Estudo Dos Fluidos - Reologia

REOLOGIA: Noções Básicas

Viscosidade: trata-se da propriedade de escoamento de um fluido, isso quer dizer que a viscosidade trata do atrito interno das camadas do fluido que impõe a ele a resistência ao fluxo quando submetido a uma tensão (BRASEQ, 2009). Quanto mais viscosa a massa, mais difícil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade (UFPE, 2009).

Um fluido é uma substância que reflete deformação continuamente quando sujeito à ação de uma força. Os líquidos, gases, sólidos fluidizados são considerados líquidos reais, ou seja, apresentam uma resistência à deformação ou ao escoamento quando submetidos a uma determinada tensão (UFPE, 2009).

Tendo agora essas informações, podemos com propriedade entender o conceito de reologia:

Reologia: é o estudo do comportamento das deformações que um fluido apresenta e do fluxo de matéria submetido a tensões, sob determinadas condições de temperatura ao longo de um intervalo de tempo determinado (UFPE, 2009).

Dependendo desses comportamentos esses fluidos podem ser então classificados como newtonianos ou não-newtonianos. Essas classificação veremos detalhadamente a frente. Antes vamos repassar algumas terminologias importantes para compreensão desse estudo:

Tensão de cisalhamento: ou força de cisalhamento, trata-se de uma quantidade de força que aplicada a uma determinada área de um fluido que pode gerar ou não uma deformação, um fluxo (BRASEQ, 2009).

A tensão de cisalhamento pode ser definida através da seguinte formula:

onde:

Tau: é a tensão de cisalhamento

F: é a força aplicada no fluido

A: área onde foi aplicada a força cisalhante.

Fluxo: quando aplicamos a força de cisalhamento, essa gera uma deformação e à essa deformação denominamos fluxo (BRASEQ, 2009).

Taxa de cisalhamento: é o gradiente da velocidade de cisalhamento por uma distância determinada. Um exemplo para entendermos melhor essa taxa é quando passamos manteiga no pão, você passa a manteiga a uma dada velocidade e a altura da camada de margarina depositada é a distância (BRASEQ, 2009).

Agora sim vamos falar da classificação reológica dos fluidos.

Fluidos Newtonianos: são fluidos ou materiais que independente da força de cisalhamento aplicada e pelo tempo que for aplicada e independente da temperatura em que for aplicada a viscosidade não se altera. Exemplos desses fluidos são a água, solventes, as soluções muito diluídas, óleos minerais e fluidos de silicone (BRASEQ, 2009).

Isso quer dizer que quando efetuamos a equação:

Figura 1: curvas de viscosidade versus gradiente de cisalhamento (a) e tensão de cisalhamento versus gradiente de cisalhamento (b) para fluidos newtonianos, respectivamente.

Fonte: BRASEQ, 2009.

Percebemos através das imagens acima que a medida que imprimimos mais tensão sobre um fluido o gradiente de cisalhamento é proporcional a esse aumento, o que gera uma reta (curva b), como existe essa proporcionalidade temos que a viscosidade não é alterada, ou seja, ela é uma constante como demostrado na curva a.

Fluidos NÃO- Newtonianos: Ao contrário dos fluidos newtonianos, os fluidos não-newtonianos não apresentam uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento, ou seja, os valores da viscosidade mudarão com a variação nos valores da taxa de cisalhamento, então nossa viscosidade deixara de ser constante, ou seja, apresentará valores distintos, formando agora uma curva. Esses valores de viscosidade são considerados como viscosidade aparente, podendo aumentar ou diminuir, de acordo com as características de cada fluido (FERREIRA; et all, 2005).

Os fluidos Não-Newtonianos por sua vez são classificados como Independentes do Tempo, Dependentes do Tempo e Viscoelásticos.

Os primeiros que iremos conhecer são os fluidos INDEPENDENTES DO TEMPO, ou seja, não dependem do tempo que é a plicada a força de cisalhamento.

Esses fluidos Independentes do Tempos são ainda divididos em:

SEM TENSÃO INICIAL (não necessitam de uma tensão de cisalhamento inicial para começarem a escoar):

PSEUDOPLASTICOS: A viscosidade do fluido em questão, diminui a medida que aumentamos a taxa de cisalhamento, ou seja, quando mais força aplicamos ao material, mais frouxo, mais fluxo ele passa a ter (BRASEQ, 2009). Esse tipo de fluido passa a ter as seguintes representações gráficas:

Figura 2: curva (a) representando a diminuição gradativa da viscosidade a medida que o gradiente de cisalhamento é aumentado. A curva (b) representa justamente a formação de uma curva ao invés de uma reta a medida que a tensão de cisalhamento aumenta (aumento subto antes de se estabilizar) versus o gradiente de cisalhamento.

Fonte: BRASEQ, 2009.

