Fenômenos de transporte - Transport phenomena
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Em engenharia , física e química , o estudo dos fenômenos de transporte diz respeito à troca de massa , energia , carga , momento e momento angular entre sistemas observados e estudados . Embora extraia campos tão diversos como a mecânica do contínuo e a termodinâmica , ele coloca uma forte ênfase nas semelhanças entre os tópicos cobertos. Massa, quantidade de movimento e transporte de calor compartilham uma estrutura matemática muito semelhante, e os paralelos entre eles são explorados no estudo dos fenômenos de transporte para desenhar conexões matemáticas profundas que muitas vezes fornecem ferramentas muito úteis na análise de um campo que são diretamente derivados de os outros.
A análise fundamental em todos os três subcampos de transferência de massa, calor e momento é freqüentemente baseada no princípio simples de que a soma total das quantidades sendo estudadas deve ser conservada pelo sistema e seu ambiente. Assim, os diferentes fenômenos que levam ao transporte são considerados individualmente, sabendo-se que a soma de suas contribuições deve ser igual a zero. Este princípio é útil para calcular muitas quantidades relevantes. Por exemplo, em mecânica de fluidos, um uso comum de análise de transporte é determinar o perfil de velocidade de um fluido fluindo através de um volume rígido.
Os fenômenos de transporte são onipresentes em todas as disciplinas de engenharia. Alguns dos exemplos mais comuns de análise de transporte em engenharia são vistos nas áreas de engenharia de processo, química, biológica e mecânica, mas o assunto é um componente fundamental do currículo em todas as disciplinas envolvidas de alguma forma com mecânica dos fluidos , transferência de calor e transferência de massa . É agora considerado uma parte da disciplina de engenharia tanto quanto a termodinâmica , a mecânica e o eletromagnetismo .
Os fenômenos de transporte abrangem todos os agentes de mudança física no universo . Além disso, eles são considerados blocos de construção fundamentais que desenvolveram o universo e que são responsáveis pelo sucesso de toda a vida na Terra . No entanto, o escopo aqui é limitado à relação entre fenômenos de transporte e sistemas artificiais de engenharia .
Visão geral
Na física , os fenômenos de transporte são todos processos irreversíveis de natureza estatística decorrentes do movimento contínuo aleatório de moléculas , principalmente observado em fluidos . Cada aspecto dos fenômenos de transporte é baseado em dois conceitos primários: as leis de conservação e as equações constitutivas . As leis de conservação, que no contexto dos fenômenos de transporte são formuladas como equações de continuidade , descrevem como a quantidade em estudo deve ser conservada. As equações constitutivas descrevem como a quantidade em questão responde a vários estímulos via transporte. Exemplos proeminentes incluem a lei da condução de calor de Fourier e as equações de Navier-Stokes , que descrevem, respectivamente, a resposta do fluxo de calor aos gradientes de temperatura e a relação entre o fluxo do fluido e as forças aplicadas ao fluido. Essas equações também demonstram a profunda conexão entre os fenômenos de transporte e a termodinâmica , uma conexão que explica por que os fenômenos de transporte são irreversíveis. Quase todos esses fenômenos físicos envolvem, em última análise, sistemas que buscam seu estado de energia mais baixo, de acordo com o princípio da energia mínima . À medida que se aproximam desse estado, eles tendem a atingir o verdadeiro equilíbrio termodinâmico , ponto em que não há mais nenhuma força motriz no sistema e o transporte cessa. Os vários aspectos desse equilíbrio estão diretamente ligados a um transporte específico: a transferência de calor é a tentativa do sistema de atingir o equilíbrio térmico com seu ambiente, assim como o transporte de massa e momento move o sistema em direção ao equilíbrio químico e mecânico .
Exemplos de processos de transporte incluem condução de calor (transferência de energia), fluxo de fluido (transferência de momento), difusão molecular (transferência de massa), radiação e transferência de carga elétrica em semicondutores.
Os fenômenos de transporte têm ampla aplicação. Por exemplo, na física do estado sólido , o movimento e a interação de elétrons, buracos e fônons são estudados em "fenômenos de transporte". Outro exemplo é a engenharia biomédica , onde alguns fenômenos de transporte de interesse são termorregulação , perfusão e microfluídica . Na engenharia química , os fenômenos de transporte são estudados no projeto de reatores , na análise dos mecanismos de transporte moleculares ou difusivos e na metalurgia .
