A viscosidade e a sua medição. Profa. Débora Gonçalves

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1 A viscosidade e a sua medição Profa. Débora Gonçalves

2 Reologia Termo escoamento (fluxo) e deformações decorrentes. - mudanças na forma e escoamento de materiais fluidos. Viscosidade resposta do fluido ao atrito viscoso de suas camadas internas que impõem resistência ao escoamento. Fluidos e sólidos 2

3 Tensão e deformação Callister, 5ª. ed. p

4 Fluidos e sólidos Tensão (stress) ( deformação (strain) idealidade): - Lei de Hooke, sólidos elásticos. x (viscoelásticos) G - Lei de Newton, fluidos viscosos. 4

5 Fluidos viscosos e sólidos elásticos Sólidos: DEFORMAÇÃO (elástica volta à situação inicial sem força externa). Elasticidade conservação de energia. Módulo de Young Atrito interno movimentos lentos, resultantes de tensões internas. Fluidos: VELOCIDADE DE DEFORMAÇÃO. Pode escoar continuamente sob força externa aplicada. Viscosidade contribuição dissipativa. Prop. mecânicas sólidos 5

6 a) Duro e quebradiço; b) Duro e resistente; c) Elástico; Análise d) Macio e fraco; e) Macio e resistente A B C D Escoamento laminar 6

7 velocidade inicial de escoamento, v 0. = F/A ângulo de cisalhamento, = x/y deslocamentos das camadas do fluido - variação transversal da velocidade - perfil de velocidade. 7

8 F A dv dy x Lei de Newton para escoamento viscoso. Escoamento viscoso 8

9 Escoamento viscoso Regime de escoamento, laminar ou turbulento. gradiante de pressão, dp. 9

10 Laminar trajetórias bem definidas. lâminas ou camadas. papel da viscosidade - vence tendência à turbulência. dutos de pequeno diâmetro. baixa velocidade de fluxo. alta viscosidade do fluido. Turbulento trajetórias irregulares. movimentos aleatórios. transferência de quantidade de movimento entre regiões da massa líquida. 10

11 TIPOS DE FLUIDOS viscosos - flui (óleo lubrificante) e viscoelásticos - textura sólida predomina (gelatina): - propriedades viscosas (líquidos) e elásticas (sólidos) - relação entre elas, a dada T., depende da força aplicada e do tempo da deformação. 11

12 Fluidos viscoelásticos piche; efeito de recolhimento elástico. Número de Deborah, De. De = /t tempo de relaxação característico do material/tempo de fluxo (velocidade de deformação) De >> sólido De << líquido 12

13 TIPOS DE FLUIDOS Newtonianos - única viscosidade a dada T., independente da tensão de cisalhamento. - constante com veloc. de cisalhamento e independe do tempo. Não-Newtonianos - varia com veloc. de cisalhamento de diversas maneiras e depende ou não do tempo. 13

14 Fluidos não-newtonianos Soluções poliméricas, sangue, suspensões, emulsões, etc. Independentes do tempo: reo-fluidificantes (pseudoplásticos) reo-espessantes (dilatantes) plásticos (Birgham e Casson). Dependentes do tempo: tixotrópicos (fluidificantes) reopéticos (espessantes) - viscosidade absoluta decresce ou aumenta com o tempo, respectivamente. 14

15 Casson Diminui atrito interno. + raro 15

16 Exemplos - cotidiano Tintas - alta viscosidade paredes texturizadas; aplicação usual - baixa viscosidade. Solventes - baixa viscosidade resinas - alta viscosidade - diferenças tamanhos de cadeias polimerizadas. Indústrias: matérias-primas e produtos: desenvolvimento de produto, qualidade, textura, controle sobre qualidade e vida útil de produto na prateleira. 16

