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1 MEDIDAS DE VISCOSIDADE Heitor João Valendolf; Jhonathan Conceição; Juliane Bernich; Lucas Garcia; Vitor Negrini Laboratório de Práticas Integradas - ECV2BN-BVA1 1 INTRODUÇÃO Viscosidade pode ser definida como o atrito interno em um fluido, ou seja, é a propriedade relacionada à resistência que um fluido oferece à deformação por cisalhamento, tensão gerada por forças aplicadas em sentidos opostos, porém, em direções semelhantes no material analisado. Os efeitos da viscosidade são importantes para o escoamento através de tubos, lubrificação de equipamentos e muitas outras aplicações. A viscosidade (η) é a derivada do gráfico da força de cisalhamento pela unidade de área entre dois planos paralelos do líquido em movimento relativo (tensão de cisalhamento, τ) versus o grau de velocidade dv/dx (taxa de cisalhamento, γ) entre os planos, isto é, τ = η*γ, onde: γ = 𝑑𝑣 𝑑𝑥 = (𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑚 𝑚/𝑠) (𝑒𝑥𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑚 𝑚) - Taxa de cisalhamento τ = 𝐹 𝐴 = (𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑒𝑚 𝑁) (á𝑟𝑒𝑎 𝑚²) – Tensão de cisalhamento Viscosidade dinâmica V ( 𝑁.𝑠 𝑚² )= τ 𝑑𝑣/𝑑𝑥 ( 𝑁 𝑚2 ) (𝑠−1) Se o gráfico de τ versus γ com temperatura e pressão constantes for linear, a viscosidade será constante e igual ao coeficiente angular da reta, os líquidos que apresentam este Figura 1 Força de cisalhamento aplicada sobre um fluido Fonte: Própria (2019) 2 comportamento são denominados de Líquidos Newtonianos. E os que apresentam desvio desde comportamento são denominados Líquidos Não-Newtonianos Os líquidos que apresentam uma tensão de cisalhamento mínima para iniciar o escoamento são denominados plásticos, os líquidos que apresentam uma diminuição da viscosidade aparente com o aumento da tensão de cisalhamento são denominados pseudoplástico e os líquidos que apresentam um aumento da viscosidade aparente com o aumento da tensão de cisalhamento são denominados dilatantes. A viscosidade de um fluído pode ser medida de várias formas, alguns equipamentos utilizados para este fim são, viscosímetro Copo Ford e viscosímetro rotacional (Brookfield). Essa prática teve como objetivo determinar a viscosidade da glicerina e do detergente através do método Copo Ford, e pelo método Brookfield analisar a viscosidade de uma tinta a base d’água e do detergente, e após as análises, classificar os fluídos de acordo com o comportamento da viscosidade. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 VISCOSÍMETRO DE COPO FORD Viscosímetro Copo Ford, é um aparelho de medição utilizada na determinação da viscosidade de fluídos a partir é do tempo que um volume fixo de líquido gasta para escoar através de um orifício padronizado existente no fundo de um recipiente. É composto por um copo de alumínio usinado com excelente polimento, tripé com regulagem de nivelação, faixa de medição para ofícios. O orifício de número 2,3 e 4 é utilizado para medir líquidos de baixa viscosidade, na faixa 20 a 30 mm²/s; os de números 5,6,7 e 8 para líquidos de viscosidade superior a 310 mm²/s. Tabela 2. Parâmetros padrão para cálculo de viscosidade cinemática Copo Ford Diâmetro do orifício (mm) Range de Viscosidade (cSt) Range de tempo (s) Equação V (mm²/s) Nº 2 2,8 25 – 120 40 – 100 2,388t + 0,007t² - 57,008 Nº 3 3,4 49 – 220 30 – 100 2,314t – 15,2 Nº 4 4,1 70 – 370 30 – 100 3,846t – 17,3 Nº 5 5,8 200 – 1200 30 – 100 --- Fonte: Própria (2019) 3 Para coleta de dados do detergente e da glicerina, foi utilizado o copo de número 4, e para o armazenamento do líquido após término do fluxo foi usado um béquer. Equipamento já estava nivelado, logo o ponto de partida foi bloquear o orifício com o dedo e colocar o fluído no Copo Ford até que transbordasse na canaleta, foi retirado o excesso de amostra com uma espátula, e logo em seguida liberado orifício simultaneamente com o início da cronometragem. Com a primeira interrupção do fluxo foi parado o cronômetro e anotado os dados. Foi executado três vezes o mesmo procedimento e calculada a viscosidade cinemática de acordo com a tabela 1. Para cálculo da viscosidade dinâmica foram convertidas as unidades necessárias e multiplicado a viscosidade cinemática pela densidade da amostra conforme fórmula: V * 𝜌 = 𝜇 V = Viscosidade cinemática (m²/s) 𝜌 = Densidade (Kg/m³) 𝜇 = Viscosidade dinâmica (Ns/m²) Para cálculo da Viscosidade dinâmica das amostras foram utilizados os seguintes valores de densidade: 𝜌glicerina = 1,26 g/cm³ - 1260 Kg/m³ 𝜌detergente = 1, 029 g/cm³ - 1029 Kg/m³ 2.2 VISCOSÍMETRO ROTACIONAL (BROOKFIELD) O aparelho gira um eixo com um disco em sua extremidade numa velocidade constante e uniforme, mergulhado num fluido. A viscosidade é medida através da força aplicada a uma haste giratória (Spindle) que aplica uma taxa de