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Unidade I QUÍMICA APLICADA Profa. Daniela Patto Introdução É um dos mais importantes processos de conservação de energia utilizados no mundo atual. É a aplicação de uma substância (lubrificante) entre duas superfícies em movimento relativo para evitar o contato direto. Evita-se as perdas de energia pela diminuição: do atrito, do desgaste e da geração de calor. Atrito Um corpo só desliza sobre outro se for vencida a força contrária imposta pela aspereza ou rugosidade das superfícies de contato dos corpos (força de atrito). Sólido – ocorre entre corpos rígidos sem qualquer elemento entre eles. Fluido – se houver um fluido entre as superfícies. Atrito Estático – enquanto o corpo não se desloca. Dinâmico – a partir do início do movimento. É menor que o estático, já que não atua mais a força de inércia. BRUNETTI, F.; Mecânica dos Fluidos, 2ª edição revisada, São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. Tipos de atrito Deslizamento ou escorregamento Quando uma superfície desliza sobre a outra (não é necessário que as superfícies em contato sejam planas). Rolamento Um cilindro que rola sem deslizar sobre uma superfície horizontal para porque atua sobre ele a força de atrito de rolamento. É sempre menor que o atrito de deslizamento para superfícies de mesmo material e sob mesmas condições, portanto, é mais fácil de vencer. Tipos de atrito Fluido ou viscoso Ocorre no movimento de um corpo em um fluido ou entre duas superfícies em movimento relativo, separadas por uma fina película contínua de fluido. Há o deslizamento entre as moléculas do fluido e a resistência a esse deslizamento é o atrito fluido ou viscoso. É uma percentagem mínima do valor do atrito sólido e praticamente não causa desgaste. Esta é a base do princípio da lubrificação. O ato de lubrificar está associado à aplicação da película do fluido que constitui o lubrificante. Tensão de cisalhamento A película fluida lubrificante, colocada entre duas superfícies em movimento relativo se movimenta. Se o módulo da velocidade relativa é pequeno, o movimento é dito laminar (sem turbulência). O movimento relativo entre camadas vizinhas com velocidades diferentes faz surgir uma força de cisalhamento entre elas. Essa força tenta frear a camada mais rápida e acelerar a camada mais lenta e é chamada de resistência de cisalhamento. A soma de tais resistências constitui o atrito fluido. Tensão de cisalhamento BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos, 2ª edição revisada. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. Tipos de lubrificação Eficiência do lubrificante = f (adesividade, coesividade) Oleosidade = adesividade + coesividade Basicamente, todos os fluidos são lubrificantes, alguns melhores que os outros. Até a água é um lubrificante, mas a sua oleosidade é baixa. Tipos de lubrificação Assim, a parte mais importante do processo de lubrificação está na escolha do lubrificante adequado. Os lubrificantes derivados de petróleo se mostram excelentes para a maior parte das situações. Possuem boas propriedades físicas, além de elevada oleosidade. Hoje, o preparo do lubrificante a ser aplicado é complexo devido à alta tecnologia associada ao estudo da lubrificação. Há dois tipos básicos de lubrificação para a grande maioria dos casos. Apenas os mancais de rolamento e alguns mecanismos especiais são tratados particularmente. Lubrificação limite (ou restrita) A espessura da película é mínima e basicamente é a soma das espessuras da rugosidade de cada superfície, podendo ser “monomolecular” (~10 µm). Muitas vezes requer o uso de aditivos específicos como agentes de oleosidade, antidesgaste e de extrema pressão. Lubrificação hidrodinâmica (total ou plena) A espessura da película é superior à soma das espessuras das camadas de rugosidade de cada superfície, separando-as totalmente. É o caso mais comum e encontra aplicação em quase todas as situações em que há ação contínua de deslizamento sem ocorrência