O transporte de massa, energia e momento pode ser afetado pela presença de fontes externas:
- Um odor se dissipa mais lentamente (e pode se intensificar) quando a fonte do odor permanece presente.
- A taxa de resfriamento de um sólido que está conduzindo calor depende da aplicação de uma fonte de calor.
- A força gravitacional agindo em uma gota de chuva neutraliza a resistência ou arrasto transmitido pelo ar circundante.
Comunalidades entre fenômenos
Um princípio importante no estudo dos fenômenos de transporte é a analogia entre os fenômenos .
Difusão
Existem algumas semelhanças notáveis nas equações de momentum, energia e transferência de massa que podem ser transportadas por difusão , conforme ilustrado pelos seguintes exemplos:
- Massa: a propagação e dissipação de odores no ar é um exemplo de difusão de massa.
- Energia: a condução de calor em um material sólido é um exemplo de difusão de calor .
- Momentum: o arrasto experimentado por uma gota de chuva ao cair na atmosfera é um exemplo de difusão de momentum (a gota de chuva perde impulso para o ar circundante por meio de tensões viscosas e desacelera).
As equações de transferência molecular da lei de Newton para o momento do fluido, da lei de Fourier para o calor e da lei de Fick para a massa são muito semelhantes. Pode-se converter de um coeficiente de transporte em outro para comparar todos os três diferentes fenômenos de transporte.
Quantidade transportada | Fenômeno físico | Equação |
---|---|---|
Momentum |
Viscosidade ( fluido newtoniano ) |
|
Energia |
Condução de calor ( lei de Fourier ) |
|
Massa |
Difusão molecular ( lei de Fick ) |
(As definições dessas fórmulas são fornecidas abaixo).
Um grande esforço tem sido dedicado na literatura para desenvolver analogias entre esses três processos de transporte para transferência turbulenta, de modo a permitir a previsão de um a partir de qualquer outro. A analogia de Reynolds assume que as difusividades turbulentas são todas iguais e que as difusividades moleculares de momento (μ / ρ) e massa (D AB ) são desprezíveis em comparação com as difusividades turbulentas. Quando há presença de líquidos e / ou arrasto, a analogia não é válida. Outras analogias, como as de von Karman e Prandtl , geralmente resultam em relações ruins.
A analogia mais bem-sucedida e mais amplamente usada é a analogia do fator J de Chilton e Colburn . Esta analogia é baseada em dados experimentais para gases e líquidos nos regimes laminar e turbulento. Embora seja baseado em dados experimentais, pode ser demonstrado que satisfaz a solução exata derivada do fluxo laminar sobre uma placa plana. Todas essas informações são usadas para prever a transferência de massa.
Relações recíprocas do Onsager
Em sistemas de fluidos descritos em termos de temperatura , densidade de matéria , e pressão , sabe-se que a temperatura diferenças conduzem a calor flui a partir do aquecedor para as partes mais frias do sistema; da mesma forma, as diferenças de pressão levarão ao fluxo de matéria das regiões de alta pressão para as de baixa pressão (uma "relação recíproca"). O que é notável é a observação de que, quando a pressão e a temperatura variam, as diferenças de temperatura em pressão constante podem causar fluxo de matéria (como na convecção ) e diferenças de pressão em temperatura constante podem causar fluxo de calor. Talvez surpreendentemente, o fluxo de calor por unidade de diferença de pressão e o fluxo de densidade (matéria) por unidade de diferença de temperatura são iguais.
Esta igualdade mostrou-se necessária por Lars Onsager usando a mecânica estatística como consequência da reversibilidade do tempo da dinâmica microscópica. A teoria desenvolvida por Onsager é muito mais geral do que este exemplo e capaz de tratar mais de duas forças termodinâmicas ao mesmo tempo.
