ViscosidadeDefinio, Medidores e Aplicaes

Por: Mateus Alves da SilvaRobson Rafael DalpraEverton Prado . Yen Yu ChiehViscosidade Definio, medidores e aplicao

Sumrio1.Introduo32.Oque Viscosidade?33.Unidades de viscosidade5a.Unidades equivalentes de Viscosidade5b.Unidades Equivalentes de viscosidade Cinemtica54.Medidores de Viscosidades5a.O viscosmetro capilar5b.O viscosmetro rotacional6c.O viscosmetro de orifcio6d.Viscosmetro de Esfera ou STOKES65.Relao entre Viscosidade e Temperatura76.Fenmenos de estado estacionrio (independentes do tempo)7a.Diminuio da viscosidade aparente com o aumento da tenso de cisalhamento.7b.Existncia de uma tenso de cisalhamento mnima para iniciar o escoamento.8c.Aumento da viscosidade aparente com o aumento da tenso de cisalhamento.87.Fenmenos dependentes do tempo8a.Tixotropia8b.Reopexia98.Fluidos viscoelsticos99.Aplicaes para Viscosidade9a.Indstria Petrolfera9b.Produtos de limpeza10c.Indstria Alimentcia10d.Indstria Automotiva1010.A importncia da Viscosidade nos Lubrificantes11a.Condies de Aplicao:11b.O que significa a classificao SAE nos leos lubrificantes automotivos?12c.O que significa a classificao API nos lubrificantes?12d.E a classificao ACEA, o que significa?1211.Referncias:12

1. IntroduoToda matriaque conhecemos classifica-se em slidos, lquidos ou gases. Um slido possui uma forma e um volume bem definidos, por no alterar a sua forma com facilidade, dependem de uma fora externa para se alterar. Essa caracterstica j no est presente noslquidos e gases, por apresentarem caractersticas peculiares, os lquidos possuem volume bem definido, porem assumem a forma do recipiente em que esto, no possuindo a sua prpria forma.J os gases no possuem forma nem volume definidos. Por essa razo tratamos os lquidos e gases como fluidos, e ambos apresentam a caracterstica de escoamento.

2. Oque Viscosidade?O atrito no est presente apenas nos slidos, podemos identificar uma caracterstica semelhante nos fluidos, que apresenta o nome de viscosidade, sendo de grande importncia para o estudo do comportamento dos lquidos.Quanto maior a viscosidade de um lquido, mais tempo ele leva para escoar, por essa razo os leos, que so fluidos de alta viscosidade, esto presentes na lubrificao de maquinas e motores que necessitam reduzir o atrito entre as partes.Uma caracterstica que deve ser levada em considerao que ao se aquecer um lquido pode-se observar que sua viscosidade em geral diminui, e em alguns casos diminui bastante, como no caso do leo de soja usado em frituras, que depois de bem aquecido, fica mais lquido do que se apresenta temperatura ambiente.Um exemplo bsico para se compara a viscosidade a comparao da gua e do mel, onde a agua apresenta baixa viscosidade, portanto maior facilidade de escoamento ao contrario do mel que apresenta maior viscosidade, logo maior dificuldade de escoamento.Um problema comum confundir viscosidade com densidade, jugando que um liquido viscoso como o leo de cozinha mais denso. Porm essa analogia equivocada, pois a gua menos viscosa que o leo, porm mais densa.A hidrodinmica estuda o movimento macroscpico dos fluidos e sua interao com o meio.Resumindo, a viscosidade de um lquido mede a resistncia interna oferecida ao movimento de diferentes partes desse lquido. Em um fluxo laminar, diferentes lminas do lquido movem-se com velocidades diferentes. Um bom exemplo o fenmeno que ocorrem em um viscosmetro capilar, onde o lquido em contato com a parede do capilar tem velocidade prxima de zero, atingindo uma velocidade mxima no centro do capilar. Em um lquido muito viscoso, a velocidade varia pouco da parede para o centro e o lquido escoa lentamente.