17 Alimentos Leite fresco: emulsão de gordura em água -fluido Newtoniano. Viscosidade depende processamento industrial - diminui - leites integral x desnatado - diferenças quantidades de proteínas e lipídeos. Omega 3: ácidos graxos poliinsaturados peixes - adicionados ao leite e alimentos - ingrediente funcional. Diminui viscosidade do sangue e agregação de plaquetas. Margarina/maionese: fluidos não-newtonianos pseudoplásticos e tixotrópicos - alta consistência - rico conteúdo em óleos - viscosidade diminui com o aumento da força aplicada - leva ao alinhamento das moléculas e diminuição atrito viscoso. Ausência de força externa faca - viscosidade volta ao valor original. Mel e leite condensado - mesma natureza tixotrópica - presença de proteínas. Catchup: fluido plástico Bingham - escoamento rápido se superada tensão inicial de escoamento - quando se força a saída do catchup de frasco. Chocolate: fluido pseudoplástico - escoamento complexo - comportamento reológico variável: aplicação de tensão de deformação inicial se comporta como plástico de Bingham, com o passar do tempo continua a apresentar comportamento de fluido não-newtoniano - perde classificação de plástico. Natas, claras de ovos batidas, manteiga batida, musses e gelatina em água fria: fluidos viscoelásticos. 17

18 Lubrificantes Dispersões poliméricas, sistemas multifásicos, materiais com tecidos estruturais e semi-sólidos - pastas e géis - viscoelásticos - comportamento híbrido elástico e viscoso. Óleo lubrificante em peças mecânicas - necessidade de reduzir atrito entre partes móveis. Como um filme - deve suportar peso de peças móveis - após expulsão excesso de óleo para laterais - distância suficiente entre partes - característica de suportar peso das partes deve-se à pressão interna no fluido - depende da viscosidade e densidade do fluido e da velocidade das partes móveis. Viscosidade depende da temperatura - peças mecânicas lubrificadas e aquecidas movem-se facilmente - menor viscosidade do lubrificante. Dependência viscosidade de lubrificantes e temperatura - reduzida com uso de aditivos. Testes de ponto de mínima fluidez - indicam menores valores de temperatura nos quais ainda ocorre escoamento dos lubrificantes - experimentos possibilitam classificação dos óleos - grau inverno ou verão. Graxas - lubrificantes pastosos (emulsões de óleos e espessantes) - necessidade de tensão inicial de escoamento - diante de baixas tensões de cisalhamento se portam como sólidos e não escoam - se assemelham aos lubrificantes sob altos valores de tensão. 18

19 Fluidos Água Amido de milho em água Argila, lama Catchup Chocolate Clara de ovo batida Dispersão de polímeros Géis, gelatina Leite Maionese Manteiga batida, nata, musse Margarina Mel, leite condensado Mercúrio Óleo lubrificante Papel Pasta de dentes Sangue Tinta à base d água Tinta à base de solventes Tinta a óleo Classificação Newtoniano Dilatante Dilatante Plástico Pseudoplástico Viscoelástico Viscoelástico Viscoelástico Newtoniano Pseudoplástico/tixotrópico Viscoelástico Pseudoplástico/tixotrópico Tixotrópico Newtoniano Newtoniano Pseudoplástico Viscoelástico Newtoniano Pseudoplástico Newtoniano Tixotropia 19

20 Tipos de viscosímetros Capilares Rotacionais Queda de esfera 20

21 Viscosímetro capilar Partes: reservatório (bulbo); capilar de dimensões conhecidas (forma de U); receptor (bulbo). dispositivo para controle e medida da pressão; dispositivo para determinação da velocidade do fluxo. Medida: tempo para escoar certo volume de fluido sob ação da gravidade. 21

22 Viscosímetro capilar V R Q V t 8 4 P L r = / o r = t/t0 sp r 1 r =.t/ o.to ( t t 0 t 0 ) Viscosímetro de queda de esfera (Hoppler) ( 1) 2 t 2 e 1, as densidades da esfera e do fluido 22