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Fenômenos de Transporte I Aula 02 Prof. Dr. Gilberto Garcia Cortez 1

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Fenômenos de Transporte I

Aula 02

Prof. Dr. Gilberto Garcia Cortez

1

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3. Estática dos fluidos3.1- Introdução

Por definição, um fluido deve deformar-se continuamente quando

uma tensão tangencial de qualquer magnitude lhe é aplicada. A

ausência de movimento relativo (e por conseguinte, de deformação

angular), implica a ausência de tensões de cisalhamento.

Na estática dos fluidos, a velocidade relativa entre as partículas do

fluido é nula, ou seja, não há gradiente de velocidade. Uma vez que

não há movimento relativo dentro do fluido, o seu elemento não se

deforma.

Portanto, em fluidos em equilíbrio estático atuam somente forças

de campo gravitacional e normais e não há esforços tangenciais.

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3.2- Equação básica da estática dos fluidos

Em um fluido em repouso (estático), submetido ao campo

gravitacional, as únicas forças que atuam sobre um elemento fluido

são o peso e as forças devidas às pressões estáticas p = p(x, y, z).

Consideremos um elemento de volume xyz, com faces paralelas

aos planos de um sistema de coordenadas retangulares x, y, z,

isolado de um fluido em repouso com massa específica , conforme

é mostrado na Figura 1.

As forças de pressão atuam sobre o elemento fluido de acordo com

a coordenada de posição da face do elemento cúbico sobre a qual

atua a pressão.

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Figura 1: Elemento de volume isolado de um fluido em repouso

com as pressões estáticas exercidas pelo restante do fluido

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gρ W zyx

A força peso do elemento fluido é dado por:

( 1 )

A força de superfície resultante, devida às pressões estáticas que

atuam sobre o elemento, é dada por:

kp p jp p ip p F z zzy y yx x xp yxzxzy

Como o fluido está em repouso, a força resultante que atua sobre

um elemento de volume deve ser nula, ou seja, tem-se um condição

de equilíbrio dada por:

0 F W F p ( 3 )

( 2 )

5

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( 1 ) e ( 2) em ( 3 ):

Dividindo a equação (4) pelo volume xyz, rearranjando os

termos e fazendo o limite quando o volume do elemento de fluido

tende a zero, obtém-se

( 4 )

( 5 )

kp

jp

ip

pzyx

O termo do lado esquerdo da equação (6) é a definição do

gradiente de pressão, em coordenadas retangulares, dado por:

( 7 )

gρ kp p

jp p

ip p

lim z zzy y yx x x

0

zyxzyx

0 kp p jp p ip p gρ z zzy y yx x x

yxzxzyzyx

gρ kp

jp

ip

zyx( 6 )

6

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Portanto, a equação (6) pode ser escrita como:

gρ p ( 8 )

A equação (8) é equação básica da estática dos fluidos.

Considerando o sistema de coordenadas retangulares mostrado na

Figura 1, a equação (8) pode ser decomposta nas componentes

escalares.

xx

ρg p

y

yρg

p

z

zρg

p

Por conveniência, escolhemos o referencial com o eixo y paralelo

ao vetor gravidade, de forma que:

0 g x g g y 0 g z

7

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Assim, considerando um eixo y vertical com sentido positivo para

cima, conclui-se que a pressão varia somente em função de y, de

maneira que se pode escrever,

( 9 )

e que o plano xz horizontais são planos isobáricos, ou seja, pontos

que estão à mesma altura (ou profundidade) dentro do mesmo

fluido, possuem pressões estáticas iguais.

ρg p

y

8

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3.3- Variação da pressão em um fluido em repouso

a) Variação da pressão em um fluido incompressível ( = cte)

Um fluido incompressível tem massa específica constante, de forma

que a integração da equação básica da estática dos fluidos fica

simplificada.

