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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUIMÍCA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS REOLOGIA DE SISTEMAS NEWTONIANOS E NÃO NEWTONIANOS ALUNOS: Aline Garcia Camila da Fonseca Carolina Guimarães Rafaela de Oliveira Vinícius Mariano FLORIANÓPOLIS, 2015 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA E ENGENHARIA DE ALIMENTOS REOLOGIA DE SISTEMAS NEWTONIANOS E NÃO NEWTONIANOS Trabalho apresentado como instrumento de avaliação à Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para aprovação na disciplina Físico-Química Experimental (QMC 5411). Prof.: Drª Vera Lucia Azzolin Frescura Bascunan ALUNOS: Aline Garcia Camila da Fonseca Carolina Guimarães Rafaela de Oliveira Vinícius Mariano FLORIANÓPOLIS, 2015 RESUMO REOLOGIA É A CIÊNCIA QUE ESTUDA A FORMA COMO DIVERSOS TIPOS DE MATERIAIS SOFREM DEFORMAÇÕES, DENTRE TANTAS OPÇÕES, NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS DESTACAM-SE OS FLUIDOS, QUE PODEM SER CARACTERIZADOS COMO NEWTONIANOS E NÃO NEWTONIANOS, O ESTUDO ABORDADO NESSE TRABALHO TEM COMO TEMÁTICA INVESTIGAR O COMPORTAMENTO REOLÓGICO DA MISTURA DE AMIDO DE MILHO COM ÁGUA DESTILADA, E PARA ISSO PASSOU POR DIVERSOS TESTES, DENTRE ELES, O VISCOSÍMETRO DE STORMER. Palavras-Chaves: Reologia, Fluidos, Viscosidade, Amido de Milho. III SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 4 2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 5 2.1 Objetivo Geral .................................................................................................... 5 2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 5 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 6 3.1 Reologia ............................................................................................................ 6 3.1.1 Conceitos Fundamentais ................................................................................... 6 3.2 Viscosidade ....................................................................................................... 7 3.3 Tipos de Fluidos ................................................................................................ 8 3.3.1 Fluidos Newtonianos ......................................................................................... 8 3.3.2 Fluidos Não Newtonianos .................................................................................. 8 4 METODOLOGIA ................................................................................................ 9 4.1 Materiais e Reagentes ....................................................................................... 9 4.2 Procedimento Experimental .............................................................................. 9 4.2.1 Preparação do Viscosímetro de Stormer ........................................................... 9 4.2.2 Medida da Velocidade Angular .......................................................................... 9 4.2.3 Acionamento do Cilindro ................................................................................... 9 4.2.4 Colocando a Amostra ........................................................................................ 9 4.2.5 Fazendo Medidas ............................................................................................ 10 4.2.6 Preparação da Amostra de Amido de Milho .................................................... 10 4.2.7 Cálculo da Viscosidade ................................................................................... 10 4.2.8 Determinação da constante K do viscosímetro ............................................... 10 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................... 12 5.1 Tratamento dos Dados .................................................................................... 12 5.2 Questionário .................................................................................................... 