cisalhamento no fluido, a taxa de cisalhamento é proporcional à velocidade de rotação da haste. Foi selecionado spindle adequado de tal forma que a combinação entre o modelo, a velocidade de rotação e o rotor escolhido permitam leituras entre 20% e 80% da escala do aparelho, nº 3 para o detergente e nº 4 para a tinta. O spindle foi mergulhado no fluido dentro de um béquer lentamente para evitar a formação de bolhas, ajustado a posição do spindle, e acionada a rotação do spindle conforme velocidade desejada (rpm). Após 2 voltas do spindle, pelo menos, foi feito a leitura na escala analógica e anotado o resultado. Aumentada a rotação e repetido o procedimento a partir do acionamento da rotação do spindle. A sequência de rotações utilizadas foi: 5, 10, 20, 50, 100, 100, 50, 20, 10 e 5rpm. 4 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 COPO FORD Para cálculo da viscosidade cinemática utilizou-se a mesma fórmula para ambos os fluídos devido os dois apresentarem propriedades físicas de viscosidade parecidas: V =3,846t – 17,3 V = Viscosidade cinemática (mm²/s) t = tempo (s) As tabelas abaixo mostram os resultados obtidos para o tempo de escoamento do detergente e da glicerina no Copo Ford com orifícios nº 4 de diâmetro 4,1 mm. Tabela 3. Detergente Medida Tempo (s) Viscosidade cinemática (mm²/s) Viscosidade dinâmica (Ns/m²) 1 170,17 637,17 0,655 2 172,69 646,86 0,665 3 184,51 692,32 0,712 Média 175,82 658,78 0,677 Fonte: Própria (2019) Tabela 4. Glicerina Medida Tempo (s) Viscosidade cinemática (mm²/s) Viscosidade dinâmica (Ns/m²) 1 147,31 549,25 0,692 2 131,25 487,48 0,614 3 141,4 526,52 0,663 Média 139,98 521,08 0,656 Fonte: Própria (2019) 3.2 VISCOSÍMETRO ROTACIONAL (BROOKFIELD) Para cálculo da viscosidade cinemática foi pego a leitura indicada na escala analógica para as diferentes rotações e multiplicado pelo fator multiplicador (tabelado). As tabelas abaixo mostram os resultados obtidos para as velocidades de rotação do spindle usando como amostra o detergente e a tinta. 5 Tabela 5. Detergente Velocidade de Rotação (rpm) Leitura Fator multiplicador µ (cP) 5 2,5 200 500 10 5 100 500 20 10 50 500 50 24,5 20 490 100 49 10 490 100 54 10 540 50 24 20 480 20 9,75 50 487,5 10 5 100 500 5 2,5 200 500 Fonte: Própria (2019)Tabela 6. Tinta Velocidade de Rotação (rpm) Leitura Fator multiplicador µ (cP) 5 12,5 400 5000 10 16 200 3200 20 20 100 2000 50 27,5 40 1100 100 33,5 20 670 100 33,5 20 670 50 26,5 40 1060 20 19 100 1900 10 15 200 3000 5 11,5 400 4600 Fonte: Própria (2019) 6 Gráfico 1. Leitura X Rotação (rpm) viscosímetro rotacional Fonte: Própria (2019) Gráfico 2. µ (cP) X Rotação (rpm) viscosímetro rotacional Fonte: Própria (2019) 0 10 20 30 40 50 60 0 20 40 60 80 100 120 Tinta Detergente rpm Leitura 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 80 100 120 Detergente Tinta µ (cP) rpm 7 4 CONCLUSÃO Com base nos dados coletados no experimento foi possível classificar como newtonianos a glicerina e o detergente, pois como é possível ver nas tabelas 2 e 3 a viscosidade do fluído não cresce e nem decresce a medida que o mesmo vai escoando, a viscosidade mentem constante e igual ao coeficiente angular da reta após aumento da rotação do spindle, só variando minuciosamente devido não ter precisão na sincronia de liberar o orifício do copo e iniciar/terminar cronometragem. Foi possível observar com mais precisão a viscosidade do detergente após colher os dados no viscosímetro rotativo, como pode ser visto nos gráficos 1 e 2 a viscosidade manteve o comportamento dos dados obtidos no Copo Ford. A tinta por outro lado teve um decréscimo em sua tensão de cisalhamento após aumentar rotação do spindle, e pode ser classificada como um fluído pseudoplástico não newtoniano. Outra condição a ser ressaltada para imprecisão foi a de o levantamento de dados ser realizado por diferentes pessoas ou também por influências externas como a impureza do material a ser avaliado. Porém, é possível concluir que, tais valores não influenciaram de maneira considerável, incluindo-se na faixa de erro. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRAGANÇA, Carlos. Estudos de uma série de desemulsificantes e seus efeitos sobre a reologia de um tipo de óleo pesado. 2009. Disponível em: <http://repositorio.ufes.br/bitstream/10/4642/1/tese_3097_Carlos%20Bragan%C3%A7a.pdf>. Acesso em: 15 abr. 2019. SOUZA, Lijohara Júlia de Sá; ANDRADE, Maria Eduarda Marinho Freire de; REIS, Mylton Franklyn da Silva (Comp.). Instrumentação insdustrial: medição de vazão. 2016. Disponível em: <https://www.ebah.com.br/content/ABAAAg-uoAK/medicao-vazao>. Acesso em: 15 abr. 2019. MOSER, Glaucia (Comp.). Reologia. 2011. Disponível em: <www.fisicadosolo.ccr.ufsm.quoos.com.br/downloads/Disciplinas/FisicaSolo/SEM_Reologia_so lo.pdf>. Acesso em: 15 abr. 2019. 8
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