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A termodinâmica é o estudo das leis que regem as relações entre calor, trabalho e temperatura, bem como as transformações sofridas pela energia. A termodinâmica estuda o intercâmbio de energia entre sistemas macroscópicos, formados por um grande número de partículas, como os gases, fluidos e sólidos, recorrendo à análise de importantes grandezas físicas, como pressão, volume e temperatura.

Introdução à termodinâmica

Uma das ideias centrais da termodinâmica é a relação entre calor e trabalho mecânico: a partir dessa relação foi possível que construíssemos máquinas térmicas cada vez mais eficientes e úteis, como a máquina a vapor e os motores de combustão interna. Para que se entenda o funcionamento desses sistemas mais complexos, é necessário aprender alguns conceitos imprescindíveis para a compreensão da termodinâmica, por isso, vamos revisar cada um desses conceitos de forma detalhada, a seguir.

Veja também: Ciclo de Carnot e o funcionamento das máquinas térmicas

Conceitos da Termodinâmica

Conheça alguns dos mais importantes conceitos da termodinâmica:

Sistema termodinâmico é um conceito abstrato que pode ser entendido como uma região do espaço, ou ainda uma certa porção de matéria que possa ter suas grandezas termodinâmicas, como pressão, volume e temperatura, medidas.

No âmbito da termodinâmica, existem dois tipos de sistemas: abertos e fechados. Nos sistemas abertos, há transferência de matéria para além da fronteira que separa um sistema de suas vizinhanças; já nos sistemas fechados, a quantidade inicial de matéria mantém-se constante após quaisquer que sejam as transformações feitas sobre ele.

A Termodinâmica estuda as relações entre calor, energia e trabalho.

O estado termodinâmico de um sistema é definido por um conjunto de grandezas que devem ser especificadas para que as condições desse sistema possam ser reproduzidas. Os estados termodinâmicos são representados por funções que são válidas para quando o sistema se encontra em equilíbrio térmico, mecânico e químico, explicados adiante.

Para os sistemas termodinâmicos simples, como os que são estudados no âmbito do ensino médio, essas funções geralmente relacionam duas propriedades intensivas da matéria, como pressão e temperatura. Quando algum sistema deixa um estado termodinâmico, assumindo um novo estado, dizemos que esse sistema passou por um processo termodinâmico.

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O equilíbrio termodinâmico é a condição em que dois ou mais sistemas não realizam trocas de energia ou massa entre si, portanto, passado um longo tempo, sob tais condições, será impossível que se meça quaisquer mudanças macroscópicas nas variáveis de estado (pressão, volume e temperatura) desses sistemas.

Como explicado anteriormente, para que o equilíbrio termodinâmico seja atingido, é necessário que os sistemas encontrem-se em equilíbrio mecânico, químico e térmico, ou seja, é preciso que, sobre esses sistemas não atuem quaisquer forças resultantes externas, que entre as fronteiras do sistema ocorram quaisquer tipos de reações químicas e finalmente, que não haja diferença de temperatura entre dois pontos quaisquer situados no interior do sistema. Se quiser entender mais sobre o conceito, acesse o nosso texto sobre equilíbrio térmico.

A temperatura é a expressão macroscópica do movimento oscilatório de todas as partículas que compõem um sistema termodinâmico. Em outras palavras, entendemos a temperatura como a energia cinética média translacional, rotacional e vibracional dos átomos e moléculas que constituem um corpo: quanto maior for a velocidade dessas partículas, maior será a temperatura do corpo.

A temperatura é medida em diferentes escalas, como a escala celsius e a escala kelvin. Essa última é usada como a definição formal de temperatura, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades: 1 kelvin equivale à fração de 1/273,16 vezes a temperatura do ponto triplo da água pura, no entanto, sua definição é mais profunda, diz respeito ao estado de movimento dos átomos.

A temperatura de 0K, por exemplo, conhecida como zero absoluto, é o limite hipotético de temperatura, no qual todos os átomos de um corpo encontram-se em repouso. Quer aprender mais sobre o assunto? Acesse o nosso texto sobre temperatura.

Calor é a troca de energia entre sistemas termodinâmicos que é motivada exclusivamente em razão de uma diferença de temperatura. O calor pode ser medido em calorias, ou em joules. A caloria, por sua vez, é definida como a quantidade de energia que deve ser cedida à massa de 1g de água para que a sua temperatura varie em 1 ºC (entre 14,5ºC e 15,5ºC), sob uma pressão externa e constante de 1 atm.

O calor pode ser transferido de diversas maneiras entre os corpos, os processos mais comuns de transferência de calor são conhecidos como condução, convecção e irradiação. Para saber mais sobre esse conceito, acesse o nosso texto: calor.

Energia interna é a soma das energias cinéticas de cada partícula de um corpo. No contexto do ensino médio, muito frequentemente utiliza-se o termo energia térmica como um sinônimo de energia interna, no entanto, tratam-se de coisasum pouco diferentes. A energia interna está intimamente relacionada à temperatura média do corpo, que por sua vez, está relacionada com o grau de agitação molecular.