15 6 CONCLUSÃO .................................................................................................. 20 IV 1 7 REFERÊNCIAS ............................................................................................... 21 4 1 INTRODUÇÃO Desde os primórdios até a atualidade, a curiosidade do ser humano tem se tornado um dos maiores agentes de descobertas, pois sempre procuramos a razão pela qual a matéria se altera, um dos comportamentos que mais chama atenção no meio físico-químico, é como materiais se deformam ao sofrer uma tensão. Tal estudo se chama REOLOGIA, que pode ser definida como a ciência que estuda a maneira como os materiais se deformam quando sofrem ação de uma tensão. De fundamental aplicação na indústria alimentícia, a reologia tem auxiliado na avaliação do comportamento de diversos tipos de alimentos, em vários tipos de situação. Um fator diretamente ligado à reologia é a viscosidade, propriedade física que estuda a resistência de escoamento de algum fluido, considerando que a reologia estuda fluidos, leva-se em conta também as características desse fluido, o que liga a viscosidade ao assunto abordado. 5 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral Conhecer o princípio reologia. 2.2 Objetivos Específicos Conhecer as aplicações do estudo da reologia na área alimentícia. 6 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Reologia Segundo a ABR (Associação Brasileira de Reologia), dentro da definição já citada no trabalho, os estudos da reologia abrangem os seguintes temas: Tipos de reômetros/ viscosímetros; Modelos matemáticos; Medidas do comportamento visco-elásticos de fluidos; Otimização de resultados dos ensaios reológicos; Aplicações tecnológicas de diversos materiais. Dentre as principais aplicações da avaliação do comportamento reológico, destacam-se: A contribuição para o conhecimento da estrutura molecular; Controle de processo industrial; Projeto de equipamentos no processamento dos materiais; Controle de qualidade e aceitação do produto (intermediário e final). 3.1.1 Conceitos Fundamentais Seja um elemento de volume de um fluído, na forma de um cubo e uma força externa aplicada. Desenvolver-se-á uma força interna, agindo a partir dessa área, que é denominada tensão (σyx). Existem dois tipos básicos de tensão que podem ser exercidas sobre qualquer material nesse volume. Tensões normais: agem perpendicularmente à face do cubo. Tensões de cisalhamento: agem tangencialmente à face do cubo. Figura 1. Tensão Normal e Tensão de Cisalhamento. 7 Os conceitos de tensão de cisalhamento (força aplicada) e taxa de defor- mação (gradiente de velocidade) são usados para descrever a deformação e o esco- amento do fluido. No caso de líquidos, a maior parte das medidas reológicas são feitas com base na aplicação de tensões de cisalhamento. A figura mostra o que ocorre quando uma tensão de cisalhamento simples () é aplicada a um líquido: Figura2. Tensão de cisalhamento simples. 3.2 Viscosidade Viscosidade é a propriedade física que caracteriza a resistência de um fluido ao escoamento. Em outras palavras, é a propriedade associada à resistência que um fluido oferece à deformação por cisalhamento, tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos opostos, porém, em direções semelhantes no material analisado. Pode-se dizer que a viscosidade corresponde ao atrito interno nos fluidos devido às interações intermoleculares, sendo geralmente em função da temperatura. É comum sua percepção estar relacionada à “grossura”, ou resistência ao despejamento. Viscosidade descreve a resistência interna do material para fluir e deve ser entendida como a medida do atrito do fluido. Desta forma, quando se diz “a água é fina”, significa que este material tem uma baixa viscosidade, enquanto óleo 8 vegetal é “grosso”, com uma alta viscosidade. Pela Lei de