EXPERIMENTO 08 REOLOGIA - VISCOSIDADE DE LÍQUIDOS. b) Reagentes. - Óleo mineral; - Biodiesel; - Mel ou melado.

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1 ŀ EXPERIMENTO 08 UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA REGIONAL DE CHAPECÓ ÁREA DE CIÊNCIAS EXATAS E AMBIENTAIS ENGENHARIA DE ALIMENTOS/ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA: FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL PROFESSOR: JACIR DAL MAGRO E JAQUELINE SCAPINELLO SEMESTRE: HORAS AULA: 54 CRÉDITOS: 03 REOLOGIA - VISCOSIDADE DE LÍQUIDOS 1. OBJETIVOS - Determinar a viscosidade de líquidos comuns na indústria química; - Verificar o comportamento reológico dos líquidos estudados; - Verificar o comportamento da viscosidade em função da temperatura. 2. MATERIAIS a) Equipamentos - 1 Viscosímetro rotativo digital; - 1 Chapa de aquecimento; - 3 Becker (200 ml, diâmetro em torno de 70 mm); - 1 Bastão de vidro. b) Reagentes - Óleo mineral; - Biodiesel; - Mel ou melado. 3. TEORIA 3.1 Reologia Reologia é a parte da física que investiga as propriedades e o comportamento mecânico de corpos que sofrem uma deformação (sólidos elásticos) ou um escoamento (fluido-líquido ou gás) devido à ação de uma tensão de cisalhamento (num corpo sujeito a uma força cortante, força por unidade de área da seção transversal do corpo veja Figura 1). Muitos sistemas, principalmente os de natureza coloidal apresentam um comportamento intermediário entre esses dois extremos, apresentando tanto características viscosas como elásticas. Esses materiais são chamados de viscoelásticos. (sistemas coloidais - sistemas nos quais um ou mais dos componentes apresentam pelo menos uma de suas dimensões dentro do intervalo de 1 nm a 1 µm, o que inclui tanto moléculas de polímeros de alta massa molar como pequenas partículas em suspensão; exemplos: fumaça, poeira, leite, maionese, pasta de dente, pérola, plásticos pigmentados). O entendimento e o controle das propriedades reológicas é de fundamental importância na fabricação e no manuseio de uma grande quantidade de materiais (borrachas, plásticos, alimentos, cosméticos, tintas, óleos lubrificantes) e em processos (bombeamento de líquidos em tubulações, moldagem de plásticos). Nesta experiência será investigado o comportamento reológico de três fluidos. Serão feitas medidas de viscosidade em função da tensão de cisalhamento em mel de abelha, maionese comercial e óleo vegetal. Nos ensaios, será utilizado um viscosímetro digital rotativo Viscosidade A viscosidade de um líquido (inverso da fluidez) mede a resistência interna oferecida ao movimento relativo de diferentes partes desse líquido. A viscosidade mede a resistência de um líquido em fluir (escoar) e não está diretamente relacionada com a densidade do líquido, que é a relação massa/volume. Por exemplo, o óleo de soja utilizado para cozinhar é mais viscoso que a água, embora seja menos denso. Apesar da nítida diferença entre viscosidade e densidade, é comum ouvir a frase este líquido é muito denso para se referir a um líquido que tem dificuldade em escoar. A frase correta deveria ser este líquido é muito viscoso.

2 Matematicamente, a viscosidade (η) é a derivada do gráfico da força de cisalhamento por unidade de área entre dois planos paralelos de líquido em movimento relativo (tensão de cisalhamento, τ) versus o gradiente de velocidade dv/dx (taxa de cisalhamento, γ) entre os planos, isto é, τ = η γ, onde dv (velocidade diferencial) γ = = taxa de cisalhamento dx (espessura diferencial) F (força) τ = = tensão de cisalhamento A (área ) d τ F / A η = = viscosidade ou coeficiente de viscosidade dγ dv / dx Na literatura especializada, pode-se acompanhar o comportamento, por meio de gráficos, da taxa de cisalhamento em função da tensão de cisalhamento. Neste caso, a derivada dγ/dτ corresponde ao coeficiente de fluidez, φ=1/η. A unidade SI de viscosidade é: 2 2 N / m N / m η] = = = Pa s 1 (pascal segundo) ms / m s [ 1 A antiga unidade de viscosidade, no sistema cgs, é denominada poise (símbolo: P) e corresponde à seguinte relação: dina s/cm 2. Como a viscosidade da água a 20 C é muito próxima de 1 centipoise (1 cp; valor exato: 1,002 cp) os valores de viscosidade eram freqüentemente tabelados em cp. A relação entre a atual unidade SI e a antiga unidade é 1 mpa s = 1 cp. Em algumas situações é conveniente usar-se a viscosidade cinemática que é o coeficiente de viscosidade dividido pela densidade do líquido, ν=η/ρ. Se o gráfico da tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento à temperatura e pressão constantes for linear, a viscosidade será constante e igual ao coeficiente angular da reta. A maioria dos líquidos puros e muitas soluções e dispersões apresentam este tipo de comportamento e são denominados líquidos newtonianos, pois foi Newton quem primeiro observou esta relação. A quantidade dτ/dγ, no caso de sistemas newtonianos, é a viscosidade absoluta. Muitas soluções (especialmente se forem concentradas) e dispersões (especialmente se contiverem partículas assimétricas, por exemplo, na formas de disco ou bastão) apresentam desvio deste comportamento e são denominadas de sistemas não-newtonianos. As principais causas do fluxo não-newtoniano, em sistemas coloidais, são a formação de uma estrutura organizada através do sistema e a orientação de partículas assimétricas na direção do fluxo, provocadas pelo gradiente de velocidade. A quantidade dτ/dγ, no caso de sistemas não-newtonianos, é a viscosidade aparente, η ap, pois seu valor depende da tensão de cisalhamento aplicada ao líquido. O comportamento reológico de um líquido é freqüentemente representado pela sua curva de fluxo (tensão de cisalhamento x taxa de cisalhamento). Os perfis de alguns tipos de comportamento de fluxo, freqüentemente observados, são apresentados na Figura 1.