Equao I.Onde dt a medida infinitesimal da tenso de cisalhamento, dy a taxa infinitesimal de cisalhamento.Em algumas situaes conveniente usar a viscosidade cinemtica que o coeficiente de viscosidade dividido pela densidade do lquido, um viscosmetro capilar faz a medida daviscosidade cinemtica.Se o grfico da tenso de cisalhamento em funo da taxa de cisalhamento temperatura e presso constantes for linear, a viscosidade ser constante e igual ao coeficiente angular da reta. A maioria dos lquidos puros e muitas solues e disperses apresentam este tipo de comportamento e so denominados lquidos newtonianos, pois foi Newton quem primeiro observou esta relao. A quantidade dt/dy, no caso de sistemas newtonianos, a viscosidade absoluta.A unidade mais comum utilizada para definir o grau de viscosidade o centipoise (cP), dado por 1 cP = A definio de viscosidade, representada pela Equao I, vlida para fluidos chamados de newtonianos. Para estes, um grfico entre a fora por unidade de rea (F/A) e o gradiente da velocidade em uma direo perpendicular rea (dv/dx) uma reta que passa pela origem. Os fluidos que no seguem esse comportamento so chamados de fluidos no newtonianos. Em alguns desses fluidos, a viscosidade depende do gradiente de velocidade, de modo que o fluido se comporta como um slido se tentarmos, por exemplo, estic-lo com movimentos bruscos, e se comporta como um lquido se o perturbarmos de forma mais suave. Em um fluido desse tipo, uma pessoa pode ser capaz de caminhar sobre ele, caso o faa com passos rpidos; por outro lado, se a pessoa parar em p sobre o fluido, ir afundar, de forma parecida com o que aconteceria em um fluido newtoniano. Por outro lado, se voc lentamente tentar introduzir qualquer objeto no fluido, este se comportar como um lquido e a reao contrria sero bem menores que no caso anterior.

3. Unidades de viscosidadeUma unidade usual(no integrante do SI, embora seja uma unidade mtrica) para expressar a medida da viscosidade o Poise ( P = g/cms), sendo a viscosidade muitas vezes expressa em cP (centiPoise). A converso feita como: 1cP = Pa s 1cP = PPara a viscosidade cinemtica ou difusividade uma medida bastante comum o Stoke (St=cm2/s) ou centiStoke (cSt). A converso feita como: 1cSt = cm2/s Uma medida de dimenso usada frequentemente para expressar quantidades pequenas o Angstrom (m).a. Unidades equivalentes de Viscosidade1slug/fts = 47.88 kg/ms1cP=10-3 kg/msb. Unidades Equivalentes de viscosidade Cinemtica1ft2/h = 0.000025806 m2/s 1St=10-4 m2/s

4. Medidores de ViscosidadesPara se escolher o tipo de viscosmetro a ser utilizado deve-se verificar o propsito da medida e do tipo de lquido a ser investigado. a. O viscosmetro capilarO viscosmetro capilar no adequado para lquidos no-newtonianos, pois no permite variar a tenso de cisalhamento, mas bom para lquidos newtonianos de baixa viscosidade. Esse viscosmetro consiste na comparao de dois lquidos, um com viscosidade conhecida e outro que se quer obter a viscosidade, atravs de uma razo entre os dois lquidos.

b. O viscosmetro rotacionalO viscosmetro rotacional o mais indicado para estudar lquidos no-newtonianos.O principio de funcionamento destes medidores consiste em medir o torque necessrio para movimentar o disco submergido no liquido, e comparar com sua viscosidade.

c. O viscosmetro de orifcioO viscosmetro de orifcio indicado nas situaes onde a rapidez, a simplicidade e robustez do instrumento e a facilidade de operao so mais importantes que a preciso e a exatido na medida, por exemplo, nas fbricas de tinta, adesivos e leos lubrificantes.Esse tipo de equipamento consistem em se observar o tempo necessrio para que o liquido a ser verificado se escoe, para quer possamos determinar atravs de um calculo simples a sua resistncia ao escoamento levando em conta o dimetro para o escoamento e a quantidade de fluido utilizada.

d. Viscosmetro de Esferaou STOKESO viscosmetro de esfera ou STOKES, possui o custo relativamente baixo, porm ele necessita de uma quantidade grande de lquido analisa apenas lquidos translcidos, pela sua forma de funcionamento.

O princpio operacional do viscosmetro de Stokes baseia-se na determinao da velocidade de queda livre de uma esfera atravs do fluido do qual se deseja obter a viscosidade, considerando todas as variveis envolvidas, variveis: g, D, s, f e V so, respectivamente, a acelerao da gravidade, o dimetro da esfera, a densidade da esfera, a densidade do fluido e a velocidade terminal de queda livre.