Newton, a viscosidade possui uma constante de coeficiente de viscosidade, viscosidade absoluta ou viscosidade dinâmica. Muitos fluidos, como a água ou a maioria dos gases, comportam-se segundo a Lei de Newton e por isso são conhecidos como fluidos newtonianos. Os fluidos não newtonianos têm um comportamento mais complexo e não linear. Cada um possui um coeficiente próprio de viscosidade. Como exemplo, estão as suspensões coloidais, as emulsões e os géis. 2 3.3 Tipos de Fluidos Geralmente, o comportamento reológico de um líquido é representado pelo gráfico da sua taxa de cisalhamento versus sua tensão de cisalhamento, que tem por fim representar a curva de fluxo deste líquido. Se o gráfico for linear, a viscosidade será constante e corresponderá ao coeficiente angular da reta. Nesse caso, o líquido será dito newtoniano. Porém, alguns líquidos apresentam a formação de estruturas organizadas em seu sistema, e orientação assimétrica das partículas ao longo do fluxo em decorrência do gradiente de velocidade. Tais líquidos são ditos não newtonianos e seu gráfico foge da linearidade. 3.3.1 Fluidos Newtonianos É aquele cuja viscosidade é igual, independente da taxa de cisalhamento na qual é medido, numa dada temperatura. Além disso, seguem a lei de Newton. Esta classe abrange todos os gases e líquidos não poliméricos e homogêneos. (ex.: água, leite, soluções de sacarose, óleos vegetais). 3.3.2 Fluidos Não Newtonianos A relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento não é constante. Estes fluidos podem ser classificados em dois subgrupos: Não- Newtoniano independente de tempo (fluidos pseudoplásticos, fluidos dilatantes e plásticos) e Não-Newtoniano dependente de tempo (tixotropia e reopexia). 9 4 METODOLOGIA 4.1 Materiais e Reagentes - Balança Analítica; - Espátula; - Cronômetro; - Proveta (50 ml); - Béquer (250 ml); - Água Destilada; - Amido de Milho; - Glicerina; - Viscosímetro de Stormer; - Massas de Acionamento. 4.2 Procedimento Experimental 4.2.1 Preparação do Viscosímetro de Stormer Completou-se o volume do copo de medida com glicerina, realizou-se a contagem de 50 giros, simultaneamente a isso, a contagem de tempo. 4.2.2 Medida da Velocidade Angular Deu-se início às rotações do viscosímetro de Stormer, simultaneamente acionou-se o cronômetro, após 50 giros serem apontados, parou-se o cronômetro e também o equipamento. Leu-se o tempo levado, e obteve-se o resultado com a divisão do número de voltas (50) pelo tempo levado para que as mesmas fossem completadas. 4.2.3 Acionamento do Cilindro Acionou-se o cilindro girando-se o parafuso do freio 90 graus, freou-se o equipamento, quando girou-se o parafuso por mais 90 graus. Para retornar o peso à posição superior, girou-se a manivela da roldana no sentido anti-horário, com o freio acionado. 4.2.4 Colocando a Amostra Soltou-se o parafuso da trava da plataforma e abaixou-a, retirou-se o copo 10 da plataforma, colocou-se o líquido a ser analisado no interior do copo, recolocou-se no mesmo lugar, subiu-se a plataforma, e travou-se novamente o parafuso da trava. 4.2.5 Fazendo Medidas Mediu-se o tempo que o cilindro levou para dar 50 voltas e calculou-se a velocidade angular adicionando massas de acionamento diferentes ao viscosímetro de Stormer . 4.2.6 Preparação da Amostra de Amido de Milho Pegou-se um béquer e com auxilio de uma balança analítica e uma espátula, pesou-se 60 gramas de amido de milho, a parte, com auxilio de uma proveta, mediu-se o volume de 50 ml de água destilada, adicionou-se ao amido, e misturou-se até formar um material homogêneo, depois de todas as aferições, adicionou-se 50 ml de água destilada e repetiu-se o mesmo procedimento. 