Transferência de momentum
Na transferência de momento, o fluido é tratado como uma distribuição contínua de matéria. O estudo da transferência de momento, ou mecânica dos fluidos, pode ser dividido em dois ramos: estática dos fluidos (fluidos em repouso) e dinâmica dos fluidos (fluidos em movimento). Quando um fluido está fluindo na direção x paralela a uma superfície sólida, o fluido tem momento dirigido x e sua concentração é υ x ρ . Por difusão aleatória de moléculas, há uma troca de moléculas na direção z . Conseqüentemente, o momento direcionado a x foi transferido na direção z da camada de movimento mais rápido para a mais lenta. A equação para a transferência de momento é a lei da viscosidade de Newton escrita da seguinte forma:
onde τ zx é o fluxo do momento direcionado por x na direção z, ν é μ / ρ , a difusividade do momento, z é a distância de transporte ou difusão, ρ é a densidade e μ é a viscosidade dinâmica. A lei da viscosidade de Newton é a relação mais simples entre o fluxo de momento e o gradiente de velocidade.
Transferência de massa
Quando um sistema contém dois ou mais componentes cuja concentração varia de ponto a ponto, há uma tendência natural de transferência de massa, minimizando qualquer diferença de concentração dentro do sistema. A transferência de massa em um sistema é governada pela Primeira Lei de Fick : 'O fluxo de difusão da concentração mais alta para a concentração mais baixa é proporcional ao gradiente da concentração da substância e à difusividade da substância no meio.' A transferência de massa pode ocorrer devido a diferentes forças motrizes. Alguns deles são:
- A massa pode ser transferida pela ação de um gradiente de pressão (difusão de pressão)
- A difusão forçada ocorre devido à ação de alguma força externa
- A difusão pode ser causada por gradientes de temperatura (difusão térmica)
- A difusão pode ser causada por diferenças no potencial químico
Isso pode ser comparado à Lei da Difusão de Fick, para uma espécie A em uma mistura binária que consiste em A e B:
onde D é a constante de difusividade.
Transferencia de energia
Todos os processos de engenharia envolvem a transferência de energia. Alguns exemplos são o aquecimento e resfriamento de fluxos de processo, mudanças de fase, destilações, etc. O princípio básico é a primeira lei da termodinâmica, que é expressa da seguinte forma para um sistema estático:
O fluxo líquido de energia através de um sistema é igual à condutividade vezes a taxa de mudança de temperatura em relação à posição.
Para outros sistemas que envolvem fluxo turbulento, geometrias complexas ou condições de contorno difíceis, outra equação seria mais fácil de usar:
onde A é a área da superfície,: é a força motriz da temperatura, Q é o fluxo de calor por unidade de tempo e h é o coeficiente de transferência de calor.
Dentro da transferência de calor, dois tipos de convecção podem ocorrer:
- A convecção forçada pode ocorrer em fluxo laminar e turbulento. Na situação de fluxo laminar em tubos circulares, vários números adimensionais são usados, como número de Nusselt , número de Reynolds e número de Prandtl . A equação comumente usada é .
- A convecção natural ou livre é uma função dos números de Grashof e Prandtl . As complexidades da transferência de calor por convecção livre tornam necessário o uso principalmente de relações empíricas de dados experimentais.
A transferência de calor é analisada em leitos compactados , reatores nucleares e trocadores de calor .
Formulários
Poluição
O estudo dos processos de transporte é relevante para o entendimento da liberação e distribuição de poluentes no meio ambiente. Em particular, a modelagem precisa pode informar as estratégias de mitigação. Os exemplos incluem o controle da poluição das águas superficiais pelo escoamento urbano e políticas destinadas a reduzir o teor de cobre das pastilhas de freio de veículos nos EUA.
Veja também
- Equação constitutiva
- Equação de continuidade
- Propagação de onda
- Pulso
- Potencial de acção
- Transferência de bioaquecimento
Referências
links externos
- Arquivo de Fenômenos de Transporte nos Arquivos de Ensino do Caminho da Biblioteca Digital de Materiais
- "Alguns Problemas de Fenômenos de Transporte Clássico com Soluções - Mecânica dos Fluidos" .
- "Alguns problemas de fenômenos de transporte clássico com soluções - transferência de calor" .
- "Alguns Problemas de Fenômenos de Transporte Clássico com Soluções - Transferência de Massa" .