Apresentação sobre Reologia

REOLOGIA DOS
FLUIDOS
O QUE É REOLOGIA?
É o ramo da mecânica dos fluidos que
estuda as propriedades físicas que
influenciam o transporte de quantidade
de movimento num fluido;
-Eugene Cook Bingham publicações da década
de vinte;
Estudo das mudanças na
forma e no fluxo de um
material,
englobando
todas estas variantes.
Ramo da física que estuda a
viscosidade,
plasticidade,
elasticidade e o escoamento
da matéria;
Ciência responsável pelos
estudos
do
fluxo
e
deformações decorrentes
deste fluxo, envolvendo a
fricção do fluido.
Fricção- ocorre internamente
no material. Uma camada de
fluido
possui
uma
certa
resistência ao se deslocar
sobre outra.
Tudo isto envolve uma
complexidade de fatores.
O tamanho e geometria de
cadeia é um exemplo
possível.
Exemplo:
Solventes – viscosidade
desprezível
Resinas - viscosidade
elevada, graças ao
tamanho de sua cadeia
polimerizada;
Ambos
são
compostos
orgânicos,
mas
seus
comportamentos
são
totalmente diferentes.
Tensão de cisalhamento
Consideremos um elemento de volume com a forma de um
paralelepípedo e consideremos a resposta do material a uma
força externa aplicada.
Sob estas condições, se desenvolverá uma força interna agindo na
mesma direção, mas em sentido contrário, denominada tensão, definida
como força por área. Existem basicamente dois tipos de tensão:
·
Tensões normais: agem perpendicularmente às faces do corpo.
·
Tensões de cisalhamento: agem tangencialmente às faces do corpo.
Deformação e taxa de deformação
•Uma força é aplicada na placa superior, resultando na movimentação desta a
uma velocidade constante em relação à placa inferior, fixa.
•Supondo que não haja deslizamento do fluido nas paredes das placas, a
força aplicada pela placa no fluido será equilibrada por uma força cisalhante
produzida pela viscosidade do fluido.
•Essa força cisalhante, pela área da placa é a chamada tensão de
cisalhamento. A tensão de cisalhamento produz um escoamento viscoso, uma
deformação no fluido, e um gradiente de velocidade, que é equivalente à taxa
de deformação.
Fluido localizado entre duas placas planas separadas por uma distância y.
Viscosidade
- propriedade reológica mais conhecida;
- é a única que caracteriza os fluidos newtonianos.
• Viscosidade Aparente: É aquela medida em um
único ponto e através de cisalhamento constante.
É expressa por unidades de Poise ou
centiPoise (mPa/s). Utilizada na leitura de
viscosidade de fluidos pseudo-plásticos.
Viscosímetros: Brookfield, Haake.
• Viscosidade Cinemática: é aquela medida por um
sistema de geometria que utiliza-se da gravidade para
sua obtenção de medida.
Medida por copos, tem como método a
contagem, através de um cronômetro, do
tempo gasto para o fluido escorrer pelo
orifício inferior destes copos
Viscosidade Absoluta: é aquela que é medida por
um sistema de geometria que não sofre influência da
gravidade para a obtenção desta medida.
A maioria dos fluidos apresenta
comportamentos
reológicos
mais
complexos e a determinação da
viscosidade não é um tópico simples.
CLASSIFICAÇÃO DOS
FLUIDOS
Esquema de classificação dos fluidos segundo
comportamento reológico
Fluido newtoniano
é um fluido em que cada
componente da velocidade é proporcional ao gradiente de
velocidade na direção normal a essa componente. A
constante de proporcionalidade é a viscosidade.
O comportamento newtoniano indica que a viscosidade do
fluido é independente da taxa de deformação a que ele está
submetido. Possui um único valor de viscosidade, em uma
dada temperatura. Exemplos: gases, água, leite, soluções de
sacarose, óleos vegetais, etc
Fluido não newtoniano
não apresentam taxa de
deformação
diretamente
proporcional
à
tensão
de
cisalhamento aplicada sob uma determinada área.
São classificados naqueles que:
Possuem propriedades reológicas independentes do
tempo de aplicação da tensão de cisalhamento.
sem tensão de cisalhamento inicial:
maioria
dos
fluidos
não
newtonianos - Pseudoplásticos
e dilatantes
com tensão de cisalhamento inicial: requerem a aplicação de
uma tensão de cisalhamento superior a um certo valor para
que haja deformação
conseqüência de uma estrutura
interna que impede a movimentação.
Sob a ação de uma certa tensão, a estrutura do fluido
colapsa e se inicia a deformação. Plásticos de Bingham e
Herschel – Bulkley
Possuem propriedades reológicas dependentes do tempo
de aplicação da tensão de cisalhamento Reopéticos
e
tixotrópicos
Viscoelásticos
Possuem propriedades independentes do tempo de
cisalhamento sem tensão de cisalhamento inicial
Fluido pseudoplástico
Não newtoniano;
Diminuição da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento em
escoamentos cisalhantes estacionários.
