Taxa de fluxo de volume é um termo da física que descreve a quantidade de matéria - em termos de dimensões físicas, não massa - que se move através do espaço por unidade de tempo. Por exemplo, quando você abre uma torneira de cozinha, uma determinada quantidade de água (que você pode medir em onças fluidas, litros ou qualquer outra coisa) sai pela abertura da torneira em um determinado período de tempo (geralmente segundos ou minutos). Este valor é considerado a vazão volumétrica.
O termo "taxa de fluxo de volume" quase sempre se aplica a líquidos e gases; os sólidos não "fluem", embora também possam se mover a uma taxa constante através do espaço.
A equação da taxa de fluxo de volume
A equação básica para problemas desse tipo é
Q = AV
OndeQé a taxa de fluxo de volume,UMAé a área da seção transversal ocupada pelo material que flui, eVé a velocidade média do fluxo.Vé considerado uma média porque nem todas as partes de um fluido em fluxo se movem na mesma taxa. Por exemplo, ao observar as águas de um rio avançando continuamente rio abaixo a um determinado número de galões por segundo, você percebe que a superfície tem correntes mais lentas aqui e outras mais rápidas ali.
A seção transversal geralmente é um círculo em problemas de taxa de fluxo de volume, porque esses problemas geralmente dizem respeito a tubos circulares. Nestes casos, você encontra a áreaUMAelevando ao quadrado o raio do tubo (que é a metade do diâmetro) e multiplicando o resultado pela constante pi (π), que tem um valor de cerca de 3,14159.
As unidades de taxa de fluxo SI usuais (do francês para "sistema internacional", equivalente a "métrico") são litros por segundo (L / s) ou mililitros por minuto (mL / min). Como os EUA há muito usam unidades imperiais (inglês), no entanto, ainda é muito mais comum ver taxas de fluxo de volume expressas em galões / dia, galões / min (gpm) ou pés cúbicos por segundo (cfs). Para encontrar taxas de fluxo de volume em unidades não comumente usadas para esse propósito, você pode usar uma calculadora de taxa de fluxo online como a dos Recursos.
Taxa de fluxo de massa
Às vezes, você desejará saber não apenas o volume de fluido em movimento por unidade de tempo, mas a quantidade de massa que isso representa. Isso é obviamente crítico na engenharia, quando se deve saber quanto peso um determinado tubo ou outro conduíte de fluido ou reservatório pode suportar com segurança.
A fórmula de taxa de fluxo de massa pode ser derivada da fórmula de taxa de fluxo de volume multiplicando a equação inteira pela densidade do fluido,ρ. Isso decorre do fato de que a densidade é a massa dividida pelo volume, o que também significa que a massa é igual à densidade vezes o volume. A equação de fluxo de volume já tem unidades de volume por unidade de tempo, então para obter massa por unidade de tempo, você simplesmente precisa multiplicar pela densidade.
A equação da taxa de fluxo de massa é, portanto,
\ dot {m} = \ rho AV
ṁ, ou "ponto m", é o símbolo usual para taxa de fluxo de massa.
Problemas de taxa de fluxo de volume
Digamos que você tenha recebido um cano com um raio de 0,1 m (10 cm, cerca de 4 polegadas) e que você precise usar esse cano para drenar um tanque de água cheio em menos de uma hora. O tanque é um cilindro com altura (h) de 3 metros e um diâmetro de 5 metros. Quão rápido o fluxo de água precisará se mover através do tubo, em m3/ s, para realizar este trabalho? A fórmula para o volume de um cilindro é:
V = \ pi r ^ 2 h
A equação de interesse éQ = AV, e a variável que você está resolvendo éV.
Primeiramente, calcule o volume de água do tanque, lembrando que o raio é a metade do diâmetro:
V = \ pi (2,5 \ text {m}) ^ 2 (3 \ text {m}) = 58,9 \ text {m} ^ 3
Em seguida, determine o número de segundos em uma hora:
60 \ text {s / min} \ times 60 \ text {min / hr} = 3600 \ text {s}
Determine a taxa de fluxo de volume necessária:
Q = \ frac {58,9 \ texto {m} ^ 3} {3600 \ texto {s}} = 0,01636 \ texto {m} ^ 3 \ texto {/ s}
Agora determine a áreaUMAdo seu tubo de drenagem:
A = \ pi (0,1) ^ 2 = 0,0314 \ text {m} ^ 2
Assim, a partir da equação para taxa de fluxo de volume, você tem
V = \ frac {Q} {A} = \ frac {0,01636 \ texto {m} ^ 3 \ texto {/ s}} {0,0314 \ texto {m} ^ 2} = 0,52 \ texto {m / s} = 52 \ text {cm / s}
A água deve ser forçada através do tubo com uma velocidade rápida, mas plausível de cerca de meio metro, ou um pouco mais de 1,5 pés, por segundo para drenar o tanque adequadamente.