3 A imagem não pode ser exibida. Talvez o computador não tenha memória suficiente para abrir a imagem ou talvez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquivo novamente. Se ainda assim aparecer o x vermelho, poderá ser necessário excluir a imagem e inseri-la novamente Medida da Viscosidade Figura 1 Comportamento de fluxo para fluidos. Existem quatro tipos básicos de viscosímetros: a) Viscosímetro capilar. A viscosidade é medida pela velocidade de escoamento do líquido através de um capilar de vidro. b) Viscosímetro rotacional. A viscosidade é medida pela velocidade angular de uma parte móvel separada de uma parte fixa pelo líquido. A parte fixa é, em geral, a parede do próprio recipiente cilíndrico onde está o líquido. A parte móvel pode ser no formato de palhetas ou um cilindro. c) Viscosímetro de esfera. A viscosidade é medida pela velocidade de queda de uma esfera dentro de um líquido colocado em um cilindro vertical de vidro. d) Viscosímetro de orifício. A viscosidade é medida pelo tempo que um volume fixo de líquido gasta para escoar através de um orifício existente no fundo de um recipiente. A escolha do tipo de viscosímetro a ser utilizado depende do propósito da medida e do tipo de líquido a ser investigado. O viscosímetro capilar não é adequado para líquidos não newtonianos, pois não permite variar a tensão de cisalhamento, mas é bom para líquidos newtonianos de baixa viscosidade. O viscosímetro rotacional é o mais indicado para estudar líquidos não-newtonianos. O viscosímetro de orifício é indicado nas situações onde a rapidez, a simplicidade e robustez do instrumento e a facilidade de operação são mais importantes que a precisão e a exatidão na medida, por exemplo, nas fábricas de tinta, adesivos e óleos lubrificantes Funcionamento do Viscosímetro Digital Rotativo No viscosímetro rotativo, que será utilizado no experimento, um motor síncrono gira uma folha de sensor do motor com uma velocidade estável, e gira a folha de sensor sobre uma espiral (mola tipo cabelo), que por aferição prévia, registra a resistência ao movimento do spindle. Caso não haja nenhuma resistência do fluido ao escoamento, o display deverá estar na posição zero e os dois sensores a uma rotação com a mesma velocidade. Pelo contrário, se o rotor (spindle) é submetido a uma resistência pela viscosidade do fluido, então ali haverá um torque à espiral. Após o seu balanço contra a resistência viscosa, o dispositivo optoelétrico de conversão pode converter a mensagem do balanceamento relativo da posição entre os dois sensores, e a viscosidade assim pode ser determinada pelo microprocessador do aparelho, a partir de padrões internos. A Figura 2 mostra o viscosímetro e a Figura 3 o esquema simplificado da estrutura essencial para seu funcionamento. Conforme mostra a Figura 4, o aparelho possui 4 diferentes spindles (rotores), numerados de 1 a 4, os quais podem ser selecionados para o uso com a apropriada velocidade, de acordo as propriedades do fluido sob medição. O aparelho pode ser operado após estar fixo em sua haste e base de sustentação, devidamente nivelado.

4 A imagem não pode ser exibida. Talvez o computador não tenha memória suficiente para abrir a imagem ou talvez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquivo novamente. Se ainda assim aparecer o x vermelho, poderá ser necessário excluir a imagem e inseri-la novamente. A imagem não pode ser exibida. Talvez o computador não tenha memória suficiente para abrir a imagem ou talvez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquivo novamente. Se ainda assim aparecer o x vermelho, poderá ser necessário excluir a imagem e inseri-la novamente. O spindle deve ser instalado no acoplamento, após remoção da proteção do eixo do motor. Para instalar, segure o eixo do motor, levante-o e gire para a direita para sua fixação, para sua remoção gire-o para a esquerda. O fluido a ser medido deve ser oposto em um becker com um diâmetro não inferior a 70 mm e preferencialmente com um volume interno não inferior a 200 ml. Após o preparo devido do fluido, descer vagarosamente o conjunto completo do aparelho até o fluido atingir a marca do nível inscrita no spindle. O viscosímetro possui 4 velocidades de rotação, sendo: 60, 30, 12 e 6 rpm. Esta velocidade é selecionada através do teclado e indicada no display. Este, além da velocidade, indica a temperatura, o tipo de spindle selecionado e a viscosidade medida. Após a correta introdução da velocidade no viscosímetro, pressione a tecla ON/OFF para que o motor inicie a corrida e o aparelho entre em estado de medição. Em alguns segundos, o valor da viscosidade do líquido, cuja medição está transcorrendo, será exibida no display. Figura 2 Viscosímetro rotativo. Figura 3 Esquema simplificado do viscosímetro.

