Slide - Estados Físicos da Matéria - Fundamentos de Fenômenos de Transporte 2020 2

ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA 1 ➢ Matéria ➢ Hipótese do meio continuo ➢ Propriedades da matéria podem ser expressados por grandezas escalares e grandezas vetoriais ➢ Propriedades da matéria podem ser expressados em função da massa como intensivas ou extensivas (massa especifica, densidade relativa, peso especifico, temperatura, pressão de vapor e cavitação, energia e calores específicos, tensão superficial e efeito capilar, viscosidade) Matéria A Química é a ciência que estuda a matéria, as suas propriedades e, em particular, a conversão de uma forma de matéria em outra. Matéria é o material físico do universo, ou seja, tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço. 2 Matéria Quais são os estados físicos da matéria a nível molecular? ➢ Sólido: Matéria com forma própria. Quando confinada, apresenta-se empacotada. ➢ Fluido: Matéria que não tem forma própria. Ao ser confinada, assume a configuração do recipiente de armazenamento. 3 Quais são os estados físicos da matéria a nível macroscópico? Sólido: É a matéria que resiste quando submetida a uma tensão de cisalhamento, respondendo a essa tensão com uma deformação estática. Fluido: É a matéria que, quando submetida a uma tensão de cisalhamento, deforma-se continuamente, isto é, escoa, por menor que seja a tensão aplicada. Hipóteses do meio contínuo: A matéria é constituída de átomos, que são amplamente espaçados na fase gasosa. Entretanto, é conveniente desconsiderar a natureza atômica de uma substância vela como uma matéria contínua homogênea sem buracos, isto é um meio contínuo. Matéria 4 5 Hipóteses do meio contínuo: Exceção à regra: situações nas quais a distância molecular torna-se importante a hipótese do contínuo não se aplica, e é necessário empregar técnicas estatísticas para estudar o escoamento do fluido. Quase todas as aplicações da engenharia envolvem um volume de fluido que é muito maior do que a distância entre moléculas adjacentes do fluido. Propriedades da matéria podem ser expressados por grandezas escalares e grandezas vetoriais Grandezas escalares: são aquelas completamente definidas pelo módulo (valor numérico). Exemplo: massa, área, volume, etc. Grandezas vetoriais: são aquelas definidas considerando simultaneamente, o módulo, a direção e o sentido: Exemplo: força, velocidade, aceleração, etc. 6 PROPRIEDADES DA MATERIAL: intensivas e extensivas: ➢ Grandeza intensiva é qualquer grandeza associada a uma substância que seja independente da sua massa. ➢ Grandeza extensiva é aquela que depende da massa da substância. 7 PROPRIEDADES INTENSIVAS (não depende da massa) PROPRIEDADES EXTENSIVAS (depende da massa) ➢ Densidade (massa específica), temperatura, pressão ➢ Volume, massa, momento total, ➢ Concentração, solubilidade ➢ Massa ➢ Peso específico ➢ Quantidade de calor ➢ potencial de hidrogênio ➢ Número de mol ➢ Pressão de vapor ➢ Energia ➢ Energia interna especifica ➢ Energia interna ➢ Energia cinética especifica ➢ Energia cinética ➢ Energia potencial específica ➢ Energia potencial ➢ Velocidade, tensão superficial, capilaridade ➢ Condutividade térmica e elétrica ➢ Viscosidade Massa especifica do fluido ou densidade do fluido (ρ) é definida como sendo a quantidade de matéria contida em uma unidade de volume do fluido. A densidade depende da temperatura (T) e da pressão (p). 8 Densidade relativa (ρR):A densidade relativa de uma substância é uma quantidade adimensional definida como a razão entre sua densidade e a de alguma outra substância considerada como um “padrão”. Assim: 9 Normalmente, a densidade Digite a equação aqui.“padrão” é a densidade da água a 1 atm. e a 4o C, que neste caso é 𝜌 =1000 kg/m3 em unidades do SI. 𝜌𝑅 = 𝜌 𝜌𝐻2𝑂 𝝆𝑹 Densidade dos gases ideais: Consideramos que esse gás possui separação suficiente entre suas moléculas para que elas não se atraiam umas pelas outras. Além disso, o gás não deve estar perto do ponto de condensação para um estado líquido ou sólido. 