de pressões extremas. A película contínua de lubrificante apresenta espessura variável entre 0,025 mm e 0,25 mm e os valores do coeficiente de atrito são bastante baixos, da ordem de 0,001 a 0,03. O desgaste é insignificante. Princípios de lubrificação A lubrificação de mancais é a mais importante aplicação da lubrificação hidrodinâmica. As rugosidades das superfícies metálicas oferecem resistência à rotação do eixo no mancal, causando aquecimento e desgaste se não houver a lubrificação. A lubrificação com graxas é usada quando há tendência do lubrificante fluir ou vazar da área que está sendo lubrificada. A graxa é um lubrificante fluido engrossado a uma consistência de gel pela adição de vários agentes espessantes. Princípios de lubrificação A lubrificação limite é aplicada quando a velocidade relativa entre as superfícies é muito baixa ou a pressão entre as superfícies é muito alta ou ainda se o óleo não tem viscosidade suficiente para evitar o atrito sólido. É o caso de engrenagens submetidas a altas pressões (devido à pequena área de contato dos dentes) e quando há combinação de movimentos como de deslizamento e rotação. Interatividade Sobre viscosidade, podemos afirmar que: I. a temperatura do fluido não influencia o valor da viscosidade. II. é a característica mais importante de um óleo lubrificante. III. quanto mais espesso o óleo, maior a sua viscosidade e maior a sua resistência para escoar. Está correto o que se afirma em: a) I b) II c) I e II d) II e III e) I, II e III Resposta Sobre viscosidade, podemos afirmar que: I. a temperatura do fluido não influencia o valor da viscosidade. II. é a característica mais importante de um óleo lubrificante. III. quanto mais espesso o óleo, maior a sua viscosidade e maior a sua resistência para escoar. Está correto o que se afirma em: a) I b) II c) I e II d) II e III e) I, II e III Substâncias lubrificantes Os lubrificantes proporcionam a limpeza das peças, protegendo contra a corrosão devido a processos de oxidação, evitam a entrada de impurezas, podem ser agentes de transmissão de força e movimento. Um lubrificante deve ser capaz de satisfazer aos requisitos da lubrificação industrial. Tanto os lubrificantes naturais como os sintéticos podem ser sólidos, semissólidos ou pastosos, líquidos e gasosos. Lubrificantes gasosos São de uso restrito, geralmente em locais de difícil penetração ou em lugares onde não seja possível a aplicação dos lubrificantes líquidos convencionais. Alguns dos lubrificantes gasosos utilizados são ar seco, nitrogênio e gases halogenados. Este tipo de lubrificação apresenta problemas devido às elevadas pressões requeridas para manter o lubrificante entre as superfícies, além de problemas de vedação. Lubrificantes líquidos São os preferidos porque penetram entre partes móveis pela ação hidráulica, mantêm as superfícies separadas e atuam como agentes removedores de calor. Podem ser divididos em: (a) óleos minerais (b) óleos graxos (vegetais ou animais) (c) óleos sintéticos Óleos minerais Produzidos a partir do petróleo. Composição muito variada, formados por grande número de hidrocarbonetos de três classes principais: parafínicos, naftênicos e aromáticos. A origem do petróleo predominante acarreta grande variação de características quanto à viscosidade, volatilidade, resistência à oxidação etc. Óleos minerais Os óleos lubrificantes são produzidos como alguns tipos de óleos básicos que constituem a matéria-prima para a fabricação da grande variedade de óleos lubrificantes existentes no mercado. Óleos minerais aditivados são encontrados normalmente nos postos de serviço. Com especificação correta, eles atendem às necessidadesda grande maioria dos motores dos carros nacionais. Óleos graxos Foram os primeiros lubrificantes utilizados pelo homem. A pequena resistência à oxidação apresentada pelos óleos graxos faz com que eles se decomponham facilmente, formando gomas. Foram substituídos pelos óleos minerais devido à evolução das máquinas e das exigências