Mecânica dos Fluidos

Conceitos Fundamentais

Estados da matéria

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A mesma substância pode apresentar diferentes estados físicos, sendo os principais o sólido, o líquido e o gasoso.

Os diferentes estados da matéria são uma manifestação direta da distância entre moléculas. Os sólidos apresentam a menor distância entre moléculas seguida dos líquidos e, posteriormente, dos gases.

Nesta sequência, o espaço disponível nos sólidos para o livre percurso das suas moléculas é muito reduzido, o que explica a sua resistência à deformação.

Já nos fluidos - líquidos e gases - existe espaço suficiente para o livre percurso das suas moléculas - escoamento.

Cada molécula origina um campo de forças de natureza quântica - derivadas das interações entre partículas subatómicas. Este campo de forças origina um efeito de repulsão, atração ou indiferença entre moléculas adjacentes.

Quando a distância entre duas moléculas é reduzida, resulta uma forças de repulsão entre as moléculas constituintes da matéria.

Uma distância d0, tipicamente na ordem dos 10-6 metros, resulta um equilíbrio estável entre moléculas. Com o aumento desta distância, inicia-se um efeito de atração que atinge um pico e começa depois a reduzir, até se alcançar uma distância tão elevada que a interação entre moléculas é desprezável, e a atração entre si mínima (d3).

Estado sólido

No estado sólido, verifica-se uma distância média entre partículas na ordem de d1. Cada partícula é fortemente sujeita às forças das partículas vizinhas, ocupando assim uma posição fixa, apenas vibrando em torno dela. Esta vibração é dependente dependente da temperatura e, consequentemente, da energia cinética da particula. É por isto que um sólido apresenta uma estrutura coesa, forma própria e uma compressibilidade aproximadamente nula.

Estado líquido

O estado líquido apresenta uma distância entre partículas numa ordem aproximada daquela dos sólidos. No entanto, é suficientemente superior para que o efeito exercido entre partículas adjacente seja menos intenso. A mobilidade torna-se maior, permitindo a deslocação contínua das partículas, em movimentos de translação e rotação - escoamento! É por esta razão que um líquido toma a forma do recipiente que o contém. Ainda assim, a atração entre particulas é suficiente para que o líquido possa não ocupar todo o volume do recipiente, formando uma superficie livre. Dado que a distância intermolecular é ainda relativamente reduzida, apresenta forte resistência à compressão.

Estado gasoso

No estado gasoso, a distancia intermolecular é de tal ordem elevada que a sua resistência à compressão é muito inferior aos dois estados supramencionados. A grandeza da distância intermolecular diminui de tal forma as forças de atração que impede a formação de uma superfície livre - dessa forma, um gás tende a ocupar todo o volume disponível do recipiente que o contém, sendo apenas então alcançado o equilíbrio estável. Dada a fraqueza das forças intermoleculares, as partículas movem-se livremente até colidirem entre si ou com uma fronteira sólida ou líquida.

Independentemente do estado físico — sólido, líquido ou gasoso — as moléculas de uma substância estão sempre em movimento. Nos sólidos, esse movimento manifesta-se predominantemente como vibração em torno de posições de equilíbrio, enquanto em líquidos e gases há maior liberdade translacional. A única condição em que o movimento molecular cessaria seria à temperatura de 0 K, que representa o estado de energia mínima possível; na prática, porém, essa temperatura nunca é atingida.

A energia cinética das moléculas, que está diretamente relacionada com a temperatura, é maior nos gases do que nos líquidos, e maior nos líquidos do que nos sólidos. Consequentemente, as transformações de fase refletem variações dessa energia interna:

Condensação (gás → líquido) e solidificação (líquido → sólido) ocorrem quando o sistema perde energia para o meio. Ao diminuir a energia cinética das moléculas, estas passam a organizar-se em fases mais ordenadas, razão pela qual tais processos libertam calor para o ambiente.
Fusão (sólido → líquido) e vaporização (líquido → gás), por outro lado, exigem que a substância absorva energia térmica. Essa energia adicional aumenta a energia cinética molecular, permitindo superar as forças intermoleculares que mantêm as fases mais ordenadas.

Assim, as mudanças de fase podem ser entendidas como transições entre estados de organização molecular, provocadas pelas trocas de energia necessárias para ajustar o nível de movimento das moléculas ao novo estado físico.

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