10 P: pressão absoluta 𝜌: densidade T: temperatura em Kelvin R: constante característica de cada gás (por exemplo, para o ar, R= 8,314 kJ/(kmol.K ) R = 286,9 J/(kg K)) 𝑃 = 𝜌𝑅𝑇 𝑃1𝑉1 𝑇1 = 𝑃2𝑉2 𝑇2 𝑃𝑉 = 𝑁𝑅𝑇 Peso específico (Ɣ) de um fluido é seu peso (W) por unidade de volume, ele é medido em N/m3 ou lb/pés3, logo: O PESO ESPECÍFICO DE UMA SUBSTÂNCIA TAMBÉM PODE SER EXPRESSO NA FORMA ADIMENSIONAL (peso especifico relativo): PADRÃO R    = 11 𝛾=𝑊 𝑉 = 𝑚 𝑥 𝑔 𝑉 = 𝜌 𝑥 𝑔 TEMPERATURA: A temperatura é um parâmetro físico proporcional à energia térmica do meio. A temperatura define o grau de agitação das moléculas do meio. ➢ Celsius (0C) ➢ Fahrenheit (0F) ➢ kelvin (k) ➢ Rankine (R) 12 Pressão de vapor e cavitação 13 Pressão de Vapor: é a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio termodinâmico com o líquido que lhe deu origem. Um líquido começará a ferver quando a pressão absoluta em sua superfície for igual ou menor que sua pressão de vapor. Dimensão: M/(LT2) Pressão de vapor e cavitação 14 Cavitação: ➢Quando os engenheiros projetam máquinas de fluxo ou tubulações, é importante evitar que o líquido em qualquer ponto dentro do escoamento esteja sujeito a uma pressão igual ou menor que sua pressão de vapor. ➢As bolhas resultantes da evaporação migrarão para regiões de pressão mais alta e se romperão repentinamente, criando um fenômeno conhecido como cavitação, responsável pelo desgaste da superfície da lâmina, hélice ou casco de bomba. Energia e calores específicos 15 ➢ Energia Potencial: ➢ Energia Cinética: ➢ Energia de Pressão: ➢ Energia térmica: A energia macroscópica de um sistema está relacionada ao movimento e a influencia de efeitos externos , estas energias podem ser: Dimensão: ML2/T2 Unidades no SI: J = 1kg m2/s2 1kJ = 1000 J A soma de todas as formas de energia microscópica é denominada Energia Interna do sistema e é representado por U Energia e calores específicos Stationary fluid Energy = u Flowing fluid Energy = h Tensão superficial e efeito capilar 17 ➢ A tensão superficial é uma propriedade que resulta de forças atrativas entre moléculas. ➢ As forças entre moléculas no interior do líquido se anulam, porém numa interface as moléculas exercem uma força que tem uma resultante na camada interfacial ➢ Chamamos essa força de tração por unidade de comprimento em qualquer direção ao longo da superfície de tensão superficial,  (sigma). Ela possui unidades de N/m ou lb/ft. Suponha que um pequeno elemento da superfície esteja sujeito à força de tensão superficial F = y. Se a superfície se estica por x, então o aumento na área é y x. A força F realiza trabalho de F x, portanto, o trabalho realizado por aumento de área é: Tensão superficial e efeito capilar 18 Capilaridade: Fenômeno associado com a tensão superficial é a subida ou queda de um líquido num tubo capilar. Efeito da ação capilar. 19 Capilaridade: Fenômeno associado com a tensão superficial é a subida ou queda de um líquido num tubo capilar. Efeito da ação capilar. 20 The capillary rise of water and the capillary fall of mercury in a small- diameter glass tube. The forces acting on a liquid column that has risen in a tube due to the capillary effect. Quanto mais fino for o tubo, maior será a capilaridade do líquido no tubo. Na prática, o efeito capilar é geralmente desprezível em tubo com diâmetro maior do que 1 cm. Viscosidade é uma propriedade de um fluido que mede a resistência ao movimento de uma camada muito fina de fluido sobre uma camada adjacente. Essa resistência ocorre somente quando uma força tangencial ou de cisalhamento é aplicada ao fluido. 21 Viscosidade V0 Placa móvel τ Óleo ν τw Placa fixa F FIGURA 1.5 Óleo entre duas placas sólidas, planas e paralelas Lei da viscosidade de Newton ➢ Considerar uma fina camada de fluido que é confinado entre uma superfície inferior fixa e uma placa horizontal muito larga. ➢Quando uma força horizontal muito pequena F é aplicada à placa, ela fará com que os elementos do fluido se distorçam. ➢A resistência viscosa do fluido levará a placa ao equilíbrio, de modo que a placa começará a se mover com uma velocidade constante U. ➢A força de aderência molecular entre as partículas do fluido em contato com a superfície fixa e a placa cria uma “condição de não deslizamento”. 