Viscosidade de Fluidos

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Viscosidade
1.
Introdução
Viscosidade é a resistência apresentada por um fluido à alteração de sua forma,
ou aos movimentos internos de suas moléculas umas em relação às outras.
A
viscosidade de um fluido indica sua resistência ao escoamento sendo o inverso
da
viscosidade, a fluidez. O conhecimento e o controle da viscosidade constituem
uma
das principais preocupações das indústrias de óleos, vernizes e tintas, que
para isso
empregam diversos instrumentos de medida de grande precisão.
Pode-se relacionar a viscosidade com a fluidez, velocidade de deslizamento e
tixotropismo das amostras analisadas. Os materiais
são divididos em duas categorias
gerais, dependendo de suas características de fluxo: newtonianos e não
newtonianos.
O fluxo newtoniano caracteriza-se por viscosidade constante, independente da
velocidade de cisalhamento aplicada, enquanto o não newtoniano por uma mudança
na viscosidade com o aumento na velocidade de cisalhamento.
A viscosidade de um fluido pode ser determinada por vários métodos: através
da resistência de líquidos ao escoamento, tempo de vazão de um líquido através
de
um capilar (viscosímetro de Oswald); da medida do tempo de queda de uma esfera
através de um líquido (Höppler); medindo a
resistência ao movimento de rotação de
eixos metálicos quando imersos na amostra (reômetro
de Brookfield)
2. Objetivo geral
Determinar o coeficiente de viscosidade de líquidos empregando os
viscosímetros de Ostwald e Höppler.
3. Procedimento experimental
Método 3.1:Viscosímetro de Ostwald
O viscosímetro de Oswald, permite uma determinação simples do coeficiente
de viscosidade a partir de uma substância padrão. Neste caso as medidas de
viscosidade são feitas por comparação entre o tempo na vazão do fluído de
viscosidade conhecida, geralmente água, e o de um fluído de viscosidade
desconhecida. Neste caso a equação usada é
onde d1 e d2 são as densidades dos fluídos conhecido e desconhecido,
respectivamente e t1 e t2 são os tempos correspondentes para que escoem
volumes
iguais dos líquidos. A precisão na operação com este viscosímetro depende do
controle
das variáveis temperatura, tempo, alinhamento vertical e volume da substância
estudada.
3.2 Materiais e reagentes
Viscosímetro
densimetro
Banho termostático
Cronômetro
Pipetas de 10 mL
Água destilada
Tubo de borracha
Soluções de etanol
3.3 Procedimento Parte A)- Dependência da viscosidade com a concentração de
etanol:
Prepare soluções 4 aquosas de etanol de 10, 20, 30 e 40% (p/v).
Determino-se a densidade das soluções preparadas
através do com o auxilio de
um densimetro.
Inicialmente mediu-se o tempo de escoamento de um certo volume de líquido
padrão que no experimento em questão foi a água destilada.
Mediu-se a temperatura inicial da água.
Mediu-se 10 mL de uma solução e colocou-a no
viscosímetro de Ostwald. Por
sucção, através de um tubo de borracha, o líquido foi elevado o interior do
tubo até preencher a dilatação pequena e passar um pouco acima da marca
superior, uns 2 cmmais ou menos.
Em seguida, deixou-se o líquido escoar (sem que gotas ficassem aderidas às
paredes do tubo) e quando o menisco passou no traço superior, o cronômetro
foi acionado para medir o tempo que este líquido leva para escoar até a marca
inferior.
Repetiu-se 5 vezes a mesma operação, anotando os tempos medidos (que não
devem diferir mais que 0,2%) e calculou-se a média aritmética dos tempos.
Construa o gráfico de y = ln η contra x = 1/T
para cada uma das substâncias.
3.4 Resultados e Discussões
Foi obtido da literatura, a densidade da água e o coeficiente de viscosidade
nas
condições de temperatura da experiência (temperatura ambiente = 30°C).
Tabela 1. Dados da água.
Tempo da água (s)
10,34
10,20
10,44
10,45 Média: 10,382
10,48
Coeficiente de
Temperatura
(°C)
viscosidade Æž
(milipoise)
Densidade
(g/mL)
7,975
0,99568
30
Tabela 2. Dados obtidos no experimento das soluções.
Solução de Etanol Densidade (g/mL)
1
2
2
4
10%
20%
30%
40%
0,985
0,975
0,955
0,940
Tempo
médio (s)
13,486
13,548
20,330
23,124
Para determinar o coeficiente de viscosidade foi aplicada a lei de Poiseuille, na
qual diz que:
= ( r4 t P)/8VL
A partir dela chegou-se na equação seguinte:
1
d t
d t
1
1
Tabela 3. Coeficientes de viscosidade.
Solução 1:
Æž1 = 10,24824 milipoise
Solução 2:
Æž2 = 12,74982 milipoise
Solução 3:
Æž3 = 14,97858 milipoise
Solução 4:
Æž4 = 16,76952 milipoise
A viscosidade aumenta com o aumentoda densidade, como
pode ser
observado.
