Prática_1_-__Viscosidade_de_Líquidos

Prévia do material em texto

Prática 1: Determinação da Viscosidade de Líquidos 
 
Objetivo: Determinar o coeficiente de viscosidade de alguns líquidos, e 
misturas de líquidos, à várias temperaturas, utilizando o viscosímetro de 
Ostwald. 
Introdução 
 A viscosidade de um líquido mede a resistência interna oferecida ao 
movimento relativo de diferentes partes desse líquido. A viscosidade mede 
a resistência de um líquido em fluir e não está diretamente relacionada com 
a densidade do líquido, que é a relação massa/volume. 
O coeficiente de viscosidade de líquidos pode ser determinado por 
várias métodos experimentais. Por exemplo, determinando a velocidade de 
vazão do fluido através de um capilar (coeficiente de viscosidade é dado pelo 
lei de Poiseuille), a velocidade com que uma esfera cai no fluido (Leis de 
Stokes), etc. 
 No caso da vazão de um fluido através de um capilar o coeficiente de 
viscosidade, segundo Poiseuille, é dado pela seguinte equação (1): 
𝜂 =
𝜋𝑟4𝑡𝑝
8𝑣𝑙
 Equação (1) 
onde p é a pressão hidrostática sobre o líquido, em N m-2, v é o volume, em 
m3, do líquido que flui em t segundos através do capilar de raio r e de 
comprimento l, em metros. 
O viscosímetro de Ostwald, mostrado na figura 1, permite uma 
determinação simples do coeficiente de viscosidade a partir de um padrão. 
Neste caso as medidas de viscosidade são realizadas por comparação entre o 
tempo na vazão de um fluido de viscosidade conhecida, geralmente a água, 
e o de um fluido de viscosidade desconhecida, um vez que uma medida 
absoluta do coeficiente de viscosidade é difícil. 
A partir da equação 1, pode chegar na relação de comparação mostrada 
na equação 2, 
𝜂1
𝜂2
=
𝑑1𝑡1
𝑑2𝑡2
 Equação (2) 
onde d1 e d2 são as densidade dos fluidos conhecido e desconhecido, 
respectivamente, e t1 e t2 são os tempos gastos para que se escoem volumes 
iguais. 
Figura 1. Esquema ilustrativo do viscosímetro de Ostwald. 
 
Fonte: Bueno (1980) 
 
 A precisão na operação com este viscosímetro depende do controle e 
da medida das seguintes variáveis: temperatura, tempo, alinhamento vertical 
do capilar e volume da substância estudada. 
O efeito da temperatura sobre o coeficiente de viscosidade de um 
fluido difere notadamente segundo o fluido ou gás. Nos gases, o coeficiente 
aumenta com a temperatura, mas nos líquidos diminui marcadamente com a 
elevação da temperatura. 
A relação dos coeficientes de viscosidade dos líquidos com a 
temperatura é dada pela equação de Carrancio (Eq. 3), 
𝜂 = 𝐴𝑒𝑥𝑝(
𝐵
𝑅𝑇
) 
Ou 
ln(𝜂) = 𝐴 +
𝐵
𝑅𝑇
 Equação (3) 
onde A e B são constantes próprias dos líquidos dados, sendo B uma medida 
de energia necessária para fazer o líquido fluir. Plotando-se ln η em função 
de 1/T verifica-se uma reta. A qual o coeficiente angular é B/R e o coeficiente 
linear é A. 
 Para fins práticos, o funcionamento de um viscosímetro do tipo capilar 
é conceitualmente simples: Compara-se o tempo gasto por uma solução 
(polimérica) escorrer por um fino capilar com tempo gasto por uma solução 
padrão (ex. água destilada). Segundo a teoria, o tempo de escoamento é 
proporcional a viscosidade do fluido e inversamente proporcional à sua 
densidade previsto na equação 2 e mostrado na equação 4. 
𝑡𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 =
𝜂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑑𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
 e 𝑡𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜 =
𝜂𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜
𝑑𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜
 (Equação 4) 
 Definimos a grandeza adimensional Viscosidade relativa (ηrel) como 
sendo a razão entre a viscosidade da solução e a viscosidade do solvente 
puro, equação 5. 
𝜂𝑟𝑒𝑙 =
𝜂𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜
𝜂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
 Equação (5) 
 Para muitas soluções poliméricas nas concentrações de interesse 
temos (soluções diluídas) temos ρsolução / ρsolvente ≈ 1. Portanto, a viscosidade 
relativa depende simplesmente da razão dos tempos, como pode-se observar 
na equação 6, 
𝜂𝑟𝑒𝑙 =
𝑡𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜
𝑡𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
 Equação (6) 
 Outra grandeza que podemos definir é a viscosidade específica (ηsp), 
que é a diferença entre os coeficientes de viscosidades da solução e solvente 
dividido pelo coeficiente de viscosidade do solvente puro. 
𝜂𝑠𝑝 =
𝜂𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜−𝜂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
𝜂𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
 Equação (6) 
ηsp e ηrel dependem da substância na solução, portanto para extrair as 
propriedades intrínsecas da substância é necessário extrapolar essas medidas 
para a concentração zero (c = 0). As duas quantidades, que são comumente 
plotadas em função da concentração e extrapoladas para zero são ηsp/c e 
ln(ηrel)/c. A figura 2 mostra estas estrapolações em função da concentração. 
Pode-se observar que o coeficiente linear da reta é a viscosidade intrínseca 
da substância estudada. 
 
