Questões de Concurso sobre Fenômenos de Transporte: Mecânica dos Fluidos, Transferência de Calor e Transferência de Massa

O tubo de Venturi é um equipamento utilizado para a medição da velocidade e vazão de um fluido por meio da diferença de pressão entre dois pontos com áreas de seção transversal diferentes. Com base nos princípios de operação desse equipamento no desenho esquemático apresentado e considerando que o fluido escoando seja incompressível, analise as afirmativas a seguir.

Dados:

Equação de Bernoulli

$P_1+\frac{\rho V_1{}^2}{2}+\rho g{z}_1=P_2\frac{\rho V_2{}^2}{2}+\rho g{z}_2$

$P:$ pressão

$\rho :$ densidade do fluido

$V:$ velocidade do fluido

$G:$ aceleração da gravidade

$Z:$ altura (desnível) do fluido

I. A velocidade do fluido na seção 2, em estado estacionário, é menor do que em 1, pois, pela conservação de massa, o fluido desacelera devido ao estreitamento da seção transversal.

II. Aplicando-se a equação de Bernoulli no eixo central de escoamento, verifica-se que o valor da pressão na seção 2 é menor do que o da seção 1 (P₂ < P₁).

III. Se o escoamento estiver em regime permanente, as vazões mássicas nas seções 1 e 2 serão iguais $(\dot{m_1}=\dot{m_2})$, independentemente da velocidade do fluido.

Estão corretas as afirmativas

O conceito de raio crítico é fundamental para o projeto adequado de sistema de isolamentos radiais, como no isolamento de cabos de rede elétrica. Ele representa certa espessura de isolante em que a resistência à transferência de calor é minimizada. Uma representação esquemática desse sistema pode ser vista na figura a seguir, em que um cabo de cobre, de raio r_i , é recoberto por um isolante, totalizando um raio total de r. A temperatura na interface entre o cabo e o isolante é T_i . Na região externa ao cabo, é passada uma corrente de ar com temperatura T$\infty$ e coeficiente convectivo h.

BERGMAN, Theodore L.; LAVINE, Adrienne S. Incropera: fundamentos de transferência de calor e de massa. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2019 (adaptado).

De acordo com o modelo de resistências térmicas em um sistema composto, como o apresentando na figura anterior, a transferência de calor total por metro de cabo é:

$q^{\prime }=\frac{T\infty -T_i}{R_t^{\prime }}$

em que q’ é a taxa de transferência de calor e R_’t é a resistência total de transferência de calor pelo sistema, considerando a resistência por condução no isolante e a resistência por convecção na superfície do isolante. O gráfico representado na figura apresenta exatamente como o valor de R_’t varia com a espessura do isolante (r – r_i).

Sobre esse sistema e o comportamento do gráfico, assinale a alternativa correta.

Qual o valor da altura h, em cm, que a água alcançará no tubo de Pitot?

Em condições de temperatura constante, o volume ocupado por um gás ideal nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) é inversamente proporcional à pressão a que ele está submetido.

É possível determinar a massa molar de um gás apolar conhecendo-se apenas o volume ocupado por ele e a sua temperatura.

Um reservatório de óleo, em forma de cilindro com diâmetro de 4 m e altura 8 m, está 2/3 cheio e precisa ser esvaziado. Para realizar o serviço, o gerente decidiu realizar a operação utilizando uma bomba com capacidade de 6 litros por segundo. Assinale a alternativa correta em relação ao tempo, em minuto, que a operação será executada.

Uma mangueira com 2 cm de diâmetro enche com água um balde de 20 litros em 1 min. Após encher o balde o operador da mangueira tampa parcialmente o bico da mangueira com o dedo para esguichar água em um amigo, deixando uma abertura de apenas 5 mm. Qual a velocidade de saída do jato durante a brincadeira com o amigo.