Fórmulas da termodinâmica

A termodinâmica é uma grande área da física e, por isso, vem acompanhada de um enorme número de fórmulas. Nessa seção, traremos somente as principais fórmulas utilizadas durante o estudo da termodinâmica, confira na tabela a seguir:

Fórmula

Descrição

A equação fundamental da calorimetria é usada para determinar a quantidade de calor transferida por um corpo, em razão de uma mudança de temperatura.

Primeira lei da termodinâmica

De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a variação da energia equivale à diferença entre a quantidade de calor e o trabalho termodinâmico.

Trabalho termodinâmico na transformação isobárica

Na transformação isobárica, o trabalho realizado ou recebido pode ser calculado pelo produto entre a pressão e a variação de volume.

Energia interna do gás monoatômico ideal e do gás diatômico

A energia interna dos gases moleculares monoatômicos e diatômicos é calculada pelas fórmulas ao lado, em que n é o número de mols.

Leis da termodinâmica

As leis da termodinâmica descrevem o comportamento de diversos sistemas e a forma como se dão as trocas de energia com suas vizinhanças, vamos conhecer melhor cada uma delas:

A lei zero da termodinâmica, também conhecida como Lei do equilíbrio térmico, afirma que, se dois ou mais corpos permanecerem em contato térmico por um longo intervalo tempo, suas temperaturas tenderão a se igualar. Para que isso ocorra, o corpo de maior temperatura emite calor em direção ao corpo de menor temperatura. Saiba mais sobre o assunto acessando o nosso texto sobre a lei zero da termodinâmica.

A primeira lei de termodinâmica, conhecida como l ei da conservação da energia, afirma que, toda a quantidade de calor transferido de, ou para um sistema termodinâmico pode resultar em uma variação de energia interna e/ou na realização de trabalho. A fórmula utilizada para o cálculo da Primeira lei da termodinâmica é mostrado abaixo:

ΔU - variação de energia interna

A segunda lei da termodinâmica é relacionada a uma grandeza física conhecida como entropia. De acordo com essa lei, qualquer processotermodinâmicoirreversível e espontâneo causa um aumentonaentropia de um sistema, tornando-o menos organizado. A seguir, trazemos a fórmula que é utilizada para o cálculo da variação de entropia de um sistema, observe:

ΔS - variação de entropia

ΔQ - transferência de calor

Caso queira saber mais sobre a segunda lei da termodinâmica, sugerimos que confira nosso texto sobre entropia.

A , algo que violaria o terceira lei da termodinâmica indica que o zero absoluto, cerca de é inalcançável. De acordo com essa lei, não é possível que nada atinja tal temperatura, uma vez que, teoricamente , nessa temperatura, os átomos se encontrariam perfeitamenteparados mecânicaquântica. princípio da incerteza, fundamentado na
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Exercícios resolvidos sobre Termodinâmica

Questão 1) ( Uece) Do ponto de vista da primeira lei da termodinâmica, o balanço de energia de um dado sistema é dado em termos de três grandezas:

a) trabalho, calor e densidade

b) trabalho, calor e energia interna

c) calor, energia interna e volume

d) pressão, volume e temperatura

De acordo com a primeira lei da termodinâmica, o balanço de energias é determinado pela relação entre energia interna, calor e trabalho, como mostramos na fórmula abaixo:

Portanto, a alternativa correta é a letra B.

Questão 2) (FGV - RJ) Ao realizar um trabalho de 80 mil calorias, um sistema termodinâmico recebeu 60 mil calorias.

Pode-se afirmar que, nesse processo, a energia interna desse sistema

a) aumentou 20 mil calorias.

b) diminuiu 20 mil calorias.

c) aumentou 60 mil calorias.

d) diminuiu 80 mil calorias.

e) se conservou.

De acordo com os dados do enunciado e por meio da primeira lei da termodinâmica, basta fazermos o seguinte cálculo:

Como o trabalho foi realizado pelo próprio gás, seu sinal será positivo, dessa maneira, prevalece o sinal negativo da fórmula, resultando em -20.000 cal. Portanto, a alternativa correta é a letra A.

Questão 3) (Uem) Assinale o que for correto:

01) A energia interna total permanece constante em um sistema termodinâmico isolado.

02) Quando um sistema termodinâmico recebe calor, a variação na quantidade de calor que este possui é positiva.

04) O trabalho é positivo, quando é realizado por um agente externo sobre o sistema termodinâmico, e negativo, quando é realizado pelo próprio sistema.

08) Não ocorre troca de calor entre o sistema termodinâmico e o meio, em uma transformação adiabática.

16) Não ocorre variação da energia interna de um sistema termodinâmico, em uma transformação isotérmica.

