Aula 06 Fluidos Viscosidade e Reologia

Prévia do material em texto

Física Aplicada
Aula 06
Prof.ª Larissa
2016
Sumário
• Fluidos: Viscosidade e Reologia
• Definição de viscosidade
• Definição de tensão de cisalhamento
• Fluidos newtonianos
• Fluidos não-newtonianos
Fluidos – Viscosidade e reologia
• Definição de viscosidade:
Na Física, viscosidade de um fluido é uma medida da resistência que o fluido
oferece ao escoamento. É a resistência do fluido à mudança de forma.
O mel, por exemplo, resiste mais à mudança de forma do que a água e,
portanto, é mais viscoso que a água (em mesma temperatura).
Disponível em: <http://www.baldoni.com.br/mel.html>
Fluidos – Pressão de Vapor
• Definição de tensão de cisalhamento:
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp>
Situação hipotética: Tem-se uma
camada de líquido de espessura ℎ em
repouso entre duas placas paralelas
que, ao ser submetida a uma tensão,
tem sua deformação ocorrendo pelo
"escorregamento" das camadas de
líquido entre si. A este
"escorregamento" dá-se o nome de
cisalhamento do líquido. A tensão que
provoca este cisalhamento é chamada
de tensão de cisalhamento (𝜏𝜏).
Placa em movimento
Placa fixa
Fluidos – Pressão de Vapor
• Definição de tensão de cisalhamento:
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp>
A camada superior do fluido adquire a
mesma velocidade (𝑉𝑉 ) da placa em
movimento, e as camadas inferiores
têm suas velocidades reduzidas, até
chegar a zero, quando em contato com
a placa inferior (fixa).
Como existe uma diferença de
velocidade entre as camadas do fluido,
ocorrerá a deformação contínua, sob a
ação da tensão de cisalhamento.
Placa em movimento
Placa fixa
V=máx
V=0
Fluidos – Pressão de Vapor
• Definição de tensão de cisalhamento:
Qual a diferença que você observa entre aplicar uma força paralela à face
superior de um bloco de madeira e aplicá-la a um bloco de água, supostamente
no estado líquido?
Bloco de água? Eu nunca vi um bloco de água no estado líquido!
Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/cref/werlang/aula2.htm>
Justamente porque a água no estado líquido ou gasoso é um fluido, você não
pode observá-la nestes estados físicos na forma de um bloco. Suas camadas
deslizam umas sobre as outras sob o efeito de quaisquer forças tangencias, por
menor que elas sejam.
Sólidos resistem a tensões de cisalhamento. Fluidos não!
Fluidos – Pressão de Vapor
Em câmera lenta, é mais ou menos isso o que acontece com os fluidos que não
os permite ficar em formato de bloco:
Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/cref/werlang/aula2.htm>
Um fluido não se mantém estático quando sujeito a forças de 
cisalhamento, não importando a intensidade dessas forças.
Fluidos – Pressão de Vapor
• Definição de tensão de cisalhamento:
Tensão de cisalhamento é definida como a razão entre uma força tangencial e a
área à qual esta tensão é aplicada. É a força aplicada sobre um fluido que
promove seu cisalhamento, ou seja, a separação de camadas do fluido.
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp>
𝜏𝜏 = 𝐹𝐹𝑡𝑡
𝐴𝐴
No SI:
𝜏𝜏 = tensão de cisalhamento [𝑃𝑃𝑃𝑃]
𝐹𝐹𝑡𝑡 = força tangencial [𝑁𝑁]
𝐴𝐴 = área [𝑚𝑚2]
Fluidos – Pressão de Vapor
• Definição de taxa de cisalhamento:
A tensão de cisalhamento causa no fluido um fluxo. A taxa de cisalhamento pode ser
definida como a variação de velocidade de fluxo com a variação da altura (distância da
superfície que provoca o cisalhamento). Em MecFlu, utiliza-se derivada para este cálculo.
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp >
Usando o modelo de placas paralelas:
nestes dois casos, a tensão de
cisalhamento é a mesma, mas, devido a
ℎ1 ser maior que ℎ2 , a taxa de
cisalhamento no primeiro caso é menor
que no segundo caso.
𝛾𝛾 = Δ𝑉𝑉
Δℎ
Quando temos menos camadas para uma
mesma deformação, temos mais
“escorregamento” entre as camadas, e
portanto, uma maior taxa de cisalhamento.
Fluidos – Pressão de Vapor
• Relação entre os três parâmetros:
A viscosidade 𝜂𝜂 pode ser dada por unidades de tensão de cisalhamento por taxa de
cisalhamento. Este parâmetro é chamado de viscosidade dinâmica, coeficiente de
viscosidade ou apenas viscosidade. No SI, é dada em 𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑠𝑠, mas é muito comum encontrá-la
em centi Poise (𝑐𝑐𝑃𝑃) na literatura.
