lab 05 viscosidade de oleos lubrificantes

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CENTRO UNIVERSITÁRIO FEI
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL
VISCOSIDADE DE ÓLEOS LUBRIFICANTES
Barbara Silva Tezoto RA:11.115.381-3
Daniela Schiavon RA: 11.116.054-5
Turma 640 
Professor Marcos Makoto
SÃO BERNARDO DO CAMPO, 2018
OBJETIVO
O objetivo dessa experiência visa estudar a viscosidade de um óleo em questão, calculando-se seu índice de viscosidade e com os dados coletados, encontrar a viscosidade SAE desse óleo, bem como dar ênfase a relação entre o índice de viscosidade do óleo e a qualidade do mesmo. 
INTRODUÇÃO TEÓRICA 
Viscosidade
A viscosidade corresponde ao atrito interno nos fluidos devido basicamente a interações intermoleculares, sendo em geral função da temperatura. É a propriedade associada a resistência que o fluido oferece a deformação por cisalhamento. Viscosidade descreve a resistência interna para fluir de um fluido e deve ser pensada como a medida do atrito do fluido. A viscosidade desempenha nos fluidos o mesmo papel que o atrito nos sólidos. Graças a ação da viscosidade, quando um corpo se move num fluido, uma película do fluido adere à sua superfície e as forças viscosas entre as moléculas dessa película e as moléculas do fluido ao seu redor oferecem resistência ao movimento do corpo. É uma característica de cada fluido e é quantificada pelo coeficiente de viscosidade η.
Unidades
Viscosidade Absoluta: No Sistema Internacional de Medidas (S.I.) : Pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exatamente a 1 N·s/m² ou 1 kg/(m·s). No Sistema CGS de Unidades: para a viscosidade dinâmica é o poise (p), cujo nome homenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Portanto é mais usado o seu submúltiplo: o centipoise (cp). O centipoise é mais usado devido a que a água tem uma viscosidade de 1,0020 cp a 20 ºC. 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s. 1 centipoise = 1 mPa·s.
Viscosidade Cinemática
Se obtém com o quociente da viscosidade dinâmica (ou absoluta) e a densidade. A unidade no SI é o (m²/s). A unidade física da viscosidade cinemática no Sistema CGS é o stokes (abreviado S ou St), cujo nome provém de George Gabriel Stokes. Às vezes se expressa em termos de centistokes (cS ou cSt). 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s.
Relação entre viscosidade e a temperatura nos gases e nos líquidos:
A viscosidade nos líquidos diminui muito rapidamente a medida que aumenta a temperatura. A relação entre as duas grandezas é dada pela fórmula empírica:
η=a·exp(b/T)
onde T é a temperatura em kelvin, e a, b são dois parâmetros que dependem do tipo de líquido.
2.2 Viscosímetros
Os viscosímetros permitem a determinação do coeficiente de viscosidade dos fluidos. Tais aparelhos podem usar várias técnicas para atingir seu objetivo, podendo a viscosidade ser encontrada pelo tempo de passagem de um determinado volume do fluido através de tubos capilares; pela velocidade de queda de uma esfera, cuja massa e diâmetro são conhecidos, através de um líquido; pelo binário necessário para manter em rotação dois cilindros coaxiais do líquido em exame ou ainda pelo decréscimo das oscilações amortecidas de um pêndulo de torção submerso no fluido em estudo.
2.2.1 Viscosímetro de Saybolt
Consta de um tubo vertical metálico em cuja parte central inferior adapta-se o “orifício calibrado” que pode ser o “universal”, diâmetro 1,765 m ou o “furol”, diâmetro 3,15 m. O Conjunto fica imerso em um banho de óleo que envolve o tubo em toda sua extensão e que por finalidades básicas:
a) no aquecimento; propicia uniformidade na transferência de calor do banho para a amostra.
 b) na determinação; manutenção da temperatura da amostra durante o escoamento.
