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Referência : Lima, L.S., (2015) Propriedades intensivas e Propriedades extensivas, Rev. Ciência Elem., V3(4):240
Autor: Luis Spencer Lima
Editor:
Jorge Gonçalves
DOI: [//doi.org/10.24927/rce2015.240]
As propriedades intensivas são propriedades físicas que não dependem da extensão do sistema, isto é, são independentes do tamanho ou da quantidade de matéria de um dado sistema. Já as propriedades extensivas, tal como o nome indica, dependem da extensão do sistema, isto é, variam de forma proporcional com o tamanho ou a quantidade de matéria existente num dado sistema.
A seguir são apresentados alguns exemplos de propriedades intensivas e extensivas, com os respectivos símbolos e unidades SI entre parênteses:
- Propriedades extensivas: massa (m em kg), volume (V em m3), quantidade de substância (n em mol), energia interna (U em J), entalpia (H em J), entropia (S em J/K), capacidade calorífica (Cp ou CV em J/K), energia de Gibbs (G em J).
Quando se exprime uma propriedade extensiva em função de outra propriedade extensiva, obtém-se uma propriedade intensiva. Por exemplo, quando se exprimem as propriedades termodinâmicas entalpia ou entropia em função da quantidade de substância, obtêm-se as respectivas propriedades intensivas entalpia molar e entropia molar, com unidades SI de J
Da mesma forma, se a entalpia ou a entropia, por exemplo, forem expressas em função da massa do sistema, obtêm-se as propriedades intensivas entalpia e entropia específicas com unidades SI de J
Criada em 27 de Fevereiro de 2010
Revista em 14 de Julho de 2010
Aceite pelo editor em 13 de Setembro de 2010
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Fenômenos de Transporte I Prof. Carlos Ruberto Fragoso Jr. 1. Fundamentos de Cinemática dos Fluidos 1.1 Definições Escoamento – é a deformação contínua de um fluido que sofre a ação de uma força tangencial, por menor que ela seja. Cinemática dos Fluidos – descreve o escoamento dos fluidos sem se preocupar com as forças que originam estes movimentos. A análise desta forças é deixada para a dinâmica. Para isso, organiza informação sobre a posição, o deslocamento, o espaço percorrido, a velocidade, a rapidez e a aceleração dos corpos. Cinemática (do grego: cinemática = movimento). gravitacional campo ou volumétricas centrífugo Tipos de Forças normais (compressão) contato ou superficiais tangenciais (cisalhamento) Esforços dos fluidos Fluido em repouso – atuam somente as forças de campo. Fluido em movimento – atuam as forças de campo, normais e também forças de cisalhamento. 1.2 Regimes de escoamento a) Escoamento laminar: As camadas de fluido deslizam umas sobre as outras (lâminas); não há mistura macroscópica de fluido. A velocidade do escoamento em um determinado ponto não varia com o tempo. Ocorre quando o fluido escoa em baixas velocidades em um tubo com diâmetro pequeno. b) Escoamento turbulento: Aparecimento de turbilhões no seio do fluido, provocando a mistura. A velocidade num ponto oscila com o tempo ao redor de um valor médio. 1.3 Experiência de Reynolds (1883) Por meio deste experimento Reynolds pode evidenciar a diferença qualitativa entre o escoamento laminar e turbulento. O experimento consistia em introduzir um fio de líquido colorido no centro de um tubo através do qual o mesmo líquido, sem corante, escoava com uma velocidade controlada. A baixas velocidades de escoamento, o fio de líquido colorido permanecia reto e contínuo pelo comprimento do tubo e quando certa velocidade crítica era atingida, a linha colorida era violentamente agitada e sua continuidade destruída por curvas e vórtices, revelando assim fluxo turbulento. 1.4 Número de Reynolds Quando a velocidade de um fluido que escoa em um tubo excede certo valor crítico, o regime de escoamento passa de laminar para turbulento, exceto em uma camada extremamente fina junto à parede do tubo, chamada camada limite, onde o escoamento permanece laminar. Além da camada limite, onde o escoamento é turbulento, o movimento do fluido é altamente irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento na resistência ao escoamento. O regime de escoamento, se laminar ou turbulento, é determinado pela seguinte quantidade adimensional, chamada número de Reynolds: uD uD Forças InerciaisRe Forças Vis cos as ρ= = =μ ν (1) Verifica-se experimentalmente que o escoamento de um fluido em um tubo circular é: • Laminar se Re < 2100. • Turbulento se Re > 4000. • Instável, mudando de um regime para outro se 2100 < Re < 4000 (região de transição). 