 
 
 
Figura 2. Gráficos típicos de experimentos para a determinação de 
viscosidade: (a) ηsp/c em função de c. (b) ln(ηrel)/c em função de c. 
 
Procedimento Experimental 
Determinação da constante do viscosímetro 
Parte 1. Complete a tabela abaixo com o tempo de escoamento para a água 
no viscosímetro de Ostwald. 
 
 
 
 
 
Parte 2. Sabendo que em viscosímetro capilar, a viscosidade do líquido é 
proporcional a sua densidade e tempo de escoamento. A constante de 
proporcionalidade é a constante do viscosímetro. 
Faça um gráfico da viscosidade em função de (ρt) em diferentes temperaturas 
e determine, a partir de um ajuste linear, a constante do viscosímetro. Qual é 
a unidade da constante do viscosímetro no SI? 
Parte 3. Solução de Glicerol 
Utilizando o mesmo viscosímetro do item anterior meça o tempo de 
escoamento das soluções abaixo em diferentes temperaturas. 
As densidades da água e do glicerol são respectivamente, 1,0 e 1,26 g/cm3. 
Solução 1. Água (95% vol) e Glicerol (5% vol) 
 
Solução 2. Água (90% vol) e Glicerol (10% vol) 
 
 
 
 
 
Solução 3. Água (80% vol) e Glicerol (20% vol) 
 
Solução 4. Água (70% vol) e Glicerol (30% vol) 
 
Para responder: 
1. Faça um gráfico mostrando como varia o tempo de escoamento das 
soluções de glicerol em função da concentração em cada uma das 3 
temperaturas acima. Os resultados estão coerentes com a teoria? 
2. Calcule a Viscosidade relativa para as soluções de glicerol na 
temperatura de 20 e 40°C? 
3. Construa os gráficos ln(ηrel)/c para as soluções de glicerol a 20 e 40°C. 
Para facilitar considere a unidade de concentração em g/mL. 
4. Determine a viscosidade intrínseca do glicerol fazendo um ajuste no 
gráfico construído no item 3. Compare os resultados nas diferentes 
temperaturas. Dica: O ajuste só deve ser realizado nos pontos em 
baixas concentrações. 
5. Conhecendo a constante do viscosímetro e sabendo que a densidade 
do glicerol a 40°C é 1,261 g/cm3, calcule a sua viscosidade nessa 
temperatura. 
6. Cite as principais fontes de erros no experimento. O que este 
experimento pode contribuir na sua formação? 
 
Referências 
BUENO, W. A.; DEGRÈVE, L. Manual de Laboratório de Físico 
Química. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1980. 
RANGEL, R. N. Práticas de físico-Química. São Paulo: Blucher, 
2006. 
MIRANDA-PINTO, C. O. B.; SOUZA, W. Manual de trabalhos 
práticos de Físico-Química, Belo Horizonte: Editora UFMG, 2006.