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Reologia e viscosidade - noções básicas

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1
VISCOSIDADE E REOLOGIA: NOÇÕES BÁSICAS 
 
1 - INTRODUÇÃO 
A viscosidade é o termo comumente conhecido que descreve as propriedades de 
escoamento de um fluido ou seja o atrito das camadas internas dentro do fluido que impõe 
resistência a fluir. 
A reologia é o estudo do escoamento e deformação da matéria, ou seja a reologia é o estudo 
do comportamento de fluidez. Os componentes dos fluidos podem apresentar diferentes 
formas geométricas, características diversas de ligação, tamanhos variados, que lhe 
conferem comportamentos distintos. 
Então devido a sua composição alguns produtos possuem uma única viscosidade a uma 
dada temperatura independente da força de cisalhamento e são denominados de fluidos 
Newtonianos, enquanto a maioria dos fluidos apresenta comportamento reológico mais 
complexo e a determinação da viscosidade não é um tópico simples. 
Outros produtos apresentam um comportamento reológico bastante variado dependentes do 
tempo e ou visco-elástico. 
Esses comportamentos são o tema central deste boletim. 
Os dados reológicos nas indústrias são importantes para: 
• Determinar a funcionalidade de ingredientes no desenvolvimento de produtos. 
• Controle de qualidade do produto final ou intermediário. 
• Determinação da vida de prateleira 
• Avaliação da textura pela correlação com dados sensoriais. 
• Cálculo de engenharia de processos englobando uma grande quantidade de equipamentos 
tais como agitadores, extrusoras, bombas, trocadores de calor tubulações ou 
homogeneizadores. 
Existem vários instrumentos disponíveis para a realização das medidas de viscosidade e 
reologia, com princípio de funcionamento rotacional ou tubular. Os instrumentos rotacionais 
podem operar em cisalhamento estacionário (velocidade angular constante) ou dinâmico 
(oscilatório). 
Os equipamentos comerciais mais simples fornecem curvas de escoamento (viscosidade), 
enquanto que instrumentos mais sofisticados fornecem comportamento reológico e também 
dão informações de visco-elasticidade do material. Todos os parâmetros, curva de 
escoamento, tendência reológica e visco-elasticidade, são importantes para a completa 
caracterização. 
É importante observar que os comportamentos não são exclusivos, ou seja, um material 
pode apresentar pseudoplasticidade, tixotropia e visco-elasticidade. 
 
 
 2
2 - DEFINIÇÕES 
2.1 Terminologias 
Existem alguns conceitos básicos e terminologias específicas que são usados em se 
tratando de medidas reológicas. 
Fluxo: Quando se aplica uma força de cisalhamento em um líquido este origina uma 
deformação que se denomina fluxo. 
 
Tensão de cisalhamento: quantidade de força (tensão) aplicada em uma determinada área 
do fluido. A força cisalhante aplicada em uma determinada área de um fluido em contato com 
um plano estacionário é a tensão de cisalhamento, matematicamente definida: 
 
 
Taxa de cisalhamento: é o gradiente de velocidade de cisalhamento por uma determinada 
distância. 
 
Exemplo de tensão e taxa de cisalhamento: Espalhar margarina com uma espátula em um 
pão. 
Ao espalhar a margarina com a espátula aplica-se uma força com a mão (tensão) e uma 
velocidade de espalhamento (dv). A altura da camada de margarina formada entre o pão e a 
espátula é a distância (dx). 
Tensão de deformação inicial (Yield stress): A definição típica de dicionário para o verbo 
“Yield” é “abrir caminho por ação de uma força” que implica em uma abrupta e extrema 
mudança no comportamento em relação ao estado de menor resistência (descanso). Ou seja 
é como o próprio nome diz, a tensão mínima exigida para que um material comece a fluir. 
A tensão de deformação é benéfica para evitar sedimentação ou sinerese ou para 
estabelecer a característica de um produto em cima de uma faca ou colher sem escorrer. 
Esse parâmetro será desfavorável se um produto tem que preencher cavidades através de 
escoamento do material. Com relação ao nivelamento, se a tensão de cisalhamento é muito 
alta, o produto exibe nivelação irregular. (Cunha, 1999) 
Viscosidade: definindo matematicamente 
 