O viscosímetro assim como todo material empregado no manuseio dos fluidos
deve estar completamente limpo (lavar o viscosímetro na troca de fluido) e deve
monitorar a temperatura indicada durante a medida, por meio de um banho
térmico.
Quanto maior a temperatura menor a viscosidade. Por isso é sempre importante
levar
em conta a temperatura ambiente ao se fazer experimentos envolvendo
viscosidade. E
isto não foi feito, assim isso pode ter influenciado nos resultados.
Outra fonte de erro pode ter sido na hora de determinar quando exatamente o
líquido passou por A ou B, na hora de acionar o cronômetro. Para atenuar todos
esses
erros deveriam ter feito várias medições do tempo de escoamento de cada
líquido.
Método 3.5 - Viscosímetro de Höppler
A determinação do coeficiente de viscosidade dos líquidos pode ser realizada
utilizando, também, o viscosímetro de HOPPLER (Figura 2). Fundamentalmente,
para
líquidos mais viscosos (glicerinas, óleos, etc),
pode-se determinar a viscosidade relativa
pelo método da velocidade da queda de bolas através do líquido, usando o
viscosímetro de HOPPLER.
Para calcular o coeficiente de viscosidade para cada solução utilizou-se as
seguintes equações :
Equação 1 → η = t(ds – dL)K
Onde:
η – Viscosidade do líquido
ds – Densidade da esfera
dL – Densidade da água
t – tempo de queda da esfera no líquido
Equação 2 → η2 = η1 (ds – d2) . t2
(ds – d1) . t1
Onde:
η1 – Viscosidade da água (calculado anteriormente→ η1 = (1,058 mP .g . s-1)
η2 – Viscosidade do etanol
d1 – Densidade da água
d2 – Densidade da solução de sacarose
t1 – tempo de queda da esfera na água
3.6 Materiais e reagentes
Viscosímetro de Hoppler,
Banho termostático,
Cronometro,
Decímetro,
Provetas de 150 mL,
Esferas de vidro,
Paquímetro, esferas de vidro
Termômetro 0 – 100 °C
Soluções de etanol
água destilada,
balança analítica
Figura2-Viscosímetro de Höppler
3.7 Procedimento Parte B)- Dependência da viscosidade com a concentração de
sacarose
Pesou a esfera a ser utilizada numa balança analítica e determine seu raio
utilizando o paquímetro.
Preparou-se 4 soluções de sacarose de 5, 15, 25 e 30 % (p/v).
Determinou a densidade de cada solução através do grau BRIX .
Encher completamente o tubo interno do viscosímetro com água.
Anotar o tempo de queda da esfera entre as marcas A e B no viscosímetro.
Coloque, no viscosímetro, o líquido a ser estudado, sem deixar bolhas de
ar. A altura do líquido deve ser tal que as esferas atinjam o primeiro traço
com uma velocidade constante.
Coloque a esfera no cilindro central e deixe-a cair sem formação de bolhas
de ar.
Anotar o tempo de queda da esfera entre as marcas A e B no viscosímetro.
Fazer mais 4 determinações para obter a melhor média.
3.8 Resultados e Discussões
Foi obtido da literatura, a densidade da água e o coeficiente de viscosidade
nas
condições de temperatura da experiência (temperatura ambiente = 30°C).Tabela 4. Dados da esfera de vidro.Esfera
Dados
Massa (g)
Diâmetro (mm)
Densidade (g.cm-3)
K - Constante
específica (mPcm3)
4,9
15,65
2,408
0,078
3.8.1 – Determinação do coeficiente de viscosidade para cada solução
utilizou-se as seguintes equação 1
Equação 1 → η = t(ds – dL)K
Tabela 5. Dados obtidos experimentalmente para encontrar o coeficiente de
viscosidade para a equação 1
Solução de
Sacarose
1
5%
2
15%
3
25%
4
30%
Densidade Tempo
médio ηAmostra
Amostra
Amostra
1,016
9,962
10,98729
ηH2O
Densidade
H2O
Tempo
médio H2O
7,975
0,99568
1,016
7,975
0,99568
1,034
1,034
10,98
11,9559
7,975
0,99568
1,052
1,052
15,744
16,92228
7,975
0,99568
1,092
1,092
17,41
18,16977
3.8.2 – Determinação do coeficiente de viscosidade para cada solução
utilizou-se as seguintes equação 2
Equação 2 → η2 = η1 (ds – d2) . t2
(ds – d1) . t1
Tabela 6. Dados obtidos experimentalmente para encontrar o coeficiente de
viscosidade para a equação
Solução de
Sacarose
1
5%
2
15%
3
25%
4
30%
Densidade
ηH2O
H2O
Tempo
médio H2O
Densidade Tempo
médio ηAmostra
Amostra
Amostra
1,016
9,962
7,904867
7,975
0,99568
1,016
7,975
0,99568
1,034
1,034
10,98
8,601742
7,975
0,99568
1,052
1,052
15,744
12,17483
7,975
0,99568
1,092
1,092
17,41
13,07235
Analisando os resultados obtidos com as equações 1 e 2, verifica-se que oscoeficientes de viscosidade não são tão semelhantes, no
entanto ambas as equações
podem ser utilizadas para determinação do coeficiente de viscosidade utilizando
o
viscosímetro de Hoppler. Tal diferença significativa
pode ser acarretada por erros
Durante o procedimento experimental que levam a uma variância consederável. Para
isso realizou-se o cálculo do erro, obtendo: %E= [eq(1)-eq(2)]/[eq(1)]x100 = 28,05%
4. Conclusão
A viscosidade de um fluido pode ser determinada por vários métodos: através da
resistência de líquidos ao escoamento, tempo de vazão de um líquido através de
um
capilar (viscosímetro de Oswald); da medida do tempo de queda de uma esfera
através
de um líquido (Höppler); medindo a resistência ao
movimento de rotação de eixos
metálicos quando imersos na amostra (reômetro de Brookfield).