01 - VERDADEIRO - Nesse tipo de sistemas, não há variação de temperatura, uma vez que não há trocas de calor.

02 - VERDADEIRO - O sinal algébrico do calor é positivo quando é o gás quem o recebe.

04 - FALSO - O trabalho é positivo quando é realizado pelo gás.

08 - VERDADEIRO - Não há trocas de calor nas transformações adiabáticas.

16 - VERDADEIRO - Transformações isotérmicas são aquelas em que não há trocas de calor.

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Termodinâmica: introdução, fórmulas, exercícios - Mundo Educação

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A termodinâmica é o estudo das leis que regem as relações entre calor, trabalho e temperatura, bem como as transformações sofridas pela energia. A termodinâmica estuda o intercâmbio de energia entre sistemas macroscópicos, formados por um grande número de partículas, como os gases, fluidos e sólidos, recorrendo à análise de importantes grandezas físicas, como pressão, volume e temperatura.

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Princípios da Termodinâmica - Brasil Escola

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A termodinâmica estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado num processo físico, que envolve uma massa de gás e o meio externo, ou seja, o meio ambiente.

Primeira Lei da Termodinâmica

Também chamado de primeiro princípio da termodinâmica, essa lei é conhecida como o Princípio da Conservação da Energia. Para todo e qualquer sistema termodinâmico há uma função característica, que é conhecida como energia interna. Sabendo disso podemos enunciar essa primeira lei da seguinte maneira: a variação da energia interna entre dois sistemas pode ser determinada pela diferença entre a quantidade de calor e o trabalho trocado com o meio ambiente. Matematicamente essa lei pode ser escrita da seguinte forma:
ΔU = Q - T
Onde:

Q é a quantidade de calor recebida ou cedida;

T é o trabalho realizado pelo sistema ou que é realizado sobre o mesmo;

ΔU é a variação da energia interna do sistema.

Essa lei tem aplicação prática em três transformações particulares de um gás perfeito. Lembrando que um gás perfeito ou ideal é um modelo idealizado para o comportamento de um gás, o qual obedece às leis de Gay Lussac, lei de Boyle Mariotte e a lei de Charles.

- Transformação Isotérmica

Essa transformação ocorre, como o próprio nome indica, à temperatura constante, de modo que a variação da energia interna do gás é igual a zero, pois a energia interna inicial é igual à energia interna final, ΔU = 0. Dessa forma, fica que a quantidade de calor do sistema é igual ao trabalho realizado pelo mesmo, ou seja, Q = T.

- Transformação Isovolumétrica

Essa é um tipo de transformação de um gás perfeito que ocorre a um volume constante, ou seja, o volume do gás permanece o mesmo durante todo processo termodinâmico. Sendo o volume constante podemos concluir que o trabalho é igual a zero, dessa forma temos que a equação que descreve a primeira lei da termodinâmica fica do seguinte modo:

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ΔU = Q
- Transformação Adiabática

Nessa transformação o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre suficientemente rápido de forma que o calor trocado possa ser considerado desprezível, ou seja, Q = 0. Em uma expansão adiabática o volume do gás aumenta, a pressão diminui e a temperatura diminui. Já na compressão adiabática ocorre que o volume diminui, a pressão e a temperatura aumentam. Essa transformação pode ser percebida nos sprays de desodorante em geral.

Segunda Lei da Termodinâmica

Essa lei foi enunciada pelo físico francês Sadi Carnot, e estabelece restrições para a conversão de calor em trabalho, realizadas pelas máquinas térmicas. Segundo Carnot, para que ocorra conversão contínua de calor em trabalho, uma máquina térmica deve realizar ciclos contínuos entre a fonte quente e a fonte fria, as quais permanecem em temperaturas constantes. A cada ciclo realizado é retirada uma quantidade de calor da fonte quente, parte desse calor é convertida em trabalho e a outra parte é rejeitada para a fonte fria. As muitas máquinas que vemos diariamente como, por exemplo, o motor de uma geladeira ou um motor de um veículo automotivo, são máquinas térmicas, pois elas realizam o processo de conversão de calor em trabalho, operando sempre em ciclos como o descrito por Carnot.

Por Marco Aurélio da Silva
Equipe Brasil Escola

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Termodinâmica
Conheça mais sobre o assunto de termodinâmica.
Termologia - Física - Brasil Escola

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Princípios da Termodinâmica - Brasil Escola

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A termodinâmica estuda as relações entre o calor trocado e o trabalho realizado num processo físico, que envolve uma massa de gás e o meio externo, ou seja, o meio ambiente. Primeira Lei da Termodinâmica Também chamado de primeiro princípio da termodinâmica, essa lei é conhecida como o Princípio da Conservação da Energia.

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O calor e o trabalho são formas similares de modificar a energia de um sistema . A partir da Termodinâmica, é possível explicar por que as reações ocorrem e também predizer o calor liberado e o trabalho que podem executar.

