Relatório Física Viscosimetro de Stockes

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<p>Viscosímetro de Stokes</p><p>Física II – Geologia/ CCENS</p><p>Universidade Federal do Espírito Santo – UFES</p><p>2024/1 - Alegre-ES</p><p>Resumo. O viscosímetro de Stokes tem como objetivo determinar a viscosidade de fluido em um escoamento de tubo aberto. Em nosso experimento será determinado a viscosidade do glicerol, e quando comparada com os resultados da literatura teremos um esboço da margem de erro cometida durante o procedimento laboral. Diante disso, todos os processos foram realizados com temperatura controlada e tempo cronometrado.</p><p>Palavras chave: Viscosidade, glicerol, Stokes.</p><p>_______________________________________________________________________________________</p><p>1. Introdução</p><p>De acordo com o site engquimicasantossp a Lei de Stokes foi elaborada por George Gabriel Stokes em 1851 e ela relaciona o tamanho de uma esfera e a velocidade de queda dela.</p><p>Existem três forças que atuam sobre a esfera: uma força gravitacional descendente (Fg), uma força de flutuação ascendente (Fb) e uma força de arraste de sentido para cima (Fd). A força gravitacional é uma função “g” (aceleração da gravidade) e a massa da partícula, portanto, diâmetro e densidade da esfera.</p><p>A força de flutuação é uma função da massa de fluido deslocada pela esfera e assim, o diâmetro e a densidade do fluido. E a força de arraste é uma função do tamanho da esfera e da viscosidade e assim, do diâmetro e da viscosidade do fluido.</p><p>A Lei de Stokes é geralmente aplicada para o escoamento de um fluido viscoso incompressível em torno de uma esfera para número de Reynolds menor que 1. Sendo r o raio da esfera, μ a viscosidade dinâmica e Vesf a velocidade do escoamento da esfera ao longo do fluido. Pode-se encontrar a velocidade de uma esfera caindo em um fluido que está em repouso, somando-se o empuxo à força de arraste e o igualando o seu peso.</p><p>2. Procedimento Experimental</p><p>Primeiramente, medimos a temperatura da sala com um termômetro, e foi registrado 25,8°C Depois com o paquímetro, medimos o diâmetro, calculamos o raio e o volume da esfera 1. Em seguida, com o auxílio de uma balança digital medimos a massa da esfera e, com os dados obtidos, determinamos a densidade da esfera. Assim, com o densímetro, medimos a densidade do fluido.</p><p>O professor preenche o tubo com glicerol até cerca de 5 cm da boca do vidro (mas o nosso ultrapassou um pouco esse limite). Ele também posicionou os 5 sensores de uma forma que o eletroímã e os sensores possuíssem a mesma distância entre eles, conectou os cabos dos sensores na parte traseira do cronômetro digital (considerando como sensor 1 o mais próximo da bobina), conectou o botão acionador e o eletroímã na parte traseira do cronômetro de forma apropriada. Então, conectamos a fonte no cronômetro e ligamos o equipamento.</p><p>Com o cronômetro ligado, apertamos o botão “E” três vezes e pressionamos o botão acionador. Em seguida, posicionamos a esfera no eletroímã e verificamos se ela estava no centro do tubo de vidro. Para finalizar o experimento, soltamos o botão acionador e anotamos os intervalos de tempo medidos entre o eletroímã e os outros sensores.</p><p>Para recuperarmos a esfera dentro do tubo de vidro, utilizamos um barbante com um imã e com a outra esfera na ponta, mas apenas tivemos sucesso na segunda tentativa, pois a primeira tentativa de recuperar a esfera, foi um fracasso, deixando a esfera cair novamente dentro do tubo.</p><p>Figura 1: Termômetro utilizado para medição da temperatura ambiente. Fonte: Própria autoria.</p><p>Figura 2: Paquímetro. Fonte: Própria autoria.</p><p>Figura 3: Esferas usadas no experimento. Fonte: Própria autoria.</p><p>Figura 4: Balança dgital utilizada. Fonte: Própria autoria.</p><p>Figura 5: Viscosímetro de Stokes. Fonte: Própria autoria.</p><p>3. Resultados e Discussão</p><p>Ao analisarmos a Lei de Stokes, que descreve o comportamento do escoamento de fluido, vemos que dentre suas variáveis temos como princípios físicos o raio da esfera utilizada, a velocidade terminal da esfera no tudo é o "coeficiente de viscosidade" , calculado à parte. Assim, essa fórmula prevê o movimento de objetos esféricos em meios viscosos, ou seja, a força de fricção experimentada pelo objeto.</p><p>O diâmetro da esfera indica uma grandeza diretamente proporcional à massa da mesma. Sendo assim, foi analisado que a esfera de "menor" raio obteve deslocamentos mais rápidos, e o contrário acontece com a esfera de "maior" raio que obteve maiores intervalos de tempo. Podemos tirar dessas informações um quesito fundamental dos corpos, a área de contato, que determina o quão sujeito o corpo está de sofrer forças de retardamento de movimento, ou seja, resistência ao movimento, provocando maiores intervalos de tempo para os mesmos deslocamentos.</p><p>Visto no diagrama das forças vendo que contra a aceleração para baixo há o empuxo e força de fricção experimentada, logo o Δt de cada esfera foi diferente devido a área de contato experimentada de cada corpo em contado com o glicerol.