Tem-se que:

( 10 )

e, considerando um referencial com eixo y vertical, com sentido

positivo para cima, resulta que a equação (10) fica sendo:

constante ρg d

dp

y( 11 )

gρ P

9

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00y

y

p

p

y y ρg p p

dρg dp

0

y

0

y

y

A variação da pressão com a altura é determinada por meio da

integração da equação (11) com as condições de contorno

adequadas. Considerando que a pressão num nível de referência

y0 é p0 , determina-se a pressão p(y) numa altura y com a

integração da equação (11), de forma que:

ou seja, a diferença de pressão entre dois pontos, num fluido

incompressível, é diretamente proporcional à diferença de

altura entre esses dois pontos.

10

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P(h)

h

Patm

+y

0

g

Para líquidos, geralmente é mais conveniente a adoção de um

referencial com um eixo h, paralelo ao vetor campo gravitacional,

com origem na superfície livre e sentido positivo para baixo,

conforme é mostrado na Figura a seguir;

0 h ρg p p

dρg dp

atmh

h

0

p

p

h

atm

y

11

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( 12 )

Assim, num fluido incompressível ( = constante):

- a pressão varia linearmente com a profundidade;

- a pressão é a mesma em todos os pontos sobre um dado plano

horizontal y no fluido.

( Equação da hidrostática )

A equação (12) é conhecida como a lei de Stevin, que diz que a

diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é

igual ao produto do peso específico () do fluido pela diferença de

cotas entre dois pontos (h).

h γ p p

h γ p p

ρgh p p

atmh

atmh

atmh

12

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Pressão atmosférica

Para se determinar a pressão atmosférica a uma dada altitude, é

necessário conhecer-se primeiro como a temperatura varia com a

altitude. Uma boa aproximação para a troposfera (altitudes de até

11000 km) é aquela que considera que a temperatura reduz-se

linearmente com a altitude. Nesse caso, e considerando o ar

atmosférico como gás ideal, a pressão à altitude z acima do nível do

mar, poderá ser estimada por meio da seguinte equação:

T

B. 1p p

26,5

0

atm

z( 13 )

onde patm = 101325 N/m2 (pressão atmosférica ao nível do mar na

altitude zero), B = 6,5x10-3 Kelvin/m e T0 = 288,16 Kelvin (15C).

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Exemplo. Estimar a pressão atmosférica à altitude de 3000m,

utilizando a equação (13) e comparar o valor obtido com aquele

utilizando a lei de Stevin (eq. 12).

Utilizando a fórmula dada pela equação (13), temos:

70086N/m p

288,16K

m3000K/m6,5x10 1101325N/m

T

B. 1p p

2

26,532

26,5

0

atm

z

2

32atm

66015N/m p

3000m11,77N/m 101325N/m h γ p p

Por outro lado, utilizando a lei de Stevin com ar = 11,77N/m3, temos:

Isso representa uma diferença de apenas 5,8% com relação ao

valor exato obtido por meio da equação (13). Para altitudes

inferiores a 1000m, os erros serão inferiores a 5%.14

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b) Variação da pressão em um fluido compressível ( é variável)

A variação da pressão em um fluido compressível também é

determinada através da integração da equação básica da estática

dos fluidos dada por:

gρ P ( 14 )

Para um fluido compressível a massa específica não é

constante, de forma que é necessário expressá-la em função de

outra variável na equação (14). Uma relação entre a massa

específica e a pressão pode ser obtida através da equação de

estado do gás ou por meio de dados experimentais.

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RT

PM ρ

ρRT RTV

m PM

perfeitos) gases dos (lei RTM

m nRT PV

gRT

PM P ( 15 )

A equação (15) introduz outra variável, que é a temperatura, de

maneira que é necessária uma relação adicional da variação da

temperatura com a altura.

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3.4- Medidas de pressão.

3.4.1- Barômetro de mercúrio.

As medidas de pressão são realizadas em relação a uma

determinada pressão de referência. Usualmente, adota-se como

referência a pressão nula existente no vácuo absoluto.

A pressão relativa ocorre porque muitos instrumentos de pressão

são do tipo diferencial, registrando não a magnitude absoluta,

mas a diferença entre a pressão do fluido e a atmosfera que pode

ser positiva (manômetros) ou negativa (vacuômetros).

