Viscosímetro

O viscosímetro, também de chamado de viscómetro ^{(português europeu)} ou viscômetro ^{(português brasileiro)}, é um equipamento utilizado para medir a viscosidade dos fluidos, que é a resistência ao movimento ou à deformação. A viscosidade resulta do atrito entre camadas de um fluido que se movem em velocidades diferentes. Fluidos como mel e óleo têm alta viscosidade, enquanto água e álcool têm baixa viscosidade.

Em geral, ou o fluido permanece estacionário e o objeto se move dentro dele, ou o objeto é estacionário e o fluido passa por ele. O arrasto causado pelo movimento relativo entre o fluido e a superfície é utilizado para calcular a medida da viscosidade. Os viscosímetros são usados para medir a viscosidade sob uma condição de fluxo fixa, o que os torna ideais para a medição em fluidos que mantêm uma relação linear entre tensão e deformação, chamados fluidos newtonianos. No entanto, fluidos não newtonianos não mantêm essa relação linear e podem ter viscosidades que variam com a tensão de cisalhamento ou a taxa de deformação. Para medir esses fluidos, reômetros são mais indicados, pois são capazes de medir a viscosidade sob condições de fluxo variadas, adaptando-se a diferentes taxas de deformação ou tensões aplicadas ao fluido.

O número de Reynolds é uma medida usada para identificar se o fluxo do fluido é laminar ou turbulento. Para obter medições precisas com viscosímetros, é essencial que o número de Reynolds seja suficientemente baixo para assegurar um fluxo laminar, no qual as camadas do fluido deslizam suavemente umas sobre as outras sem turbulência. Se o fluxo for turbulento, a agitação excessiva do fluido pode resultar em leituras imprecisas.

Para a calibração de viscosímetros, a água é um padrão comum por ser bem conhecida e estável. A 20 °C, sua viscosidade dinâmica é de 1,002 mPa·s e sua viscosidade cinemática (que é a razão da viscosidade pela densidade) é 1,0038 mm²/s, ambas no Sistema Internacional. Outras unidades comumente utilizadas são o poise para a viscosidade dinâmica (1 P equivale a 0,1 Pa·s), e o stokes para a viscosidade cinemática (1 St = 0,0001 m²/s).

Aplicações

Os viscosímetros são utilizados tanto na pesquisa quanto na indústria. Algumas de suas aplicações são:

• Controle de qualidade de matérias-primas utilizadas no processamento de alimentos e análise de consistência de produtos alimentícios;
• Controle de qualidade de óleos lubrificantes de máquinas de grande porte e de motores de combustão;
• Controle de reações de polimerização;
• Previsão do comportamento de fluidos (sua aderência e tempo de permanência) em superfícies.

Viscosímetros em tubo U

Viscosímetros Ostwald medem a viscosidade de um fluido com uma densidade conhecida.

São também conhecidos como viscosímetros capilares de vidro ou viscosímetros Ostwald.

Este método clássico consiste na medida do tempo que um fluido leva para passar por um capilar. É utilizado como medidor padrão da viscosidade da água e, mais genericamente, da viscosidade de fluidos newtonianos. Em condições ideais pode chegar a uma precisão de cerca de 0,1%. Além disso, o fluido utilizado é um líquido, que mantém seu volume relativamente constante e, quando sujeito a um campo gravitacional, forma uma superfície livre dentro do recipiente. Gases, por sua vez, são fluidos que expandem até encostar nas paredes do recipiente e, portanto, não formam uma superfície livre.

Em um braço do U há uma seção vertical com perfuração estreita precisa (o capilar). Acima disso há um bulbo, e no outro braço do U há um bulbo em um nível mais baixo que o primeiro. Quando em uso, o líquido é puxado para o bulbo mais alto por sucção, e então deixado fluir até o bulbo mais baixo através do capilar. Duas marcas (uma acima e uma abaixo do bulbo mais alto) indicam um volume conhecido. O tempo levado para o nível do líquido passar entre as duas marcas é proporcional à viscosidade cinemática. A maioria das unidades comerciais são fornecidas com um fator de conversão ou podem ser calibradas com um fluido cujas propriedades são bem conhecidas. É medido o tempo requerido para o líquido teste fluir pelo capilar de diâmetro conhecido entre as duas marcas de um viscosímetro de fator de conversão conhecido. Multiplicando o tempo requerido pelo fator do viscosímetro, obtém-se a viscosidade cinemática.^{[carece de fontes]}

Tais viscosímetros podem ser classificados como de fluxo direto ou de fluxo reverso. Viscosímetros de fluxo reverso possuem o reservatório acima das marcas e os de fluxo direto são aqueles com o reservatório abaixo das marcas. Estas classificações existem para que o nível possa ser determinado mesmo quando líquidos opacos ou com corantes são utilizados, pois senão o líquido cobriria as marcações e tornaria impossível a medida do tempo em que o nível do líquido passa a marca.