5. Relao entre Viscosidade e TemperaturaPara se obter uma medida precisa para comparar lquidos, imprescindvel que ambos estejam em temperaturas iguais, visto que a variao de temperatura implica diretamente na viscosidade.Tabela1 :Comportamento dos fluidos com relao a viscosidadeFluidoComportamentoFenmeno

LquidosA viscosidadediminuicom a temperatura.Observa-se um pequeno espaamento entre molculas pequeno e ocorre a reduo da atrao molecular com o aumento datemperatura

GasesA viscosidadeaumentacom a temperatura.Observa-se um grande espaamento entre molculase ocorre o aumento do choque entre molculas com o aumento da temperatura.

6. Fenmenos de estado estacionrio (independentes do tempo)Trs classes de lquidos apresentam este comportamento e so denominados pseudoplsticos, plsticos e dilatantes:a. Diminuio da viscosidade aparente com o aumento da tenso de cisalhamento.Os lquidos que apresentam este comportamento so denominados pseudoplsticos. As causas mais comuns desse comportamento so o fracionamento de agregados de partculas e a orientao de partculas assimtricas provocadas pelo aumento da taxa de cisalhamento. Muitas tintas apresentam pseudoplasticidade.A viscosidade aparente decresce com a taxa de deformao.b. Existncia de uma tenso de cisalhamento mnima para iniciar o escoamento.Os lquidos que apresentam este comportamento so denominados plsticos. A taxa de cisalhamento zero (o lquido no escoa) at que uma tenso de cisalhamento mnima seja aplicada ao sistema. Para tenses de cisalhamento maiores que zero, os fluidos plsticos apresentam um comportamento semelhante aos fluidos pseudoplsticos, ou seja, apresentam uma diminuio da viscosidade aparente com o aumento da tenso de cisalhamento. Quando a tenso mnima de escoamento muito pequena, torna-se difcil determinar se o sistema plstico ou pseudoplstico. A plasticidade devida existncia de um retculo estrutural contnuo na amostra em repouso e que deve ser rompido para que o fluido possa escoar.c. Aumento da viscosidade aparente com o aumento da tenso de cisalhamento.Os lquidos que apresentam este comportamento so denominados dilatantes porapresentarem um efeito de dilatao. Esses fluidos se comportam como um lquido a baixas tenses de cisalhamento, mas podem se tornar to rgidos quanto um slido quando submetidos a tenses de cisalhamento elevadas. Quando a taxa de cisalhamento aumentada, esse empacotamento deve ser quebrado para permitir que as partculas se movam umas em relao s outras. A expanso resultante faz com que o lquido seja insuficiente para preencher os vazios criados. essa expanso se ope foras de tenso superficial do lquido aprisionado entre as partculas. Isso explica porque fcil empurrar com o p a areia mida da praia se fazemos isso lentamente. Mas podemos machucar o p se chutarmos (aplicarmos uma tenso de cisalhamento elevada) a areia, pois nessa situao ela se comporta como um slido.

7. Fenmenos dependentes do tempoa. TixotropiaA tixotropia o fenmeno da diminuio da viscosidade aparente com o tempo de cisalhamento, uma taxa de cisalhamento constante. Como na pseudoplasticidade, a diminuio da viscosidade aparente com o tempo tambm devida quebra de uma estrutura organizada no fluido. Se deixarmos em repouso durante algum tempo um sistema tixotrpico, a viscosidade aparente aumentar devido formao de uma estrutura mais organizada das partculas em suspenso que imobiliza o lquido entre as partculas. Se, a seguir, submetermos o sistema a cisalhamento, a uma velocidade de agitao constante, a viscosidade aparente decrescer com o tempo at atingirmos o equilbrio entre quebra e reconstruo da estrutura. A tixotropia facilmente observada quando mexemos (cisalhamos) com uma esptula uma tinta latex para pintar parede. Inicialmente a tinta parece muito viscosa, mas, com o tempo, ela vai se tornando mais fluida. Solues de polmeros de massa molar elevada so, em geral, tixotrpicas. Suspenses coloidais de xido de ferro III, de alumina e algumas argilas, que formam sistemas fracamente gelificados, tambm apresentam tixotropia. Ex: Ketchup, Visplex (fludo de perfurao base de gua).b. ReopexiaA reopexia o fenmeno do aumento da viscosidade aparente com o tempo de cisalhamento, uma taxa de cisalhamento constante. Inclui poucos materiais que so capazes de desenvolver ou rearranjar uma estrutura enquanto so submetidos a uma tenso de cisalhamento. Ex: gesso em pasta, tintas de impressoras (alguns tipos).