Não há uma relação linear entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento.
Tal efeito pode estar acompanhado por outros fenômenos como certa
elasticidade do fluido. O efeito contrário à pseudoplasticidade é chamado de
dilatância (muito raramente encontrado).
Sangue
Fluidos biológicos
apresentam o efeito
de
pseudoplasticidade
apresenta diversos graus de
pseudoplasticidade de acordo com a geometria
em que esteja escoando e com a sua
composição, basicamente, protéica.
-
- suspensão de diversos tipos de partículas
(essencialmente hemácias), a quantidade dessas
partículas também é determinante para que o
grau de pseudoplasticidade varie não só de
indivíduo para indivíduo, mas também dentro do
mesmo indivíduo dependendo do ponto do
organismo onde está circulando o sangue.
Dilatantes
Apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de
cisalhamento.
Ex: 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 freqüentemente acompanha o fenômeno.
Ocorre, então, o contato direto entre as partículas sólidas e
conseqüente aumento da viscosidade aparente.
Exemplos: soluções de amido, farinha de milho, açúcar, etc.
Possuem propriedades independentes do tempo de
cisalhamento com tensão de cisalhamento inicial
Plásticos de Bingham
Herschel – Bulkley
Sob a ação de uma certa tensão, a
estrutura do fluido colapsa e se inicia
a deformação
Possuem propriedades dependentes do tempo de
cisalhamento
Tixotrópicos
Apresentam um decréscimo reversível no tempo da força tangencial
necessária para manter uma taxa de deformação constante, a uma
temperatura constante.
Reopéticos
Apresentam
comportamento
inverso aos tixotrópicos.
Os ciclos de histereses destas
substâncias
dependem
da
velocidade de mudança da taxa
de deformação.
Viscoelásticos
Exibem muitas características de sólidos;
São substâncias que apresentam propriedades viscosas e
elásticas acopladas.
Quando cessa a tensão de cisalhamento ocorre uma certa
recuperação da deformação.
Exemplos: massas de farinha de trigo, gelatinas, queijos,
etc.
DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DE
PROPRIEDADES REOLÓGICAS
Determinação simultânea da tensão de cisalhamento e taxa
de deformação num mesmo ponto do aparelho de medição
Há viscosímetros:
rotacionais e capilares.
Classificados em dois grupos: primário e secundário
Primários
Instrumentos que realizam medidas
diretas da tensão e da taxa de
deformação do fluido;
De disco, de cone-disco e o de
cilindro rotativo;
Todos eles visando a reprodução do
escoamento entre placas planas
paralelas.
Podem ser aplicados para ensaios
tanto de fluidos Newtonianos como de
fluidos com comportamento tensão
versus deformação não-linear e/ou
visco-elástico.
m =viscosidade;
W = velocidade angular
aplicada;
T = torque medido,
que resulta da tensão
oriunda da deformação
do fluido.
Esquema de viscosímetros primários
Viscosímetro primário de Brookfield
muito popular pela facilidade de manuseio.
"spindles"
cada um
apropriado para medir a
viscosidade de fluidos em
uma faixa específica: os de
menor
diâmetro,
as
maiores viscosidades; os
de maior diâmetro, as
menores viscosidades.
Secundários
Inferem a razão entre a tensão
aplicada e a taxa de deformação por
meios indiretos, sem medir a tensão
e deformação diretamente;
aplicam-se somente a fluidos
Newtonianos,
por
medirem
a
viscosidade indiretamente.
Viscosímetro capilar e viscosímetro
de Stokes.
ESQUEMAS DE VISCOSÍMETROS
SECUNDÁRIOS
Capilar
A viscosidade é obtida por
meio da medida do gradiente
de pressão de um escoamento
laminar em um tubo.
Q= vazão volumétrica
L = distância entre as tomadas de pressão
DP= diferença de pressão
D = diâmetro do tubo capilar
Stokes
A viscosidade é obtida
através de medições do
tempo de queda livre de
uma esfera através de
um fluido estacionário.
g= aceleração da gravidade
D= diâmetro da esfera
rs= densidade da esfera
rf = densidade do fluido
V = velocidade terminal de queda livre, isto é, a razão entre a distância L e o
intervalo de tempo Dt.
* Esta relação aplica-se somente para esferas em queda livre em meio infinito, com
Reynolds menores do que 1.
Copo Ford
Fácil manuseio;
A viscosidade está relacionada
com o tempo de esvaziamento
de um copo de volume conhecido
que tem um orifício calibrado na
sua base;
Conjunto de orifícios-padrão
(giglê) feitos de bronze polido
O orifícios de número 2, 3 e 4
são utilizados para medir líquidos
de baixa viscosidade, na faixa de
20 a 310 centistokes;
Os orifícios de número 5, 6, 7
e 8 para líquidos de viscosidade
superior a 310 cst.