Reologia. Viscosidade de líquidos

REOLOGIA

VISCOSIDADE DE LÍQUIDOS

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 m, 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).

Figura 1. Modelo do fluxo laminar em um líquido. (a) viscosímetro hipotético de paredes paralelas; (b) viscosímetro capilar; (c) viscosímetro de cilindros concêntricos; viscosímetro de cone-placa.

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 um sistema coloidal. Serão feitas medidas de viscosidade em função da tensão de cisalhamento em uma suspensão de maisena em água. Será utilizado um viscosímetro de Stormer (figura 2) com dois cilindros concêntricos, sendo o externo fixo e o interno giratório.

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”.

Matematicamente, a viscosidade () 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, ) versus o gradiente de velocidade dv/dx (taxa de cisalhamento, ) entre os planos, isto é,  =  , onde

taxa de cisalhamento

tensão de cisalhamento

viscosidade ou coeficiente de viscosidade

Alguns livros apresentam o gráfico da taxa de cisalhamento em função da tensão de cisalhamento. Neste caso, a derivada d/d corresponde ao coeficiente de fluidez, =1/.

A unidade SI de viscosidade é

(pascal segundo)

A antiga unidade de viscosidade no sistema cgs é denominada “poise” (símbolo: P) e corresponde à seguinte relação : dina s/cm2. 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, =/.

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 d/d, 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 d/d, no caso de sistemas não-newtonianos, é a viscosidade aparente, 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 3.

FLUXO NÃO NEWTONIANO

Os sistemas não-newtonianos apresentam dois tipos de fenômenos que os distinguem de sistemas newtonianos: fenômenos independentes do tempo e fenômenos dependentes do tempo.

1. Fenômenos de estado estacionário (independentes do tempo)

Três classes de líquidos apresentam este comportamento e são denominados pseudoplásticos, plásticos e dilatantes.

1.a Diminuição da viscosidade aparente com o aumento da tensão de cisalhamento.

Os líquidos que apresentam este comportamento são denominados pseudoplásticos. As causas mais comuns desse comportamento em suspensões coloidais são o fracionamento de agregados de partículas e a orientação de partículas assimétricas provocadas pelo aumento da taxa de cisalhamento. Muitas tintas apresentam pseudoplasticidade.