8. Fluidos viscoelsticosMuitos fludos mostram comportamento de slido (elasticidade) e de lquido (plasticidade). A determinao do comportamento viscoelstico exige equipamentos caros que se usam nos laboratrios de desenvolvimento de produtos.Os problemas que podem se apresentar so: -Inchamento do fluido: um grande problema em extruso. -Escoamento de Weissemberg: ocorre na agitao de fluidos altamente viscos elsticos como a massa de po e biscoito. As altas taxas de deformao, as tenses normais superam as tangenciais, invertendo o fluxo.

9. Aplicaes para ViscosidadeA viscosidade tem aplicaes em vrios ramos da indstria, e est presente em varias coisas do nosso cotidiano. Alguns exemplos so na indstria de produtos de limpeza, na espessura da tinta para uma pintura automotiva e residencial, na indstria alimentcia, na indstria petrolfera, automotiva, etc..a. Indstria PetrolferaNa indstria petrolfera o petrleo fino, menos viscoso, altamente fludo e pode percorrercanos e maquinrios facilmente. O mais grosso, altamente viscoso, resiste ao movimento e parece mais um xarope do que um lquido puro, mas armazena mais energia em um espao menor. A utilidade de uma amostra de petrleo depende muito da sua viscosidade, e a engenharia de petrleo trata principalmente da separao de leos de acordo com as classes de viscosidade e da refinao de produtos para uso em produtos comerciais. leos de motor e gasolina so normalmente derivados de petrleo menos viscoso, enquanto diesel e material de pavimentao como asfalto so derivados de fontes mais viscosas.b. Produtos de limpezaPara a indstria de produtos de limpeza, a viscosidade est relacionada a trs coisas, comercialidade, e aplicao e frmula estrutural.Comercialidade: usualmente as pessoas relacionam um produto de viscosidade elevada como um produto concentrado, logo melhor.Aplicao: dependendo da situao de aplicao, um produto precisa apresentar viscosidade elevada para que ele adira a superfcie, por exemplo um gel para higienizao do vaso sanitrio.Frmula estrutural: Dependendo do produto, necessrio que ele tenha uma boa viscosidade para que ele mantenha algumas propriedades especficas.c. Indstria AlimentciaNa indstria alimentcia, a viscosidade esta ligada a textura dos alimentos, mais uma questo de comercio, marketing do que uma questo de utilizao.d. Indstria AutomotivaNa indstria automotiva, podemos dizer que a viscosidade est presente nos lubrificantes para motores, que garantem o perfeito funcionamento do conjunto mecnico, evitando atritos, ou resfriando o sistema.O aspecto mais importante para um leo automotivo a viscosidade, por isso a importncia de se seguir fielmente as especificaes de lubrificantes determinadas pelo fabricante, pois ele faz todos os clculos necessrios para a escolha do leo de determinada viscosidade.

