ESTUDO DIRIGIDO 4- Introdução ao estudo dos fluidos- ReologiaP1

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ESTUDO DIRIGIDO 4 e 5 – Reologia de Fluidos 
1. Defina, sob o ponto de vista clássico, os estados sólido, líquido e gasoso. 
Sob o ponto de vista clássico o estado sólido é aquele que possui tanto o volume quanto forma 
definidos. Já o estado líquido possui volume definido mas não possui forma definida. O mesmo 
estado gasoso não possui volume ou forma definidos. 
 
2. Explique sob o ponto de vista molecular as características de cada estado, não deixando de 
relacionar as características mecânicas de rigidez e/ou de fluidez. 
Em estado ​sólido​, temos moléculas bem agrupadas e com pouca movimentação, havendo ​apenas 
movimento de vibração molecular​. A rigidez é variável conforme o sólido. 
 
No estado ​gasoso​, em que as moléculas têm um espaçamento entre elas e alta energia cinética, 
além de maior facilidade para se translocar que o estado líquido, por exemplo. Um gás quando 
comprimido, diminui seu volume, ou seja, o aumento da pressão propicia a diminuição do volume. 
 
Materiais em estado ​líquido ficam no meio-termo, apresentam mais energia cinética que um 
material sólido e um espaçamento entre as moléculas menor que materiais gasosos​, há 
movimento, rotação e translação molecular​. Não possuem a rigidez característica dos sólidos, por 
isso, a resistência de suas superfícies ou tensão superficial é pequena e os líquidos apresentam 
viscosidade, que mede a resistência do fluido. Além disso, os líquidos se esparramam sobre as 
superfícies devido a procura por um menor potencial gravitacional, que faz com que esse líquido 
flutue ou se adapte a forma do recipiente. 
 
3. Defina tensão de cisalhamento. 
A tensão de cisalhamento, também chamada de tensão tangencial, é um tipo de tensão gerada 
pela atuação de uma força paralela ao movimento em uma superfície onde temos um fluido. 
 
4. Defina a taxa de cisalhamento. 
A taxa de cisalhamento é o deslocamento relativo das partículas ou moléculas do fluido. 
 
5. Qual a diferença entre as grandezas pressão (P) e tensão de cisalhamento (​τ​)? Quais são 
suas unidades? Quais efeitos práticos elas geram num material? 
A diferença entre as grandezas consiste em que a pressão (P) é a força sob a área perpendicular, 
já a tensão de cisalhamento é a força sob a área paralela, ou seja, é uma grandeza análoga à 
pressão, mas não igual. As unidades da pressão e tensão de cisalhamento são medidas em 
Pascal, o valor da área da pressão é , enquanto a área da tensão de cisalhamento A pi . r= 2 
equivale a . Geram no material uma tensão paralela, da força em relação à área 2 . pi . r . LA = 
superficial do material e a pressão, da força em relação à área perpendicular à seção transversal 
desse material, como uma tubulação por exemplo e as forças exercidas sobre ela. 
 
6. Como a viscosidade é medida em um reômetro rotacional? 
A viscosidade é a resistência ao escoamento, sendo que quanto maior a resistência, maior a 
viscosidade. A partir da rotação do reômetro rotacional, é medido as taxas de cisalhamento e o 
equipamento mede a tensão de cisalhamento. Depois disso, divide-se os valores de tensão pela 
taxa, atingindo um valor que vai nomear a resistência, ou seja, a viscosidade do fluido. 
 
7. Cite e explique as aplicações das principais geometrias utilizadas na medida de 
viscosidade de um fluido. 
Cone e placa​ - Para amostras de média viscosidade. 
Cilindros concêntricos​ - Para fluidos de baixa viscosidade, mas de altas taxas de cisalhamento. 
Placa / placa - Pode trabalhar com amostras de alta viscosidade, porém não é bom para sólidos 
macios. 
 
8. Cite e explique as vantagens e desvantagens de cada geometria. 
Cone e placa 
- Vantagens: Possui cisalhamento homogêneo, baixo volume da amostra do shopping e limpeza 
fácil da amostra. 
- Desvantagens: Altamente sensível ao posicionamento correto da amostra, difícil preparação 
para amostras de alta viscosidade, não adequado para dispersões com partículas sólidas tão 
grandes quanto a lacuna e ruptura do líquido em altas taxas de cisalhamento. 
 
Cilindros concêntricos 
- Vantagens: Bom para fluidos de baixa viscosidade, permite testes em altas taxas de 
cisalhamento e a evaporação da amostra é fácil de eliminar com uso de tampa. 
- Desvantagens: Constante de taxa de cisalhamento apenas para pequenas lacunas, 
instabilidades no campo de cisalhamento podem ocorrer em altas taxas e precisa de grande 
volume de amostra. 
 
Placa / placa 
- Vantagens: Espessura de amostra variável, Permite trabalhar com amostras de alta viscosidade 
e é a mais abrangente. 
- Desvantagens: Ruptura do líquido em altas taxas de cisalhamento e a taxa de cisalhamento 
pode variar no gap. 
 