DILATANTES: Trata-se exatamente do contrário do que acontece com os pseudoplásticos, ou seja, a viscosidade aumenta com aumento da taxa de cisalhamento (FERREIRA; et all, 2005). Esse tipo de fluido é mais raro que os pseudoplásticos, e como exemplos temos a argila, o amido de milho em água e a lama (BRASEQ, 2009 ). Esse tipo de fluido passa a ter as seguintes representações gráficas:

Figura 3: curva (a) representando o aumento gradativo da viscosidade a medida que o gradiente de cisalhamento é aumentado. A curva (b) representa justamente a formação de uma curva ao invés de uma reta a medida que a tensão de cisalhamento aumenta (gradativamente depois possui uma subida subta) versus o gradiente de cisalhamento. Tentem observar a diferença que existe entre essas curvas e as curvas dos materiais pseudoplásticos.

Fonte: BRASEQ, 2009.

COM TENSÃO INICIAL (necessitam de uma tensão de cisalhamento inicial para começarem a escoar):

PLÁSTICOS: Esses fluidos necessitam de uma tensão finita, conhecida como tensão de escoamento ou "yield stress", para que ocorra movimento das partículas (FERREIRA; et all, 2005).

Esse tipo de fluido passa a tem a sua representações gráficas de forma que no início da aplicação da tensão de cisalhamento, não há aumento do gradiente de cisalhamento, ou seja, é zero, até que derrepende há um ligeiro aumento em forma de curva, que logo se transforma em uma reta, como nos líquidos newtonianos. Ou seja, começa no zero, comporta-se por pouco tempo como dilatante e rapidamente tem característica de newtoniano. Isso significa que logo que se consegue desses fluidos uma mudança em sua viscosidade, temos que essa depois de pouco tempo não varia mais, independente de quanta força de cisalhamento você passe a aplicar sobre o fluido. Quando eles apresentam essa característica são chamados PLASTICOS BINGHAM.

Os fluidos DEPENDENTES DO TEMPO, são como o próprio nome diz, dependentes do tempo, para que haja mudança na viscosidade de acordo com um gradiente de cisalhamento constante (BRASEQ, 2009).

Esses são classificados em:

TIXOTRÓPICOS: Trata-se dos fluidos que tem sua viscosidade diminuída com o tempo de aplicação da tensão de cisalhamento, voltando a ficar mais viscosos a medida que a tensão de cisalhamento cessa. Exemplos desses fluidos são: as suspensões concentradas, emulsões, soluções protéicas, petróleo cru, tintas, ketchup (UFPE, 2009).

REOPÉTICOS: São o inverso dos tixotrópicos, ou seja, a viscosidade destes fluidos aumenta com o tempo de aplicação da tensão, retornando à viscosidade inicial quando esta força cessa. Exemplo: argila bentonita (UFPE, 2009).

Figura 4: Demostração gráfica dos fluidos não newtonianos dependentes do tempo. Podemos ver o aumento da deformação a medida que a tensão de cisalhamento aumenta e a medida e podemos ver que quando essa tensão diminui a deformação também diminui, voltando então o fluido a sua viscosidade inicial (reopético). O contrário ocorre com as outras duas curvas que representam o fluido tixotrópico.

Fonte: UFPE, 2009.

E por fim temos os fluidos VISCOELÁSTICOS. Esses fluidos possuem características de líquidos viscosos com propriedades elásticas (Modelo de Maxwell) e de sólidos com propriedades viscosas (Modelo de Kelvin-Voigt), ou seja, possuem propriedades elásticas e viscosas acopladas. Estas substâncias quando submetidas à tensão de cisalhamento sofrem uma deformação e quando esta cessa, ocorre uma certa recuperação da deformação sofrida, ou seja, apresentam um comportamento elástico (UFPE, 2009).

Ex.: massas de farinha de trigo, gelatinas, queijos, líquidos poliméricos, glicerina, plasma, biopolímeros, ácido hialurônico, saliva, goma xantana (UFPE, 2009).

Como resumo, temos então que a reologia é classificada como:

Figura 5: Classificação reológica dos fluidos

Fonte: UFPE, 2009.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BRASEQ. Brasileira de Equipamentos Ltda. Viscosidade e Reologia: Noções básicas. Disponível em: . Acesso em: 22 de outubro de 2009.

FERREIRA, Eliomar Evaristo; BRANDAO, Paulo Roberto Gomes; KLEIN, Bernhard and PERES, Antônio Eduardo Clark. Reologia de suspensões minerais: uma revisão. Rem: Rev. Esc. Minas [online]. 2005, vol.58, n.1, pp. 83-87.

UTFPR. Imagem Reologia. Disponível em: . Acesso em: 24 de outubro de 2009.

UFPE. Mecânica de Flúidos: Reologia. Disponível em: . Acesso em 22 de outubro de 2009