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Universidade Federal de Mato Grosso Centro Universitário do Araguaia Instituto de Ciências Exatas e da Terra ESCOAMENTO DE FLUIDOS Barra do Garças MT, 2018 Universidade Federal de Mato Grosso Centro Universitário do Araguaia Instituto de Ciências Exatas e da Terra BARBARA MENDES DA MATA JÚLIA CESAR GRACIANO LUCAS SANTANA DA MATA VICTOR HUGO ALVES CARVALHO RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA Nº 02: FLUIDOS NEWTONIANOS E NÃO NEWTONIANOS Relatório de aula prática da disciplina de Transferência de Quantidade de Movimento do curso de Engenharia de Alimentos do Centro Universitário do Araguaia (CUA) da Universidade Federal do Mato Grosso (UFMT). Docente: Profª. Drª. Daniele Penteado Rosa Barra do Garças MT, 2018 1. INTRODUÇÃO A razão pela qual a matéria se altera é um alvo de estudo desde os primórdios, 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 (CREMASCO,2012). Uma vez que fluidos diferentes podem apresentar perfis distintos de deformação e escoamento quando submetidos à mesma tensão de cisalhamento, os mesmos foram agrupados em função da sua resposta a essa tensão aplicada, sendo esse campo de estudo denominado reologia. O comportamento reológico dos fluidos pode ser descrito pela equação geral abaixo: 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, fluidos mais homogêneos como a água e o ar costumam ser estudados como newtonianos para muitas finalidades práticas. Para o fluido não-newtoniano é um fluido cuja viscosidade varia proporcionalmente à energia cinética que se imprime a esse mesmo fluido, respondendo de forma quase instantânea. Para exemplo temos a mistura do amido de milho com água que, dependendo da pressão que recebe, pode ser um sólido ou um líquido, apresentando característica viscosa. Com pressão suficiente torna-se um sólido e com menor pressão volta ao estado líquido. A viscosidade aparente desses fluidos devem ser calculados usando a seguinte equação: Assim, é possível relacionar os parâmetros reológicos e avalia-los de acordo com o fluido escolhido para a análise já que a viscosidade aparente é normalmente relacionada a taxa de deformação que os fluidos são submetidos em operações de transporte, principalmente bombeamento. 2. OBJETIVOS O objetivo dessa aula prática foi o de Estudar o comportamento reológico dos fluidos newtonianos e não-newtonianos (água, leite condensado, ketchup e solução de amido de milho e água na proporção 2:1) e obter os parâmetros reológicos, assim como determinar modelos matemáticos que descrevem a tensão de cisalhamento para cada fluido estudado. Avaliar a influência da temperatura no parâmetro viscosidade para os fluidos, água e leite condensado. 3. MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS Reômetro rotacional de cilindros concêntricos de modelo Modular - MCR 102 (Anton Paar® GmbH, Ostfildern, Germany); Software Rheoplus; Água destilada; Leite condensado (Piracanjuba); Ketchup (Heinz); Solução de amido de milho (Kodilar) e água. MÉTODOS Para a etapa experimental, todas amostras foram colocadas no reômetro para determinar o comportamento reológico e determinar se os fluidos eram newtonianos ou não-newtonianos. Vale ressaltar que antes de adicionar uma nova amostra logo em seguida de outra, era preciso fazer a limpeza do reômetro para não ter alteração da leitura dos dados entre uma amostra e outra. As leituras dos dados das amostras foram feitas com controle permanente do gap de medição com suporte TruGap™ em 0,999 mm, célula de medição Toolmaster™ CP 50 e controle preciso da temperatura com recurso T-Ready™. Além disso, os gráficos reológicos foram tratados utilizando o Software Rheoplus. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES O reômetro rotacional de cilindros concêntricos é ligado a um computador e uma bomba a vácuo, cujo para início de aula prática foi ligada e colocado até 5 Pa, e então fechada. O equipamento então é ligado. Seis analises foram feitas, 2 com o leite condensado com diferença na temperatura (25°C – 50°C), 2 com a água destilada com diferença em suas temperaturas (25°C - 50°C) , 1 com o ketchup e 1 com a solução de amido de milho na proporção de 3:1. A primeira análise feita foi com o leite condensado a 25°C, pegou-se mais ou menos 1 ml do fluido para ser colocado sobre a placa, sempre com cuidado para não ocorrer formação de bolhas, após o equipamento ter espalhado todo o fluido sobre sua área de identificação, é preciso limpar o excesso do fluido, devido que esse excesso pode atrapalhar a rotação do equipamento, e o próprio equipamento dá um tempo para a limpeza. O equipamento faz em média o gráfico de pressão versus taxa de deformação em 5 minutos. A segunda análise feita foi com o ketchup cujo única temperatura usada foi de 25°C, pegou-se mais ou menos 1 ml, limpou o excesso e foi feito a medição no aparelho. A terceira análise foi feita com a água a 25°C, sendo feito