23 Tensão de cisalhamento 𝜏 (tau) é definida como uma força tangencial △F que atua sobre uma área △A do elemento. Ela pode ser expressa como 𝜏 = lim ∆𝐴→0 ∆𝐹 ∆𝐴 = 𝑑𝐹 𝑑𝐴 A Deformação por cisalhamento fará com que cada elemento se deforme para a forma de um paralelogramo, e durante o curto tempo △t, a deformação resultante é definida por sua deformação por cisalhamento, △ 𝛼 (alfa), onde 24 Como o topo do elemento se move a uma taxa de △ 𝑢 relativa à sua parte inferior, então 𝛿𝑥 = △ 𝑢 △ 𝑡. A taxa temporal de variação da deformação por cisalhamento torna-se: No limite, quando △ 𝑡 → 0 Isaac Newton propôs que a tensão de cisalhamento no fluido é diretamente proporcional a essa taxa de deformação por cisalhamento ou gradiente de velocidade: △ 𝛼 ≈ tg △ 𝛼 = 𝛿𝑥 △𝑦 △ 𝛼 △ 𝑡 = △ 𝑢 △ 𝑦 𝑑𝛼 𝑑𝑡 = 𝑑𝑢 𝑑𝑦 𝜏 = 𝑑𝐹 𝑑𝐴 = 𝜇 𝑑𝑢 𝑑𝑦 A constante de proporcionalidade é a viscosidade 𝜇 (mi), que é uma propriedade física do fluido que mede a resistência ao movimento do fluido. A viscosidade tem unidades de N . s/m2 ou lb . s/ft2 25 Fluidos Newtonianos Fluidos não-Newtonianos Viscosidade 26 Fluidos - viscosidade Os gases e os líquidos, de uma forma geral, tendem a ter um comportamento newtoniano. 27 Fluidos não newtoniano - clasificação - VISCOELASTICOS: possuem caracteristicas de líquidos viscosos com propriedades elásticas. Exemplo/; massa de farinha de De trigo, gelatina, queijos, líquidos poliméricos, glicerina, plasma, biopolímeros, ácido hialurônico, saliva, goma xantana. - DEPENDENTES DO TEMPO: as propriedades do fluido variam, além da tensão de cisalhamento, com o tempo de aplicação desta tensão, para uma velocidade de cisalhamento constante ➢ Os tixotrópicos tem sua viscosidade diminuida com o tempo de aplicação da tensão: tintas, ketchup, petróleo cru, soluções protéicas. ➢ Reopéticos tem sua viscosidade aumentada com o tempo de aplicação da tensão, retornando à viscosidade inicial quando esta força cessa, exemplo: argila bentonita. - INDEPENDENTES DO TEMPO: são aqueles cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. Fluidos não newtoniano São exemplos de fluidos não newtonianos INDEPENDENTES DO TEMPO: ➢Fluido de Bingham: maionese, pasta de dente, asfalto e chocolate. ➢Fluido pseudoplástico: polpa de fruta, melaço de cana, caldos de fermentação. ➢Fluido dilatante: suspensões de amido, soluções de farinha de milho e açúcar, silicato de potássio e areia. ➢Fluido de Herschel-Bulkley: sangue, iogurte, purê de tomate, etc. 28 Viscosidade: dimensão e unidades de medida Para o Sistema Internacional (SI) Para o Sistema CGS, temos: Para o Sistema Americano de Unidades de Engenharia (EA) ou para o Sistema Gravitacional Britânico (BG) 29 Viscosidade dos fluidos em função da temperatura A viscosidade é função da temperatura. Nos líquidos, a viscosidade diminui com o aumento da temperatura. Já nos gases, a viscosidade aumenta com o aumento da temperatura. Figura: Viscosidade dinâmica (absoluta) de fluidos comuns como uma função da temperatura. (Fox-McDonald) 30 Viscosidade é a resistência que um fluido oferece ao escoamento (também definida como o atrito interno resultante do movimento de uma camada de fluido em relação a outra) Viscosidade dinâmica Viscosidade cinemática 𝜇=𝜏. 𝑑𝑣 𝑑𝑡 −1 𝜈 = 𝜇 𝜌 A viscosidade dinâmica (μ): também conhecida como viscosidade absoluta é dada em termos de força requerida para mover uma unidade de área a uma unidade de distância. Unidade no SI: Pa.s A Viscosidade Cinemática (ν) é a relação entre a viscosidade dinâmica (μ) pela densidade (ρ). Unidade no SI: m2/s Viscosidade dinâmica e viscosidade cinemática 31 Viscosímetros Instrumentos utilizados para medir a viscosidade (de líquidos). Eles podem ser classificados em dois grupos: ➢ primário e ➢ secundário 32 Viscosímetro primário enquadram-se os instrumentos que realizam uma medida direta da tensão e da taxa de deformação da amostra de fluido. 33 DE DISCO DE CONE-DISCO DE CILINDRO ROTATIVO : velocidade angular T: torque 34 viscosímetros secundário inferem a razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação por meios indiretos, isto é, sem medir a tensão e deformação diretamente. Viscosímetro capilar em função ao gradiente de pressão Viscosímetro capilar em função ao tempo de queda