para Estudantes de Engenharia
C0095.indd
ii
10/11/14
12:46 PM
para Estudantes de Engenharia
MARCIUS F. GIORGETTI
© 2015, Elsevier Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei n o 9.610, de 19/02/1998. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escr ito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros. Copidesque: Ivone Teixeira Revisão Gráfica: Bárbara Miguel Alves Editoração Eletrônica: Thomson Digital
Elsevier Editora Ltda. Conhecimento sem Fronteiras Rua Sete de Setembro, 111 – 16 o andar 20050-006 – Centro – Rio de Janeiro – RJ – Brasil Rua Quintana, 753 – 8o andar 04569-011 – Brooklin – São Paulo – SP – Brasil Serviço de Atendimento ao Cliente 0800-0265340
[email protected] ISBN 978-85-352-7165-2 ISBN (versão eletrônica) 978-85-352-7166-9
Nota: Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor ass umem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso desta publicação.
CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ G422f Giorgetti, Marcus Fantozzi Fundamentos de fenômenos dos transportes: para alunos e engenharia / Marcus Fantozzi Giorgetti. - 1. ed. - Rio de Janeiro : Elsevier, 2015. 24 cm. ISBN 978-85-352-7165-2 1. Calor - Transmissão. 2. Massa - Transferência. 3. Termodinâmica. I. Título. 14-16421
CDD: 621.4022 CDU: 624.43.016
C0100.indd
iv
11/11/14
12:50 AM
DEDICATÓRIA
Marília, minha esposa, dedicou-se, no ano passado, à chácara que tem sido seu sonho, seu projeto e sua obra aos nossos netos queridos, Giovanni e Bianca. Faço o mesmo aqui com este sonho/projeto/obra, esperando que eles, um dia, gostem de Fenômenos de Transporte tanto quanto gostam da Chácara Giovanca. Como estudante, e depois como docente, eu tive a grande sorte de conviver com mestres extraordinários. Foram muitos, mas quero registrar os nomes de dois deles, os que mais me influenciaram positiva e decididamente: o do professor Mário Tolentino e o do professor Ruy Carlos de Camargo Vieira. A eles, meu reconhecimento e minha gratidão.
v
C0105.indd
v
10/11/14
9:55 AM
C0105.indd
vi
10/11/14
9:55 AM
PREFÁCIO
O material aqui apresentado é o resultado de muitos anos de experiência no ensino da disciplina Fenômenos de Transporte em diversas escolas do país. Foram (e são) escolas com os mais diversos perfis: estão incluídas desde grandes universidades oficiais, como a USP, em São Carlos, a Unesp, em Rio Claro, a UFSCar, Universidade Federal de São Carlos, e a Unicamp, até pequenas escolas particulares, como a Fadisc, Faculdades Integradas de São Carlos, em São Carlos. São ainda exemplos a antiga Fundação Municipal de Ensino, de Bauru, precursora da Unesp naquela localidade, e, mais recentemente, a Escola de Engenharia de Piracicaba. Uma última experiência digna de nota foi a disciplina de verão lecionada pelo autor na Universidade de Cincinnati, Ohio, Estados Unidos, Formulation and Solution of Engineering Problems with the Laws of Conservation, em junho-julho de 2003. No Brasil, a matéria Fenômenos de Transporte tem sido ensinada de duas formas diferentes quanto à organização e à sequência do material de ensino. De uma for ma global, conduzindo-se em paralelo à aprendizagem dos princípios similares da Mecânica dos Fluidos (Transporte de Quantidade de Movimento), da Transferência de Calor (Transporte de Energia Térmica) e da Transferência de Massa, ou de forma sequencial, geralmente através de duas disciplinas, Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor e Massa. Adoto, neste texto, a primeira das duas alternativas, embora seja perfeitamente possível usá-lo para o ensino ou para o estudo de Mecânica dos Fluidos e de Transferência de Calor e Massa, escolhendo-se convenientemente a ordem para a abordagem dos assuntos respectivos. Sugestões específicas serão disponibilizadas no site www.p3e.com.br, no setor dedicado ao apoio aos docentes. O texto apresenta grande quantidade de questões para discussão e de exemplos resolvidos. Nos exercícios resolvidos, detalha-se sempre o método de resolução, fornecendo-se ao leitor um modelo para a importante habilidade da resolução de problemas, típica da atividade do engenheiro. Estou convencido de que o domínio do método-técnica-arte da resolução de problemas é tão importante quanto o aprendizado de qualquer matéria do currículo. Portanto, o leitor deve sentir-se estimulado a aprender muito mais do que simplesmente Fenômenos de Transporte ao percorrer, com critério e atenção, o material que se segue. As questões para discussão e os problemas propostos podem (e devem) ser usados para esse propósito. Desejo oferecer aos estudantes que usarem este material de ensino ampla oportunidade para a construção do conhecimento. Para tanto, o site www. vii
C0110.indd
vii
10/11/14
10:00 AM
viii
Prefácio
p3e.com.br contará com uma área específica dedicada ao ensino/aprendizagem de Fenômenos de Transporte. Esse setor deverá ser muito dinâmico (se solicitado) e crescerá como resposta às demandas dos leitores. Cada estudante que adquirir este livro poderá se cadastrar no site para desfrutar do direito ao atendimento gratuito para discussões e esclarecimento de dúvidas. Não deixe de visitar o site e de contribuir com o desenvolvimento do mesmo com suas dúvidas e sugestões.
