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A viscosidade e a sua medição

Profa. Débora Gonçalves

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•Reologia

Termo - 1920

- escoamento (fluxo) e deformações decorrentes.

- mudanças na forma e escoamento de materiais fluidos.

•Viscosidade

resposta do fluido ao atrito viscoso de suas camadas

internas que impõem resistência ao escoamento.

Fluidos e sólidos

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Callister, 5ª. ed. p. 80.

Tensão e deformação

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Fluidos e sólidos

Tensão (stress) ( – deformação (strain) idealidade):

- Lei de Hooke, sólidos elásticos.

x (viscoelásticos)

- Lei de Newton, fluidos viscosos.

G

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Fluidos viscosos e sólidos elásticos

Sólidos: DEFORMAÇÃO

(elástica – volta à situação inicial sem força externa).

Elasticidade – conservação de energia.

Módulo de Young

Atrito interno –movimentos lentos, resultantes de tensões internas.

Fluidos: VELOCIDADE DE DEFORMAÇÃO.

Pode escoar continuamente sob força externa aplicada.

Viscosidade – contribuição dissipativa.

Prop. mecânicas sólidos

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a) Duro e quebradiço; b) Duro e resistente;c) Elástico; Análised) Macio e fraco;e) Macio e resistente

AB

C D

Escoamento laminar

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velocidade inicial de escoamento, v0.

= F/A ângulo de cisalhamento, = x/y

deslocamentos das camadas do fluido - variação transversal da velocidade - perfil de velocidade.

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Lei de Newton para escoamento viscoso.

dy

dv

A

F x

Escoamento viscoso

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Escoamento viscoso Regime de escoamento, laminar ou turbulento.

gradiante de pressão, dP.

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Laminar •trajetórias bem definidas. •lâminas ou camadas.•papel da viscosidade - vence tendência à turbulência.

•dutos de pequeno diâmetro.•baixa velocidade de fluxo.•alta viscosidade do fluido.

Turbulento •trajetórias irregulares.•movimentos aleatórios. •transferência de quantidade de movimento entre regiões da massa líquida.

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TIPOS DE FLUIDOS

viscosos - flui (óleo lubrificante) e

viscoelásticos - textura sólida predomina

(gelatina):

- propriedades viscosas (líquidos) e elásticas

(sólidos)

- relação entre elas, a dada T., depende da

força aplicada e do tempo da deformação.

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Fluidos viscoelásticos –piche;

efeito de recolhimento elástico.

Número de Deborah, De. De = /t

tempo de relaxação característico do material/tempo de fluxo (velocidade

de deformação)

De >> sólido De << líquido

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TIPOS DE FLUIDOS

Newtonianos

- única viscosidade a dada T., independente da

tensão de cisalhamento.

- constante com veloc. de cisalhamento e

independe do tempo.

Não-Newtonianos

- varia com veloc. de cisalhamento de

diversas maneiras e depende ou não do

tempo.

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Soluções poliméricas, sangue, suspensões, emulsões, etc.

Independentes do tempo:

reo-fluidificantes (pseudoplásticos)

reo-espessantes (dilatantes)

plásticos (Birgham e Casson).

Dependentes do tempo:

tixotrópicos (fluidificantes)

reopéticos (espessantes) - viscosidade absoluta decresce ou

aumenta com o tempo, respectivamente.

Fluidos não-Newtonianos

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Diminui atrito interno.

+ raro

Casson

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Exemplos - cotidiano

Tintas - alta viscosidade – paredes texturizadas;

aplicação usual - baixa viscosidade.

Solventes - baixa viscosidade –

resinas - alta viscosidade - diferenças tamanhos de

cadeias polimerizadas.

Indústrias: matérias-primas e produtos:

desenvolvimento de produto, qualidade, textura,

controle sobre qualidade e vida útil de produto na

prateleira.

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Alimentos

Leite fresco: emulsão de gordura em água -fluido Newtoniano. Viscosidade depende processamento industrial - diminui - leites integral x desnatado - diferenças quantidades de proteínas e lipídeos.