Através desta experiência foi possível verificar a viscosidade de líquidos
utilizando o viscosímetro de Ostwald e o viscosímetro
de Höppler . O experimento em
questão permitiu-se obter, através das equações de escoamento laminar, os
coeficientes de viscosidade de líquidos de concentrações diferentes, baseados
nas suas
densidades e tempo de escoamento no viscosímetro.
A viscosidade é uma propriedade dos líquidos associada a
sua capacidade de
escoamento. Em geral, quanto maior a temperatura menor a viscosidade e quanto
maior a densidade maior a viscosidade. Isto foi verificado com os resultados
experimentais, ou seja, eles condizem com o esperado. Porém erros podem ter
influenciadodiretamente nos resultados obtidos, como
já foi explicado.
5. Questões
5.1- Discuta os resultados em termos das estruturas e das propriedades das
moléculas.
R - A viscosidade é uma propriedade física que os objetos em geral possuem de
resistir a variações na forma física. Ela é causada, em grande parte, pelas
interações
intermoleculares; quanto mais intensas forem estas forças, mais viscoso será o
material. Tanto as interações permanentes dipolo-dipolo, quanto as forças de
London
afetam a viscosidade assim como a temperatura. Outro fator importante é a
facilidade
com que as moléculas de uma substância se entrelaçam uma com as outras. É de se
esperar que moléculas de peso molecular mais elevado tenham uma resistência
maior
ao escoamento como se observa nos derivados do petróleo.
5.2 - Um volume V de água passa por um viscosímetro de Ostwald,
a 25°C em 30
segundos. Qual o tempo necessário para passar o mesmo volume de glicerina, nas
mesmas condições, sabendo-se que a sua viscosidade é 9,54 poise
e sua densidade é
1,26 g.cm-3?
R – Utilizando a fórmula:
Tem-se que t2 = d1t1η2/ η1.d2 = 0,99568 . 30. 9,54/0,007975 . 1,26 =
28358,821segundos → t2 = 7,877h
5.3 - Estudando a viscosidade da glicerina em função da temperatura,
encontrou-se:
Coeficiente de viscosidade (poise) 1340 121,10 14,90
6,29
T (ºC)
-20
0
20
30
Determine a constante B da equação de Carrancio para
a glicerina.
R-
y = - 25,45 + 8264 x
Comparando-se com o esperado tem-se.
Logo a constante B éigual a 608.706,89 J mol-1.
5.4 - Explique a origem da viscosidade.
R - A viscosidade é uma propriedade física que os objetos em geral possuem de
resistir a variações na forma física. É causada, em grande parte, pela
interação
intermolecular do objeto, sendo afetada também pela temperatura. A origem da
viscosidade ocorre em nível molecular, sendo determinada pela força de coesão
das
moléculas e pelo choque entre elas.
5.5 - Explique por que a viscosidade dos líquidos diminui e a dos gases aumenta
quando a temperatura aumenta.
R - Para uma molécula se deslocar em um líquido, ela deve adquirir uma energia
para escapar das moléculas vizinhas. Com o aumento da temperatura, a mobilidade
das moléculas no líquido aumenta, fazendo o líquido ficar mais fluido. Assim, a
viscosidade é inversamente proporcional à temperatura. Outra justificativa para
viscosidade ser inversamente proporcional à temperatura para os líquidos é o
fato de
nos líquidos, as forças de coesão predominam sobre os choques. Nestes fluidos,
o
aumento da temperatura reduz as forças de coesão, com conseqüente
redução da
viscosidade.
Nos gases, os choques predominam sobre as forças de coesão. Nestes fluidos, o
aumento da temperatura aumenta os choques, com conseqüente
aumento da
viscosidade
6. Referências Bibliográficas
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Determinação da medida do coeficiente de viscosidade de um líquido.
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Disponível
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Acesso em 11 de Junho de 2010.
ALMEIDA, Alexandre M.; BARAN, Franklin S.; MELO, Pamela T. H.; OLIVEIRA,
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA– DEQ
QUÍMICA INDUSTRIAL
Sétimo Relatório de Laboratório de Físico-Química
Viscosidade
Professor:Luciano
Aluna: Larissa Ciro Souza da Silva
Curso: Química Industrial
Recife, Junho de 2011