de desempenho. Óleos graxos Quanto à origem, podem ser: vegetais ou animais. Os vegetais normalmente usados são: de rícino, de coco, de oliva, de semente de algodão, de mamona, entre outros. Animal: de baleia, de peixe, de foca, de espermacete, de mocotó, de banha (banha de porco). São poucos, pois oxidam facilmente. Óleos sintéticos Mistura complexa de compostos e elementos químicos. São óleos que suportam altas condições de cargas e temperaturas, mantendo estáveis suas características. Os mais conhecidos são aqueles a base de “glicóis polialcálicos” (ou polialquileno-glicóis). Usados em temperaturas que variam desde valores abaixo de zero grau centígrado até 400 ⁰C; não formam resinas e não afetam compostos de borracha natural ou sintética. Óleos sintéticos Podem ser solúveis em água ou insolúveis, dependendo do tipo, e apresentam ampla variedade de viscosidade. Tendem a manter a viscosidade independentemente da temperatura de funcionamento do motor, o que evita a carbonização do motor. São produtos relativamente caros para uso geral. Óleos minerais com aditivação sintética atendem a motores sofisticados, como os importados. Características físicas dos lubrificantes Ponto de névoa de um óleo à temperatura em que a parafina ou outras substâncias semelhantes presentes no óleo começam a se separar, formando minúsculos cristais, tornando o óleo turvo. Ponto de fluidez à menor temperatura na qual o óleo ainda pode escoar nas condições do teste. Resíduo de carbono. Características físicas dos lubrificantes Perdas por evaporação. Extrema pressão. Viscosidade. Classificação SAE de óleos para cárter de motores. Classificação ISO (International Organization for Standartization). Aditivos para lubrificantes A evolução tecnológica de máquinas e motores trouxe a necessidade do aumento dos padrões de desempenho apresentados pelos lubrificantes a fim de atender a requisitos cada vez mais exigentes. A aditivação tornou-se uma das partes mais importantes da evolução tecnológica dos lubrificantes. Lubrificantes semissólidos ou graxas Dispersões estáveis de sabões em óleos minerais ou sintéticos. O óleo fica preso numa trama de fibras de sabão que se assemelha aos pelos de uma escova pela ação de forças de atração. Se a graxa é submetida a tensões, as forças são vencidas; o arranjo é desfeito, o lubrificante flui. Se a força cessa, as fibras de sabão tendem a se agrupar novamente, devolvendo à graxa a consistência inicial. Componentes das graxas Basicamente, as graxas compõem-se de um lubrificante líquido e de um agente espessante. O lubrificante líquido pode ser: óleo mineral ou óleos sintéticos. Os agentes espessantes podem ser ou não sabões metálicos. Interatividade Na lubrificação limite ou restrita: I. a espessura pode chegar a ter dimensão “monomolecular”. II. a camada de óleo envolve totalmente a peça a lubrificar. III. o desgaste é praticamente inexistente. Está correto o que se afirma em: a) I b) II c) I e II d) II e III e) I, II e III Resposta Na lubrificação limite ou restrita: I. a espessura pode chegar a ter dimensão “monomolecular”. II. a camada de óleo envolve totalmente a peça a lubrificar. III. o desgaste é praticamente inexistente. Está correto o que se afirma em: a) I b) II c) I e II d) II e III e) I, II e III Lubrificantes líquidos A seleção do lubrificante é função direta da aplicação que deverá ser dada à graxa. Temperaturas de trabalho, velocidade e cargas que deverão ser suportadas pela graxa relacionam-se com a viscosidade do óleo mineral. Os óleos sintéticos podem substituir os óleos minerais para a obtenção de produtos especiais, como graxas, para temperaturas muito baixas (-30º a - 60ºC) ou temperaturas muito altas (20 a 150ºC). Agente espessante O mais usado é o sabão. O sabão (éster metálico de um ácido graxo) é também um lubrificante e a formação da película lubrificante se dá por polaridade da molécula. Os sabões mais comuns que dão consistência aos óleos lubrificantes são os de sódio, cálcio, alumínio