Overview
Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley, Departamento de Engenharia Química, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
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. Uma variedade de viscometros são usados para obter as leituras mais precisas de materiais experimentais. O método padrão de medição da viscosidade é através de um viscometro de tubo de vidro, que estima a viscosidade medindo a quantidade de tempo que leva fluido para fluir através de um tubo capilar feito de vidro1.
Os viscometros rotacionais operam aplicando forças de cisalhamento e medindo o tempo que leva umfluxo de 1. Estes viscometros fazem uso da força de fluxo do fluido, e eles podem usar um sistema de mola ou um sistema de codificador digital1. Diferentes sistemas de medição também existem, sendo o padrão um sistema de cone e placa, onde o fluido flui sob a forma do cone e sobre a placa, a fim de minimizar o estresse da cisalhamento1. Os sistemas de placas paralelas usam duas placas paralelas e são ideais para medir entre os gradientes de temperatura, permitindo uma transição suave1. Os sistemas de couette usam um copo e material de enchimento, e o fluido flui entre os dois1. Esses sistemas são melhores para materiais com baixa viscosidade, uma vez que este sistema minimiza o estresse da tesoura, mas o sistema também é mais difícil de operar rotineiramente devido a problemas com limpeza e necessidade de volumes maiores de fluido1.
Neste experimento, um viscometro Cannon-Fenske será usado para medir as viscosidades de várias soluções propilenoglicol para determinar a relação entre viscosidade e composição.
Principles
Viscosidade cinemática é a razão da viscosidade dinâmica com a densidade. A razão de estresse de cisalhamento para a taxa de cisalhamento é a viscosidade dinâmica de um fluido, que é uma medida da resistência à deformação no fluxo laminar para um fluido newtoniano. Essa razão é única à viscosidade cinemática, que permite a interpolação de uma variável desconhecida considerando duas variáveis, viscosidade cinética e concentração.
Temperatura, densidade e composição podem criar mudanças na deformação do fluxo. A pressão é insignificante em fluidos de fase líquida, por isso não leva em conta este experimento. A viscosidade cinemática pode ser medida usando um viscometro devido à relação apresentada na lei Hagen-Poiseuille, que expressa que a queda de pressão se deve à gravidade, viscosidade dinâmica e viscosidade cinemática. A viscosidade cinemática também pode estar relacionada ao tempo usando uma constante viscométrica específica para cada vidro capilar,
onde 
está a viscosidade cinemática, C é a constante viscométrica, e t é tempo. As constantes viscométricas são geralmente medidas e fornecidas pelo fabricante do viscometro. A equação acima é usada para determinar a viscosidade cinemática, que pode ser convertida em viscosidade dinâmica multiplicando-se pela densidade do fluido,
onde μ é a viscosidade dinâmica, é a viscosidade cinemática, e ρ é a densidade. Essas informações podem ser usadas para relacionar a concentração de viscosidade soluto e dinâmica graficamente.
O Viscometro Cannon-Fenske é amplamente utilizado para medir a viscosidade de várias soluções. O viscometro está imerso em um grande banho de água que contém uma bobina de controle de temperatura e barbatana para manter o termequilíbrio constante. O capilar constria o fluxo descendente do líquido, de modo que o tempo necessário para o líquido viajar pela região capilar é multiplicado pela constante viscométrica para dar a viscosidade cinemática. Vidros capilares maiores são usados para medir soluções com maiores viscosidades. Soluções mais viscosas levam mais tempo para viajar através de um vidro capilar. Essas informações podem ser usadas para comparar o desconhecido com concentrações conhecidas.
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Procedure
1. Preparando o Viscometro
- Prepare sete soluções com concentrações variadas de propilenoglicol na água (entre 0 - 100 mole % polipropilenoglicol). Rotule todas as soluções. Estes serão usados para calibração. Obtenha uma amostra da concentração desconhecida e reserve-a
- Verifique se há fiapos, poeira ou outro material sólido. Se necessário, filtre a amostra através de um filtro de vidro sintered ou tela de malha fina.
- Limpe o viscometro apropriado usando água e seque com ar filtrado para remover os traços finais dos solventes. Soluções de menor viscosidade usarão vidros capilares tamanho 50, tamanho 100 será usado para a solução desconhecida, e soluções de viscosidade mais altas usarão vidros capilares tamanho 150.
2. Carregando o viscometro
- Despeje a amostra no viscometro até encher pelo menos metade da lâmpada maior. Então, limpe o braço.
- Coloque o viscometro no suporte e insira-o no banho de temperatura constante. Alinhe-o verticalmente com um pequeno bob de prumo no tubo grande ou use um suporte de auto-alinhamento.
