" como variáveis repetidas.

Resp.:

L

G

L

G

L

LL

L

L

L

L

L

DDgDD

mρρ

πµµ

πµ

ρπµ

σρπµ

ρπρ

π ====== 654232

32

231 ; ; v ; ; ;

37) coeficiente de transferência de calor "h" foi encontrado dependendo da velocidade "v",

massa específica "ρ", da capacidade calorífica "Cp", viscosidade "µ", condutividade térmica "K" e diâmetro "d" num experimento específico. Determine os números adimensionais, de modo que "h", "Cp" e "v", apareçam cada uma somente uma vez num grupo. Sabendo-se que : Nu = h.d/K ; Pr = Cp.µ / K ; Re = ρ.v.d / µ

Resp.: 38) Verifica-se por experimentos que ∆P = f ( d, L, v, ρ, µ ) onde: ∆P = diferença de

pressão, d = diâmetro do tubo, L = comprimento do tubo, v = velocidade do fluido, ρ = massa específica do fluido, µ = viscosidade do fluido. Encontre os grupos adimensionais de forma que "L" apareça em um só grupo.

Resp.: 0v

;v

;12 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆ρρ

µπ Pdd

39) A taxa à qual íons metálicos são depositados em um eletrodo rotativo é governada pela

difusão de íons da solução ao eletrodo. O processo parece ser controlado pelas variáveis:

K ( coeficiente de transporte de massa) → [ L/T]; D (coeficiente de difusão) → [ L2/T]; d (diâmetro do disco) → [L]; a (velocidade angular do eletrodo) → [T –1]; ρ ( massa específica) → [M /L3]; µ (viscosidade dinâmica) → [M/LT];

Obtenha um conjunto de grupos adimensionais, de forma que "K", "µ" e "D" apareçam em grupos separados.

Resp.: 0;;. 22 =⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ρ

µπadad

Dad

K

Page 160: Apostila Ft i - Ufpa (1)

40) As variáveis necessárias para descrever um problema de transferência de calor são: o comprimento característico "L", a velocidade "v", a densidade absoluta "ρ", o incremento de temperatura "∆T", o coeficiente de expansão volumétrica "β", a aceleração da gravidade "g", a viscosidade dinâmica "µ", a condutividade térmica "K", o coeficiente de transferência de calor "h" e o calor específico "Cp". Determine um conjunto de parâmetros adimensionais aplicando o Teorema de Buckingham.

Resp.: 0v;;v

;v

;v;v

.2

3

3 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆K

CLKhLgL

LKL

LTK Pρ

ρµβρ

ρπ

41) Para um líquido ideal (µ = 0), expressar a vazão volumétrica "Q", através de um

orifício, em termos de massa específica "ρ" do líquido, do diâmetro do orifício "D", e da diferença de pressão "∆P".

Resp.: 21

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆=

ρPKDQ