 
 
9. Explique o efeito da temperatura sobre a viscosidade de um fluido. 
Para a viscosidade de um fluido, o aumento da temperatura permite a ocorrência da quebra das 
ligações desse fluido, diminuindo sua viscosidade. 
 
10. Explique o efeito da pressão sobre a viscosidade de um fluido. 
O efeito da pressão sobre a viscosidade, permite que o aumento dessa pressão propicie o 
aumento da resistência ao escoamento, ou seja, aumento da viscosidade do fluido. 
 
11. Faça um desenho mostrando o escoamento de um fluido em uma tubulação e mostrando a 
distribuição de velocidades (da máxima para a mínima). 
 
 
12. Desenhe curvas de fluxo e curvas de viscosidade para fluidos newtoniano, binghamiano, 
pseudoplástico e dilatante. 
 
 
13. Dê exemplos de fluidos newtoniano, binghamiano, pseudoplástico e dilatante. Para cada 
um desses fluidos, explique o comportamento na escala molecular. 
Fluidos newtonianos:​ Água, solventes, glicerina, leite, gases, alguns óleos minerais, entre outros. 
Fluidos binghamianos: Creme dental, maionese, suspensão de argila e lama de perfuração, que 
são utilizadas em poços de petróleo. Possuem redes interpartículas ou intermoleculares que 
resistem a forças fracas de cisalhamento quando estão em descanso, apresentam relação linear 
entre tensão e taxa de cisalhamento uma vez que começam a se escoar. 
Fluidos dilatantes: Suspensões de dióxido de titânio e de amido de milho em água. Em sistemas 
dispersos com alta concentração de partículas, que quando submetidos a um sistema tensional há 
um aumento do empacotamento das partículas. 
Fluidos pseudoplásticos: Tintas à base de látex, massas de cerâmica, cimento, lama de 
perfuração e polpa de celulose. São substâncias que em repouso apresentam suas moléculas em 
estado desordenado e, quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas 
tendem a se orientar na direção da força aplicada. Quanto maior a força aplicada, maior a 
ordenação e menor a viscosidade aplicada. 
 
14. Considerando um creme dermatológico. Para um material com esta finalidade, explique 
qual comportamento de fluxo seria mais interessante do ponto de vista prático. 
O creme dermatológico está inicialmente com alta viscosidade. Quando lhe é aplicada uma 
tensão, o creme irá sair pelo fato da viscosidade que irá diminuir. No entanto, é necessário uma 
alta viscosidade da embalagem para que quando for aplicada uma tensão, o produto precise 
diminuir a viscosidade para ser utilizado, apresentando um comportamento de fluido 
pseudoplástico. 
 
15. Desenhe duas curvas de viscosidade comparando o comportamento da acetonacom o mel 
de abelha, em função da temperatura. 
Acetona = Fluido newtoniano - Mel = Fluido tixotrópico 
 
 
16. Desenhe duas curvas de viscosidade comparando o comportamento do chocolate e do mel 
de abelha. 
Chocolate = Fluido pseudoplástico - Mel = Fluido tixotrópico 
 
 
 
 
 
17. Defina fluido dilatante e fluido tixotrópico. Como identificar, do ponto de vista prático, 
esses dois fenômenos? Faça desenhos de curvas de fluxo e de viscosidade desses dois 
fluidos. 
O fluido dilatante apresenta comportamento de viscosidade aparente crescente com o aumento da 
taxa de cisalhamento. A dilatância é manifestada em sistemas com mais de uma fase, desde que 
uma delas seja constituída de partículas grandes e assimétricas que dificultam o empacotamento, 
mesmo com elevadas taxas de deformação. O fluido tixotrópico é caracterizado pela diminuição 
da viscosidade aparente do líquido com o tempo de aplicação a uma dada taxa de deformação. 
Esse fenômeno é isotérmico e reversível, sendo consequência da destruição gradual da estrutura 
construída pelas partículas da fase dispersa, cuja força de ligação não resiste à ação do 
cisalhamento imposto. 
 
 
 
a) Explique a origem da pseudoplasticidade e da dilatância. 
Pseudoplasticidade é uma propriedade exibida por materiais nos quais a viscosidade diminui com o 
aumento da tensão de corte/ cisalhamento. A dilatância é a variação de volume observada em materiais 
granulares quando submetidos a deformações de cisalhamento. 
 
b) Explique porque os fluidos não-newtonianos são necessariamente chamados de ​fluidos complexos​. 
Os fluidos não newtonianos, diferente dos ideais, não apresentam relação única entre taxa de deformação 
e tensão de cisalhamento. Em geral, esses fluidos possuem viscosidade dependente da cinemática do 
escoamento, por isso também é chamado de fluido complexo. 
 
c) Uma suspensão muito concentrada de partículas rígidas e simétricas se comportará como qual tipo de 
fluido? 
 Irá se comportar como um fluido dilatante. 
 