4.2.7 Cálculo da Viscosidade Experimentalmente a viscosidade de um líquido pode ser obtida aplicando-se a equação: m K Onde m é a massa do peso de acionamento, é a velocidade angular do cilindro interno, K é uma constante do instrumento que pode ser obtida utilizando- se um líquido newtoniano de viscosidade conhecida e medindo-se m e para este líquido. A unidade de K depende das unidades utilizadas para , e m. 4.2.8 Determinação da constante K do viscosímetro Utilize glicerina para determinar a constante do viscosímetro na temperatura em que for fazer as medidas. Coloque a glicerina no copo e meça a velocidade angular do cilindro interno em rotações por segundo para uma massa conhecida do peso de acionamento em gramas. 11 m K Unidade: mPa.s. s-1. g-1 12 a) b) c) 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 Tratamento dos Dados Faça um gráfico de taxa de cisalhamento (, s-1) versus tensão de cisalhamento (massa, g). Tempo Glicerina 0 0 134 s 0,373 s-1 92 s 0,543 s-1 49 s 1,02 s-1 38 s 1,31 s-1 27 s 1,85 s-1 Tempo Maisena 1 0 0 116 s 0,431 s-1 92 s 0,543 s-1 76 s 0,657 s-1 67 s 0,746 s-1 57 s 0,877 s-1 Tempo Maisena 2 0 0 9 s 5,555 s-1 8 s 6,250 s-1 5 s 10,000 s-1 4 s 12,500-1 3 s 16,667 s-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 29,457 40,151 75,312 96,546 139,898 Maisena (60g/100mL) Maisena (60g/50mL) Glicerina Tabela a), b) e c). Taxa de Cisalhamento. 13 Faça um gráfico de viscosidade, , versus Tensão de cisalhamento (massa, g). Tensão de cisalhamento Massas de acionamento Viscosidade 0 0 0 0,373 29,457 1,49 0,543 40,151 1,3950928797 1,02 75,312 1,3930624779 1,31 96,546 1,3904954594 1,85 139,898 1,4267450119 Tabela 1. Viscosidade (h) x tensão de cisalhamento (massa, g) da glicerina. Tensão de cisalhamento Massas de acionamento Viscosidade 0 0 0 0,431 29,457 1,2894895592 0,543 40,151 1,3950928797 0,657 75,312 2,1627453995 0,746 96,546 2,4417547612 0,877 139,898 3,009667357 Tabela 2. Viscosidade (h) x tensão de cisalhamento (massa, g) da maisena (60 g/50 mL). Tensão de cisalhamento Massas de acionamento Viscosidade 0 0 0 5,555 29,457 0,1000486049 6,25 40,151 0,1212056694 10 75,312 0,1420923727 12,5 96,546 0,1457239241 16,667 139,898 0,158365529 Tabela 3. Viscosidade (h) x tensão de cisalhamento (massa, g) da maisena(60 g/100 mL). 14 Conclua se o fluido estudado é newtoniano ou não newtoniano (pseudoplástico, plástico ou dilatante). Ao plotar o gráfico Tensão de Cisalhamento VS Taxa de Cisalhamento para a suspensão de amido de milho (maisena), obtivemos uma curva, onde a viscosidade variou, e isso nos indica que o fluido estudado é considerado um liquido não Newtoniano, já que os fluidos que não apresentam uma taxa de cisalhamento proporcional a tensão de cisalhamento aplicada, ou seja, que não possuem uma viscosidade constante, são chamados de fluidos não Newtonianos. A suspensão de amido de milho apresentou uma taxa de cisalhamento em função, exclusivamente, da tensão aplicada. Isso nos mostra que o fluido é independente do tempo. Conclusão do fluido estudado: Concluiu-se que a suspensão de maisena é um fluido Não-Newtoniano, pois ocorreu um aumento na viscosidade com o aumento da tensão de cisalhamento, e com este comportamento, esta suspensão é classificada como dilatante. 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 20 40 60 80 100 V is co si d ad e ƞ ( m P a. s) Massa (g) - Tensão de cisalhamento Amido de milho Amido de milho 15 5.2 Questionário 5.1. O que significa o termo tensão de cisalhamento? )área( )força( A F -> distribuição pelos pontos da área da força cortante existente. Tensão de cisalhamento é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais ou oposto, em direções semelhantes, mas com intensidades diferentes. Um exemplo disso é a aplicação de forças paralelas, mas em sentidos opostos (tensão que gera o corte com tesouras). Um fluido se deforma continuamente quando submetido à tensão de cisalhamento, não importando o quão pequena possa ser essa tensão. Essa deformação acontecerá fazendo com que as seções permaneçam planas e paralelas entre si. Podemos encarar este movimento como sendo um escorregamento entre as seções, ou “empacotamento”. No nosso caso, utilizamos uma mistura de água e amido de milho. Sendo essa mistura um exemplo de fluido dilatante, ela se comportou como líquido e também como sólido, pois conforme aumentávamos a tensão, a viscosidade também aumentava. Figura 3. Tensão de Cisalhamento. A pressão de cisalhamento resulta em um fluxo que, no caso de líquidos newtonianos, persiste enquanto a pressão externa estiver sendo aplicada. 