e lítio. Cada tipo de sabão influencia diferentemente as características da graxa obtida. Aditivos para graxas São compostos químicos que, adicionados ao produto, reforçam algumas de suas qualidades, lhe cedem novas ou ainda eliminam as propriedades indesejáveis. Os mais usuais são: inibidores de oxidação, inibidores de corrosão, agentes de oleosidade, lubrificantes sólidos (grafite, bissulfeto de molibdênio, mica e amianto pulverizado), agentes modificadores da estrutura, agentes de extrema pressão, agentes de adesividade. Ensaios e características das graxas Os ensaios a que são submetidas as graxas costumam ser divididos em três grupos: ensaios de caráter geral; ensaios especiais; ensaios de desempenho. Consistência Consistência é uma medida de qualidade de graxas lubrificantes. O aparelho de ensaio para medir a consistência de uma graxa é o penetrômetro. Para medir a consistência, usa-se um cone, um copo com o material a ser analisado e uma escala em décimos de milímetro. O ensaio é feito a 25°C e mede-se quantos milímetros o cone penetra na massa. Consistência de graxas A quantidade de espessante usado na fabricação influencia mais a consistência do que a viscosidade do óleo básico. Classe de consistência Penetração trabalhada (mm/10) 00 400-430 0 355-385 1 310-340 2 265-295 3 235-255 Ensaios e características das graxas Ponto de gota Estabilidade ao trabalho Viscosidade aparente Separação de óleo Corrosão Oxidação Prova de carga Capacidade de bombeamento Resistência à água Estabilidade Lubrificantes sólidos A finalidade é substituir a película fluida por uma película sólida, principalmente em casos de lubrificação limite. São usados para trabalho em altas temperaturas. Podem ser misturados com lubrificantes líquidos ou pastosos (graxas) para melhorar sua resistência ao calor gerado pelo atrito entre superfícies. Os mais utilizados são: grafite coloidal, bissulfeto de molibdênio e teflon. Grafite A principal vantagem dos lubrificantes grafitados é sua capacidade de formar filmes sobre as superfícies metálicas, proporcionando assim baixos coeficientes de atrito. Nas temperaturas ordinárias, o grafite não é atacado por ácidos, álcalis e halogênios em geral: não se combina com o oxigênio até que prevaleçam temperaturas de ordem de 593 ºC. Bissulfeto de molibdênio É usado em pó, misturado com graxas ou óleos ou como dispersão em água. Resiste a pressões extremas. A eficácia como lubrificante aumenta com a pressão desenvolvida, assegurando a lubrificação em pressões superiores a 28.000 kg/cm² (muito acima do limite elástico de qualquer metal). Apresenta coeficientes de atrito menores do que o grafite a temperaturas inferiores a 900 ºC. Teflon O “teflon” pode ser utilizado como lubrificante, apresentando baixo coeficiente de atrito. Resiste a quase todos os agentes químicos e apresenta excelente resistência a oxidação. Pode ser incorporado em forma de pó ao metal sinterizado para formar superfícies de mancais. Vantagens: aumenta a vida útil das peças, diminui o custo de manutenção, facilita a limpeza, permite uma lubrificação mais eficiente, mais prolongada e de melhor qualidade. Interatividade Sobre lubrificantes gasosos, podemos afirmarque: I. são aplicados em conjunto com lubrificantes líquidos convencionais. II. alguns dos lubrificantes gasosos utilizados são ar seco, nitrogênio e gases halogenados. III. este tipo de lubrificação não apresenta problemas, mesmo com a necessidade de elevadas pressões requeridas para manter o lubrificante entre as superfícies. Está correto o que se afirma em: a) I b) II c) I e III d) II e III e) I, II, III Resposta Sobre lubrificantes gasosos, podemos afirmar que: I. são aplicados em conjunto com lubrificantes líquidos convencionais. II. alguns dos lubrificantes gasosos utilizados são ar seco, nitrogênio e gases halogenados. III. este tipo de lubrificação não apresenta problemas, mesmo com a necessidade de elevadas pressões requeridas para manter o lubrificante entre as superfícies. Está