Antigamente, o calor era considerado um fluido chamado de calórico, que passava de uma substância quente para outra mais fria. Acreditava-se, também, que o trabalho era o resultado do fluxo de calórico, como, por exemplo, a água que gira um moinho de água. Hoje, porém, sabemos que o calórico é um mito.

O trabalho ( τ ) necessário para mover um objeto até uma determinada distância ( d ) contra uma força ( ) constante atuando no corpo, é calculado multiplicando-se a força pela distância:

Quando a força estiver atuando sobre o corpo com certa inclinação, como mostra a figura abaixo, o cálculo do trabalho fica:

(unidade de τ) = (unidade de F) x (unidade de d)

Quando mais de uma força atua sobre um corpo, cada uma delas realiza trabalho. Assim, o trabalho total será a soma dos trabalhos de cada uma das forças, conforme a equação abaixo:

Considerando que a resultante dessas forças seja F R , o trabalho total será igual ao trabalho da força resultante:

Trabalho realizado por um gás

Considere um cilindro com um êmbolo embutido (região acinzentada) contendo um gás ideal em seu interior (região esverdeada), conforme mostra a figura abaixo.

representa a força exercida pelo gás sobre o êmbolo. A é a área da seção reta do cilindro. Pela figura vemos que, quando o gás sofre uma expansão isobárica (pressão constante), o êmbolo se desloca uma distância d.

Como e d apresentam o mesmo sentido, o trabalho pode ser dado por:

Sabendo, ainda, que a força do gás equivale ao produto da pressão do gás pela área da seção reta do cilindro, podemos escrever:

Assim, o trabalho realizado por um gás que sofre expansão isobárica é dado por:

Se o gás sofrer compressão isobárica, e d apresentarão sentidos opostos, ΔV < 0, e, portanto, τ G < 0.

Por ser um processo isobárico, a pressão permanece constante, e o gráfico da pressão em função do volume é uma reta paralela ao eixo das abscissas, conforme vemos no gráfico abaixo. O trabalho será, portanto, numericamente igual à área sob a curva.

Trabalho e Energia Interna

Na termodinâmica, a capacidade de um sistema realizar trabalho é chamada de energia interna (U) .

Não é possível medir o valor absoluto da energia interna de um sistema , uma vez que ele inclui as energias de todos os átomos, de seus elétrons e dos componentes dos núcleos. O que se pode calcular são as variações de energia .

Por exemplo, ao realizar um trabalho de 10 J, o sistema consumiu uma parte da energia armazenada, o que significa que sua energia interna diminuiu 10J. Esta mudança é representada da seguinte forma: ΔU = -10 J, sendo que:

Ao realizar trabalho contra um sistema, ocorre aumento de sua energia interna. Considerando que nenhum outro tipo de transferência esteja ocorrendo, podemos usar o símbolo τ para representar a energia transferida a um sistema por meio de trabalho realizado:

Se a energia é transferida para um sistema como trabalho, a energia interna do sistema aumenta e τ é positivo. Se a energia é deixa o sistema como trabalho, a energia interna do sistema diminui e τ é negativo.

A energia irá fluir na forma de calor de uma região de temperatura alta para outra de temperatura mais baixa. Assim, em um sistema que não apresenta paredes isoladas termicamente, se o sistema estiver mais frio do que a vizinhança, o calor irá fluir da vizinhança para o sistema, fazendo com que a energia interna do sistema aumente. Esta energia transferida para o sistema é representada pela letra q . Logo, a alteração da energia interna de um sistema pela transferência de energia na forma de calor é:

Quando o equilíbrio térmico é atingido, ou seja, quando os corpos apresentarem uma mesma temperatura, a transferência de calor é cessada.

A energia transferida na forma de calor é medida em Joule (J). Porém, é muito comum encontrar ainda como unidade de energia a caloria (cal). Na definição original, 1 cal correspondia à energia necessária para elevar em 1 °C a temperatura de 1 g de água. A definição moderna afirma que 1 cal equivale a 4,184 J. A caloria nutricional (Cal) corresponde a 1 quilocaloria (kcal).

É por meio do sinal de q que saberemos se o calor entrou ou saiu de um sistema. Ao entrar energia no sistema na forma de calor, haverá um aumento na energia interna e q será positivo. Já se a energia deixar o sistema na forma de calor, haverá uma diminuição na energia interna e q será negativo.

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O calor e o trabalho são formas similares de modificar a energia de um sistema . A partir da Termodinâmica, é possível explicar por que as reações ocorrem e também predizer o calor liberado e o trabalho que podem executar. Antigamente, o calor era considerado um fluido chamado de calórico, que passava de uma substância quente para outra mais fria.

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Tutorial para postar o link do mural da sua equipe!

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Tutorial para postar o link do mural da sua equipe!

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Poste aqui a atividade relacionada com a Tarefa 02 até 18/04.

Orientações Iniciais:

1. Após a formação dos grupos, os integrantes deverão em comum acordo eleger quem será o representante. Ele será o responsável para a postagem dessa atividade.

