Viscosímetro

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O viscosímetro, também de chamado de viscómetro (português europeu) ou viscômetro (português brasileiro), é um equipamento utilizado para medir a viscosidade dos fluidos. Para líquidos com viscosidades que variam com as condições de fluxo, um instrumento chamado reômetro é utilizado. Viscosímetros medem somente sob uma condição de fluxo.

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 a medida da viscosidade. As condições de fluxo devem possuir um valor para o número de Reynolds suficientemente baixo para que se tenha fluxo laminar.

A 20 graus Celsius a viscosidade da água é 1,002 mPa·s e a viscosidade cinemática (que é a razão da viscosidade pela densidade[1]) é 1,0038mm²/s. Estes valores são utilizados como padrão de calibração para alguns viscosímetros.


Aplicações[editar | editar código-fonte]

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[2];
  • Controle de qualidade de óleos lubrificantes de máquinas de grande porte e de motores de combustão[2];
  • Controle de reações de polimerização;
  • Previsão do comportamento de fluidos (sua aderência e tempo de permanência) em superfícies[3].

Viscosímetros em tubo U[editar | editar código-fonte]

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%.

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.

Tais viscosímetros podem ser classificados como de fluxo direto ou de fluxo reverso[1]. 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.

Viscosímetros de esfera em queda[editar | editar código-fonte]

Fluido passando pela esfera.

Este tipo de viscosímetro se baseia na lei de Stokes. O líquido permanece estacionário em um tubo vertical de vidro. Uma esfera de tamanho e densidade conhecidos é deixada descer por um líquido. Se escolhida corretamente, ela atinge a velocidade terminal, que pode ser medida através do tempo que leva para passar por duas marcas no 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. Experimentos escolares utilizam glicerina como fluido. A técnica é utilizada industrialmente para checar a viscosidade de fluidos utilizados nos processos, tais como diversos tipos de óleos e polímeros líquidos.

Em 1851, George Gabriel Stokes derivou uma expressão para a força de atrito 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:

onde:

  • é a força de atrito;
  • é o raio do objeto esférico;
  • é a viscosidade do fluido;
  • é a velocidade da partícula.

Se as partículas estão em queda no fluido viscoso devido ao ser próprio peso, então uma velocidade terminal é alcançada quando a força de atrito combinada com o empuxo anulam a força gravitacional. A velocidade terminal resultante é dada por:

onde:

  • Vs é a velocidade terminal da partícula (m/s) (vertical para baixo se , e vertical para cima se );
  • é o raio de Stokes da partícula (m);
  • g é a aceleracão da gravidade (m/s²);
  • ρp é a densidade da partícula (kg/m³);
  • ρf é a densidade do fluido (kg/m³);
  • é a viscosidade do fluido (Pa·s).

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.

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.

Viscosímetros de rotação[editar | editar código-fonte]

Os viscosímetros de rotação do tipo Brookfield ou Lamy Rheology são constituídos por um elemento rotante de forma cilíndrica ou em disco, inserido em um recipiente cilíndrico contendo o fluido do qual se deseja medir a viscosidade. É exercido um torque no elemento rotante para colocá-lo em movimento. Mede-se então o torque necessário para se chegar a uma determinada velocidade de rotação, e este torque é dependente da viscosidade do fluido. A faixa de medição típica vai de 5 a 400000 cP.

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

Já em viscosímetros do tipo Couette, o recipiente cilíndrico rotaciona a uma determinada velocidade angular enquanto que o cilindro interno é mantido fixo e imerso no fluido. Mede-se a força necessária para manter o cilindro interno parado; a partir da medida desta força, consegue-se determinar a viscosidade do fluido.

Estes viscosímetros são de difícil adaptação ao controle de processos industriais[2].

Viscosímetros de vibração[editar | editar código-fonte]

São bastante utilizados por indústrias para medir a viscosidade de fluidos utilizados durante os processos industriais.

Uma barra é imersa no fluido e esta vibra com determinada frequência. Diferentes modos operacionais podem ocorrer a fim de determinar a viscosidade do fluido:

  • 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).

Viscosímetros de pistão oscilante[editar | editar código-fonte]

Viscosímetro de pistão oscilante

Também conhecidos como viscosímetros eletromagnéticos, consistem de um pistão metálico que se move dentro de uma câmara cheia de fluido, sob a influência de um campo eletromagnético oscilante. O período da oscilação do pistão é proporcional à viscosidade, para uma dada intensidade do campo. O próprio medidor consegue manter a temperatura do fluido constante durante a medição.

Esse instrumento pode ser usado para medição on-line de viscosidade.

Referências

  1. a b , Livro Viscosity of Liquids - Theory, Estimation, Experiment, and Data. Editora Springer, 2007.
  2. a b c , Adamowski, J. C.; Buiochi, F. Medição de viscosidade de líquidos por ultra-som. Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos. ISSN 1517-3526.
  3. [1], Fungilab.

Ligações externas[editar | editar código-fonte]