- Deixe a amostra equilibrar-se à temperatura do banho de água. Deixe aproximadamente 10 minutos para que a amostra chegue à temperatura do banho a 40 °C e 15 min a 100 °C.
- Aplique sucção no braço e desenhe o líquido no tubo.
3. Medindo o Efflux
- Use um cronômetro e meça o tempo necessário para que o menisco da amostra flua entre as marcas indicadas. Este é o tempo efflux
- Repita as etapas 6 e 7 para corridas duplicadas. E repita todo o procedimento para cada amostra.
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. Viscosidade descreve o atrito interno de um fluido móvel. Um fluido com alta viscosidade resiste ao fluxo, enquanto um fluido com baixa viscosidade flui mais facilmente. Um viscometro 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. Viscometros rotacionais, como com uma geometria de placa paralela, aplicam forças de corte e medem o torque necessário para girar o fluido. Este vídeo ilustra os princípios da viscosidade, demonstra como usar um viscometro para determinar a concentração desconhecida de uma solução propilenoglicol, e discute algumas aplicações industriais.
Para começar, vamos rever os princípios da viscosidade. A viscosidade dinâmica de um fluido descreve a força por unidade de superfície, conhecida como o estresse da tesoura, que é necessária para mover fluido, neste caso, paralelo a um plano. O fluido em contato próximo com a placa inferior permanece em repouso, e o fluido tocando a placa superior é a mesma velocidade que aquela placa. Este gradiente de velocidade é devido ao atrito interno entre camadas de fluido, e é conhecido como a taxa de deformação da tesoura. A viscosidade dinâmica é definida como o estresse da tesoura dividido pela taxa de deformação da tesoura. A viscosidade pode ser influenciada pela temperatura, densidade de fluidos 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 da viscosidade dinâmica com 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 viscometro Canon-Fenske. Este aparelho consiste em um banho de água controlado pela grande temperatura com aletas para manter o equilíbrio termo constante. Diferentes tubos capilares de tamanho são usados dependendo da viscosidade do fluido aproximado. Usando este aparelho, o fluido é derramado no tubo e aspirado além das marcas gravadas. Em seguida, o tempo necessário para o fluido viajar de volta através do tubo capilar é medido, conhecido como o tempo efflux. O tempo efflux é então multiplicado pela constante de calibração do viscotômetro, 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 das soluções conhecidas de propilenoglicol para determinar a concentração de uma amostra desconhecida.
Inicie o experimento preparando sete soluções para calibração com concentrações variadas de propilenoglicol e água. Rotule todas as soluções com a concentração. Obtenha uma amostra da concentração desconhecida, e reserve-a. 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 centrado. Em seguida, limpe o viscometro usando água e seque-o com ar filtrado. Lembre-se de usar o tubo capilar de vidro de tamanho adequado para o viscometro, que depende da viscosidade aproximada da solução a ser testada.
Agora, despeje uma amostra no viscometro, depois limpe o braço. Em seguida, coloque o viscometro no suporte e insira-o no banho de temperatura. Aguarde de 10 a 15 minutos para permitir que a amostra se equilibre até a temperatura do banho. Em seguida, aplique sucção no braço e desenhe a amostra no 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 efflux. 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 utilize os dados das amostras conhecidas e interpole a viscosidade da solução desconhecida. Primeiro, determine as viscosidades cinemáticas multiplicando o tempo medido pela constante do viscotômetro. Em seguida, converta a viscosidade cinemática em viscosidade dinâmica multiplicando-se pela densidade de 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 viscosidade cinemática e concentração de propileno. Em seguida, interpolar a concentração da amostra desconhecida usando sua viscosidade medida. Nesta demonstração, a amostra desconhecida continha 45 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.
Testar a viscosidade é importante em muitos campos industriais que vão desde a refinaria de petróleo e a produção de células solares até aplicações biomédicas e pesquisas. 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 operacionais eficientes de extração, manuseio e 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 o processamento sem efeito, sem defeitos e evitar a sedimentação e a agregação de partículas. Na medicina, as técnicas micro reológicas são ferramentas de diagnóstico que investigam a deformabilidade dos glóbulos vermelhos e detectam doenças do sangue, como a anemia falciforme, que afetam a viscosidade sanguínea. Protocolos utilizando micro fluidez com taxas de tesoura 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 bioinspiros.
Você acabou de assistir a introdução de JOVE à viscosidade. Agora você deve conhecer os princípios fundamentais da viscosidade, ser capaz de operar um viscometro, e entender a importância da viscosidade em uma variedade de aplicações. Obrigado por assistir.