correto o que se afirma em: a) I b) II c) I e III d) II e III e) I, II, III Viscosidade É a característica mais importante de um óleo lubrificante. De modo geral, a viscosidade pode ser definida como a resistência oposta ao escoamento de óleo. Quanto mais espesso o óleo, maior a sua viscosidade e maior a sua resistência para escoar. No sistema CGS, a unidade é dada em: dina.segundo/cm2, é denominada poise (P) e a unidade normalmente utilizada é o “centipoise” (cP). Viscosidade cinemática A viscosidade cinemática é obtida pela divisão da viscosidade absoluta (ou dinâmica) pela massa específica do óleo considerado. No sistema CGS, a unidade da viscosidade cinemática é cm2/ segundo e é denominada stoke (S), e a unidade normalmente empregada o “centistoke” (cS), que é mm2/ segundo. Viscosímetros O viscosímetro cinemático funciona pelo escoamento do óleo através de um tubo capilar sob o peso de uma coluna do mesmo óleo. Nos demais viscosímetros, a viscosidade é medida pelo tempo de escoamento em segundos através de orifícios padronizados. Os viscosímetros mais utilizados para medir viscosidade de óleos lubrificantes são: Saybolt e Cinemático. Viscosímetro Saybolt Existem vários aparelhos para medir a viscosidade. Para os óleos lubrificantes utilizados em motores é adotado o Viscosímetro Saybolt Universal. O sistema Saybolt Universal consiste em medir o tempo em segundos do escoamento de 60 mL de óleo, passando por um furo de 1,7 mm de diâmetro a determinada temperatura. A indicação da viscosidade é em SSU (Segundos Saybolt Universal). CARRETEIRO, R.P., BELMIRO, P.N.A. Lubrificantes e lubrificação industrial, Rio de Janeiro, interciência> IBP, 2006, p 39. Índice de viscosidade A viscosidade é a propriedade mais importante de um óleo e a temperatura é o fator mais importante que afeta a viscosidade. A viscosidade decresce com o aumento da temperatura, mas essa diminuição depende da natureza química do óleo e da variação de temperatura. O índice de viscosidade (IV) mede a variação da viscosidade com a temperatura. Quanto maior o valor do IV de um óleo, menor será a variação da viscosidade desse óleo com a variação da temperatura (menor será o efeito da temperatura sobre a viscosidade do produto). Índice de viscosidade A figura seguinte ilustra a variação e a determinação do Índice de Viscosidade (IV) calculado pela expressão: IV = L – U x 100 L – H L = valor da viscosidade cinemática a 40ºC do óleo de IV = 0, tendo a mesma viscosidade a 100ºC que a amostra de IV a calcular. H = valor da viscosidade cinemática a 40ºC do óleo de IV = 100, tendo a mesma viscosidade a 100ºC que a amostra de IV a calcular. U = valor da viscosidade cinemática a 40ºC do óleo cujo IV se deseja determinar. CARRETEIRO, R.P., BELMIRO, P.N.A.; Lubrificantes e lubrificação industrial, Rio de Janeiro, interciência> IBP, 2006,p 50. Valores para L e H para Viscosidade Cinemática 100°C mm2/s L H 12,0 201,9 108,0 12,5 216,6 114,7 13,0 231,9 121,5 28,0 904,1 380,6 29,0 963,4 401,1 30,0 1 023 421,7 CARRETEIRO, R.P., BELMIRO, P.N.A. Lubrificantes e lubrificação industrial, Rio de Janeiro, interciência> IBP, 2006,p 52. Classificação SAE Estabelecida pela Sociedade dos Engenheiros Automotivos (Society of Automotive Engineers – SAE), classifica os óleos lubrificantes de cárter somente com base na viscosidade. As demais características de um óleo não são consideradas. A classificação SAE é indicada por um número, quanto maior esse número, mais viscoso é o lubrificante. Os óleos menos viscosos (mais finos) são classificados a baixas temperaturas, de acordo com normas específicas para classificação de óleos para climas frios. Para estes óleos, o grau SAE é acompanhado da letra W (Winter = Inverno). Os de maior viscosidade (mais grossos) são classificados a 100ºC. Classificação SAE Óleos de Verão: SAE 20, 30, 40, 50, 60 Óleos de Inverno: SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W Óleos multiviscosos (inverno e verão): SAE 10W-30, 20W-40, 20W-50, 15W-50 