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Viscosidade

  1. 1. URI - Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – Campus Santo Ângelo Departamento de Ciências exatas e da terra CURSO DE QUÍMICA INDUSTRIAL FÍSICO QUÍMICA III Acadêmica: Ariane Lara Professora: JULIANE FRONCHETI DE MOURA Santo Ângelo, 25 de Abril de 2013.
  2. 2. INTRODUÇÃO A viscosidade é um termo comumente conhecido que descreve as propriedades de escoamento de um fluido, ou seja, o atrito das camadas internas dentro do fluido que impõe resistência a fluir. Reologia é o estudo do escoamento e deformação da matéria, ou seja, a reologia é o estudo do comportamento de fluidez. Os componentes dos fluidos podem apresentar diferentes formas geométricas, características diversas de ligação, tamanhos variados, que lhe conferem comportamentos distintos. Então devido a sua composição alguns produtos possuem uma única viscosidade a uma dada temperatura independente a força de cisalhamento e são denominados de fluidos newtonianos, enquanto a maioria dos fluidos apresenta comportamento reológico mais complexo e a determinação da viscosidade não é um tópico simples. A Reologia é a parte da físico-química 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). 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. 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). Numa fase de investigação e desenvolvimento de formulações, as medições reológicas são usadas para caracterizar a facilidade com que o material pode ser despejado de um frasco, ser apertado num tubo ou outro recipiente deformável, manter a forma do produto num frasco, ou, após a extrusão, esfregar o produto sobre a pele ou bombear o produto do equipamento onde se procedeu a mistura ou enchimento.(LACHMAN, et. Al.2001). Então devido a sua composição alguns produtos possuem uma única viscosidade a uma dada temperatura independente da força de cisalhamento e são denominados de fluidos Newtonianos, enquanto a maioria dos fluidos apresenta comportamento reológico mais complexo e a determinação da viscosidade não é uma tarefa fácil. Outros produtos ainda apresentam um comportamento reológico bastante variado, dependentes do tempo e da viscoelasticidade. ( ANSEL, et. al.2000). A reologia é muito importante para: • Determinar a funcionalidade de ingredientes no desenvolvimento de produtos;
  3. 3. • Controle de qualidade do produto final ou intermediário; • Determinação da vida de prateleira de um produto; • Avaliação da textura para correlação com dados sensoriais; • Cálculo de engenharia de processos englobando uma grande quantidade de equipamentos como agitadores, extrusoras, bombas e trocadores de calor. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando sujeito à ação de uma força. Os fluidos reais (líquidos, gases, sólidos fluidizados) apresentam uma resistência à deformação ou ao escoamento quando submetidos a uma determinada tensão. Para os gases, a viscosidade está relacionada com a transferência de impulso devido à agitação molecular. Já a viscosidade dos líquidos relaciona-se mais com as forças de coesão entre as moléculas. Quanto a deformação os fluidos podem ser classificados como: 1. Reversíveis ou elásticos : são sistemas que não escoam; sua deformação é reversível e o sistema obedece à lei de hooke. 2. Irreversível ou viscoso : são sistemas que escoam; sua deformação é irreversível e o sistema obedece a lei de Newton, de viscosidade constante. Também podem ser classificados quanto a relação entre taxa de deformação e a tensão de cisalhamento: 1. Fluidos newtonianos : sua viscosidade é constante, seguem a lei de Newton. Esta classe abrangetodos os gases e líquidos não poliméricos e homogêneos. (ex.: água, leite, soluções de sacarose, óleos vegetais). 2. Fluidos não-newtonianos : a relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento não é constante. A Lei de Newton da Viscosidade diz que a relação entre a tensão de cisalhamento (força de cisalhamento x área) e o gradiente local de velocidade é definida através de uma relação linear, sendo a constante de proporcionalidade, a viscosidade do fluido. Assim, todos os fluidos que seguem este comportamento são denominados fluidos newtonianos. τxy é a tensão de cisalhamento na direção x, g/cm.s2;
  4. 4. dvx/dyé o gradiente de velocidade ou taxa de cisalhamento, s-1; μ é a viscosidade, cP = 10-2g/cm.s = 0,001kg/m.s = 10-3 N.s Os fluidos não newtonianos não obedecem esta relação de proporcionalidade. Seu comportamento reológico em estado estacionário, pode ser representado pela forma geral : A Figura a seguir mostra o comportamento reológico do fluido newtoniano e do fluido não newtoniano independente do tempo e em seguida é dada uma breve descrição sobre cada um deles. Comportamento de escoamento: Newtoniano: O fluido newtoniano, ou um material classificado como newtoniano, é aquele cuja viscosidade é igual, independente da taxa de cisalhamento na qual é medido, numa dada temperatura. Ao medir a viscosidade de um material em diferentes velocidades num viscosímetro rotacional, ou sobre várias condições de pressão num viscosímetro capilar e as viscosidades resultantes forem equivalentes, então o material newtoniano, sobre as condições de cisalhamento em que foi medido. Muitos fluidos são newtonianos, como a água, solvente, soluções muito diluídas, óleos minerais e fluidos de silicone.