Na operação usam-se dois termômetros, um para a temperatura do banho (tb) e outro para a temperatura da amostra (ta), um cronômetro e um frasco receptor de 60 mL. Para determinar-se a viscosidade fecha-se o orifício com uma rolha a qual se prende uma corrente. Enche-se o tubo Saybolt com o óleo em análise e aquece-se o banho. Atingindo o equilíbrio térmico na temperatura desejada, retira-se a rolha e cronometra-se o tempo de escoamento de 60 mL da amostra. O tempo em segundo de escoamento de 60 mL da amostra, através o orifício calibrado do aparelho , nas condições padronizadas de ensaio é a viscosidade Saybolt na temperatura do equilíbrio térmico. Será SSU (Segundo Saybolt Universal) se o orifício for universal, será SSF(Segundo Saybolt Furol ) se o orifício for o Furol .
SSF é recomendada para os derivados do petróleo que tem viscosidade superior à 1.0
SSU, tais como óleos combustíveis e outros produtos residuais. A palavra Furol deriva da expressão inglesa (Fuel and Road Oils) .
O frasco receptor deve ser colocado em posição tal que o filete da amostra que sai do tubo atinja a parte mais larga do gargalo a fim de evitar a formação de espuma. O cronômetro deve ser travado no instante em que a parte inferior do menisco do óleo atinja o traço de referencia no gargalo do frasco receptor. Antecedendo a cada determinação deve-se limpar o tubo com óleo novo.
2.3 Óleos Lubrificantes
Os óleos lubrificantes, ou óleos para motor, são substâncias utilizadas para reduzir o atrito, lubrificar, refrigerar e proteger contra a corrosão aumentando a vida útil dos componentes móveis dos motores.
Os óleos lubrificantes podem ser de origem animal ou vegetal (óleos graxas), derivados de petróleo (óleos minerais) ou produzidos em laboratório (óleos sintéticos), podendo ainda ser constituído pela mistura de dois ou mais tipos (óleos compostos).
Para conferir, retirar ou melhorar certas propriedades especiais dos lubrificantes, que não condizem com o desejado, especialmente quando o lubrificante é submetido a condições severas de trabalho, são adicionados produtos químicos aos óleos lubrificantes, que são chamados aditivos. Os principais tipos de aditivos são: anti-corrosivos, anti-espumantes, detergente-dispersante, melhoradores do Índice de Viscosidade, agentes de extrema pressão, etc.
2.3.1 Tipos de Óleos Lubrificantes:
Oléos Minerais: São usados como lubrificantes com uma adequada viscosidade, originados de petróleos crus e beneficiados através de refinação. As propriedades e qualidades destes lubrificantes dependem da proveniência e da viscosidade do petróleo cru. Quando falamos em óleos minerais temos de distinguir três tipos:
Óleo mineral de base parafínico: O nome Parafina, de origem Latim, indica, que estas ligas químicas são relativamente estáveis e resistentes e não podem ser modificadas facilmente com influências químicas. Sendo assim as parafinas tendem a não oxidar em temperaturas ambientes ou levemente elevadas. Nos lubrificantes eles são partes resistentes e preciosos, que não “envelhecem” ou somente oxidam de forma lenta. Contém em sua composição química hidrocarbonetos de parafina em maior proporção, demonstra uma densidade menor e é menos sensível a alteração de viscosidade/temperatura. A grande desvantagem é seu comportamento em temperaturas baixas: as parafinas tendem a sedimentar-se.
Óleo mineral de base naftênico: Enquanto os hidrocarbonetos parafínicos formam em sua estrutura molecular correntes, os naftênicos formam em sua maioria ciclos. Os naftênicos em geral são usados, quando necessitamos produzir lubrificantes para baixas temperaturas. Desvantagem dos naftênicos é sua incompatibilidade com materiais sintéticos e elastômeros.
Óleo mineral de base misto: Para atender as características de lubrificantes conforme necessidade e campo de aplicação a maioria dos óleos minerais é misturada com base naftênico ou parafínico em quantidades variados.
Óleos Sintéticos: São ao contrário dos óleos minerais, produzidos artificialmente. Eles possuem, na maioria das vezes, um bom comportamento de viscosidade-temperatura com pouca tendência de coqueificação em temperaturas elevadas, baixo ponto de solidificação em baixas temperaturas, alta resistência contra temperatura e influências químicas. Quando falamos em óleos sintéticos temos de distinguir cinco tiposdiferentes:
Óleos semi-sintéticos: Os óleos semi-sintéticos ou de base sintética, empregam mistura em proporções variáveis de básicos minerais e sintéticos, buscando reunir as melhores propriedades de cada tipo, associando a otimização de custo, uma vez que as matérias-primas sintéticas possuem custo muito elevado. Esse tipo é recomendado para motores mais potentes que trabalham em altas rotações. Mas, nada impede seu uso em motores menos potentes. Provoca menos carbonização interna e contribui para amenizar o atrito entre as peças internas do motor, principalmente durante a partida, quando a maior parte do óleo encontra-se em repouso no cárter – reservatório do óleo. Ele também é do tipo multiviscoso.