Omega 3: ácidos graxos poliinsaturados – peixes - adicionados ao leite e alimentos - ingrediente funcional. Diminui viscosidade do sangue e agregação de plaquetas.

Margarina/maionese: fluidos não-Newtonianos pseudoplásticos e tixotrópicos - alta consistência - rico conteúdo em óleos - viscosidade diminui com o aumento da força aplicada - leva ao alinhamento das moléculas e diminuição atrito viscoso. Ausência de força externa – faca -viscosidade volta ao valor original. Mel e leite condensado - mesma natureza tixotrópica - presença de proteínas.

Catchup: fluido plástico Bingham - escoamento rápido se superada tensão inicial de escoamento - quando se força a saída do catchup de frasco.

Chocolate: fluido pseudoplástico - escoamento complexo - comportamento reológico variável: aplicação de tensão de deformação inicial se comporta como plástico de Bingham, com o passar do tempo continua a apresentar comportamento de fluido não-Newtoniano - perde classificação de plástico.

Natas, claras de ovos batidas, manteiga batida, musses e gelatina em água fria: fluidos viscoelásticos.

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Lubrificantes

Dispersões poliméricas, sistemas multifásicos, materiais com tecidos estruturais e semi-sólidos - pastas e géis - viscoelásticos - comportamento híbrido elástico e viscoso.

Óleo lubrificante em peças mecânicas - necessidade de reduzir atrito entre partes móveis.

Como um filme - deve suportar peso de peças móveis - após expulsão excesso de óleo para laterais - distância suficiente entre partes - característica de suportar peso das partes deve-se à pressão interna no fluido - depende da viscosidade e densidade do fluido e da velocidade das partes móveis.

Viscosidade depende da temperatura - peças mecânicas lubrificadas e aquecidas movem-se facilmente - menor viscosidade do lubrificante.

Dependência viscosidade de lubrificantes e temperatura - reduzida com uso de aditivos.

Testes de ponto de mínima fluidez - indicam menores valores de temperatura nos quais ainda ocorre escoamento dos lubrificantes - experimentos possibilitam classificação dos óleos - grau inverno ou verão.

Graxas - lubrificantes pastosos (emulsões de óleos e espessantes) -necessidade de tensão inicial de escoamento - diante de baixas tensões de cisalhamento se portam como sólidos e não escoam - se assemelham aos lubrificantes sob altos valores de tensão.

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Fluidos ClassificaçãoÁgua Newtoniano

Amido de milho em água Dilatante

Argila, lama Dilatante

Catchup Plástico

Chocolate Pseudoplástico

Clara de ovo batida Viscoelástico

Dispersão de polímeros Viscoelástico

Géis, gelatina Viscoelástico

Leite Newtoniano

Maionese Pseudoplástico/tixotrópico

Manteiga batida, nata, musse Viscoelástico

Margarina Pseudoplástico/tixotrópico

Mel, leite condensado Tixotrópico

Mercúrio Newtoniano

Óleo lubrificante Newtoniano

Papel Pseudoplástico

Pasta de dentes Viscoelástico

Sangue Newtoniano

Tinta à base d’água Pseudoplástico

Tinta à base de solventes Newtoniano

Tinta a óleo Tixotropia

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Tipos de viscosímetros

Capilares

Rotacionais

Queda de esfera

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Viscosímetro capilarPartes: reservatório (bulbo);

capilar de dimensões conhecidas (forma de U);

receptor (bulbo).

dispositivo para controle e medida da pressão;

dispositivo para determinação da velocidade do fluxo.

Medida: tempo para escoar certo volume de fluido sob ação da

gravidade.

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Viscosímetro capilar

L

PR

t

VQV

8

4r = .t/ o.to

0

0 )(1

t

ttrsp

r = / o

r = t/t0

Viscosímetro de queda de esfera (Hoppler)

t)( 12

2 e 1, as densidades da esfera e do fluido