10. A importncia da Viscosidade nos LubrificantesA viscosidade tem um grande grau de importncia nos lubrificantes. Os leos automotivos trabalham em alta temperatura, inicialmente os leos eram mono-viscosos, o que implicava na funcionalidade, j que ao aquec-los eles perdiam muito as suas caractersticas iniciais, diminuindo a durabilidade das partes mecnicas.Hoje com o avano na tecnologia, foram criados os leos multi-viscosos, que so leos que no perdem tanto as suas propriedades ao ponto de aquecimento, garantindo uma melhor funcionalidade do conjunto mecnico durante todo o processo.Para se determinar um bom leo lubrificante devemos considerar algumas condies de aplicao.a. Condies de Aplicao: Velocidade; quanto maior for a rotao do motor e consequentemente das peas mveis, menor deve ser a viscosidade, para facilitar o movimento e vice-versa. Presso; quanto maior for a carga no motor, maior deve ser a viscosidade, para poder suport-la, e assim evitar o rompimento da pelcula protetora formada por leo nas peas em movimento. Temperatura; a medida que a temperatura do leo aumenta, ele se torna mais fino. Com a diminuio da temperatura, o leo se torna mais grosso (mais viscoso). Para se ter uma lubrificao ideal e evitar o rompimento da pelcula protetora nas peas, necessrio ter um leo adequadamente viscoso em altas temperaturas, e menos viscoso em baixas de operao. Os lubrificantes multiviscosos tm essa propriedade, ajustando-se temperatura de funcionamento do motor. Folgas; menores folgas entre os conjuntos mveis exigem um leo de menor viscosidade. Por isto os motores mais antigos tendem a usar leos de maior viscosidade para preencher melhor estes espaos. . Acabamento; est muito ligado ao processo de fabricao das peas, fundio, usinagem e tratamento superficial ao material. As peas com melhor acabamento exigem leos com menor viscosidade.O estudo da viscosidade adequada a cada tipo de motor deve ser feito por tcnicos especializados, j que certas situaes solicitam leos de alta e baixa viscosidade ao mesmo tempo, que o caso da lubrificao de motores de combusto interna. O ndice de viscosidade representa o comportamento da viscosidade do leo ao variar a sua temperatura. Quanto mais alto o ndice, mais estvel sua viscosidade com a variao da temperatura, exemplo 15W-60. b. O que significa a classificao SAE nos leos lubrificantes automotivos? SAE- Sociedade Americana dos Engenheiros Automotivos, classifica os produtos pela viscosidade, classifica os leos de motor de acordo com seu comportamento sob diferentes temperaturas: mono-viscosos e multi-viscosos. c. O que significa a classificao API nos lubrificantes? API- Instituto Americano do Petrleo especifica o grau de desempenho, classifica os leos de acordo com sua capacidade de proteger contra desgaste e formao de borra em condies mais ou menos severas de uso. d. E a classificao ACEA, o que significa? ACEA- Associao dos Construtores Europeus de Automveis criadas pelas montadoras europias, dividida em 3 categorias, acea-a, acea-b e acea-e.

11. Referncias:1. BENNET, C. O., MYERS, J. E. Fenmenos de Transporte, Quantidade de Calor e Massa, McGraw-Hill do Brasil LTDA, 1978.2. Shaw, D. S.; Introduo qumica dos colides e de superfcies. Traduo: Juergen Heinrich Maar. Edgard Blucher, Editora da Universidade de So Paulo, 1975. Captulo 9.3. Rodrigez, F.; Principlesofpolymer systems; McGraw-Hill; segunda edio. Captulo 7.4. Fazenda, J. M.; Tintas e vernizes: cincia e tecnologia. Editado pela ABRAFAT (Associao Brasileira dos Fabricantes de Tintas). So Paulo. 1993. Volume 2.5. Vieira, R. C. C.; Atlas de mecnica dos fluidos e fluidodinmica. EditoraEdgard Blucher. 1971.6. Kirk-Otmer; Encyclopedia of chemical technology. John Wiley & Sons. Volume 20; p.259.7. Van Holde, K. E.; Bioqumica Fsica; Traduo de Juergen Heinrich Maar. Edgard Blucher. 1975.8. NUSSENZVEIG, H. M. Curso de fsica bsica. So Paulo: Edgard Blcher, 1997. Vol. I.9. TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Fsica. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. Vol. I.10. LIDE, D. R. Handbook of Chemistry and Physics. National Institute of Standards and Technology: CRC Press, 2005.11. ATKINS, P. W., PAULA, J., Fsico-Qumica. Rio de Janeiro. Vol. I: LTC, 2004. CASTELLAN, G., Fundamentos de Fsico-Qumica. Rio de Janeiro: LTC. 1986.12. http://www.quimica.ufpr.br/tonegutti/CQ170/Aula_Reologia.pdf13. http://www.astaquimica.com.br/pigmentocor/?tag=inverso-da-fluidez14. http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/viscosidade.php15. http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/AULA4_Lei_de_newton.htm16. http://www.mtbrandao.com/editorial/arquivo/viscosidade-tipos-de-medidores-de-viscosidade/17. http://adm.online.unip.br/img_ead_dp/32131.PDF18. http://www.infomotor.com.br/site/2009/03/667/19. http://www.ehow.com.br/tipos-viscosidade-utilizados-engenharia-petroleo-info_272251/20. http://www2.ufersa.edu.br/portal/view/uploads/setores/111/arquivos/CAP_1_DEFINICOES.pdf21. http://www.gradadm.ifsc.usp.br/dados/20111/FCM0410-1/viscosidade_graduacao.pdf22. http://www.mtbrandao.com/editorial/arquivo/viscosidade-tipos-de-medidores-de-viscosidade/

AnexosCatlogos de Medidores

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