2.3.2 Sistema de Classificação SAE: A classificação SAE (Sociedade dos Engenheiros Automotivos) 
não considera o desempenho do produto, mas apenas a sua viscosidade. A viscosidade de um óleo é a medida da sua resistência ao escoamento e varia conforme a temperatura. A baixa temperatura, um óleo é mais "espesso", isto é, sua viscosidade é maior. À medida que se aumenta a temperatura, o óleo torna-se cada vez mais "fino", isto é, sua viscosidade diminui. Um óleo que flui lentamente prejudica a partida do motor, enquanto que um óleo muito "fino" proporciona uma lubrificação deficiente e um alto consumo do mesmo.
Atualmente encontramos no mercado, lubrificantes com diferentes classificações de viscosidade: SAE 20W 50, SAE 10W 40, etc. Colocando de maneira simplificada, um óleo 15W 50 se comporta a frio como um óleo SAE 15W e a quente como um óleo SAE 50. Na prática, o número que possui o W, refere-se à partida a frio do motor, W de winter (inverno, em inglês). Quanto menor ele for, mais rápido o óleo fluirá, no momento mais crítico, que é o da partida, evitando o contato entre as partes metálicas minimizando o desgaste. O número sem o W refere-se à viscosidade do óleo na temperatura de operação do motor. Assim, um óleo 5W 40, terá o mesmo comportamento de viscosidade a quente, que um óleo 15W 40 já que ambos serão SAE 40. Sua viscosidade na partida a frio, entretanto, será menor, permitindo que o lubrificante atinja a parte alta do motor mais rapidamente. No Brasil são mais comuns os óleos SAE 40 e 50. Apesar disso, já existem montadoras que estão recomendando óleos mais finos para seus motores, mesmo para o nosso clima. É o caso, por exemplo, da Ford que recomenda para alguns de seus modelos um óleo SAE 5W 30. Essa recomendação se deve a tecnologia de motor mais avançada empregada nesses motores que requerem óleos "Fuel Economy" (Economia de Combustível). Esses óleos (mais finos) se adaptam perfeitamente a essa nova demanda, de motores mais econômicos e mais eficientes.
2.3.4 Índice de viscosidade: 
A resistência que um produto de petróleo apresenta para modificar sua viscosidade com a variação de temperatura é indicada na prática por um simples número adimensional chamado de Índice de Viscosidade, ou simplesmente IV, cujo cálculo é baseado nas medidas da viscosidade cinemática às temperaturas de 40º C e 100 º C. Quanto mais alto o IV, menor o efeito da temperatura sobre a viscosidade do produto.
A Norma Brasileira NBR 14358 de 2005, baseada no método ASTM 2270, indica toda a metodologia para se obter o IV de um produto, através de tabelas padronizadas que indicam os parâmetros adotados pelo método em questão.
Para efeito de composição das tabelas para o cálculo do IV, foram tomados como referência dois óleos básicos padrões: um proveniente da Pensilvânia e outro do Golfo do México, aos quais foram conferidos os valores arbitrários de 0 (zero) e 100 (cem) respectivamente para os seus IVs. A partir daí, elaborou-se uma tabela com os valores de viscosidade a 40º C dos dois óleos básicos medidos em centistokes ou milímetro quadrado por segundo. Para o óleo com IV=0, esses valores situam-se na coluna nomeada pela letra L e para o óleo com IV=100 esses valores estão na coluna denominada pela letra H. A tabela apresentada só é aplicada a produtos de petróleo com viscosidade cinemática entre 2 cSt e 70 cSt. e chamarmos pela letra U a viscosidade cinemática em cSt. a 40ºC do produto cujo IV se deseja calcular, o cálculo do IV será dado pela seguinte equação:
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL:
Para cada um dos três viscosímetros foi realizado o mesmo procedimento. Foram disponibilizados 3 tubos de Saybolt de 60 mL na bancada ao lado de cada viscosímetro para realização do experimento, além de um cronômetro. Primeiramente foi anotada a temperatura do óleo com ajuda de um termômetro que continha mercúrio em seu interior. Em seguida o tubo de Saybolt foi colocado embaixo do orifício e a rolha foi retirada, dando início ao escoamento do óleo em análise, ao passo que se dava início a contagem do tempo. Quando o óleo atingia a marca de 60 mL o cronometro era pausado e anotava-se o tempo total, em segundos, que o óleo demorou a atingir tal marca.
