A Revisão Orgânica

1.  O que é um sistema:

Em termos gerais, um sistema é uma porção específica do universo que é escolhida para análise. Ele pode ser qualquer objeto, substância ou região do espaço que seja claramente definido e separado do restante do universo para fins de estudo ou observação.

Na engenharia e nas ciências físicas, um sistema é frequentemente definido como uma coleção de componentes ou partes inter-relacionadas que trabalham juntas para atingir um objetivo ou desempenhar uma função específica. Esses componentes podem trocar energia, massa ou informações entre si ou com o entorno externo.

Um sistema pode ser aberto, fechado ou isolado, dependendo da natureza das trocas que ocorrem através de suas fronteiras:

Sistema Aberto: Permite a troca de massa e energia com o ambiente externo.

Sistema Fechado: Permite a troca de energia, mas não de massa, com o ambiente externo.

Sistema Isolado: Não permite trocas de massa nem de energia com o ambiente externo.

A escolha de como definir o sistema depende do contexto específico da análise e dos objetivos do estudo. Em balanços integrais de massa, por exemplo, é comum escolher um sistema que inclua a quantidade de fluido ou substância que está sendo monitorada, permitindo a análise das entradas e saídas dessa quantidade específica durante um processo.

2.
Para resolver este problema, podemos usar a equação da conservação da massa para a conexão TEE. Essa equação afirma que a soma das vazões que entram na conexão é igual à soma das vazões que saem da conexão. Assim, temos:

Q1 = Q2 + Q3 + Q4

Onde:

Q1 = vazão na seção (1) Q2 = vazão na seção (2) Q3 = vazão na seção (3) Q4 = vazão no vazamento

Substituindo os valores dados, temos:

10 = Q2 + 6 + 0,1

Isolando Q2, temos:

Q2 = 10 - 6 - 0,1 = 3,9 m3/h

Agora, podemos calcular a velocidade de escoamento na seção (2) usando a fórmula:

v2 = Q2 / A2

Onde:

v2 = velocidade na seção (2) A2 = área da seção (2)

Convertendo o diâmetro da seção (2) de polegadas para metros, temos:

D2 = 5/8" . 0,0254 m/in = 0,0159 m

A área da seção (2) é:

A2 = π D22 / 4 = 0,0002 m2

Portanto, a velocidade de escoamento na seção (2) é:

v2 = 3,9 / 0,0002 = 19500 m/h

Convertendo para m/s, temos:

v2 = 19500 / 3600 = 5,42 m/s

Portanto, a velocidade de escoamento na seção (2) é 5,42 m/s.


3.1
Para resolver este problema, podemos usar as seguintes fórmulas:

• Vazão mássica = vazão volumétrica x massa específica
• Vazão volumétrica = velocidade média x área da seção transversal

Para cada uma das regiões, temos:

• Tubo (1): A vazão volumétrica é dada pelo problema: Q1 = 1,892 m3/h. A massa específica da solução aquosa de sacarose é 1074 kg/m3. Logo, a vazão mássica é: M1 = Q1 x ρ = 1,892 x 1074 = 2032,6 kg/h. O diâmetro do tubo é 5/8", que equivale a 0,0159 m. A área da seção transversal é: A1 = π D12 / 4 = 0,0002 m2. A velocidade média é: v1 = Q1 / A1 = 1,892 / 0,0002 = 9450 m/h, ou 2,625 m/s.
• Tubo (2): A vazão volumétrica é metade da vazão de entrada, pois a vazão é dividida igualmente nas saídas. Logo, Q2 = Q1 / 2 = 0,946 m3/h. A massa específica é a mesma da solução aquosa de sacarose: ρ = 1074 kg/m3. A vazão mássica é: M2 = Q2 x ρ = 0,946 x 1074 = 1016,3 kg/h. O diâmetro do tubo é 5/8", que equivale a 0,0159 m. A área da seção transversal é: A2 = π D22 / 4 = 0,0002 m2. A velocidade média é: v2 = Q2 / A2 = 0,946 / 0,0002 = 4730 m/h, ou 1,313 m/s.
• Tubo (3): A vazão volumétrica é metade da vazão de entrada, pois a vazão é dividida igualmente nas saídas. Logo, Q3 = Q1 / 2 = 0,946 m3/h. A massa específica é a mesma da solução aquosa de sacarose: ρ = 1074 kg/m3. A vazão mássica é: M3 = Q3 x ρ = 0,946 x 1074 = 1016,3 kg/h. O diâmetro do tubo é 1/2", que equivale a 0,0127 m. A área da seção transversal é: A3 = π D32 / 4 = 0,0001 m2. A velocidade média é: v3 = Q3 / A3 = 0,946 / 0,0001 = 9460 m/h, ou 2,628 m/s.
  
  ii) Balanços integrais (energia)
  1.- No balanço global de energia, as energias que são consideradas são as seguintes:

• Energia cinética: é a energia associada ao movimento de um corpo ou de um fluido. Depende da massa e da velocidade do corpo ou do fluido.
• Energia potencial: é a energia associada à posição de um corpo ou de um fluido em um campo gravitacional. Depende da massa, da aceleração da gravidade e da altura do corpo ou do fluido.
• Energia interna: é a energia associada às interações moleculares e atômicas de um corpo ou de um fluido. Depende da temperatura, da pressão e da densidade do corpo ou do fluido.
• Energia térmica: é a energia transferida entre um corpo ou um fluido e suas vizinhanças devido a uma diferença de temperatura. Depende do fluxo de calor e da área de troca térmica.
• Energia mecânica: é a energia transferida entre um corpo ou um fluido e suas vizinhanças devido a uma diferença de pressão ou de força. Depende do trabalho realizado e da área de aplicação da força.
• Energia química: é a energia associada às reações químicas que ocorrem em um corpo ou em um fluido. Depende da variação de entalpia e da quantidade de reagentes e produtos.

2.- O balanço global de energia serve para analisar as transformações e as transferências de energia que ocorrem em um sistema que envolve o escoamento de fluidos. O balanço global de energia permite calcular a variação de energia de um sistema, a potência necessária ou fornecida por uma máquina, a eficiência energética de um processo, entre outras aplicações. O balanço global de energia é baseado na primeira lei da termodinâmica, que afirma que a energia é conservada em um sistema fechado ou isolado. A equação geral do balanço global de energia é:

[energia que entra] - [energia que sai] + [energia acumulada] = [energia gerada]

3.2
Para resolver este problema, podemos usar a equação de Bernoulli entre a superfície do tanque e a saída da tubulação. Considerando que a pressão atmosférica é a mesma nos dois pontos, e que a velocidade na superfície do tanque é desprezível, temos:

p + ½ ρ v2 + ρ g h = p + ½ ρ v2 + ρ g h

Onde:

p = pressão atmosférica ρ = densidade da água v = velocidade da água g = aceleração da gravidade h = altura da coluna de água

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