</p><p>A viscosidade absoluta do fluído usado, glicerol, há 25°C, segundo o IF-UFRJ indica um escoamento de 0,950 Pa.s (SI), ao comparar com a temperatura do laboratório, que foi de 25,8°C deveríamos achar valores muito aproximados ao da referência citada.</p><p>Lembrando que o dado usado está na escala de Poise, que se refere ao produto do valor encontrado pela lei de Stokes pela densidade do fluído (1260 +- 5 Kg/m^3).</p><p>Então, em nosso primeiro dado experimental, usando a esfera de maior raio, obtivemos 4,55×10^-1 +- 8,83 × 10^-5 Pa.s, que se refere a unidade internacional de viscosidade dinâmica, equivalente a 1/10 Pa por segundo. Já em nossa segunda coletânea de dados com a esfera de menor raio, achamos um valor de 5,44×10^-1 +- 7,34×10^-5. Então, os valores encontrados pelo nosso grupo diferem muito do "oficial" mais aceito pela comunidade científica.</p><p>Desse modo, podemos relatar possíveis erros em nosso procedimento experimental, como por exemplo a medição dos raios com o paquímetro, que por ser algo novo não sabíamos averiguar de fato a medida projetada pelo instrumento.</p><p>Acreditamos que o erro não esteja nos intervalos de tempo já que o Δt experimental foi registrado pelo cronômetro digital, isto é, um aparelho programado para satisfazer as medidas. Outro fator possível para a distância entre o valor experimental e o valor oficial pode ter sido o quesito do cálculo das incertezas, uma vez que sentíamos muita dificuldade em correlacionar o cálculo das incertezas com mais de uma operação básica.</p><p>Ademais, o procedimento experimental não teve erros significativos durante o processo, sendo assim, o manejo no cálculo foi o principal argumento da discrepância de resultado.</p><p>Quando perguntamos se a temperatura influencia na viscosidade parece ser algo trivial, porém, no âmbito geral da relação matemática não temos a variável T representando a temperatura, ou seja, por um pensamento rápido podemos achar que são coisas que, entre si, são independentes mas no procedimento experimental saber a temperatura no qual o fluido está escoando é parte fundamental no estudo, uma vez que muitos fluidos variam suas propriedades físicas a medida que a temperatura aumenta.</p><p>Nesse sentido, a temperatura influencia sim na viscosidade de um fluido em escoamento em tubo, por isso se faz muito importante averiguar a qual temperatura o laboratório se encontra. Como exemplo, podemos representar óleos vegetais como grandes referências para tais diferenças térmicas, isto é, temperaturas mais altas fazem com que ligações químicas percam sua aderência molecular, provocando assim um melhor escoamento do fluido. Outro exemplo muito comum é o óleo do carro, que em temperaturas mais altas mudam sua tendência de movimento em tubos.</p><p>4. Conclusão</p><p>Portanto, há de se concluir que temos como, experimentalmente, calcular a viscosidade de um fluido viscoso em um tubo, a partir da queda de esferas no fluído. O que chama atenção nos resultados é o comportamento de cada esfera do fluido viscoso em relação ao seu raio. Sendo assim, raios maiores indicam para nós uma maior área de contato com o fluido, isto é, uma maior ação</p><p>retardadora de aceleração, influenciando no tempo de queda. O contrário acontece em raios menores, que apresentam menor resistência de escoamento no fluido.</p><p>Ademais, para nós, integrantes do grupo, tivemos uma grande surpresa com o experimento em relação à elaboração e ao procedimento experimental, como nunca tínhamos visto um cronômetro digital foi diferente na hora da utilização.</p><p>Chegamos a concluir que fluidos com viscosidade baixa são mais suscetíveis a variações térmicas. Sendo assim, as relações intermoleculares ficam mais "fracas" em altas temperaturas, como foi visto em óleos vegetais.</p><p>Mesmo a temperatura não estando na equação de Stokes ela determina a maneira com qual o escoamento será gerado, logo, há 25°C, é de esperar uma força de fricção maior em objetos esféricos com maior raio.</p><p>Então, a velocidade de sedimentação é diretamente proporcional ao tamanho da partícula, é inversamente proporcional a viscosidade da mesma. Dos nossos resultados encontrados, comparando com a literatura, temos um grande diferença entre os resultados, aproximadamente, 5×10^-1 Pa.s devido a, provavelmente, erros na coleta de dados.</p><p>5. Referências</p><p>https://www.materiais.gelsonluz.com/2018/12/viscosidade-da-glicerina.html?m=1</p><p>https://www.if.ufrj.br/~bertu/fis2/hidrodinamica/viscosidade.html#:~:text=A%20viscosidade%20 tamb%C3%A9m%20depende%20da,leva%20a%20uma%20for%C3%A7a%20resistiva.</p><p>https://www.researchgate.net/publication/271239666_EFEITO_DA_TEMPERATURA_NA_VISCOSIDADE_DE_OLEOS_VEGETAIS_REFINADOS</p><p>https://www.if.ufrj.br/~bertu/fis2/hidrodinamica/viscosidade.html</p><p>image5.jpeg</p><p>image6.jpeg</p><p>image1.jpeg</p><p>image2.jpeg</p><p>image3.jpeg</p><p>image4.jpeg</p>