Feita a primeira análise, iniciava-se uma segunda em outro compartimento do mesmo equipamento. O termômetro foi colocado neste segundo compartimento e foi esperado até que a temperatura se estabilizasse. Assim que estabilizada a temperatura, dava-se início ao escoamento do óleo e o tempo era cronometrado novamente. 
O procedimento foi repetido para as temperaturas de 40°C, 70°C e para 100°C, em três viscosímetros diferentes. 
ANÁLISE DE DADOS E DISCUSSÕES:
Para três temperaturas diferentes analisou-se o óleo em duplicata, sendo obtida a seguinte tabela:
	Viscosímetro de Saybolt
	Temperatura lida no termômetro (°F)
	Análise 1 (SSU)
	Análise 2 (SSU)
	1
	104
	566,9
	604
	2
	158
	144
	160
	3
	210,2
	72
	58
Tabela 1. Dados coletados em laboratório.
Onde SSU representa a unidade de “Segundos Saybolt Universal”.
Feito isso, foram colocados os pontos no gráfico de “Segundos Saybolt Universal x Temperatura”, de forma que fosse traçada uma reta média que da seguinte forma:
A partir dessa reta foram rebatidos os pontos em 210°F, para obtenção dos valores de “L” e “D” (D = L-H); e em 100°F para obtenção do valor de “U”. Os pontos são escolhidos seguindo os padrões escolhidos a partir do conceito de “índice de viscosidade” estabelecido em 1929:
Gráfico de SSU x Temp.das curvas padrões e média.
Em T = 210°F as curvas do melhor índice de viscosidade (100), do pior (0) e da reta média convergem-se e fornecem os valores para posteriormente encontrar L (Low) e D [L-H (High)]. Em 100°F é possível encontrar diretamente o valor de U (Under Test), curva resultada da reta média. As informações de L e D são então retiradas da seguinte tabela:
Tabela 2. Valores de L e D para cálculo do IV.
	Tendo como base as informações acima, foram obtidos os seguintes resultados:
	Para 210°F: SSU = 68 s
	Para 100°: SSU = 650 s
	Em seguida foram usados os valores acima para encontrar L, D e U, sendo L e D encontrados na tabela 2, obtendo-se:
	L = 1098,3
	D = 530,5
	U = 650
	Tendo-se esses valores foi possível calcular o índice de viscosidade do óleo (IV) através da seguinte fórmula:
	
Onde D = L-H
	Obteve-se, então, que IV = 84,51. Lembrando que, quanto maior o IV, melhor é a qualidade do óleo em questão.
	Para achar a viscosidade SAE do óleo, observa-se o SSU a 210°F e compara-o com a tabela 3:
Tabela 3. Classificação SAE para lubrificantes
	Sendo assim, para um SSU de 68 s, que está entre 68 e 83, a viscosidade SAE é igual a 40, que coincide com o valor do óleo da bancada. 
CONCLUSÃO
Conclui-se que para esse experimento os valores foram satisfatórios, uma vez que foram atingidos os objetivos. Tal precisão foi devida ao cuidado para cronometrar o tempo de escoamento do óleo, além das duplicatas para cada temperatura. 
Para os valores encontrados, o índice de viscosidade foi de 84,51, que é um valor relativamente alto, ou seja, o óleo apresenta alta qualidade de desempenho, uma vez que, como visto anteriormente, quanto maior o IV, melhor é a qualidade do óleo. 
Além disso, foi concluído que para menorestemperaturas, o SSU eleva-se significantemente, o que significa que quanto menor a temperatura, maior o SSU. 
BIBLIOGRAFIA
HARRIS, D.C. Explorando a Química Analítica, 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.