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Deve-se observar que, nas equações de estado, a pressão utilizada é

a absoluta, dada por:

p p p relativaatmabsoluta

( 16 )

A pressão atmosférica local, representada por patm pode ser

medida por um barômetro. O mais simples é o barômetro de

mercúrio construído por Evangelista Torricelli em 1643.

( Barômetro de mercúrio )

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Na Figura anterior, tem-se:

h é a altura da coluna de mercúrio no tubo de vidro;

Patm é a pressão atmosférica local; e

P0 é a pressão de vapor do mercúrio.

Aplicando a equação básica da estática dos fluidos no barômetro

de mercúrio, temos:

ghρ p p

dgρ dp

gρ d

dp

gρ P

HgAB

h

0

Hg

p

p

Hg

B

A

y

y

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Pontos que estão a mesma altura, dentro do mesmo fluido, têm a

mesma pressão, de forma que pA = patm e como pB = p0 , obtém-se:

ghρ p p Hgatm0

ough ρ p p Hg0atm ( 17 )

Em condições normais de temperatura e pressão, a pressão de

vapor do mercúrio é praticamente nula, ou seja, p0 0,

resultando:gh ρ p Hgatm ( 18 )

A pressão atmosférica normal, ao nível do mar, corresponde a uma

coluna de mercúrio com altura h = 76 cm. Substituindo os dados,

Hg = 13600 kg/m3 , g = 9,81 m/s2 , h = 0,76 m , na equação (18),

resulta:

patm = 101320 N/m2 (Pa) = 101,32 kPa

1 atm = 101325 Pa(N/m2) = 101,325 kPa = 1,01325 bar = 1,0332 kgf/cm2 = 33,91 ftH2O

= 10,332 mH2O (mca) = 14,7 psi (lbf/in2) = 29,92 inHg = 760 mmHg (Torricelli)

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Barômetro de Torricelli

O mercúrio é 13,6 vezes mais denso do que a água.

Qual deveria ser a altura de uma coluna de água suportada pela

pressão atmosférica?

O mercúrio permaneceria no tubo

de vidro se fizesse um furo na

extremidade superior do tubo?

Sim ou Não?

00 águaáguaHgHgáguaáguaHgHgatmatm

hhghghpp

10,3mm76,0/0,1

/6,133

3

Hg

H2O

Hg

H2O

cmg

cmghh

21

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3.4.2- Manômetro de tubo em U com líquido manométrico.

A introdução de um líquido manométrico no manômetro de tubo

em U, permite utilizá-lo na medição de pressões de gases ou

líquidos, pois esse líquido impede que o gás escape pelo tubo. É

importante que se utilize um líquido manométrico que apresente

um peso específico bastante elevado de modo a evitar colunas

contendo o fluido manométrico muito altas.

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De acordo com a lei de Stevin (equação 12), a pressão em C em

relação à pressão em B (observando que PB = PA), será dada por:

2A2BC h γ P h γ P P

Ocorre que em C, temos a interface do fluido com o líquido

manométrico, sendo que a pressão aí é igual à pressão em D, por se

tratar de pontos na mesma horizontal de um mesmo líquido, PC =

PD ; assim, tendo em vista o resultado anterior, temos:

2AD h γ P P

( 19 )

( 20 )

Aplicando novamente a lei de Stevin (equação 12), para

determinação da pressão em D, em relação à pressão na superfície

livre do líquido manométrico no tubo, onde reina a pressão

atmosférica local, resulta em:

1LMatmD h γ P P ( 21 )

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Igualando as equações (20) e (21), resulta o seguinte resultado:

21LMatmA

1LMatm2A

h γ h γ P P

h γ P h γ P

Na equação 22, a pressão PA representa a pressão absoluta no tubo

(como líquido ou gás). Para a medida da pressão relativa (ou

manométrica) o valor da pressão atmosférica é zero (na escala

efetiva). Assim, a pressão manométrica no ponto A será:

( 22 )

21LMA h γ h γ P ( 23 )

Para medir pressões de líquidos (ex. água) utiliza-se mercúrio

como fluido manométrico (SGHg =13,6).

