Efeito Da Temperatura Na Viscosidade

___________________________________________________________________

Efeito da temperatura na viscosidade

_________________________________________________________________________________

Resumo

O experimento em questão teve como objetivo determinar a variação do coeficiente de viscosidade da solução de etanol com água em função da temperatura.

Introdução

A viscosidade é o atrito interno em um fluido. As forças viscosas se opõem ao movimento de uma do fluido em relação à outra. Os efeitos da viscosidade são importantes para o escoamento através de tubos, para o escoamento do sangue, para a lubrificação de diversas partes das máquinas e para muitas outras situações.

Pode-se relacionar a viscosidade com a fluidez, velocidade de deslizamento e tixotropismo das amostras analisadas. Os materiais são divididos em duas categorias gerais, dependendo de suas características de fluxo: newtonianos e não newtonianos. O fluxo newtoniano caracteriza-se por viscosidade constante, independente da velocidade de cisalhamento aplicada, enquanto o não newtoniano por uma mudança na viscosidade com o aumento na velocidade de cisalhamento.

Um Fluido viscoso tende a aderir sobre uma superfície sólida em contato com ele. Existe uma camada fina chamada de camada limite do fluido nas proximidades da superfície, ao logo da qual o fluido esta praticamente em repouso em relação a superfície sólida. È por esta razão que as partículas de poeira podem aderir sobre as lâminas de um ventilador, mesmo quando esse gira rapidamente, e por isso também não podemos eliminar toda sujeira do carro simplesmente jogando a água de uma mangueira sobre ele.

Uma porção do fluido que possui a forma abcd em um dado instante possuirá a forma abc`d` em outro instante e vai se tornando cada vez mais distorcida ‘a medida que o movimento continua. Ou seja, o Fluido sofre uma contínua deformação de cisalhamento. Para manter este movimento é necessário aplicar uma força constante f aplicada da direita para a esquerda sobre a placa superior e uma força de módulo igual aplicada da direita para a esquerda sobre a placa inferior para manter o escoamento estacionário. Sendo A a área de cada placa, a razão F/A é a tensão de cisalhamento exercida sobre o fluido.

Os fluidos que se escoam velozmente, como a água e a gasolina, possuem viscosidades menores do que as viscosidades dos fluidos “pegajosos”, tais como mel e o óleo de motor. Nos líquidos a viscosidade diminui quando aumentamos a temperatura, ou seja, a viscosidade é diretamente proporcional à força de atração entre as moléculas, as quais diminuem quando aumentamos a temperatura e assim líquido se torna menos viscoso. Já nos gases a viscosidade aumenta quando aumentamos a temperatura, ou seja, a viscosidade é diretamente proporcional à energia cinética das moléculas, quando há o aumento de temperatura a energia cinética das moléculas aumenta e assim a viscosidade aumenta.

A redução das variações da viscosidade com a temperatura é um objetivo importante no projeto de óleos para serem usados como lubrificantes de máquinas. A lava é um exemplo de escoamento de um fluido com viscosidade, nessa a viscosidade diminui com o aumento da temperatura: quando mais quente a lava, mais facilmente ela pode se escoar.

A viscosidade de um líquido pode ser medida através de vários métodos: através de viscosímetros, pelo método de múltiplas reflexões, em função da densidade, por ultrassom etc. Porém, o método utilizado neste trabalho é o de determinação do coeficiente de viscosidade em função da variação da temperatura.

O coeficiente de viscosidade de líquidos pode ser determinado por vários métodos experimentais, como pela velocidade de vazão do fluido através de um capilar (o coeficiente de viscosidade é dado pela lei de Poiseuille), ou pela velocidade com que a esfera cai no fluido (neste caso é a lei de Stokes que se aplica), etc. Nesse caso, devido à utilização do viscosímetro de Ostwald o coeficiente será determinado através da equação de Poiseuille:

(01)

Onde P é a pressão hidrostática sobre o líquido, em N.m-2, V é o volume, em m3, do líquido que flui em t segundos através do capilar de raio r e de comprimento L, em metros.

O viscosímetro de Ostwald (Figura 2) permite uma determinação simples do coeficiente de viscosidade a partir de um padrão. Neste caso as medidas de viscosidade são feitas por comparação entre o tempo na vazão de um fluido de viscosidade conhecida, geralmente água, e o de um fluido de viscosidade desconhecida, uma vez que uma medida absoluta do coeficiente de viscosidade é difícil. A partir da equação (01), como os valores de r, g, h, V e l são os mesmos para ambos os líquidos a razão entre os coeficientes de viscosidade do líquido e da água é dado por:

(02)

Onde 1 e 2 são as densidades dos fluidos conhecido e desconhecido, respectivamente, e t1 e t2 são os tempos gastos para que se escoem volumes iguais desses líquidos.

Os tempos foram medidos por um aparelho que foi acoplado ao banho-maria analógico, o qual tinha a temperatura de 20°C e depois 40°C. Com os valores dos tempos de escoamento para essas temperaturas sendo conhecidos, foi possível calcularmos o coeficiente de viscosidade da solução de água (80ml) e etanol (20ml) para 20°C e 40°C.