2. Deverá ser postada uma única vez pelo representante do grupo até 18/04/2022.

3. Responda o questionário disponível em: https://forms.gle/zdKZrz7buevfUK2o7

Fique atento aos prazos e ao procedimento de postagem.
A imagem acima mostrar o passo a passo para execução da postagem (clique para ampliar)

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Aula 2  - Video mecânica de Fluidos e Engenharia

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Aula 2  - Video mecânica de Fluidos e Engenharia

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mecanica de fluidos e engenharia - Bing video

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9 Pressão Absoluta e Efetiva e Unidades | Estática dos Fluidos | por Micelli Camargo

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A Mecânica dos Fluídos é uma parte da Física que, por vezes aparece como uma ciência autónoma, mas por vezes é ligada à Mecânica ou mesmo à Termodinâmica. O seu objecto de estudo são os fluidos (que podem ser líquidos ou gases) e suas interacções, e é a base fundamental da Hidráulica. O movimento dos fluidos pode ser estudado de forma semelhante ao movimento de corpos sólidos, usando-se as leis fundamentais da física juntamente com as propriedades físicas dos fluidos.

A mecânica dos fluidos também encontra muita aplicação em diversas áreas da engenharia, sendo uma ferramenta muito útil para qualquer engenheiro, químico ou físico. Os seus conhecimentos são também muito úteis para a biologia e medicina, propriamente no estudo do movimento dos fluidos no nosso corpo ou em qualquer ser vivo. A hidráulica encontra aplicações em diversas área, sendo aplicada profundamente na aeronáutica, na náutica, na indústria petrolífera, no estudo do meio ambiente, etc. Alguns dados históricos da mecânica dos fluidos podem ser vistos na figura 1.

Figura 1: historia da mecânica dos fluidos.[1]

Para [1], algumas aplicações típicas da Mecânica dos Fluidos na Engenharia são:

Redes de distribuição de fluidos - água, combustíveis (gás natural, gases de petróleo liquefeito, petróleo), de vapor de água (em fábricas); Ventilação em edifícios urbanos e industriais, túneis e outras infra-estruturas;

Máquinas de conversão de energia (turbinas hidráulicas, turbinas eólicas, turbinas a vapor e gás, compressores, ventiladores e bombas hidráulicas);

Transferência de calor e massa em equipamentos térmicos (caldeiras, trocadores de calor, fornalhas, queimadores, motores de combustão interna);

Transporte de veículos (resistência ao avanço, sustentação de aeronaves, propulsão de aeronaves e de navios, segurança aerodinâmica e conforto - controle de ruído e circulação de ar no interior de veículos);

Vibrações e esforços de origem aerodinâmica em estruturas; (edifícios, chaminés, estádios, aeroportos).

Estudos de qualidade de água e de qualidade de ar (poluição atmosférica).

As leis básicas que governam os problemas de Mecânica dos Fluidos são:

Lei de conservação da massa.

A segunda lei de Newton.

O princípio do momento da quantidade de movimento.

A primeira lei da termodinâmica.

A segunda lei da termodinâmica .

A Mecânica é a parte da Física que trata das leis do movimento e do equilíbrio. Está subdividida em diversas partes: Cinemática, Estática, Dinâmica, Energia e interacções, Mecânica dos fluidos, etc. A Estática trata das relações das forças que produzem equilíbrio entre corpos materiais. A Dinâmica é parte da Mecânica que trata do movimento dos corpos sob a influência de forças. A Mecânica dos Fluidos trata das leis de forças e movimentos de fluidos, isto é, líquidos e gases. A mecânica dos fluidos, por sua vez, está dividida em:

A Estática dos Fluidos ou Hidrostática estuda as condições de equilíbrio dos líquidos sob a ação de forças exteriores, principalmente da gravidade. Fundamenta-se na segunda lei de Newton para corpos sem aceleração.

A dinâmica dos fluidos ou Hidrodinâmica estuda os fluidos em movimento e se fundamenta principalmente na segunda lei de Newton para corpos com aceleração.

Para entendermos melhor a mecânica do fluido, vamos começar por entender o seu objecto de estudo.
- 1.1. Fluído -
De certeza que todos nós já vimos, mexemos e usamos um fluído. No nosso corpo temos muitos fluídos. Então, o que é um fluido?

Definição 1 Fluído é uma substância que não resiste a tensão de cisalhamento.

Fluidos é o nome que se dá a categoria de substâncias tais como os líquidos, os gases, os plasmas e, de certa maneira, os sólidos plásticos. A sua principal característica está relacionada a propriedade de não resistir a deformação e apresentam a capacidade de fluir, ou seja, possuem a habilidade de tomar a forma de seus recipientes.

Segundo [3], podemos ainda definir um fluido da seguinte forma:

Definição 2 Fluidos são substâncias que se deformam continuamente quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, não importando quão pequena possa ser esta "tensão".