1.5 Propriedades Intensivas e Extensivas Grandeza intensiva é qualquer grandeza associada a uma substância que seja independente da sua massa. Pode-se citar como grandeza intensiva a velocidade e a temperatura. Consequentemente grandeza extensiva é aquela que depende da massa da substância (i.e. do tamanho do sistema). Como exemplos citam-se a massa e o volume da substância. Toda a grandeza extensiva tem uma intensiva a ela associada, denominada grandeza específica, que pode ser obtida dividindo-se a grandeza pela massa da substância, como exemplificado a seguir para uma propriedade N qualquer. η = dN dm ou propriedade extensivapropriedade intensiva m = (2) A próxima tabela exemplifica algumas grandezas extensivas usuais em fenômenos de transporte e correspondentes intensivas. Tabela 1.0 – Exemplos de grandezas extensivas e correspondentes grandezas intensivas. Extensivas Intensivas Massa m 1 Quantidade de movimento um Velocidade u Volume V Volume específico v Energia E Energia específica e Energia interna U Energia interna específica u Energia cinética ½ m u2 Energia cinética específica ½ u2 Energia potencial mgz Energia potencial específica gz 1.6 Sistema É uma quantidade de matéria de massa e identidade fixa, que escolhemos como objeto de estudo. Esta quantidade de matéria está contida por uma fronteira através da qual não há fluxo de massa. Apenas energia (calor e trabalho) flui através da fronteira. Exemplo: Sistema 1.7 Volume de Controle É uma determinada região delimitada por uma fronteira onde uma determinada quantidade de matéria é observada. A fronteira desta região pode ser atravessada por massa, calor, trabalho ou outras formas de energia. Estuda-se a variação da massa e da energia da substância ao atravessar esta região. Exemplo: Volume de Controle 1.8 Regime permanente (estacionário) e transiente No escoamento permanente, as propriedades e características do fluxo são independentes do tempo. Isto significa que não existem mudanças nas propriedades deste fluxo em um determinado ponto com o decorrer do tempo, mas pode ter mudanças espaciais (de um ponto com relação ao outro). 1.9 Descrição Lagrangeana (sistema) e Euleriana (volume de controle) Estes dois tipos de descrição permitem analisar problemas em mecânica dos fluidos de duas formas diferentes: 1) Descrição Lagrangeana (sistema) consiste em identificar certas partículas do fluido e a partir daí observar variações de propriedades tais como temperatura; velocidade; pressão; etc. ao longo do tempo, ou seja, necessita-se conhecer as propriedades das partículas à medida que estas se deslocam no espaço com o passar do tempo. Isto dificulta consideravelmente o estudo do escoamento. A outra forma, a Euleriana, apresenta vantagens por oferecer maior simplicidade com precisão satisfatória. (No método de Lagrange a medida deve acompanhar o escoamento – ex. balão de sondagem atmosférica). 2) A descrição Euleriana (volume de controle) é a mais apropriada para se estudar as propriedades do fluido em escoamento. Este método consiste em fixar-se o tempo e observar as propriedades do fluido em vários pontos pré-estabelecidos podendo-se assim obter uma “visão” do comportamento do escoamento naquele instante. Repetindo-se este procedimento para alguns instantes diferentes pode-se ter um entendimento do comportamento do escoamento ao longo do tempo. (No método de Euler, escolhe-se um volume de controle, que é fixo no espaço, o qual é atravessado pelo escoamento. Neste método, o equacionamento é aplicado nas entradas e nas saídas). 2. Balanços Globais e Diferenciais Para se estudar um escoamento deve-se identificar algumas informações relativas ao processo e fundamentar a técnica a ser utilizada para a sua análise. As abordagens de análise são baseadas na descrição lagrangeana (diferencial) e euleriana (global), assim: Balanços Globais: • o volume de controle delimita uma caixa preta; • as equações de balanço são aplicadas através da envoltória do volume de controle; • o volume de controle pode incluir paredes sólidas, e • não fornece informações sobre o comportamento ponto a ponto do sistema, apenas valores globais (ou seja, entradas e saídas). Balanços Diferenciais: • o elemento de volume é infinitesimal; está dentro da caixa preta; • permite ao observador “observar” variações das grandezas no interior do volume de controle; • o balanço é aplicado geralmente sobre uma única fase, e • o balanço é integrado até os limites da fase com o auxílio de condições de contorno para encontrar a solução particular do problema. 2.1 Equações básicas na forma integral para um
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