igualmente como as duas anteriores. A quarta análise foi feita com a solução de amido de milho na proporção de 3:1 a 25°C, igualmente as anteriores. A quinta análise foi feita com o leite condensado com a temperatura de 50°C, com os mesmos cuidados das anteriores. E por fim foi feita a análise de agua a 50°C, também como as outras cinco analises anteriores. Para as análises de ketchup e solução de amido de milho não foram encontrados resultados no equipamento devido que possuíam interferentes. O ketchup da marca analisada possuía alto índice de sólidos solúveis o que dificulta o resultado do equipamento, gerando um gráfico fora do padrão, mesmo sendo um produto que deveria ser um fluido não newtoniano. Já a solução de amido de milho teve um comportamento quando sofreu a compressão de um solido devido possuir partículas em suspensão, sendo assim nesse equipamento não pode ser medido já que ele só faz o cálculo com amostras liquidas. As amostras de leite condensado tanto a 25°C ou 50°C foram dados os valores pelo equipamento, com os 30 primeiros valores foram possíveis plotar o gráfico de taxa de cisalhamento por tensão de cisalhamento. Figura 1: Valores de tensão de cisalhamento para o leite condensado a 25°C Figura 2: Valores de tensão de cisalhamento para o leite condensado a 50°C Com os valores dados no gráfico podemos encontrar o índice de comportamento do fluido que é encontrado pelo valor dado de r² na figura 1 sendo então n=0,9971 para a temperatura de 25°C, e para a temperatura de 50°C temos o valor de r² na figura 2 que dá um n=0,8065. Os valores de índice de consistência são encontrados pelo log do coeficiente linear da reta dada no gráfico, por isso temos que os valores de k para a temperatura de 25°C é encontrado na figura 1 tendo um k= - 0,8268, e para a temperatura de 50°C na figura 2 temos k= - 0,5895. Com esses valores podemos encontrar a viscosidade aparente sendo essa calculada pela lei da potência sendo definida por Como já temos o valor da taxa de deformação que é 100 s-¹ e achamos os valores de k e n, foi fácil encontrar os valores da viscosidade aparente tanto para a temperatura de 25°C a de 50°C.Esses valores comparados devido a variação de temperatura comprovou que com o aumento da temperatura ocorre diminuição da viscosidade. Para as amostras de agua tanto a 25°C ou 50°C foram dados os valores pelo equipamento, com os 30 primeiros valores foram possíveis plotar o gráfico de taxa de cisalhamento por tensão de cisalhamento. Figura 3: Valores de tensão de cisalhamento para a água a 25°C Figura 4: Valores de tensão de cisalhamento para a água a 50°C Com os valores dados no gráfico podemos encontrar o índice de comportamento do fluido que é encontrado pelo valor dado de r² na figura 3 sendo então n=0,9792 para a temperatura de 25°C, e para a temperatura de 50°C temos o valor de r² na figura 4 que dá um n=0,977. Os valores de índice de consistência são encontrados pelo log do coeficiente linear da reta dada no gráfico, por isso temos que os valores de k para a temperatura de 25°C é encontrado na figura 3 tendo um k= - 0,2116, e para a temperatura de 50°C na figura 4 temos k= - 0,1944. Com esses valores podemos encontrar a viscosidade aparente sendo essa calculada pela lei da potência sendo definida por Como já temos o valor da taxa de deformação que é 100 s-¹ e achamos os valores de k e n, foi fácil encontrar os valores da viscosidade aparente tanto para a temperatura de 25°C a de 50°C.Esses valores comparados devido a variação de temperatura comprovou que com o aumento da temperatura ocorre diminuição da viscosidade. 5. CONCLUSÕES Durante essa pratica, o resultado foi bom, principalmente considerando o método de análise de umidade pelo refratômetro, onde todos os analisadores obtiveram valores próximos. Vale ressaltar, que considerando os valores dos grupos (G2 e G3) a variação de umidade encontrada foi bastante pequeno, porém vale salientar que pelo método gravimétrico é bastante demorado e suscetível a erros. Outro ponto que mereci atenção é as propriedades do mel analisado, pois ele apresentava condições de mel adulterado. Tendo em vista que o mel estava solidificado no início da análise, que foi necessário leva-lo a banho-maria para início das analises, outro ponto é o teor de umidade, pois o mel jatai possui teor de umidade superior a 20%, e o teor de umidade encontrado nessa análise pelo refratômetro é 15.4% e pelo método gravimétrico foi de 17.88% valores bem inferiores ao encontrado em pesquisas sobre o mesmo tipo de mel. Porém, apenas com a análise de umidade e pela aparência do mel não é possível afirmar que o mel é adulterado, é necessário fazer uma análise físico-química sobre o mel, onde irá detalhar todas as propriedades do mel em questão, e por comparação com outras pesquisas definir se ele é ou não adulterado. 6. REFERÊNCIAS CREMASCO, M.A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. São Paulo: Editora Blücher, 2012.