Materiais

Viscosímetro de Ostwald: consiste num instrumento usado para medição da viscosidade de um fluído.

Pipeta Volumétrica: Usada para medir e transferir volume de líquidos, não podendo ser aquecida, pois possui grande precisão de medida. Mede um único volume, o que caracteriza sua precisão.

Pipetador tipo Pera: Acoplado a uma pipeta ajuda a “puxar” e a “expelir” pequenos volumes de líquidos.

Métodos

Para o carregamento do viscosímetro, introduzir 10 ml do fluido em questão pelo extremo aberto de maior diâmetro, com a ajuda de uma pipeta. Coloque o viscosímetro em um banho termostatizado e espere atingir o equilíbrio térmico. (Bolhas de ar devem ser completamente eliminadas). Anote o tempo gasto para o escoamento, o qual será informado pelo aparelho utilizado no banho termostatizado. Repita o experimento para temperaturas de 20oC e 40oC, tanto para a água, quanto pra a mistura água-etanol. OBS.: O viscosímetro, assim como todo material empregado no manuseio dos fluidos, deve estar completamente limpo e seco.

Resultados e discussões

O procedimento empírico realizado pelo método do viscosímetro de Ostwald buscou a determinação do coeficiente de viscosidade da solução-problema em função da temperatura. Para isso, utilizou-se da equação:

μ_solução/μ_água = (ρ_solução t_solução)/(ρ_água t_água ) (1)

em que μ é o coeficiente de viscosidade,ρ é a massa específica e t o tempo de escoamento.

Para os ensaios realizados a 20°C foram obtidos os seguintes dados.

ρ água (20°C)= 0,9982343 g/cm³

μ água (20°C) = 1,0050 cP

t água (20°C) = 268,63 s

ρ solução (20°C)= 0,9686 g/cm³

t solução (20°C) = 522,70 s

O coeficiente de viscosidade e a densidade da água em tal condição são determinados via tabela. Utilizou-se de um dado conhecido de experimentos anteriores para ρ solução. A partir de (1) , pode-se inferir que o coeficiente de viscosidade a 20°C é igual a 1,8975 cP.

A 40°C foram obtidos os seguintes dados :

ρ água (40°C)= 0,9922 g/cm³

μ água (40°C) = 0,653 cP

t água (40°C) = 175,64 s

ρ solução (40°C)= 0,9652 g/cm³

t solução (40°C) = 287,26 s

Dessa forma, após efetuando-se os cálculos foi obtido μsolução(40°C) = 1,0389 cP. Os ensaios foram realizados em um viscosímetro do tipo 50. Considerando os dados obtidos por outros grupos, para diferentes concentrações de solução e diferentes viscosímetros, obtém-se a tabela 1.

Analisando os dados obtidos é razoável dizer que o coeficiente de viscosidade newtoniano diminui com o aumento da temperatura para misturas de etanol-água. Foi observada essa tendência para todas as concentrações estudadas. Esse fato pode ser relacionado à diminuição da densidade com o aumento da temperatura.

Tabela 1. Dados para o cálculo do coeficiente de viscosidade em função da temperatura

Temperatura Tempo vicosímetro Coeficiente de viscosidade /cP

amostra Vágua Vetanol 20°C 40°C 20°C 40°C Tipo do viscosímetro 20°C 40°C

1 90 10 20,01 39,99 199,82 181,32 75 1,3731 1,2324

2 80 20 20,07 40 522,7 287,26 50 1,8975 1,0389

3 70 30 20,21 40 357,1 186,16 75 1,6635 1,8866

4 50 50 20,17 40 212,95 110,78 100 2,7576 1,3817

5 25 75 20 40 185,13 107,18 100 2,2467 1,2526

6 10 90 20,01 40,01 293,66 186,22 75 1,3187

7 0 100 20,05 39,99 401,75 282,22 50 1,885 0,7655

Baseando-se nessa hipótese, uma explicação plausível é de que, com a diminuição da densidade há uma diminuição na quantidade de moléculas por unidade de volume. Dessa forma, a tensão cisalhante diminui, haja vista a menor quantidade de contribuintes para a mesma.

É notório dizer também, que a mistura etanol-água não se trata de uma mistura ideal, nas condições estudadas, haja vista que para que essa condição seja assumida, é necessário que o coeficiente de viscosidade seja nulo. Para misturas reais como a estudada, aproximações da idealidade são atingidas quando se têm altas temperaturas e/ou baixas pressões. Essa predição ganha força ao passo que μ diminui consideravelmente com uma elevação de 20°C na temperatura. Espera-se, pois que o mesmo tenda a zero para altas temperaturas.

Conclusão

Os estudos empíricos realizados chegaram a resultados tais quais os esperados durante o planejamento experimental. O coeficiente de viscosidade dinâmico diminuiu conforme o aumento da temperatura, para todas as frações molares estudadas da mistura etanol-água. Isso acabou mostrando que a teoria embasada, de que fluidos reais podem ser aproximados de ideais conforme o aumento da temperatura, é válida.

Ficou evidenciado também que se trata de um fluido real, haja vista um coeficiente de viscosidade entre 1 e 2. Logo, o experimento feito cumpriu o esperado.