Parece que a definição é muito complexa, mas não. A chave está em percebermos o que uma tensão de cisalhamento.

Uma força de cisalhamento é a componente tangencial da força que age sobre a superfície. Quando dividida pela área da superfície, dá origem à tensão média de cisalhamento. Pode-se dizer assim que a tensão de cisalhamento em um ponto é o valor limite da razão entre a força de cisalhamento e a área, quando esta tende a um ponto. [3]

Onde: é a tensão de cisalhamento, é o módulo da força tangencia e é o valor da área.

Isto significa que num fluido, a mínima força aplicada tangecialmente a uma superfície é capaz de movimentar este fluido, desde que não haja forças que se oponha a este movimento. Esta característica dá ao fluido a capacidade de fluir, por acção de qualquer força. Esta propriedade é proveniente da sua incapacidade de suportar uma tensão de cisalhamento em equilíbrio estático.

Se o fluido permanece estático não existirão forças de cisalhamento atuando. Todas as forças devem ser perpendiculares ao plano que atuam.[1]

Figura 2: Força de cisalhamento.[2]

Figura 3: Estados de agregação básicos e suas características.[2]

Para entendermos a diferença entre sólidos e fluidos, vejamos a figura 4.

Figura 4: Força de cisalhamento num fluido em forma de paralelepípedo. [1]

Quando aplicamos uma força tangencial, como a força da figura 4, à um sólido, três coisas podem acontecer: ou todas as partes do sólido movimenta com mesma velocidade, ou o sólido se mantém em repouso, devido ao atrito, ou o sólido parte-se e uma parte movimenta-se e outra não. Quando a mesma força actua sobre um fluido, o angulo de deformação aumenta, e as diversas camadas do fluido se movimenta com velocidades diferentes conforme indicado na figura, e o fluido escoa.

Os fluidos são formados por moléculas em constante movimento e com ocorrência de colisões entre elas. Na teoria cinética dos gases e na Mecânica Estatística realiza-se a análise dos fluidos considerando a acção de cada molécula ou grupos de moléculas. Nas aplicações de engenharia se estudam as manifestações médias mensuráveis de um conjunto de moléculas. Desta forma, consideram-se os fluidos como sendo formados por pequenas partículas, cada uma contendo muitas moléculas. Trata-se o fluido como um meio contínuo composto de partículas fluidas que interagem entre si e com o meio.

Na Mecânica dos Fluidos estuda-se o movimento das partículas de fluido e não o movimento das moléculas do fluido.

Neste sentido, os parâmetros usados para descrever um sólido já são, em alguns casos, inconvenientes para aplicar a fluidos. Parâmetros como massa, força, etc, têm de ser descritos de outra forma. Isso deve-se ao facto de o fluido poder mudar a forma de organização das moléculas ao longo do tempo, bem como por haver um contínuo movimento das suas moléculas. Analisando o movimento de um mesmo fluido, um certo volume do fluido pode ter diferentes massas, dependendo de outros parâmetros do mesmo. Acontece algo parecido ao aplicarmos uma força.
- 1.1.1. Massa Específica ou Densidade -
A massa especifica de um fluido qualquer é a razão entre a massa contida num volume infinitesimal deste fluido pelo valor deste volume infinitesimal, ou seja:

Se considerarmos que a massa específica de um fluido é igual em todos os pontos, então poderemos escrever:

Onde: é a massa da amostra e é o seu volume. A densidade relativa de uma substância é a razão entre a densidade desta substância e a densidade da água:

Nota: é adimensional.

Massa específica de algumas substâncias:

Vale recordar que a massa especifica (densidade) dos sólidos e dos líquidos sofre pequenas variações com a temperatura. Já a massa específica dos gases sofre maior variação com a temperatura devido à dilatação térmica que é maior nos gases do que nos líquidos (em geral).
- 1.1.2. Pressão -
Quando aplicamos uma força perpendicularmente a uma superfície, esta força é distribuída em toda a área da superfície em questão. A força por unidade de área é definida como pressão. Por definição a pressão é:

ou

Se a força for constante e distribuída uniformemente em toda a superfície, e aplicada em uma superfície plana de área , então poderemos dizer que:

As observações experimentais permitiram ver que a pressão exercida por um sistema sobre o outro é sempre a mesma, independentemente da direcção em que esta é medida, o que levou-nos a concluir que a pressão é uma grandeza escalar. O seu efeito é independente da direcção e do sentido em que a força é aplicada. Por exemplo: uma força de aplicada perpendicularmente a superfície de um êmbolo vertical transmite a este fluido a mesma pressão que uma força de aplicada perpendicularmente por um êmbolo horizontal ou oblíquo. Quando aplicamos uma força obliquamente, esta força terá duas componentes: a componente tangencial, que origina a tensão de cisalhamento e a força normal que origina a pressão.