 
 
 
 
 3
2.2 – Comportamento de escoamento 
A) NEWTONIANO 
O fluido Newtoniano, ou um material classificado como Newtoniano, é aquele cuja 
viscosidade é igual, independente da taxa de cisalhamento na qual é medido, numa dada 
temperatura. 
Ao medir a viscosidade de um material em diferentes velocidades num Viscosímetro 
rotacional, ou sob várias condições de pressão num Viscosímetro capilar e as viscosidades 
resultantes forem equivalentes, então o material é Newtoniano, sobre as condições de 
cisalhamento em que foi medido. 
 
É possível para um material ter ambas viscosidades, Newtonianos e não-Newtonianos 
quando medido em uma larga faixa de taxa de cisalhamento. Muitos fluidos são 
Newtonianos, como a água, solventes, soluções muito diluídas, óleos minerais e fluidos de 
silicone. 
 
 
 
B) NÃO-NEWTONIANO 
Os materiais não-Newtonianos podem ser classificados em 02 sub grupos: 
Não-Newtoniano - independente de tempo 
Não-Newtoniano - dependente de tempo 
 
B1) INDEPENDENTE DE TEMPO 
Fluidos pseudoplásticos (com ou sem tensão de deformação inicial): a viscosidade decresce 
com o aumento da taxa de cisalhamento. Isto é chamado de "cisalhamento fino". Ao efetuar 
a leitura em um Viscosímetro, rotacionando de baixa para alta velocidade e voltar para a 
baixa e as leituras nas mesmas velocidades coincidirem, o material é considerado 
pseudoplástico independente de tempo e de cisalhamento fino. 
Este parâmetro deve ser levado em consideração no desenvolvimento de produtos. Ex.: 
maioria dos alimentos, tintas, emulsões 
 
 
 4
 
 
Fluidos dilatantes: a viscosidade aumenta com o aumento da taxa de cisalhamento. Se o 
material é medido de baixa para alta velocidade e a viscosidade aumenta com o aumento da 
velocidade (gradiente de cisalhamento), o material é classificado como Dilatante. Este tipo 
de comportamento é mais raro que a pseudoplasticidade, e observado em fluidos contendo 
altos níveis de defloculantes como argilas, lama, amido de milho em água, ingrediente de 
balas. 
 
 
Plásticos: este tipo de fluido comporta-se como sólido em condições estáticas ou de repouso 
e após aplicação de uma certa força começa a fluir. Esta força aplicada denomina-se tensão 
de deformação. Após começar a fluir o comportamento pode ser Newtoniano, pseudoplástico 
ou dilatante. Ex. Catchup 
Plástico Bingham: se o material apresenta forças internas que o impeçam de fluir, até atingir 
a tensão de deformação inicial e em seguida começa a fluir apresentando um 
comportamento newtoniano, ele é classificado como Plástico Bingham. 
 
 
 5
 
 
 
B2) DEPENDENTE DE TEMPO 
Alguns fluidos apresentam mudança na viscosidade em função do tempo sob condições 
constantes de taxa de cisalhamento. Há 2 categorias a serem consideradas. 
Tixotropia: podem ser mensuradas de 2 formas 
Fluidos decrescem a viscosidade com o tempo enquanto são submetidos a um constante 
cisalhamento. 
Medidas de viscosidade num curso de velocidade de alta para baixa e vice-versa, obtendo 
nas leituras ascendentes, valores diferentes dos obtidos nas leituras descendentes. O 
material é classificado como sendo tixotrópico e dependente do tempo. 
 