5 A imagem não pode ser exibida. Talvez o computador não tenha memória suficiente para abrir a imagem ou talvez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquivo novamente. Se ainda assim aparecer o x vermelho, poderá ser necessário excluir a imagem e inseri-la novamente. Figura 4 Spindles. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Ensaio A Identificação do tipo de fluido Nesta experiência será estudado o comportamento reológico de 3 fluidos em um viscosímetro rotacional. Os fluidos utilizados nos experimentos são mel (ou melado), óleo mineral e biodiesel. O ensaio consiste em determinar a viscosidade dos fluidos em diferentes freqüências de rotação. A freqüência de rotação é ajustada no painel do viscosímetro, assim como deve ser informado o número do spindle utilizado. Peça instruções ao professor para esta etapa. Observar as informações do ítem 3.4. Ensaio B Análise da dependência da viscosidade com a temperatura Nesta experiência, será analisado o comportamento de um fluido em função da temperatura. O fluido escolhido para o teste é o mel (ou melado), adotando-se 12 rpm para a freqüência de rotação. Utilizar preferencialmente o spindle n o 3. É importante que não se ultrapasse 45 o C no experimento e que se tenha ao menos 10 pontos. O aquecimento deve ser efetuado pela chapa de aquecimento, mantendo o fluido sob agitação com o bastão de vidro, enquanto se acompanha a temperatura. 5. DADOS Os dados onde se acompanha a viscosidade em função da freqüência de rotação devem ser anotados seguindo o padrão da Tabela 1. Tabela 1 Comportamento da viscosidade dos fluidos em função da freqüência de rotação. η (mpa s) Fluido 60 rpm 30 rpm 12 rpm 6 rpm Mel (ou melado) Óleo mineral Biodiesel Os dados que avaliam o comportamento da viscosidade do mel em função da temperatura devem ser anotados seguindo o padrão da Tabela 2. Tabela 2 Comportamento da viscosidade em função da temperatura. Ensaio T [ o C] η [mpa.s] 1

6 Ensaio T [ o C] η [mpa.s] RESULTADOS Apresentar as tabelas que mostram os valores de η versus ω (freqüência de rotação) e η versus temperatura. Faça um gráfico de η versus ω (freqüência de rotação), para cada um dos fluidos, e conclua se o fluido estudado é newtoniano ou não newtoniano (pseudoplástico, plástico ou dilatante). Lembrar que ω está diretamente relacionada com a taxa de deformação (du/dy). Faça um gráfico para η versus T, identificando o formato da curva. Obtenha uma equação que descreva a dependência de η em função de T. 7. PERGUNTAS a) Conceitue reologia. Qual a importância de seu estudo? b) Qual a diferença entre fluxo Newtoniano e não-newtoniano? c) Os sistemas não-newtonianos apresentam dois tipos de fenômenos que os distinguem de sistemas newtonianos, quais são? Explique. d) Explicar: - o que são e qual comportamento exibem os fluidos pseudoplásticos; - o que são e qual comportamento exibem os fluidos plásticos; - o que são e qual comportamento exibem os fluidos dilatantes; - o que você entende pelo fenômeno de tixotropia; - o que você entende pelo fenômeno de reopexia. 8. BIBLIOGRAFIA ATKINS, P., PAULA, J. de. Physical chemistry. 7 th ed., New York: Oxford, 2002.

7 BENNETT, C. O., MYERS, J. E., Fenômenos de Transporte: Quantidade de Movimento, Calor e Massa, São Paulo : McGraw-Hill, c1978. FOX, R. W.; McDONALD, A. T., Introdução à Mecânica dos Fluidos, Editora LTC, 4 a Edição, PERRY, R. H., GREEN, D. W., MALONEY, J. O., Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7 nd ed., New York: McGraw-Hill, DADOS PARA O PROFESSOR Tabela 1 Comportamento da viscosidade dos fluidos em função da freqüência de rotação. η (mpa s) Fluido 60 rpm 30 rpm 12 rpm 6 rpm Mel Óleo vegetal Maionese Tabela 2 Comportamento da viscosidade em função da temperatura. Ensaio T [ o C] η [mpa.s]

8 Ensaio T [ o C] η [mpa.s] 14 EQUIPE:

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