Figura 5: Força aplicada obliquamente.[2]

Portanto, a pressão será criada pela componente normal ( )da força aplicada. A unidade SI é também conhecida pelo nome PASCAL, abreviando-se .

Outras unidades utilizadas:

Libras força por polegada quadrada

Atmosfera técnica métrica

Milímetros de mercúrio

As unidades e o surgiram das experiências realizadas por TORRICELLI (físico italiano), para medir a pressão atmosférica.[2]

O valor da pressão de um fluído, principalmente nos gases, pode ser influenciado pela temperatura, mas estes casos serão analisados com mais profundidade em termodinâmica.
- 1.1.3. Viscosidade -
É óbvio que ( ) de ferro pesa mais que de água.

Agora pensemos: Entre a água e o óleo, qual é mais a mais densa (mais pesado em iguais circunstâncias de volume)? Reformulando. Tens um litro de água e um litro de óleo. Qual pesa mais?

Esta pergunta parece simples, mas a sua resposta vai contrariar a ideia de muitos. É óbvio que um litro de água pesa mais, por ser mais densa. Lembra-te que ao colocares a água e o óleo num recipiente, a água fica por baixo e o óleo por cima. O parâmetro que origina o engano de pensar que o óleo é mais denso que a água é a viscosidade. O óleo é mais "Viscoso", ou se quisermos, pegajoso do que a água, mas a água é mais densa do que o óleo. A Viscosidade é a propriedade de um fluido, devido à coesão e interação entre moléculas, que oferece resistência para deformação de cisalhamento. Fluidos diferentes deformam com valores diferentes para uma mesma tensão de cisalhamento. Fluidos com uma alta viscosidade, deformam mais lentamente que fluidos com uma viscosidade baixa.

Se imaginarmos o escoamento do fluido como um conjunto de camadas horizontais de fluido que deslizam uma sobre a outra, então a viscosidade vai representar o atrito entre estas camadas.[1]

A viscosidade dinâmica, , é definida como a força de cisalhamento, por unidade de área, (ou tensão de cisalhamento ), requerido para arrastar uma camada de fluido com velocidade unitária para outra camada afastada a uma distância unitária.

A Viscosidade cinemática, , é definida como a relação entre a viscosidade dinâmica e a massa específica.

As moléculas de líquidos e gases são mantidas na sua posição unidas por uma coesão molecular. Nos líquidos, as moléculas estão muito próximas e as forças moleculares são grandes afetando diretamente a resistência ao escoamento. Nos gases as moléculas estão muito mais espaçadas e estas forças moleculares são desprezíveis. Neste caso a resistência ao movimento deve-se a trocas de quantidade de movimento entre camadas adjacentes de fluido.

Viscosidade nos gases - Quando as camadas adjacentes movem-se existe uma troca contínua de moléculas. As moléculas de uma camada mais lenta movem-se para camadas mais rápidas causando um arrasto. Desta forma quando as moléculas movem-se exercem uma força que aceleram as partículas arrastadas. Se a temperatura de um gás aumenta, a sua atividade molecular aumenta e também sua quantidade de movimento. Isto provoca um aumento da troca entre camadas de fluidos. Desta forma aumenta a sua viscosidade dinâmica. [1]

A viscosidade também muda com a pressão - mas sob condições normais esta mudança é desprezível nos gases.

Viscosidade nos Líquidos - O espaçamento entre moléculas de líquido é pequeno (comparadas com gases) e as forças coesivas entre moléculas é grande. Esta coesão joga um importante papel na viscosidade de líquidos já que existe uma troca molecular entre camadas adjacentes de fluido no escoamento. Se aumentamos a temperatura de um líquido reduzimos as forças coesivas e aumentamos o intercâmbio molecular. Reduzindo as forças coesivas reduzimos a resistência ao movimento. A viscosidade dinâmica é um indicativo desta resistência, verificando-se uma redução da viscosidade dinâmica ( ) com o aumento da temperatura.

Figura 6: Variação da Viscosidade com a temperatura(neste gráfico, representa a viscosidade dinámica).[1]
- 1.1.4. Diferenças entre Líquidos e Gases -
Apesar dos líquidos e gases serem classificados como fluidos, há algumas diferenças entre eles que podemos destacar.

Uma primeira diferença é que os gases, por serem expansíveis, ocupam o volume total dentro de um recipiente, qualquer que seja sua capacidade(volume), já quando colocamos um certo volume de líquido num vaso de maior capacidade, ele ocupará somente uma parte do vaso, igual ao seu próprio volume. O gás não tem volume próprio, mas o líquido tem. Como consequência, podemos encerrar, num mesmo recipiente de 1 litro preenchido com um gás ,uma quantidade muito maior de gás do que a quantidade que ele já tinha. Nos líquidos isso não ocorre.