d) Uma microemulsão de concentração moderada se comporta como qual tipo de fluido? 
Sistemas microemulsionados se comportam, na maioria das vezes, como sistemas não newtonianos, que se 
caracterizam por mudança da viscosidade com o aumento da velocidade de cisalhamento. A relação de tensão e 
velocidade de cisalhamento não é constante e os gráficos se apresentam como uma curva, sendo um fluido 
pseudoplástico. 
 
e) Uma suspensão de concentração moderada de partículas assimétricas se comporta como qual tipo de 
fluido? 
Se comporta como um fluido de bingham. 
 
f) O que se pode esperar da viscosidade de uma suspensão de partículas, cujas cargas superficiais 
aumentam drasticamente com a adição de ácido? 
Pode-se esperar um fluido dilatante. 
 
g) A equação ​τ​ = G​σ​ + K​c​ϕ​n ​se refere a qual tipo de fluido? Explique cada termo e variável da equação 
Refere-se a um fluido viscoelástico. ​τ ​= tensão de cisalhamento / ​Gσ ​= grau de solidez / ​ϕ ​= taxa de cisalhamento 
/ ​n ​= indica o quanto o fluido se afasta do comportamento newtoniano / ​K​c ​
 ​= constante de viscosidade. 
 
18. a) Classifique os fluidos abaixo. 
a - Fluido binghamiano / b - fluidos reopéticos / c - fluidos tixotrópicos / d - Fluido dilatante com tensão de 
escoamento / e - fluido newtoniano / f - fluido newtoniano / g - fluido dilatante 
b) Em qual deles as interações são mais intensas e complexas? 
Quanto mais fortes as forças intermoleculares, maior a viscosidade. Dessa forma, no fluido toxotrópico, de 
alta viscosidade, haveriam interações intermoleculares mais intensas. 
 
c) Escreva para cada um deles, a equação que melhor descreva seu comportamento. 
 
Fluido a - τ = tc +Y 
Fluido b - τ = n φ n​ ​ n > 1 
Fluido c - t=n/t 
Fluido d-τ= t0 + nφn​ ​ n>1 
Fluido e- t=nxY 
Fluido f- τ=nxY 
Fluido g- τ = t​c​ + nφn​ ​n>1 
 
19. Considere os dados abaixo de tensão e taxa de cisalhamento, obtidos para um xarope fitoterápico a base 
de mel. Utilizando a lei de potências, siga os seguintes procedimentos ​(pode ser feito no computador)​: 
a) Faça um gráfico de ​τ​ x ​ϕ​, utilizando o papel milimetrado. 
 
b) Faça um gráfico de log(​τ​) x log(​ϕ​), utilizando o papel milimetrado. 
 
c) Determine os coeficientes angular e linear da lei de potências (n e K​c​). 
n: possui valor de 0,36 N.s/m2 / kc tem um valor próximo a zero 
d) Com base nos valores de n e Kc, classifique o fluido. 
Já que n é menor que 1, o fluido é pseudoplástico e não tem taxa de escoamento. 
 
20. Cite e explique alguns fenômenos decorrentes da viscoelasticidade. 
Efeito de Weisenberg - Polímeros em estado fundido ou em alta concentração sobem no bastão 
ou nas paredes internas de um cilindro quando girados. Com fluidos newtonianos esse efeito não 
ocorre pelo fato da presença de tensões normais serem maiores que as forças centrífugas. 
Elasticidade da borracha - É uma de suas propriedades mais interessantes. Uma borracha com 
ligações cruzadas poderá ser estendida muitas vezes e, quando relaxada, voltará para sua 
dimensão original, exibindo pouca ou nenhuma deformação aparente. 
Inchamento do extrudado - Aumento do diâmetro do polímero extrudado devido à recuperação 
elástica axial. Quando o polímero é cisalhado durante o fluxo em canais, as moléculas poliméricas 
se orientam, mas após aliviado estado de tensão, as moléculas voltam ao estado emaranhado 
inicial. 
 
21. Defina e explique a Viscoelasticidade Linear. 
É a propriedade dos materiais que apresentam características viscosas e elásticas ao sofrer 
deformação. Materiais viscosos como a água, resistem ao fluxo de cisalhamento e à deformação 
linearmente com o tempo quando uma tensão é aplicada. A estrutura molecular de interações 
intermoleculares é mantida. Quando a tensão é interrompida o material retorna ao equilíbrio. A 
medida da viscoelasticidade linear é realizada em um ensaio reológico oscilatório, identificando-se 
a região em que G deixa de ser linear. 
ϕ​ (s​-1​) 100 173 210 394 431 542 615 689 726 800 
τ​ (Pa) 36 63 76 143 157 196 222 248 261 285 
Log (​ϕ​) 2 2,23 2,32 2,59 2,63 2,73 2,78 2,83 2,86 2,90 
Log (​τ​ ) 1,55 1,79 1,88 2,15 2,19 2,29 2,34 2,39 2,41 2,45 
 
22. Faça um desenho qualitativo de dois fluidos viscoelásticos, sendo um com tensão de 
escoamento de 100 Pa e outro de tensão de escoamento de 1000 Pa (obs: faça em escala 
logarítmica)