Sua utilização não é adequada para fluidos de alta viscosidade ou fluidos contendo partículas sólidas. Não se pode utilizá-los para medição de viscosidade de fluidos não-newtonianos.^{[carece de fontes]}

Viscosímetros de esfera em queda

Esquematização da esfera em queda no fluido viscoso.

Este tipo de viscosímetro se baseia na lei de Stokes. O líquido permanece estacionário em um tubo vertical de vidro. Para determinação da viscosidade dinâmica do fluido, uma esfera de tamanho e densidade conhecidos é deixada descer sob a força da gravidade através do líquido estacionário em que se deseja conhecer a viscosidade . A esfera ao atingir uma velocidade constante dentro do fluido em determinado instante de tempo, atinge a velocidade terminal (também chamada de velocidade limite), que pode ser medida através do tempo que a esfera leva ao passar por duas marcas no tubo, na altura onde é dado o começo da queda da esfera (início da queda) e a altura final na extremidade inferior do tubo . Sensores eletrônicos podem ser utilizados para fluidos opacos. Conhecendo-se a velocidade terminal, tamanho e densidade da esfera, e a densidade do líquido, a lei de Stokes pode ser utilizada para calcular a viscosidade do fluido. Uma série de esferas de aço de diferentes diâmetros são normalmente utilizadas para melhorar a acurácia do cálculo em experimentos clássicos.

Em 1851, George Gabriel Stokes derivou uma expressão para a força de atrito (força de arrasto) exercida em objetos esféricos com baixos números de Reynolds (por exemplo, partículas muito pequenas) em um fluido viscoso contínuo através da modificação do pequeno limite de massa do fluido das equações gerais de Navier-Stokes que descrevem o escoamento de fluidos . A lei de Stokes afirma que o movimento do objeto no fluido viscosos é influenciado pela ação de resistência do fluido ou força de arrasto F_d, relaciona as forças viscosas com a velocidade do corpo, como apresentado abaixo .

$F_{d}=6\pi r\eta v\,$

Onde:

• $F_{d}$ é a força de arrasto [N];
• $r$ é o raio do objeto esférico [m];
• $\eta$ é a viscosidade absoluta do fluido (viscosidade dinâmica) [N.s.m^-2];
• $v$ é a velocidade de queda da esfera [m.s^-1].

Essa lei é somente válida para um fluido viscoso em regime laminar, no qual as partículas do fluido devido ao escoamento se deslocam como laminas individualizadas .Se a partícula está em queda no fluido viscoso,  inicialmente a sua velocidade é zero, mas com o passar do tempo a força resultante agindo sobre ela a acelera, devido a gravidade, então uma velocidade terminal é alcançada quando a força de arrasto F_d (força devido a resistência do fluido ao movimento da partícula) combinada com o empuxo E que anulam a força gravitacional Fg . A velocidade terminal resultante é representada por:

$V_{s}={\frac {2}{9}}{\frac {r^{2}g(\rho _{p}-\rho _{f})}{\mu }}$

Onde:

• V_s é a velocidade terminal da partícula [m.s^-1] (vertical para baixo se $\rho _{p}>\rho _{f}$, e vertical para cima se $\rho _{p}<\rho _{f}$);
• $r$ é o raio de Stokes da partícula [m];
• g é a aceleração da gravidade [m.s ^-2];
• ρ_p é a densidade da partícula [kg.m^-3];
• ρ_f é a densidade do fluido [kg.m^-3];
• $\mu$ é a viscosidade dinâmica do fluido [N.s.m^-2].

Note que um fluxo de Stokes é assumido, para que o número de Reynolds seja baixo.

Um fator limitante na validade deste resultado é a dureza da esfera utilizada.

A técnica é utilizada industrialmente para checar a viscosidade dinâmica de fluidos utilizados nos processos, tais como diversos tipos de óleos, polímeros líquidos e muito utilizado na área farmacêutica e alimentícia (determinação da viscosidade da glicerina) .