 
 
 
 6
Reopexia: 
Fluidos aumentam a viscosidade com o tempo a um cisalhamento constante. 
A tixotropia e a reopexia podem ocorrer em combinação com os comportamentos de 
escoamento. 
 
 
 
3 - PROPRIEDADES DE VISCOELASTICIDADE 
Reologia inclui o estudo da deformação e recuperação de um material, que exibe 
características de sólido elástico e de líquido viscoso, ou seja, considerado viscoelástico. 
Podemos definir que as amostras viscoelásticas apresentam inicialmente comportamento 
sólido e posteriormente líquido. 
Iniciamos a descrição destapropriedade diferenciando o comportamento de um sólido e de 
um líquido quando submetidos à tensão de cisalhamento. 
 
Um sólido ideal, denominado de sólido de Hooke, submetido a uma tensão constante (força), 
sofrerá distensões em todas as direções e a quantidade de distensão é controlada pela 
quantidade de tensão. A distensão é mantida até que a tensão seja removida, a qual terá 
uma completa e instantânea recuperação quando a tensão é removida. O processo ocorre 
instantaneamente, portanto o tempo não é uma variável. (Rohn ,1995) 
Em oposição a esse comportamento, um líquido ao ser submetido a uma tensão, deforma 
iniciando imediatamente o fluxo, não recuperando a forma inicial. 
Um fluido ideal, Newtoniano, que não apresenta característica elástica inerente ou estrutura 
de gel, nem possui alta viscosidade, como a água ou óleo ao ser submetido a uma tensão 
constante escoará enquanto a tensão for mantida. Portanto, o estiramento do líquido é 
função de 2 variáveis: tensão e tempo. (Rohn ,1995) 
As dispersões de polímeros, os sistemas multifásicos, materiais com tecidos estruturais e 
semi-sólidos tais como pastas e géis são viscoelásticos por apresentarem comportamento 
híbrido elástico e viscoso, 
Ao aplicar uma tensão em um material viscoelástico, o seu componente sólido elástico 
distende instantaneamente na proporção da magnitude da tensão aplicada. A extensão da 
 
 7
distensão é referenciada como deformação angular (usualmente em frações de radiano) ou 
distensão angular (strain) ou distensão em razão da tensão aplicada. Devido à imposição da 
tensão constante a amostra sofre distensão crescente (semelhante ao estiramento elástico). 
Na fase inicial entre períodos de poucos segundos ou de muitos minutos, a amostra pode 
continuar a distender primeiramente em alta velocidade, mas vagarosamente ao longo do 
tempo. 
Este período de tempo constitui a combinação entre a distensão elástica e deformação 
viscosa uma vez que os componentes com estrutura elástica da amostra alcançam a sua 
distensão de estiramento máximo, toda a subseqüente deformação é verdadeiramente 
viscosa e portanto não recuperável, da mesma forma que ocorre com o fluxo. 
Os dados de viscoelasticidade podem ser úteis no entendimento de alguns processos como 
estabilidade de emulsões e extrusão. Também é uma ferramenta valiosa no 
desenvolvimento de produtos, pois fornece parâmetros que podem ser relacionados à 
estrutura do material. 
Na indústria de alimentos o desenvolvimento de novos produtos demonstra a necessidade 
de ingredientes funcionais, em particular de macromoléculas formadoras de estrutura nos 
alimentos de baixas calorias, que apresentam função de espessante, geleificante, 
emulsificante ou ainda evitar a sinerese (exsudação espontânea). 
A medida da viscoelasticidade pode ser feita por métodos estáticos e dinâmicos, porém 
somente através de ensaios oscilatórios (dinâmicos), as propriedades podem ser medidas 
simultaneamente. 
A resposta dinâmica de materiais viscoelásticos pode ser usada para dar informação sobre o 
aspecto estrutural de um sistema a nível molecular ou predizer o comportamento em escala 
macroscópica, desde que o ensaio seja feito dentro do intervalo de viscoelasticidade linear. 
Os líquidos viscoelásticos freqüentemente contêm uma rede de moléculas tridimensional que 
se deformam elasticamente devido às grandes moléculas. Na deformação oscilatória de 
líquidos viscoelásticos, somente parte da energia aplicada é recuperada, porque uma parte 
da rede tridimensional tende a escoar sob tensão. 
Redes mais resistentes à ruptura possuem maior componente elástico. 
O armazenamento e perda de energia associados a elasticidade e à viscosidade do material, 
respectivamente, podem ser ilustrados quando uma bola é batida no chão. Quanto menos 
elástico for o material da bola, mais baixa será a altura alcançada pela mesma. 
Um material viscoelástico responde como: Um sólido em intervalos de tempo curtos (alta 
freqüência) e um líquido em intervalos de tempo longos (baixa freqüência) 
Para auxiliar o entendimento do conceito de reação a tensão constante, imagine retirando 
uma colherada de maionese do frasco e permanecendo dessa forma por um tempo. A 
maionese inicialmente “murchará” devido ao seu próprio peso ou mais precisamente devido 
a constante tensão da gravidade. 
A intensidade dessa depressão inicial na maionese está correlacionada com a magnitude da 
distensão elástica a qual pode ser vista no teste da deformação (creep). 
A maionese ao permanecer por um determinado período nesse estado acaba escoando – 
nivelamento da colherada sob contínua constante de tensão da gravidade. 
 