Uma diferença muito importante entre líquido e gás é a imiscibilidade. Os líquidos, como já vimos, nem sempre são miscíveis entre si, como no caso do óleo e da água, visto anteriormente. Os gases, ao contrário, sempre se misturam homogeneamente entre si. Um exemplo típico é o ar atmosférico, constituído de nitrogénio, oxigénio e outros gases em menor proporção.[2]

Há ainda muitas outras diferenças entre fluido líquido e fluido gasoso, que vamos percebendo a medida que estudamos a Mecânica dos Fluidos.
- 1.2. Tipos de Fluidos -
Até mesmo fluidos que são aceites como tais podem ter grandes diferenças de comportamento quando submetidos a tensões de cisalhamento. Fluidos que obedecem a Lei de Newton, onde o valor de é constante são conhecidos como fluidos newtonianos. Se é constante a tensão é linearmente dependente do gradiente de velocidade. Isto é verdadeiro para a maioria dos fluidos. Os fluidos em que o valor de não é constante são conhecidos como fluidos não-newtonianos. Há várias categorias destes, sendo apresentados brevemente abaixo. Essas categorias são baseadas nas relações entre a tensão e o gradiente de velocidade (variação da tensão de cisalhamento) no fluido. Tais relações podem ser vistas no gráfico abaixo para várias categorias de fluidos.

Figura 7:Tensão de cisalhamento em função da taxa de deformação.[1]

Cada uma das linhas pode ser representada pela equação:

onde A e B e n são constantes. Para fluidos newtonianos e

Como fluidos não-newtonianos independentes do tempo temos os seguintes:

Plásticos: A tensão aplicada deve atingir certo valor mínimo antes de iniciar o escoamento. Um exemplo típico é a pasta de dentes que não flui para o exterior até apertar o tubo e superar certo esforço (nestes fluidos , ).

Plástico tipo Bingham: Tal como o plástico (n=1) deve atingir a tensão um valor mínimo. Como exemplo: chocolate, mostarda, ketchup, maionese, tintas, asfalto, sedimentos de águas residuais.

Pseudoplásticos: Não é necessária uma tensão mínima para se dar o escoamento. A viscosidade diminui com o aumento da taxa de tensão. Exemplos: plasma sanguíneo, polietileno fundido, soluções polímeras e polpa de papel em água. . São também conhecidos como não dilatantes.

Fluidos Dilatantes; A viscosidade aumenta com a taxa de deformação . No gráfico a tensão de corte se encontra por baixo da tensão de corte dos fluidos newtonianos. Inicia com uma inclinação baixa o que indica baixa viscosidade aparente. Por exemplo, temos suspensões de amido e de areia.

Fluidos Tixotrópicos: Existem também fluidos não-newtonianos dependentes do tempo, os quais são complicados de analisar e denominados fluidos tixotrópicos, nestes o gradiente de velocidade varia com o tempo. Exemplo: a tinta de impressão, o nylon, a massa de farinha e várias soluções de polímeros.

Também em Mecânica dos Fluidos lidamos com o caso de fluidos que não são reais, conhecidos como fluidos ideais. Um fluido ideal é aquele que não tem nenhuma viscosidade. Trata-se de um conceito útil nas soluções teóricas para as posteriores soluções reais. No gráfico dado na figura 7, a curva sobre o eixo dos x representaria aos fluidos ideais, isso é com viscosidade nula . No caso de um sólido real seria representando na figura sofrendo uma mínima deformação, e dentro do limite de proporcionalidade (lei de Hooke). A curva é uma linha reta quase vertical passando pela origem.
- Referências Bibliográficas -
[1] Jorge A. V illar Alé. MECÂNICA DOS FLUIDOS:CURSO BÁSICO, [2011].

[2] Luiz F. F. Carvalho. CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA - FÍSICA APLICADA: MECÂNICA DOS FLUIDOS, Curitiba, [2002].

[3] Daniel Fonseca de Carvalho & Leonardo Duarte Batista da Silva. FUNDAMENTOS DE HIDRÁULICA, [2008].

[4] J. Gabriel F. Simões. MECÂNICA DOS FLUIDOS: NOTAS DAS AULAS, [2008].

[5] Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues. MECÂNICA DOS FLUIDOS : NOTAS DAS AULAS, (2010)

[6] Halliday & Resnick. FUNDAMENTOS DE FÍSICA, VOL. 2 (2008)

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1. Introdução - A Mecânica dos Fluídos é uma parte da Física que, por vezes aparece como uma ciência autónoma, mas por vezes é ligada à Mecânica ou mesmo à Termodinâmica. O seu objecto de estudo são os fluidos (que podem ser líquidos ou gases) e suas interacções, e é a base fundamental...

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Fenômenos de transporte]: Propriedades dos fluidos

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A expressão fenômenos de transporte (mais raramente, fenômenos de transferência) refere-se ao estudo sistemático e unificado da transferência de quantidade de movimento, energia e matéria. O assunto inclui as disciplinas de dinâmica dos fluidos, transferência de calor e transferência de massa. A primeira trata do transporte da quantidade de ..

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