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Exemplo 01: Água escoa através dos tubos A e B. Óleo com

densidade relativa 0,8, encontra-se na parte superior do tubo em U

invertido. Mercúrio (densidade relativa 13,6), encontra-se no fundo

das curvas do manômetro. Determine a diferença de pressão, PA – PB.

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5águaFB

4HgEF

3óleoDE

2HgCD

1águaAC

gdρ p p

gdρ p p

gdρ p p

gdρ p p

gdρ p p

gdρ gdρ gdρ gdρ gdρ p p5água4Hg3óleo2Hg1águaAB

gdρ d dgρ d dgρ p p3óleo42Hg51águaAB

C4 a águaóleoóleo

C4 a águaHgHg

C4 a água

fluido

fluido

0

0

0 ρSG ρ

ρSG ρ

ρ

ρ SG

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3óleo42Hg51águaAB

dSG d dSG d dgρ p p

in

minx0,02540,8x4 5 313,6 8 10

s

m9,81

m

kg10 p p

23

3

AB

atm 0,25 p p

kPa 81,25 p p

1x kPa 81,25 p p

kPa 101,325 atm 1 ; Pa 10 1kPa

Pa43,25814 m

N43,25814 p p

s

m

m

kg43,25814 p p

BA

BA

AB

3

2AB

22AB

27

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28

Exemplo 02: Água e óleo fluem em tubulações horizontais. Um

manômetro do tipo tubo “U” duplo é conectado entre as tubulações

como mostrado na figura. Calcule a diferença de pressão entre a

tubulação de água e a tubulação de óleo, P1 – P5.

Dados: água = 9810 N/m3; SG1 = 1,6; SG2 = 0,9; SGAr 0.

Resposta: P1 – P5 = 539,6 Pa ou 0,5396 kPa

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Exemplo 03: Ar está passando por um tubo com 4cm de coluna de

água (4,0 cmH2O) de vácuo. O barômetro indica que a pressão

atmosférica local é 730 mmHg. Qual é a pressão absoluta do gás em

polegadas de mercúrio (inHg)?

Dado: 760 mmHg = 29,92 inHg

4 cm

Água

Ar Ar

Vácuo

28,9inHg 760mmHg

29,92inHg730mmHg Patm

29

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0,12inHg O33,91ftH

29,92inHg

12in

ft1

2,54cm

1inOcmH4 P

2

2vácuo

P P P

vácuo

relativaatmabsoluta

inHg 28,8 P

0,12inHg 28,92inHg P

P P P

absoluta

absoluta

vácuoatmabsoluta

30

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3.4.3- Piezômetro.O piezômetro é o dispositivo mais simples para a medição de pressão.

Consiste na inserção de um tubo transparente no recipiente (tubulação)

onde se quer medir a pressão.

- O líquido subirá no tubo piezométrico a uma altura “h”, correspondente

à pressão interna;

- Devem ser utilizados tubos piezométricos com diâmetro superior a 1cm

para evitar o fenômeno da capilaridade;

- Não serve para a medição de grandes pressões ou para gases.

Aplicando a lei de Stevin (eq. 12), considerando somente a pressão relativa

em A (ou manométrica), temos:

h γ P A ( 24 )

31

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3.4.4- Manômetro metálico de Bourdon.Diferentemente dos manômetros de tubo com líquido, o manômetro de

Bourdon (Eugène Bourdon, 1849, França) mede a pressão de forma

indireta, por meio da deformação de um tubo metálico, daí o seu nome.

Conforme indica a Figura a seguir, neste manômetro, um tubo recurvado de

latão, fechado numa extremidade e aberto na outra (denominada tomada de

pressão), deforma-se, tendendo a se endireitar sob o efeito da mudança de

pressão. Um sistema do tipo engrenagem-pinhão, acoplado à extremidade

fechada do tubo, transmite o movimento a um ponteiro que se desloca sobre

uma escala. O tubo recurvado de latão, por estar externamente submetido à

pressão atmosférica local, somente se deformará se a pressão na tomada for

maior ou menor que aquela.

