DETERMINAÇÃO DA VISCOSIDADE DE FLUIDOS NEWTONIANOS

PRÁTICA 1: DETERMINAÇÃO DA VISCOSIDADE DE FLUIDOS NEWTONIANOS

Raíssa Romualdo Silva, Sarah Gabrielle dos Santos

Resumo: O presente relatório refere-se à determinação da viscosidade de um fluido newtoniano utilizando dois viscosímetros distintos e com os valores obtidos determinou-se as constantes μ0 e E da Equação de Arrhenius. Os resultados obtidos nos dois viscosímetros apresentaram uma discrepância considerável, mas serviram como base para aplicação dos conceitos vistos em aula.

1. Introdução

A definição de fluido que conhecemos, como a de uma substância que escoa, não é conceitualmente suficiente para a engenharia. Nesse caso, uma definição mais pertinente seria de uma substância que, aplicada uma tensão de cisalhamento (tangencial), se deforma continuamente. Essa tensão é a razão entre a força aplicada necessária para esse movimento e a unidade de área (FOX, 2018).

Nos estudos dos fluidos, um conceito importante é o de viscosidade. Os sólidos, a partir de uma tensão mínima, podem se deformar, caracterizando-os como plásticos, o equivalente para os fluidos seria a viscosidade que é uma grandeza associada às propriedades dinâmicas dos fluidos, ou seja, seria a resistência que o fluido oferece à aplicação de uma força tangencial (FOX, 2018).

Para a medição da viscosidade dos fluidos, são utilizados aparelhos como os viscosímetros, que calculam a viscosidade a uma determinada temperatura. Nesse experimento foram utilizados os Viscosímetros de esfera e o Viscosímetro Capilar (Ostwald). Para líquidos viscosos, com o aumento da temperatura, a viscosidade diminui, e essa tendência é devido às forças de coesão entre as moléculas do líquido. O aumento da temperatura leva a um aumento da energia cinética média entre as moléculas, que diminui as forças intermoleculares, diminuindo assim a viscosidade.

1. Objetivos

A prática realizada tem como objetivo determinar as constantes μ0 e E da Equação de Arrhenius para um dado líquido por meio de valores de viscosidade, calculados em diferentes temperaturas por meio de dois métodos distintos.  Para isso, foram utilizados um viscosímetro de esfera e um viscosímetro capilar (Ostwald).

1. Metodologia

Para determinar as constantes μ0 e E da equação de Arrhenius (Equação 1), é necessário obter dados que relacionam a dependência da viscosidade do fluido utilizado na prática com a temperatura. Para isso, utilizou-se um viscosímetro de esfera e um viscosímetro capilar.

[pic 1]	(1)

Onde:

μ = viscosidade do fluido a temperatura T;

μ0 = viscosidade do fluido para T tendendo ao infinito;

E = energia de ativação de fluxo;

R = 8,314 J/mol.K (constante universal dos gases).

3.1 Viscosímetro de Esfera

O viscosímetro de esfera é constituído por um tubo de vidro preenchido pelo fluido do qual queremos determinar a viscosidade. Esse tubo fica em uma posição vertical ou inclinada e em seu interior deixa-se cair uma esfera, sob a força da gravidade. Então, mede-se o tempo que a esfera leva para percorrer uma distância definida no aparelho. A viscosidade do fluido se relaciona com o tempo de escoamento da esfera, por meio da seguinte equação:

[pic 2]	(2)

Onde:

μ = coeficiente de viscosidade do fluido;

k = 0,00122 cm2/s2  (constante do equipamento utilizado na prática);

ρsol = 8,116 g/cm3 (densidade da esfera);

ρfluid = densidade do fluido.

t = tempo de escoamento da esfera.

Visando a diminuição de erros experimentais, a prática foi realizada em triplicata para cada temperatura e utilizou-se o tempo médio na Equação 2. A temperatura do fluido foi variada em intervalos de aproximadamente 4 ou 5ºC de 11,1ºC a 44,6ºC.

A densidade do fluido para cada temperatura foi determinada por meio da seguinte equação:

[pic 3]	(3)

Onde:

ρ0 = densidade do fluido em uma temperatura de referência T0;

β = 0,00065 K-1 (coeficiente de expansão térmica).

 Para determinar a densidade em uma temperatura de referência, no caso da prática a temperatura ambiente, utilizou-se um picnômetro de volume conhecido que foi preenchido pelo fluido e pesado. Conhecendo a massa (mfluid) e o volume de fluido (Vfluid), determinou-se ρ0 por meio da seguinte equação:

[pic 4]	(4)

Dessa forma, por meio do viscosímetro de esfera e das equações listadas, é possível obter a viscosidade do fluido para diferentes temperaturas.

3.2 Viscosímetro Capilar (Ostwald)

O princípio de funcionamento do Viscosímetro Capilar (Ostwald) é baseado no tempo que o líquido leva para fluir em um tubo capilar sob a influência da gravidade em uma dada temperatura, que é ajustada. Para isso existem duas marcações abaixo de dois reservatórios, que são parâmetros de onde será iniciado e parado o cronômetro.

O primeiro passo adotado para esse dispositivo foi regular a temperatura desejada para o início do experimento. Depois foi acoplado um pipetador no capilar para diminuir a pressão dentro dele e fazer a coluna de líquido subir até o primeiro reservatório (acima da primeira marcação para iniciar o cronômetro). Então esperamos até a coluna atingir a primeira marcação e acionamos o cronômetro. Com o menisco do fluido chegando à última marcação, paramos o cronômetro e coletamos o tempo levado por ele para escoar através dessa altura.