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A viscosidade é uma medida da resistência de um fluido ao fluxo e é um parâmetro útil no projeto de processamento eficiente de produtos e controle de qualidade em uma ampla gama de indústrias. A viscosidade descreve o atrito interno de um fluido em movimento. Um fluido com alta viscosidade resiste ao fluxo, enquanto um fluido com baixa viscosidade flui mais facilmente. Um viscosímetro de tubo de vidro é comumente usado para determinar a viscosidade, que mede o tempo que leva para um fluido fluir através de um tubo capilar. Os viscosímetros rotacionais, como com uma geometria de placa paralela, aplicam forças de cisalhamento e medem o torque necessário para girar o fluido. Este vídeo ilustra os princípios da viscosidade, demonstra como usar um viscosímetro para determinar a concentração desconhecida de uma solução de propilenoglicol e discute algumas aplicações industriais.
Para começar, vamos revisar os princípios da viscosidade. A viscosidade dinâmica de um fluido descreve a força por unidade de área de superfície, conhecida como tensão de cisalhamento, necessária para mover o fluido, neste caso, paralelamente a um plano. O fluido em contato próximo com a placa inferior permanece em repouso e o fluido que toca a placa superior tem a mesma velocidade que essa placa. Esse gradiente de velocidade é devido ao atrito interno entre as camadas de fluido e é conhecido como taxa de deformação por cisalhamento. A viscosidade dinâmica é definida como a tensão de cisalhamento dividida pela taxa de deformação de cisalhamento. A viscosidade pode ser influenciada pela temperatura, densidade do fluido e composição. As mudanças de pressão, no entanto, têm um efeito insignificante. Uma vez que a viscosidade dinâmica é conhecida, a viscosidade cinemática é a razão entre a viscosidade dinâmica e a densidade do fluido. Esta é uma medida da resistência do fluido ao fluxo devido à gravidade. Vários instrumentos medem a viscosidade cinemática experimentalmente, como o viscosímetro Canon-Fenske. Este aparelho consiste em um grande banho-maria com temperatura controlada com aletas para manter o equilíbrio térmico constante. Tubos capilares de tamanhos diferentes são usados dependendo da viscosidade aproximada do fluido. Usando este aparelho, o fluido é derramado no tubo e aspirado além das marcações gravadas. Em seguida, é medido o tempo necessário para o fluido viajar de volta pelo tubo capilar, conhecido como tempo de efluxo. O tempo de efluxo é então multiplicado pela constante de calibração do viscosímetro, que é específica do vidro capilar usado para dar a viscosidade cinemática. Agora que você conhece os fundamentos da viscosidade, vamos medir a viscosidade cinemática de soluções conhecidas de propilenoglicol para determinar a concentração de uma amostra desconhecida.
Comece o experimento preparando sete soluções para calibração com concentrações variadas de propilenoglicol e água. Rotule todas as soluções com a concentração. Obter uma amostra da concentração desconhecida e retirá-la. Verifique todas as amostras líquidas quanto a fiapos, poeira ou partículas sólidas antes de usar e, se necessário, filtre a amostra através de um filtro de vidro centralizado. Em seguida, limpe o viscosímetro com água e seque-o com ar filtrado. Lembre-se de usar o tubo capilar de vidro de tamanho apropriado para o viscosímetro, que depende da viscosidade aproximada da solução a ser testada.
Agora, despeje uma amostra no viscosímetro e limpe o braço. Em seguida, coloque o viscosímetro no suporte e insira-o no banho de temperatura. Aguarde 10 a 15 minutos para permitir que a amostra se equilibre à temperatura do banho. Em seguida, aplique sucção no braço e puxe a amostra para dentro do tubo. Agora pegue um cronômetro e meça o tempo necessário para que a amostra flua livremente pelo tubo capilar depois de deixar o ponto final marcado. Este é o seu tempo de efluxo. Repita o procedimento para cada amostra. Agora que todas as viscosidades foram medidas, vamos dar uma olhada nos resultados e determinar a concentração da amostra desconhecida.
Para encontrar a concentração da amostra desconhecida, use os dados das amostras conhecidas e interpole a viscosidade da solução desconhecida. Primeiro, determine as viscosidades cinemáticas multiplicando o tempo medido pela constante do viscosímetro. Em seguida, converta a viscosidade cinemática em viscosidade dinâmica multiplicando pela densidade da massa. Em seguida, plote as viscosidades cinemáticas em função das molaridades das amostras conhecidas. O gráfico mostra que a viscosidade aumenta com o aumento da concentração de propilenoglicol. Determine a relação linear entre a viscosidade cinemática e a concentração de propileno. Em seguida, interpole a concentração da amostra desconhecida usando sua viscosidade medida. Nesta demonstração, a amostra desconhecida continha 45 mol por cento de propilenoglicol. Agora que você aprendeu como a viscosidade é usada para determinar a concentração, vamos examinar as muitas aplicações da viscosidade em ambientes industriais.
O teste de viscosidade é importante em muitos campos industriais, desde refinarias de petróleo e produção de células solares até aplicações e pesquisas biomédicas. A medição precisa da viscosidade na indústria petroquímica é de alta prioridade porque é usada não apenas para determinar a composição do petróleo bruto, mas também para avaliar o controle de qualidade em produtos petroquímicos. A viscosidade varia de petróleo bruto a hidrocarbonetos líquidos e deve ser considerada para condições eficientes de extração, manuseio e operação da refinaria. A caracterização reológica de suspensões altamente concentradas também é obrigatória para o desenvolvimento de produtos de aplicações envolvendo fluidos complexos, como os utilizados na metalização de células solares. As propriedades de fluxo das pastas condutoras devem ser cuidadosamente ajustadas para garantir um processamento sem perturbações e sem defeitos e evitar sedimentação e agregação de partículas. Na medicina, as técnicas microrreológicas são ferramentas de diagnóstico que investigam a deformabilidade dos glóbulos vermelhos e detectam doenças do sangue, como a anemia falciforme, que afetam a viscosidade do sangue. Protocolos que utilizam microfluídica com taxas de cisalhamento ajustáveis e processamento de imagem são utilizados para determinar quantitativamente a agregação de glóbulos vermelhos na microcirculação. Esses protocolos também são usados para caracterizar tecidos humanos, como a matéria cerebral, para entender melhor a estrutura e projetar materiais bioinspirados.
Você acabou de assistir à introdução de JOVE à viscosidade. Agora você deve conhecer os princípios fundamentais da viscosidade, ser capaz de operar um viscosímetro e entender a importância da viscosidade em uma variedade de aplicações. Obrigado por assistir.