Levando em consideração que a glicerina (ou glicerol) tem grande importância por conta do aumento na produção do biodiesel. Em que a glicerina é um subproduto formado na produção desse biocombustível, tal fato provocou aumento da produção do volume do glicerol em excesso, levando ao descarte inadequado e novas formas de utilização estão sendo pesquisadas, sendo necessário ocorrer um tratamento nesse subproduto para que seja alcançado um determinado valor agregado ao se ter uma glicerina de alto grau de pureza .

Devido a essa necessidade da utilização da glicerina em diversas aplicações, é muito importante a determinação da viscosidade do fluído, a viscosidade pode afetar tanto as características desejadas do produto final, como por exemplo a formulação de produtos farmacêuticos e a consistência desejada do produto em aplicações culinárias .

Uma modificação do viscosímetro de esfera em queda é o viscosímetro de bola rolante, que marca o tempo de uma bola rolando em um plano inclinado enquanto imersa no fluido teste.^{[carece de fontes]}

Viscosímetros de rotação

Os viscosímetros de rotação do tipo Brookfield ou Lamy Rheology são constituídos por motor e uma haste com cabeçote em formato cilíndrico ou em disco, a qual é inserida em rotação no fluido para se realizar a medição da viscosidade. Esses instrumentos são frequentemente utilizados em laboratórios para testar a resistência de pequenas amostras de fluidos industriais como cosméticos, tintas, géis, extratos, rações, adesivos, matérias primas, medicamentos, alimentos, dentre outros fluidos. À medida que a haste rotaciona a uma velocidade específica, agitando o fluido para criar um vórtice, o torque necessário para rotacionar a haste é medido e baseado na quantidade de arrasto criado a partir do movimento da haste do fluido. A resistência a rotação é detectada pelo instrumento e o valor do torque medido é matematicamente convertido em um valor de viscosidade. A água é o fluido de referência que estabelece o valor de 1cP de viscosidade. O tamanho da cabeça da haste é inversamente proporcional a viscosidade do fluido, quanto menos viscoso ele for, maior será o tamanho do cabeçote, para aumentar a área de contato haste-fluido. A faixa de medição típica vai de 200 a 106.000.000 cP, com uma faixa de precisão de +- 1% a +- 0,2%.

Esquemático de viscosímetro de Couette: 1-Cilindro girante; 2-Fluido; 3-Parede externa.

Já em viscosímetros do tipo Couette, a única diferença é que a haste se mantém parada e a rotação é feita no recipiente onde se encontra o fluido.

Os principais usos de um viscosímetro rotacional incluem:^{[carece de fontes]}

• Monitoramento de qualidade de produtos químicos, óleos e líquidos para garantir a conformidade com os requisitos de especificação;
• Desenvolvimento de formulações para produtos químicos, polímeros e líquidos que satisfaçam as necessidades específicas dos clientes;
• Monitoramento da estabilidade de formulações durante o processo de fabricação ou armazenamento;
• Avaliação de novos materiais e potencial para diversas aplicações;
• Análise do comportamento reológico de líquidos como parte da análise de qualidade;
• Avaliação do comportamento reológico dos líquidos em diferentes temperaturas;
• Caracterização da viscosidade das soluções aquosas para controle da qualidade de produtos alimentares.

Viscosímetros de vibração

Os viscosímetros de vibração são dispositivos empregados na determinação da viscosidade de um fluido eles são amplamente utilizados em ambientes laboratoriais e industriais.  

A principal diferença entre um viscosímetro vibracional de um viscosímetro rotacional está no princípio de funcionamento e na técnica de medição utilizada para a determinação da viscosidade. Enquanto o viscosímetro de vibração se baseia na análise das propriedades vibracionais de um elemento mecânico imerso no fluido, o viscosímetro de rotação determina a viscosidade através da medida do torque necessário para girar um componente mecânico no interior do fluido.

Viscosímetro de vibração 

A figura ao lado representa um viscosímetro de vibração que faz uso do método medição oscilante vibratório, da marca A&D, ideal para produtos não newtonianos, particularmente de natureza voláteis.                          

O princípio de funcionamento do viscosímetro de vibração está na correlação entre a viscosidade do fluido e a resposta mecânica do elemento vibratório. Tipicamente, o viscosímetro é composto por um componente vibratório, como uma haste ou feixe, inserido no fluido a ser analisado. Este elemento é então estimulado a vibrar em uma frequência específica, enquanto a amplitude e fase da vibração são medidas.  