A geração de energia a partir do lixo de aterro sanitário é uma alternativa interessante para minimizar os impactos ambientais e reduzir a dependência de combustíveis fósseis. O ciclo Rankine é uma tecnologia que pode ser utilizada nesse processo, permitindo aproveitar o lixo para produzir vapor e gerar eletricidade. Nesse contexto, qual é a relação entre a temperatura do fluido de trabalho e a eficiência do ciclo Rankine?

Em um escoamento incompressível, o coeficiente de arraste (CD) depende do número de Reynolds (Re) e da geometria de um corpo. Uma forma geométrica simples que ilustra a dependência do arraste com o número de Reynolds é o cilindro circular. O escoamento invíscido em torno de um cilindro, naturalmente, não produziu nenhum arraste, uma vez que não existiu nenhum atrito nem arraste devido à pressão. A variação no coeficiente de arraste com o número de Reynolds para um cilindro liso é mostrada na Figura a seguir. O padrão de escoamento em torno do cilindro é ilustrado para diferentes valores de número de Reynolds (Re). O padrão de escoamento e a forma geral da curva sugerem que a variação de arraste, e, consequentemente, os efeitos de tensão cisalhante sobre o escoamento, pode ser subdividida em quatro regimes.

Número de Reynolds = $\frac{\rho \nu D}{\mu }$

Sobre as características de cada regime, analise as assertivas abaixo:

I. Regime 1 – Neste regime, o escoamento inteiro é laminar e o número de Reynolds pequeno, sendo menor do que 1. Podemos dizer que no regime 1 as forças viscosas predominam. O padrão de escoamento nesse caso é quase simétrico; o escoamento adere ao corpo e a esteira está livre de oscilações. Nesse regime de escoamento lento (creeping flow), efeitos viscosos predominam e se estendem por todo o campo de escoamento.

II. Regime 2 – A Figura mostra duas ilustrações do padrão de escoamento no segundo regime. À medida que o número de Reynolds aumenta, pequenos redemoinhos se formam no ponto de estagnação na parte de trás do cilindro. Para valores mais altos de Reynolds, esses redemoinhos crescem até o ponto em que eles se separam do corpo e são varridos a jusante em direção à esteira. O padrão dos redemoinhos no regime 2 é chamado de vórtice de von Kármán. Essa mudança na característica da esteira de uma natureza estacionária para não estacionária nunca é acompanhada por uma mudança na inclinação da curva de arraste. As características principais desse regime são a natureza estacionária da esteira e a separação do escoamento do corpo.

III. Regime 3 – No terceiro regime, a esteira não é mais caracterizada por grandes redemoinhos, embora ela permaneça não estacionária. O escoamento na superfície do corpo a partir do ponto de estagnação ao ponto de separação é laminar e a tensão cisalhante nesse intervalo é apreciável somente em uma fina camada próxima ao corpo. O coeficiente de arraste tende a atingir um valor constante de aproximadamente 1.

IV. Regime 4 – Em um número de Reynolds próximo de 5 × 10⁵ , o coeficiente de arraste repentinamente diminui para 0,3.

Qual assertiva traz FALSA análise das características do regime apresentado?

A equação de Bernoulli é uma forma simplificada de representar o balanço de energia para um sistema em escoamento, em que são consideradas somente as energias de pressão, cinética e potencial gravitacional.

$\frac{p}{\rho }+\frac{u^2}{2}+gz=$ constante

P: pressão

ρ: densidade do fluido

u: velocidade linear do fluido

g: aceleração da gravidade

z: altura do ponto em questão

ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA, John M. Mecânica dos fluidos. 3. ed. Porto Alegre: AMGH, 2015.

Um dos possíveis usos da equação de Bernoulli, na forma apresentada, é para o cálculo da velocidade de escoamento de um fluido a partir de um reservatório. No entanto, como a equação apresentada não contempla perda de carga, há uma diferença entre os valores de velocidade real e a calculada por essa equação.

Considerando-se o cálculo da velocidade de escoamento utilizando a equação de Bernoulli, em qual das situações a seguir será observado um aumento na diferença entre as velocidades calculada e a real?