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Assim, a pressão indicada por este manômetro é sempre a pressão

relativa. Quando não instalado, o manômetro de Bourdon indica

zero, em qualquer altitude.

Quando este manômetro ocupa um ambiente onde a pressão seja

diferente da pressão atmosférica local, a pressão indicada Pindicada

(ou manométrica ) será dada por:

onde Pambiente é a pressão no ambiente onde está o manômetro e

Ptomada é a pressão na tomada, ou seja é a pressão absoluta em

relação à pressão do ambiente local onde está instalado o

manômetro.

Uma escala muito utilizada neste manômetro é aquela produzida

em unidades práticas de kgf/cm2. Outras escalas de pressão

utilizadas são bar e psi.

P P P ambientetomadaindicada

( 25 )

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Exemplo 04: Para a instalação da Figura a seguir, são fornecidos:

pressão indicada no manômetro de Bourdon Pindicada = 2,5 kgf/cm2 e

peso específico do mercúrio Hg = 1,36x104 kgf/m3. Pede-se

determinar a pressão no reservatório 1, P1 .

34

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Solução: Determinemos, primeiramente, a pressão no ambiente

onde está o manômetro de Bourdon. Essa pressão é a do gás

contido no reservatório 2, P2, que é a mesma pressão que reina na

superfície livre do reservatório 2. Por sua vez, essa pressão é igual

à pressão em A, pois A está no mesmo plano horizontal da

superfície livre do mercúrio no reservatório 2. Assim, P2 = PA.

Pela aplicação direta da lei de Stevin (eq. 12) em A, levando-se em

consideração a coluna de mercúrio de altura h = 1,5m temos que a

na escala efetiva a pressão no ambiente 2 é:

Então, a pressão relativa no ambiente onde está o manômetro de

Bourdon será:

h γ P PHgA2

h γ P PHg2ambiente

( 1 )

( 2 )

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Para o manômetro de Bourdon, temos:

com Pindicada = 2,5 kgf/cm2 , Ptomada = P1 e Pambiente = Hg.h

Isolando Ptomada no primeiro membro na expressão acima e

substituindo estes últimos resultados, temos:

Reconhecendo que Hg = 1,36x104 kgf/m3 = 1,36x10-2 kgf/cm3 e que h

= 1,5m = 150cm, temos para P1 o valor de:

P P P ambientetomadaindicada

( 3 )

.h γ 2,5kgf/cm P P PHg

2

ambienteindicada1

2

1

322

1

kgf/cm 4,54 P

cm150kgf/cm1,36x10 2,5kgf/cm P

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Exemplo 05: Qual é a pressão indicada pelo manômetro C se as

pressões indicadas pelos manômetros A e B são respectivamente PA

= 45 psi e PB = 20 psi? A pressão barométrica é 30,55 inHg.

14,7 = 29,92 inHg (Tabela de conversões de pressão)

Solução: A pressão barométrica correspondente local, Patm é:

15psi 29,92inHg

14,7psi30,55inHg P

atm

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As pressões nos compartimentos 1 e 2 não estão à pressão

atmosférica local. O manômetro indica a pressão absoluta (tomada)

em relação à pressão do ambiente local onde está instalado o

manômetro:

P P P ambienteAtomada,Aindicada,

psia 60 15 45 P

P P P

Atomada,

ambienteAindicada,Atomada,

A unidade de pressão é psi, a letra “a” no final é para frisar que o

valor da pressão é de pressão absoluta.

Tanto o manômetro A quanto o manômetro B medem a pressão no

compartimento 1. Assim,

psia 60 P PAtomada,Btomada,

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psia 40 20 60 P

P P P

P P P

ambiente,2

Bindicada,Btomada,ambiente,2

ambiente,2Btomada,Bindicada,

O manômetro C mede a pressão no compartimento 2 (tomada C),

assim:

A leitura do manômetro C então pode ser calculada:

psia 40 P

P P

Ctomada,

ambiente,2Ctomada,

O manômetro B mede a pressão no compartimento 1 (tomada B)

em relação à pressão no compartimento 2, PB:

psi 25 15 40 P

P P P

Cindicada,

ambienteCtomada,Cindicada,

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