CAPÍTULO I

A ÁGUA (02/10): Propriedades da Água

I.2. Principais Propriedades da Água

Conhecer as propriedades da água, quer ela esteja em repouso ou em movimento, é fundamental para a solução correta dos vários problemas do dia a dia do engenheiro hidráulico. Estes problemas envolvem princípios e métodos de armazenamento, conservação, controle, condução, utilização, etc, e estão presentes desde a elaboração dos projetos até o último dia de sua operação.

Entre as peculiaridades da água está a de ser uma substância encontrada no estado sólido, líquido e gasoso na superfície da terra, ou seja, ela pode ser facilmente encontrada em três fases na natureza, a saber, no estado sólido (neve e gelo), no gasoso (vapor díágua e umidade) e na sua forma mais comum, a líquida (reservatórios de acumulação, lençóis subterrâneos, mares e oceanos, etc). Fisicamente quando pura, é um líquido transparente e levemente azulado, praticamente incolor, sem gosto e sem sabor (a clássica qualificação das primeiras aulas de ciências: líquido incolor, inodoro e insípido) e apresenta reflexão e refração da luz..

I.2.1. Composição química

A água é uma substância composta resultante da combinação de dois átomos de hidrogênio com um de oxigênio que na forma mais elementar de representação temos H2O. Esta composição foi descoberta em 1879, por Henry Cavendish, procedendo a queima de hidrogênio na presença de oxigênio.

NOTA: Henry Cavendish (1731 - 1810), físico e químico experimentador inglês, nascido em Nice, França, filho de família nobre e abastada inglesa.

I.2.2. Massa específica

Massa específica (density) de uma substância é a massa por unidade de volume. Depende da dimensão e da estrutura de ligação das moléculas entre si. Devido a esta dependência e a sua estrutura molecular peculiar é que a água é uma das poucas substâncias que aumentam de volume quando passam a temperaturas inferiores a 4oC, reduzindo, portanto, sua massa específica a partir desta temperatura, a medida que é aquecida ou resfriada. Esta propriedade se não analisada com o máximo de acuidade em fase de projeto, pode trazer problemas irreparáveis de ordem estrutural às unidades do sistema na fase de operação.

Também denominada de densidade absoluta é geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "r " e sua unidade no S.I. é o quilograma/metro cúbico (kg/m3). Usualmente em cálculos de escoamentos com água sob temperatura de até 30oC, trabalha-se com r = 102 kgf.s2/m4 (Tabela 1).

I.2.3. Densidade relativa

Denomina-se de densidade relativa (specific gravity) a relação entre a densidade da água a uma determinada temperatura e sua densidade a 4°C, neste ponto definida como igual a unidade. É geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "d ". Como é uma relação entre grandezas de mesma unidade é, portanto, adimensional. Freqüentemente emprega-se d = 1,0 para solução de problemas com água, principalmente nos pré-dimensionamentos (Tabela 1).

A água é cerca de 830 vezes mais pesada que o ar seco, porém 133 vezes mais leve na forma de vapor, sob condições normais de pressão. Quando vaporiza-se ocupa um volume cerca de 1640 vezes maior que na fase líquida. Quando congela expande-se aproximadamente 9% ocupando um volume de cerca de 1,11 vezes o da fase líquida na mesma temperatura.

I.2.4. Peso específico

Peso específico (density) é o peso por unidade de volume, ou seja, é o valor da massa específica multiplicada pela aceleração de gravidade local, ou seja, g = r .g. É geralmente simbolizado pela letra grega minúscula "g ". No S.I. peso específico sempre é expresso em Newtonpor metro cúbico (N/m3).

NOTA: Newton é uma homenagem a Sir Isaac Newton (1642-1727) primeiro cientista inglês de renome internacional, nascido em Woolsthorpe e graduado em Cambridge.

Nos cálculos hidráulicos habituais com água, utiliza-se g = 1000 kgf/m3 sem muitas reservas, pois como podemos observar na Tabela 1, para temperaturas no intervalo de 0oC a 30 oC, não há uma sensível alteração nos valores da densidade (menos de 5%).

NOTA: Enquanto um quilograma é a massa do protótipo internacional do quilograma, quilograma-força é o peso do protótipo internacional do quilograma quando submetido a ação da gravidade normal (1 kgf = 9,80665 N).

I.2.5. Viscosidade dinâmica

A água em escoamento reage à tensão de cisalhamento, sofrendo uma deformação angular que é proporcional a essa tensão. Coeficiente de viscosidade, viscosidade dinâmica, viscosidade absoluta ou somente viscosidade, é a constante de proporcionalidade definida como a razão entre essa tensão de cisalhamento e o gradiente de velocidade. É geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "m" e tem a dimensão de força por unidade de área. Sua unidade no S.I. é poise (1 poise = 0,1N.s/m2). Em termos práticos com água fria, freqüentemente trabalha-se com m = 1,03.10-4 kgf.s/m2(Tabela 1).

NOTA: Poise é uma homenagem ao físico francês, de Paris, Jean Louis Poiseuille (1799-1869) estudioso do escoamento em microtubos, com diâmetros inferiores a 0,2mm.

I.2.6. Viscosidade cinemática

Em estudos hidráulicos muitas vezes é conveniente utilizarmos o conceito de viscosidade cinemática, que é uma grandeza definida a partir da relação entre a viscosidade e a densidade (m /r ) e é geralmente simbolizada pela letra grega minúscula "n". Sua unidade no S.I. é stoke (1stoke = 1cm2/s). Habitualmente trabalhamos com n = 1,01.10-6m2/s, que corresponde a viscosidade da água a 20oC, aproximadamente (Tabela II.1).

NOTA: Stoke é uma homenagem ao matemático britânico, nascido em Skreen, Irlanda, e educado em Cambridge, George Gabriel Stokes (1819-1903) especialista em viscosidade de fluidos.
 
 

Tabela II.1. Densidades e viscosidades da água sob condições normais de temperatura e pressão


Temperatura -
q

(°C)

Densidade absoluta - r

(kg/m3)*

Viscosidade dinâmica - m

(10-3 N.s/m2)

Viscosidade cinemática - n

(10-6m2/s)

Densidade relativa - d
0 (gelo)
917,0
-
-
0,9170
0(água)
999,8
1,781
1,785
0,9998
4
1000,0
1,558
1,558
1,0000
5
1000,0
1,518
1,519
1,0000
10
999,7
1,307
1,308
0,9997
15
999,1
1,139
1,140
0,9991
20
998,2
1,002
1,003
0,9982
25
997,0
0,890
0,893
0,9970
30
995,7
0,798
0,801
0,9967
40
992,2
0,653
0,658
0,9922
50
988,0
0,547
0,553
0,9880
60
983,2
0,466
0,474
0,9832
70
977,8
0,404
0,413
0,9788
80
971,8
0,354
0,364
0,9728
90
965,3
0,315
0,326
0,9653
100
958,4
0,282
0,294
0,9584
                                                (*) para se obter em kgf.s2/m4 divide-se o valor tabelado por 9,80665