Para realizar a medição da viscosidade de um viscosímetro de vibração, inicialmente deve-se preparar o equipamento por meio da calibração e configurações adequadas, ajustando-se assim todos os parâmetros. Em seguida o elemento vibratório deve ser cuidadosamente imerso no fluido a ser analisada , na imagem apresentada por exemplo, o fluido analisado está contido em um recipiente abaixo do elemento vibratório, apresentando uma coloração amarelo limão.   

Assim, logo após a imersão o elemento vibratório é excitado por meio da aplicação de uma força ou corrente elétrica, iniciando assim as vibrações. Durante esse período, a amplitude e a fase das vibrações são medidas utilizando sensores específicos projetados para essa finalidade. Esses sensores são responsáveis por capturar os dados vibracionais gerados pelo elemento imerso no fluido. Por fim, os dados obtidos durante a medição são submetidos a uma análise detalhada para determinação da viscosidade do fluido em questão.  

Existem diferentes modos operacionais que podem ocorrer em um viscosímetro vibratório, a medida que uma barra é imersa no fluido e esta vibra com determinada frequência. Dentre eles estão:

• Medida da amplitude de vibração da barra, que é determinada pela viscosidade do fluido;
• Medida da potência necessária para manter a barra vibrando a uma amplitude constante;
• Medida do tempo de decaimento da oscilação quando desligada a vibração. Quanto maior a viscosidade, mais rápido é o decaimento do sinal.

A viscosidade de fluidos muito ácidos ou muito básicos pode também ser medida adicionando-se uma cobertura de proteção no viscosímetro, tal como uma camada de esmalte, ou modificando o material do sensor (o sensor é a barra vibratória).

Uma das características interessantes de um viscosímetro de vibração é a sua capacidade de lidar com uma ampla gama de fluidos, incluindo aqueles que não seguem o comportamento viscoso tradicional. Isso significa que é uma escolha valiosa para indústrias que lidam com produtos como géis, polímeros e suspensões. Além disso, sua capacidade de fornecer resultados rápidos é uma vantagem significativa em ambientes de produção. No entanto, sua precisão pode ser afetada por variações de temperatura e pressão, e sua interpretação de dados pode ser complexa, exigindo uma calibração regular e expertise para garantir resultados confiáveis.  

Aplicações

1. Controle de qualidade industrial, utilizado para garantir a consistência e a viscosidade correta de produtos industriais como óleos, tintas, resinas, adesivos e polímeros;

1. Desenvolvimento de produtos, utilizado para caracterização e ajuste de formulação;

1. Pesquisa científica, utilizado para estudar as propriedades viscoelásticas de fluidos complexos, incluindo líquidos não-newtonianos, coloides e suspensões.

1. Controle de processos industriais, utilizados na fabricação de alimentos, produtos químicos, papel e tratamento de água, garantindo que os fluidos tenham as propriedades viscosas desejadas.

1. Pesquisa e desenvolvimento de materiais, utilizado em indústrias que desenvolvem materiais avançados, como poliméricos, compósitos e fluidos de perfuração.

Nesse contexto, os viscosímetros de vibração são essenciais em diversas áreas indústrias, pois são usados para garantir a qualidade e o desempenho de produtos e processos. Na indústria de alimentos e bebidas, eles asseguram a consistência e textura ideais de alimentos processados, como molhos, maioneses, iogurtes e bebidas, mantendo a aceitação do consumidor. Já na indústria farmacêutica, controlam a viscosidade de medicamentos líquidos, pomadas e géis, garantindo a dosagem correta e a eficácia desejada. As empresas de cosméticos utilizam esses instrumentos para desenvolver e fabricar produtos como cremes, loções, shampoos e condicionadores, garantindo a consistência e espalhabilidade adequadas. Os fabricantes de tintas e revestimentos usam os viscosímetros a fim de controlar a viscosidade dos produtos durante a produção, garantindo boa aplicabilidade e cobertura. Dentro da indústria química, eles são utilizados para monitorar e controlar as propriedades viscosas de adesivos, resinas e polímeros, assegurando a qualidade dos produtos. Empresas de petróleo e gás os utilizam para medir a viscosidade de fluidos como óleos, lubrificantes e fluidos de perfuração.