C0110.indd
viii
10/11/14
10:00 AM
SUMÁRIO Prefácio
1. Introdução aos Fenômenos de Transporte Generalidades Dois tipos de problemas
2. Análise Global de Sistemas e Volumes de Controle Sistemas e volumes de controle Formulação de problemas de fenômenos de transporte Contabilidade, balanço, conservação e leis particulares Análise de situações em regime permanente. Generalidades Análise de problemas em regime permanente. Conservação da massa Balanço de massa em regime permanente. Nota sobre leis particulares Análise de problemas em regime permanente. Conservação da energia. Um caso tão importante que merece destaque Análise de problemas em regime permanente. A equação de Bernoulli e a equação da continuidade Análise de problemas em regime permanente. Conservação da quantidade de movimento Análise de problemas em regime permanente. Conservação da quantidade de movimento e a equação de Bernoulli Nota final sobre a equação de Bernoulli e a equação da conservação da energia
3. Introdução à Análise Pontual ou Diferencial Transporte difusivo: introdução Transporte difusivo: introdução aos processos unidimensionais Transporte difusivo: formulação básica dos processos unidimensionais Transporte difusivo: formulação dos processos unidimensionais de transporte de massa Transporte difusivo: nota sobre o gradiente de uma grandeza escalar Transporte difusivo: nota sobre a semelhança entre as três geometrias analisadas Transporte difusivo: nota sobre a condição de contorno convectiva Transporte difusivo: transferência de quantidade de movimento
4. Escoamentos Laminares e Turbulentos no Interior de Tubulações Introdução: um pouco mais de leitura sobre escoamentos laminares e turbulentos
vii
1 1 3
11 11 12 12 19 20 24 46 60 65 76 84
87 87 88 91 93 104 118 121 127
143 143 ix
C0120.indd
ix
10/11/14
10:15 AM
x
SUMÁRIO
Escoamento laminar no interior de dutos de seção circular: escoamento incompressível, permanente e estabelecido Análise de problemas envolvendo escoamento permanente em tubulação de seção circular Perdas distribuídas e perdas localizadas no escoamento turbulento permanente e estabelecido Curva da energia total, curva piezométrica e curva geométrica Escoamentos em dutos não circulares
5. Características dos Escoamentos Laminares e Turbulentos Introdução Escoamento laminar e turbulento no interior de tubulações Escoamentos laminares e turbulentos não estabelecidos. Camada limite Escoamentos livres Espessura da camada limite fluidodinâmica Camada limite térmica Camada limite de concentração Mecanismo de transporte no escoamento turbulento
6. Correlações Empíricas e Semiempíricas para Parâmetros de Troca de Quantidade de Movimento, Calor e Massa Introdução Estudo de caso: o período do pêndulo simples Revisão da perda de carga ou da perda de pressão generalizada Força de arraste de um escoamento sobre um sólido imerso Convecção forçada no escoamento externo a um sólido imerso Convecção natural ou livre externamente a um sólido imerso Convecção forçada no escoamento turbulento estabelecido no interior de um duto circular Atrito e troca de calor (e de massa) no escoamento forçado ao longo de uma placa plana Transferência de massa
C0120.indd
x
144 161 167 172 179
185 185 185 188 194 196 201 207 209
217 217 225 230 232 242 253 262 285 296
7. Análise Global de Casos em Regime Não Permanente
311
Introdução Resfriamento de um sólido. Contabilidade da energia térmica Nota adicional sobre análise dimensional e semelhança Esvaziamento de um tanque com paredes laterais verticais Mais um exemplo de esvaziamento Pequena recapitulação sobre métodos numéricos Outros exemplos de problemas não permanentes Fechamento
311 311 319 321 325 329 336 355
10/11/14
10:15 AM
SUMÁRIO
8. Perfis Não Uniformes em Regime Permanente Introdução Sistemas contínuos unidimensionais em regime permanente Palavras finais
357 357 386
387
Apêndice A1 Propriedades Físicas da Água à Fressão Atmosférica
389
Apêndice A2 Propriedades Físicas do Ar à Pressão Atmosférica
391
Apêndice A3 Difusividade Mássica em Sistemas Gasosos com Dois Componentes, A e B
393
Apêndice A4 Difusividade mássica em Sistemas Líquidos com Dois Componentes, A (soluto) e B (solvente)
395
Apêndice A5 Propriedades Termodinâmicas do Ar Umido
397
Apêndice A6 Propriedades de Metais
399
Apêndice A7 Materiais Estruturais Resistentes ao Calor e Isolantes
401
Apêndice A8 Ajustagem de Curvas com o Solver do Excel (MS)
403
Apêndice A9 Operações Matriciais no Excel (MS)
407
Apêndice A10 Breve Nota Sobre a Radiação Térmica
411
Posfácio
xi
357
APÊNDICES
A10.1. A10.2. A10.3. A10.4.
C0120.indd
xi
Introdução Noções básicas Exemplos Discussão final
411 411 413 414
415
11/11/14
12:59 AM
C0120.indd
xii
10/11/14
10:15 AM