  5. 5. Não Newtoniano: As matérias não-Newtonianos podem ser classificados em dois subgrupos: Não-Newtoniano-independente de tempo Não-Newtoniano-dependente de tempo FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS INDEPENDENTES DO TEMPO São aqueles cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. São ainda divididos em: A) Sem tensão inicial – são aqueles que não necessitam de uma tensão de cisalhamento inicial para começarem a escoar. Compreendem a maior parte dos fluidos não newtonianos. Dentro desta classe destacam-se: Pseudoplásticos São substâncias que, em repouso, apresentam suas moléculas em um estado desordenado, e quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada. E quanto maior esta força, maior será a ordenação e, conseqüentemente, menor será a viscosidade aparente. Este fluido pode ser descrito pelo Modelo de Ostwald-de-Waele ou Modelo Power Law (1923, 1925), representado pela Equação: K é o índice de consistência do fluido, n é a inclinação da curva, neste caso, menor que 1. (A inclinação da curva só atinge o valor da unidade para taxas de deformação muito baixas ou muito altas, e o fluido se torna mais newtoniano). Ex.: polpa de frutas, caldos de fermentação, melaço de cana. Dilatantes São substâncias que apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de cisalhamento. No caso de suspensões, à medida que se aumenta a tensão de cisalhamento, o líquido intersticial que lubrifica a fricção entre as partículas é incapaz de preencher os espaços devido a um aumento de volume que frequentemente acompanha o fenômeno. Ocorre, então, o contato direto entre as partículas sólidas e, consequentemente, um aumento da viscosidade aparente. Também podem ser representados pelo Modelo de Orswado-de-Waele ou Modelo Power Law. No entanto, para este caso, n é maior que a unidade. Exemplos: suspensões de amido, soluções de farinha de milho e açúcar, silicato de potássio e areia.
  6. 6. B) Com tensão inicial – são os que necessitam de uma tensão de cisalhamentos inicial para começarem a escoar. Dentre os fluidos desta classe se encontram: Plásticos de Bingham Este tipo de fluido apresenta uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, a partir do momento em que se atinge uma tensão de cisalhamento inicial. Este comportamento é descrito pela equação: τ0 é a tensão de cisalhamento inicial, μ0 é uma constante análoga à viscosidade de fluidos newtonianos. O sinal positivo de τ0 é utilizado quando τyx é positivo ou negativo, caso contrário. Ex.: fluidos de perfuração de poços de petróleo, algumas suspensões de sólidos granulares.  Herschel-Bulkley Também chamado de Bingham generalizado. Este tipo de fluido também necessita de uma tensão inicial para começar a escoar. Entretanto, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação não é linear. Esta relação depende do expoente adimensional n, característico para cada fluido. Existe ainda o Modelo de Casson, comumente utilizado para descrever o estado estacionário de substâncias como sangue, iogurte, purê de tomate, etc. Este modelo é descrito pela Equação: FLUIDOS NÃO NEWTONIANOS DEPENDENTES DO TEMPO
  7. 7. Os fluidos que possuem este tipo de comportamento apresentam propriedades que variam, além da tensão de cisalhamento, com o tempo de aplicação desta tensão, para uma velociade de cisalhamento constante. A) Tixotrópicos Esta classe de fluidos tem sua viscosidade diminuída com o tempo de aplicação da tensão de cisalhamento, voltando a ficar mais viscosos com quando esta cessa. Ex.: suspensões concentradas, emulsões, soluções protéicas, petróleo cru, tintas, ketchup. B) Reopéticos Já este tipo de fluido apresenta um comportamento inverso ao dos tixotrópicos. Desta forma, a viscosidade destes fluidos aumenta com o tempo de aplicação da tensão, retornando à viscosidade inicial quando esta força cessa. Ex.: argila bentonita. Visco elástico São fluidos que 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 (comportamento elástico). Um modelo que descreve este tipo de comportamento é o Modelo de Maxwell (1957):
  8. 8. Na qual: t0= Gμ é um tempo característico do fluido em estudo, G é o módulo de rigidez cisalhante do fluido. G é uma medida da resistência do material contra a distorção cisalhante e seu valor é igual à inclinação da curva da tensão de cisalhamento vs. a taxa de deformação na região elástica e é dado em N/m2 ou lbf/in2. Ex.: massas de farinha de trigo, gelatinas, queijos, líquidos poliméricos, glicerina, plasma, biopolímeros, ácido hialurônico, saliva, goma xantana. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
  9. 9. 1. BENNET, C. O., MYERS, J. E. Fenômenos de Transporte, Quantidade de Calor e Massa, McGraw-Hill do Brasil LTDA, 1978. 2. http://www.t hermoevolution.com.br 3. ANSEL, Howard C.et. al. Formas Farmacêuticas e Sistemas de Liberação de Fármacos. 69ª edição.editora Premier. São Paulo 2000. 548p. 4. LACHMAN, Leon et. Al. Teoria e Prática na Indústria Farmacêutica. Vol.1 editora Fundação Calouste Gulibenkian. Lisboa 2001. 505p
  10. 10. 1. BENNET, C. O., MYERS, J. E. Fenômenos de Transporte, Quantidade de Calor e Massa, McGraw-Hill do Brasil LTDA, 1978. 2. http://www.t hermoevolution.com.br 3. ANSEL, Howard C.et. al. Formas Farmacêuticas e Sistemas de Liberação de Fármacos. 69ª edição.editora Premier. São Paulo 2000. 548p. 4. LACHMAN, Leon et. Al. Teoria e Prática na Indústria Farmacêutica. Vol.1 editora Fundação Calouste Gulibenkian. Lisboa 2001. 505p

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