Viscosímetros de pistão oscilante

Seção transversal do viscosímetro de pistão oscilante

Seção transversal do viscosímetro de pistão oscilante

O viscosímetro de pistão oscilante é um equipamento utilizado para medir viscosidade dinâmica de uma ampla variedade de fluidos líquidos ou gasosos, abrangendo substâncias transparentes, translúcidas e opacas . Seu princípio de medição e sua estrutura em aço inoxidável conferem resistência a danos, facilitando o transporte e a utilização em diferentes locais ou ambientes. A medida de viscosidade por esse equipamento é feita introduzindo a amostra em uma câmara termicamente controlada, onde há um pistão. O sistema eletrônico conduz o pistão em movimento oscilatório dentro da câmara de medição com um campo magnético controlado. Em outras palavras, o pistão é impulsionado para frente e para trás de forma precisa e controlada por sinais eletrônicos, e esse movimento é possível devido à influência de um campo magnético ajustável. O deslocamento do pistão gera uma força que deforma o fluido, chamada de tensão de cisalhamento. A viscosidade é determinada pelo tempo que o pistão leva para se deslocar dentro da câmara em meio ao fluido, sendo que há uma relação proporcional entre o período de oscilação do pistão (tempo necessário para o pistão completar uma oscilação) e a viscosidade, ou seja, para uma dada intensidade elétrica, quanto maior o tempo, maior a viscosidade do fluido .

A medida de viscosidade é feita de acordo com a Lei de Viscosidade de Newton, considerando parâmetros como espaço anular entre o pistão e a câmara de medição, a intensidade do campo eletromagnético e a distância percorrida pelo pistão .  

1. Espaço anular: é a distância entre o pistão e as paredes da câmara onde ele se move. Essa distância deve ser ideal de modo que não seja tão pequena a ponto de causar fricção excessiva, causando em um movimento descontrolado e inconstante, e não tão grande a ponto que não haja interação suficiente entre o pistão e o fluido.

1. Intensidade do campo eletromagnético: a intensidade do campo eletromagnético deve ser adequada, já que influencia na força exercida sobre o pistão, a qual pode interferir na medida, causando movimentos mais ou menos fortes e/ou rápidos.

1. Distância percorrida pelo pistão: deve ser adequada o suficiente para que haja boa sensibilidade, considerando que quanto maior a distância percorrida pelo pistão, mais sensível é a medida. Além disso, se a distância for muito curta, o viscosímetro pode não ser capaz de detectar diferenças sutis na viscosidade de fluidos menos viscosos. No entanto, se a distância for excessivamente longa, a medição pode se tornar impraticável devido ao tempo necessário para completar o procedimento, especialmente ao lidar com fluidos de alta viscosidade.

Esses parâmetros também permitem a medida da taxa de cisalhamento transmitida pela medição em qualquer valor de viscosidade, que se trata da taxa na qual as camadas de líquido se movem umas sobre as outras. Essa medida é importante para entender como o fluido responde a diferentes forças externas .  

O viscosímetro é calibrado para operar em uma faixa específica de viscosidade usando dois padrões de referência, um para o limite inferior e outro para o limite superior de viscosidade. O tamanho do pistão utilizado no viscosímetro é escolhido de acordo com a faixa de viscosidade calibrada. Pistões menores são usados para viscosidades mais altas e pistões maiores para viscosidades mais baixas, ou seja, mesmo que o fluido ofereça pouca resistência ao movimento, o pistão ainda pode sentir essa resistência ao longo de uma área maior. A calibração é feita com fluidos newtonianos aplicando uma força fixa para criar uma curva de tempo de deslocamento do pistão versus viscosidade do fluido .

Apesar da calibração ser comumente feita utilizando fluidos newtonianos, o viscosímetro de pistão oscilante pode medir a viscosidade de fluidos não newtonianos, sendo necessário determinar a relação entre o tempo de deslocamento do pistão e a viscosidade do fluido em diferentes taxas de cisalhamento ou condições de fluxo, ou seja, há variação da velocidade de oscilação. A calibração pode ser feita utilizando um tipo de fluido não newtoniano ou diversos tipos, a depender da necessidade do processo .  

Um exemplo prático é na fabricação de condimentos e molhos, como o ketchup, que é um fluido não newtoniano, a viscosidade é um fator crítico. Deve ser precisamente ajustada para permitir a dispensação adequada do produto da embalagem, evitando que seja muito espessa para fluir lentamente ou muito fluida para escorrer excessivamente. A viscosidade é um dos parâmetros essenciais que são rigorosamente controlados no processo de controle de qualidade da indústria de alimentos.

Ligações externas

• Tabelas de Conversão de Viscosidade (Viscosity conversion tables)
• Rheology of Complex Fluids