Um sistema é composto de um reservatório contendo água (massa específica = 1.000kg/m³) e de um tubo em “U” que se encontra totalmente cheio. A curvatura do tubo está 1m acima da superfície da água e 5m acima da extremidade de saída do tubo, de acordo com a figura abaixo. Com base nas informações e assumindo como 10m/s² o valor da aceleração gravitacional, qual a velocidade do jato na extremidade de saída do tubo?

A respeito das experiências de Reynolds, quanto aos comportamentos dos líquidos, assinalar a alternativa CORRETA:

Uma cidade despeja esgoto doméstico em um rio. A montante do despejo, a vazão do rio é 150 x 10³ m³/dia com uma DBO de 15 mg/L. A jusante, a vazão do rio passa para 200 x 10³ m³/dia enquanto a DBO atinge 95 mg/L. Assinale a alternativa que representa, respectivamente, a concentração (ppm) e a carga de esgoto (g/dia) lançada no rio.

Uma parede plana de vidro, com 6,00 mm de espessura; 2,00 m de comprimento; e, 3,00 m de altura, é parte de uma sala. Observou-se, em determinado instante de um dia de inverno, que a temperatura em um local externo a esta sala e próximo da parede de vidro era de –10° C, enquanto que a temperatura no interior dela era de 20° C. Neste dia, o projetista desta parede sugeriu cobri-la totalmente com um papel de 1,00 mm de espessura, objetivando diminuir a perda de calor por condução. Sabendo-se que a condutividade térmica do vidro é de 0,8 W/(m . K) e do papel é 0,05 W/(m . K), caso a sugestão do projetista seja aceita, assinale a alternativa que mostra, aproximadamente, quantas vezes a taxa de transferência de calor por condução através da parede de vidro é maior que a taxa de transferência de calor por condução através desta parede após colocar o papel.

(Considerações: 1. meio com propriedades constantes; 2. condução térmica unidimensional; 3. não há geração de calor na parede; 4. estado estacionário; 5. supor que as temperaturas das superfícies da parede sejam as temperaturas externas e internas dadas.)

Quanto aos mecanismos de transferência de calor, analise as assertivas abaixo:

I. Um bom condutor térmico possui alto valor k.

II. A transferência de calor por convecção ocorre em todos os meios.

III. A radiação térmica emite energia na forma de ondas eletromagnéticas em que a constante σ=5,6703x10^-8W/m²K⁴ é chamada de constante de Stefan-Boltzmann.

Quais estão corretas?

Os fluidos não newtonianos independentes do tempo são aqueles cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. Dentro dessa classe, destacam-se:

I. Os pseudoplásticos que, em repouso, apresentam suas moléculas em um estado de desordenamento e que, quando submetidos a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada.

II. Os fluidos dilatantes, como o melaço de cana, que são substâncias que não apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de cisalhamento.

III. Os Plásticos de Bingham, que não apresentam relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação.

IV. Os fluidos Herschel-Bulkley, que possuem relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação não linear.

Quais estão corretas?

Uma usina de energia térmica utiliza um ciclo de Rankine para converter calor em eletricidade. A água é aquecida à alta temperatura e à alta pressão em uma caldeira, como resultado a água vaporiza e aciona uma turbina que gera eletricidade. O vapor é, então, condensado e recirculado para a caldeira.

Admitindo-se o uso do ciclo de Rankine para converter calor em eletricidade, constata-se que a(o)

Em uma planta industrial está sendo projetado um sistema de trocadores de calor para resfriar um fluido quente a 180°C antes de descarregá-lo no ambiente. O engenheiro responsável tem a opção de escolher entre dois tipos de trocadores de calor: um trocador de calor de casco e tubos e um trocador de calor de placas.

Sobre os limites termodinâmicos desses dois tipos de trocadores de calor, constata-se que o trocador de calor de

Qual a pressão manométrica, em Pa, no ponto A indicado na Figura 1?

Nos trocadores de calor com tubos concêntricos e configuração paralela, os fluidos quente e frio entram pela mesma extremidade.