 8
 
 
MEDIDA DE VISCOELASTICIDADE Teste de deformação é uma técnica disponível apenas 
em reômetros com tensão de cisalhamento controlado, este parâmetro revela características 
sobre a natureza viscoelástica do material, informação não conseguida simplesmente com a 
medida de viscosidade ou tensão de deformação inicial. 
 
Para realizar o teste de deformação aplica-se uma tensão baixa e constante sobre a amostra 
por um determinado período de tempo. A resposta da amostra à tensão aplicada, quanto à 
distância e velocidade com que se moveu em função do tempo é a propriedade de 
deformação de um material. Quando a deformação é pequena, ou é aplicada de forma muito 
lenta, os arranjos moleculares estão próximos ao equilíbrio. Nesse caso, a resposta 
mecânica é apenas uma reflexão dos processos dinâmicos a nível molecular que mudam 
constantemente e isso ocorre mesmo quando o sistema está em equilíbrio. Este é o domínio 
da viscoelasticidade linear. As magnitudes de tensão e deformação estão linearmente 
relacionadas e o comportamento de qualquer líquido é completamente descrito como uma 
simples função do tempo. 
 
GEOMETRIA VANES (ALETAS) A última consideração sobre equipamento apropriado para 
medir materiais com tensão de deformação inicial deve-se levar em conta os fatores 
necessários para evitar depleção de parede ou artefatos falsos que freqüentemente 
aparecem em medidas com baixa taxa de cisalhamento em líquidos altamente estruturados. 
 
A geometria mais largamente usada e adequada para medir a tensão de deformação com o 
propósito de eliminar o efeito de parede é a geometria de aletas (as aletas são utilizadas ao 
invés de um cilindro de uma polegada), com sua diversidade no número de aletas e aspectos 
de dimensão proporcional. Isto oferece a possibilidade de inserir aletas finas dentro de 
amostras em repouso ou armazenadas com um mínimo de distúrbio. 
 
O uso de aletas em velocidade de rotação muito alta deve ser excluído devido à formação de 
 
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fluxo secundário que se desenvolve atrás das aletas. 
 
Análises teóricas desta geometria têm sido disseminadas por vários pesquisadores que 
concluíram que para tensão de deformação / líquidos muito finos, a geometria de aleta atua 
como um cilindro circunscrito definido pela ponta das pás das aletas, com o material inserido 
no cilindro virtual, agindo essencialmente como um corpo sólido e o material fora sendo 
cisalhado no caminho normal. Isto assegura que o artefato falso é completamente 
sobreposto pela rotação.

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