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp>
𝜏𝜏 = 𝜂𝜂𝛾𝛾 𝜏𝜏 = tensão de cisalhamento [𝑃𝑃𝑃𝑃]
𝜂𝜂 = coeficiente de viscosidade [𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑠𝑠]
𝛾𝛾 = taxa de cisalhamento [𝑠𝑠−1]1 𝑃𝑃𝑃𝑃 · 𝑠𝑠 = 10 𝑃𝑃 = 1000 𝑐𝑐𝑃𝑃
A correlação entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento define o comportamento
reológico de um fluido. Pode ser expresso graficamente em um diagrama com tensão de
cisalhamento na ordenada e taxa de cisalhamento na abcissa (chamado de curva de fluxo). A
viscosidade é assumida como constante e independente da taxa de cisalhamento (num
líquido Newtoniano).
Fluidos – Pressão de Vapor
• Fluido newtoniano x fluido não newtoniano:
1) Um fluido newtoniano é aquele em que a viscosidade se mantém constante
com a variação da taxa de cisalhamento. Água, óleos minerais, soluções salinas,
soluções de açúcares e gasolina são exemplos de fluidos newtonianos. A
viscosidade em líquidos, no entanto, diminui com aumento de temperatura.
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp>
2) Os fluidos não newtonianos têm comportamento mais complexo e não
linear. Há vários tipos de fluidos não newtonianos, conforme veremos a seguir.
Fluidos – Não newtonianos
Disponível em: <http://www.freedom.inf.br/artigos_tecnicos/hc56/ricardopedro.asp>
2.1) Comportamentos reológicos dependentes da variação da taxa de
cisalhamento. Podemos destacar os seguintes comportamentos:
a) Pseudoplástico
Apresentam um decréscimo de viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento.
Tecnicamente pode-se dizer que a tensão de cisalhamento inicial é maior que a necessária
para manter o fluxo, pois parte da energia da tensão inicial será desviada para a
"organização" do meio. Com esta "organização", o atrito entre as camadas do material seria
diminuído, reduzindo assim sua viscosidade.
O comportamento pseudoplástico é desejável em processos onde a viscosidade em fluxo
deve ser menor que a viscosidade em repouso, possibilitando: maior facilidade para que
produtos farmacêuticos sejam aplicados por seringas; facilidade na aplicação de tintas na
forma de sprays ou por pincéis; possibilita que pastas de dente ou cremes faciais sejam
colocados em tubos ou frascos; maior eficiência nos processos de mistura.
Fluidos – Não newtonianos
Disponível em: <http://minhacienciaefarmaceutica.blogspot.com.br/2009/10/reologia-nocoes-basicas.html>
b) Dilatante
Estas substâncias têm sua viscosidade aumentada quando a taxa de
cisalhamento é aumentada.
Comportamento raro, que só acontece em situações muito especiais como a
mistura de areia em água e suspensões de amido em solventes orgânicos.
c) Plástico
Estas substâncias comportam-se como sólido em condições de repouso e após
a aplicação de uma força (tensão de deformação) começam a fluir. Se após
começar a fluir apresentar característica newtoniana (linear), é chamado de
plástico de Bingham.
Pastas de dente são um clássico exemplo de plástico de Bingham.
Fluidos – Não newtonianos
Disponível em: <http://minhacienciaefarmaceutica.blogspot.com.br/2009/10/reologia-nocoes-basicas.html>
2.2) Comportamentos reológicos dependentes do tempo. Os comportamentos
desta categoria podem ser:
a) Tixotrópicos: Trata-se dos fluidos que tem sua viscosidade diminuída com o
tempo de aplicação da tensão de cisalhamento, voltando a ficar mais viscosos a
medida que a tensão de cisalhamento cessa. Exemplos desses fluidossão: as
suspensões concentradas, emulsões, soluções protéicas, tintas, ketchup.
b) Reopéxicos: São o inverso dos tixotrópicos. Para estes fluidos, a viscosidade
aumenta com o tempo de aplicação da tensão, retornando à viscosidade inicial
quando esta força cessa. Exemplo: argila bentonita. Comportamento reopéxico
é muito mais raro do que o tixotrópico.
Fluidos – Não newtonianos
Disponível em: <PERUZZO, CANTO. Química – Na Abordagem do Cotidiano. 1 ed. São Paulo: Moderna, 1996>
A curva de fluxo abaixo, mostra o comportamento para diversos tipos de
comportamento reológico dependentes da variação da taxa de cisalhamento:
Fluidos – Não newtonianos
Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA0rAAG/reologia-dos-polimeros?part=3>
Aqui, vemos o comportamento da tensão de cisalhamento e da viscosidade:
Curvas de fluxo para fluidos 1) Dilatante 2) Newtoniano 3) Pseudoplástico
Fluidos – Viscosidade e reologia
1) A viscosidade de um fluido é medida direta de:
a) Sua capacidade e velocidade de escoamento.
b) Sua velocidade de condensação e sublimação.
c) Sua característica reológica
d) Sua velocidade de sedimentação
e) Sua tendência de formar cristais e coloides
A viscosidade é a medida do quanto um líquido consegue escoar!
	Física Aplicada�
	Sumário
	Fluidos – Viscosidade e reologia
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Pressão de Vapor
	Fluidos – Não newtonianos
	Fluidos – Não newtonianos
	Fluidos – Não newtonianos
	Fluidos – Não newtonianos
	Fluidos – Não newtonianos
	Fluidos – Viscosidade e reologia