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Results
Neste experimento, foram medidas a viscosidade de várias concentrações de propilenoglicol. Como esperado, a viscosidade aumentou com a concentração de propilenoglicol. O tempo para as soluções amostrais atravessarem o viscometro foram medidos e utilizados para determinar a viscosidade cinemática. Inúmeras medidas foram coletadas para minimizar erros aleatórios.
A viscosidade cinemática foi determinada usando o tempo medido e a constante do viscotômetro:
Em seguida, a viscosidade cinemática foi multiplicada pela densidade para dar a viscosidade dinâmica:
A concentração desconhecida foi calculada e comparada com as soluções amostrais conhecidas. A interpolação linear foi utilizada para estimar a concentração, e a relação foi melhor adequada a uma função linear(Figura 1).
Para a equação acima, foram utilizados dois pontos de dados conhecidos de viscosidade e concentração cinemática, e x foi definido como a viscosidade medida da solução desconhecida. A solução foi resolvida para que você encontrasse a concentração da amostra desconhecida. O recurso de gráficos Excel também pode ser usado para traçar uma linha de tendência através do conjunto de dados e dar uma equação de melhor ajuste.
Figura 1: A relação entre concentração de solução e viscosidade demonstrou um ajuste linear.
Este gráfico mostra que o logaritmo natural da viscosidade e da composição seguem uma relação linear. À medida que a composição soluto aumenta em uma solução, a viscosidade também aumenta. Conhecendo essa relação, a concentração da solução desconhecida é facilmente encontrada medindo sua viscosidade e relacionando-a com a conhecida relação entre concentração e viscosidade. A precisão experimental pode ser melhorada medindo concentrações mais conhecidas ou usando um termômetro mais preciso.
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Applications and Summary
O objetivo deste experimento foi testar a relação de viscosidade e composição utilizando a viscosidade da substância desconhecida para encontrar sua composição. Foram testadas várias soluções conhecidas de concentração de propilenoglicol e uma solução de concentração desconhecida. Foram utilizadas relações entre densidade, viscosidade dinâmica e viscosidade cinemática para comparar as soluções. Uma vez que as soluções se tornam mais viscosas à medida que se tornaram mais concentradas, conseguimos reduzir a concentração da solução desconhecida para uma pequena gama. A interpolação linear foi usada para estimar a concentração, e a relação foi melhor adequada a uma função linear. Para este experimento, aumentar a precisão do termômetro poderia ter diminuído significativamente nossa incerteza, já que é a principal fonte de erro. Mais concentrações também poderiam ter sido testadas para aumentar a precisão.
Testes precisos de viscosidade são importantes para uma variedade de campos. Na indústria de processamento de alimentos, os alimentos devem ser testados para viscosidade ao longo de sua criação, pois são transportados ao longo de uma instalação2. Essas medidas são utilizadas para maximizar a eficiência do processo e estabelecer padrões de produção2. A viscosidade é importante para a indústria alimentícia porque determinará quanto tempo o transporte de alimentos através de um tubo ou processador levará, quanto tempo levará o alimento para secar e o tempo que levará para distribuir alimentos em embalagens para transporte e varejo2. Os engenheiros usarão a viscosidade para maximizar o fluxo do produto através da tubulação, a fim de economizar energia e maximizar o produto, sem diminuir a qualidade do produto acabado2. A viscosidade também é importante para estabelecer padrões seguros para a força que pode ser aplicada a materiais e produtos sem danificá-lo2.
Na indústria petrolífera, a viscosidade é um importante controle para a avaliação da qualidade3. Ao comprar ou processar petróleo bruto, as empresas devem medir a viscosidade para determinar o tratamento adequado3. A viscosidade fornece informações importantes sobre a composição do petróleo bruto3. O óleo de diferentes composições é usado para criar diferentes produtos3. Algumas refinarias só podem processar óleos de uma certa viscosidade, por isso testes precisos são importantes para determinar quais materiais podem usar para refinar3. No refino de petróleo, a viscosidade do óleo é usada para planejar os métodos mais eficientes para o método de extração, transporte e refino3. A temperatura também pode ter um impacto na viscosidade do óleo, por isso devem ser colocados controles para que o óleo esteja em uma temperatura adequada para sua viscosidade3. Além disso, a viscosidade de um óleo determinará a forma como ele é limpo no caso de um vazamento3.
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References
- Basic Introduction to Viscometry." A Basic Introduction to Viscometry. N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
- Scientific. "What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important?" What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important? N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
- Applications." Anton Paar. N.p., n.d. Web. 13 Jan. 2017.