Um óleo designado como SAE 10W–30 é um óleo multiviscoso, isto é, apresenta um IV suficientemente alto para se enquadrar numa especificação SAE para temperaturas baixas de partida e também se enquadra num grau SAE em temperaturas altas de trabalho. O óleo SAE 10W–30 é um óleo que se comporta como SAE 10W a baixa temperatura e como um óleo SAE 30 a 100 ºC. CARRETEIRO, R.P., BELMIRO, P.N.A.; Lubrificantes e lubrificação industrial, Rio de Janeiro, interciência> IBP, 2006,p259. Classificação API Desenvolvida pelo Instituto Americano do Petróleo (EUA), baseia-se em níveis de desempenho dos óleos lubrificantes, isto é, define o nível de aditivação. Os principais tipos de aditivos são: antioxidantes, anticorrosivos, antiespumantes, detergente-dispersantes etc. Essa classificação é simbolizada pela letra “S” (SERVICE – para motores a gasolina ou álcool) e “C” (COMERCIAL – para motores a Diesel), acompanhada pela sequência crescente das letras do alfabeto conforme evolução do desempenho dos óleos dos motores, cada vez mais exigentes. Exemplos de classificação: API SJ, SH, SG etc. Classificação API http://www.geocit ies.ws/etermecan ica/desem3.gif Classificação ISO VG Sistema de classificação de viscosidade para lubrificantes e outros fluidos industriais. Não implica em avaliação da qualidade, baseia-se apenas no valor da viscosidade na temperatura padrão de 40ºC (em centistokes). Exemplo: um óleo de classificação ISO VG 150 é um óleo que a 40ºC apresenta um valor de viscosidade compreendido entre 135 e 165 cS (tabela). Grau de viscosidade ISO Viscosidade cinemática no ponto médio cS a 40 0 C Limites de viscosidade cinemática cS a 40 0 Min. Máx. ISO VG 2 2.2 1.98 2.42 ISO VG 3 3.2 2.88 3.52 ISO VG 5 4.6 4.14 5.06 ISO VG 7 6.8 6.12 7.48 ISO VG 10 10 9.00 11.00 ISO VG 15 15 13.5 16.5 ISO VG 22 22 19.8 24.2 ISO VG 32 32 28.8 35.2 ISO VG 46 46 41.4 50.6 ISO VG 68 68 61.2 74.8 ISO VG 100 100 90 110 ISO VG 150 150 135 165 ISO VG 220 220 198 242 ISO VG 320 320 288 352 ISO VG 460 460 414 506 ISO VG 680 680 612 748 ISO VG 1000 1000 90 1100 ISO VG 1500 1500 1350 1650 CARRETEIRO, R.P., BELMIRO, P.N.A. Lubrificantes e lubrificação industrial. Rio de Janeiro, interciência, IBP, 2006,p 197. Exercício O gráfico mostra a variação da viscosidade cinemática em centistokes com a temperatura em ºC de um óleo lubrificante. Determine o índice de viscosidade (IV) e a classificação SAE desse óleo. IV = L – U x 100 L – H Exercício L = 273 cS (tabela) H = 139,6 cS (tabela) U= 168 cS (gráfico – viscosidade a 40ºC) IV = 273 – 168 x 100 = 78,7 273 – 139,6 Classificação SAE Viscosidade a 100ºC = 14,3 cS Tabela (entre 12,5 e 16,3) = óleo SAE 40 Interatividade Quanto aos componentes das graxas, pode-se afirmar que: a) a escolha do lubrificante líquido independe da aplicação que deveráser dada à graxa. b) as temperaturas de trabalho, velocidade e cargas que deverão ser suportadas pela graxa relacionam-se com a densidade do óleo mineral. c) o sabão usado como espessante, que é um éster metálico de um ácido graxo, é também um lubrificante, e a formação da película lubrificante se dá por polaridade da molécula. d) os óleos sintéticos, principalmente silicones, poliglicóis e diésteres não podem substituir os óleos minerais. e) o tipo de sabão usado não tem influência nas características da graxa obtida. Resposta Quanto aos componentes das graxas, pode-se afirmar que: a) a escolha do lubrificante líquido independe da aplicação que deverá ser dada à graxa. b) as temperaturas de trabalho, velocidade e cargas que deverão ser suportadas pela graxa relacionam-se com a densidade do óleo mineral. c) o sabão usado como espessante, que é um éster metálico de um ácido graxo, é também um lubrificante, e a formação da película lubrificante se dá por polaridade da molécula. d) os óleos sintéticos, principalmente silicones, poliglicóis e diésteres não podem substituir os óleos minerais. e) o tipo de sabão usado não tem influência nas características da graxa obtida. ATÉ A PRÓXIMA!