16 5.2. Procure na literatura o significado dos termos extrussibilidade, compressibilidade, ductibilidade, espalhabilidade, elasticidade, fluidez e dê exemplos que ilustrem o contato, no dia-a-dia, com essas propriedades. Extrussibilidade: corresponde ao processo de forçar uma massa semi-sólida através de um de um orifício. Ex.: forçar a saída do creme dental. Compressibilidade: propriedade dos corpos que, sob a ação de uma pressão aplicada uniformemente a sua superfície, diminuem de volume. Ex.: obtenção de comprimidos a partir de pós ou granulados. Ductibilidade: propriedade associada à formação de fios quando sistemas semi-sólidos são espichados, como é o caso da vaselina sólida. Ex.: quando retiramos o creme contido dentro de um pote. Espalhabilidade: quando um corpo semi-sólido ou líquido espalha-se, sob aplicação de uma força, sobre uma superfície sólida. Ex.: aplicação de pomadas sobre a pele. Elasticidade: propriedade que apresentam certos corpos de retornar à sua forma primitiva ao cessar a ação que neles produziu uma deformação. Ex.: ao aplicar uma força sobre um gel (até certo limite), este volta a sua forma original quando cessada a força. Fluidez: o inverso da viscosidade de um fluido. Qualquer substância que possua uma resistência desprezível ou nula à tensão de cisalhamento sob condições normais.(liberdade de movimento das moléculas) Ex.: quando verte o frasco que contém um líquido 5.3. Diferencie sistemas newtonianos de não-newtonianos. Dê exemplos relacionados à área de alimentos. Um fluido não newtoniano é um fluido cujas propriedades são diferentes dos fluidos newtonianos, mais precisamente quando a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional a taxa de deformação. Como consequência, fluidos não newtonianos podem não ter uma viscosidade bem definida. Embora o conceito de viscosidade clássica seja comumente usado para caracterizar um material, ele pode ser inadequado para descrever o comportamento mecânico de determinadas substâncias líquidas (fluidos não newtonianos), nos quais a viscosidade 17 aparente não é constante durante o escoamento. Estas substâncias são mais bem estudadas através de suas propriedades reológicas que mostram a relação entre a tensão aplicada nesta substância e a taxa de deformação sob diferentes condições de escoamento. A obtenção destas propriedades reológicas é feita através de viscosímetros. Nos fluidos não newtonianos a viscosidade varia com a força aplicada (e por vezes com o tempo também) e, portanto têm propriedades mecânicas muito interessantes. Um bom exemplo é o ketchup. Quando o frasco está em repouso o ketchup é muito viscoso, mas quando o inclinamos ele torna-se menos viscoso e escorre, e ainda, quando o colocamos na boca não se sente a viscosidade. Em resumo, de uma forma simplificada, podemos dizer que os fluidos não newtonianos não possuem uma viscosidade bem definida. De acordo com a reologia, os fluidos não newtonianos são divididos em dois tipos: Fluidos independentes do tempo: cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento (deformação que sofre um corpo quando sujeito à ação de forças constantes). Fluidos dependentes do tempo: que apresentam mudança na viscosidade dependendo do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. Fluidos independentes do tempo Pseudo plásticos As moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada. A viscosidade diminui com o aumento da tensão. Ex.: Polpa de frutas Dilatantes Contato direto entre as partículas sólidas. A viscosidade aumenta com o aumento da tensão e se comportam tanto como líquido quanto como sólidos. Ex.: Suspensões de amido Plástico de Bingham Para ocorrer a deformação é necessário que uma tensão seja aplicada no fluido. Ex.: Fluidos de perfuração de poços 18 de petróleo Fluidos dependentes do tempo Reopéticos Aumenta a viscosidade aparente quando a taxa de deformação aumenta. E retorna à viscosidade inicial quando esta força cessa. Ex.: Argila bentonita Tixotrópicos Diminui a viscosidade com o tempo, após a taxa de deformação ser aumentada. E volta a ficar mais viscoso quando esta força cessa. Ex.: Ketchup Um fluido newtoniano é um fluido cuja viscosidade, ou atrito interno, é constante para diferentes taxas de cisalhamento e não variam com o tempo. A constante de proporcionalidade é a viscosidade. Nos fluidos newtonianos a tensão é diretamente proporcional à taxa de deformação. Apesar de não existir um fluido perfeitamente newtoniano, fluídos mais homogêneos como a água e o ar costumam ser estudados como newtonianos para muitas finalidades práticas. Os fluidos classificados como newtonianos, sejam eles mais ou menos viscosos, caracterizam-se por terem uma viscosidade constante, ou seja, seguem a lei de Newton (A Lei de Newton da Viscosidade diz que a relação entre a tensão de cisalhamento (força de cisalhamento x área) e o gradiente local de velocidade é definida através de uma relaçãolinear, sendo a constante de proporcionalidade, a viscosidade do fluido. Assim, todos os fluidos que seguem este comportamento são denominados fluidos newtonianos.). São exemplos, a água, o leite e os óleos vegetais. 5.4. Procure na literatura: a) a relação da viscosidade de líquidos com a temperatura. b) para um líquido puro, qual a relação entre a viscosidade e as forças intermoleculares? A influência da temperatura varia de acordo com a substância utilizada. Em líquidos, é possível observar a redução da viscosidade com o aumento da 19 temperatura. Para gases, o efeito é oposto, ou seja, a viscosidade aumente com a temperatura. Nos líquidos, há uma força de atração intermolecular, que é diretamente proporcional à viscosidade. Durante o aquecimento, essa força diminui e a distância entre as moléculas aumenta. Diminuindo, consequentemente, a viscosidade (GRANJEIRO, 2007, aput, CANCIAM, 2012). 5.5. Que tipo de resíduos químicos foram gerados neste experimento e como foram tratados ou armazenados? Não houve resíduo tóxico gerado no experimento. O amido de milho pôde ser facilmente descartado, pois é biodegradável. A glicerina foi armazenada em um recipiente fechado para ser reutilizada em um possível próximo experimento. Contudo, poderia também ser reutilizada para fabricação de sabões ou cosméticos. 20 6 CONCLUSÃO Após todos os experimentos realizados, resultados obtidos e análises efetuadas, conclui-se que o método é eficaz para esse tipo de aferição, pois se consegue notar o comportamento reológico da mistura de amido de milho com água destilada, e justificar o porquê de ser um fluido não newtoniano. Afirma-se também que a reologia é indicada para análise na indústria alimentícia, pois comporta uma gama muito grande de métodos, que podem ser utilizados em materiais de diversas formas e texturas, abrangendo uma quantidade muito grande de alimentos. 21 7 REFERÊNCIAS 1 BRASIL. DESCONHECIDO. (Org.). Associação Brasileira de Reologia. 2012. Disponível em: < http://www.reologiadobrasil.com.br/reologia.html >. Acesso em: 10 outubro 2015. 2 BRASIL. DESCONHECIDO. (Org.). Prolab. Disponível em: < http://www.prolab.com.br/blog/o-que-e-viscosidade-de-um-fluido/ >. Acesso em: 10 outubro 2015. 3 BRASIL. DESCONHECIDO. (Org.).UFPR. Disponível em < http://www.quimica.ufpr.br/tonegutti/CQ170/Aula_Reologia.pdf>. Acesso em: 10 outubro 2015.
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