AP06 - UFG

INSTITUTO DE QUÍMICA – UFG 1
Físico-Química Experimental
Viscosimetria
Objetivo
Determinar a viscosidade (dinâmica) de uma solução hidroalcoólica usando um
viscosímetro capilar.
Introdução
A viscosidade é a propriedade dos fluidos que corresponde ao transporte
microscópico de quantidade de movimento por difusão molecular. Ou seja, quanto maior a
viscosidade de um fluido, menor será a velocidade com que ele se movimenta. A viscosidade
pode ser definida como a resistência de um fluido ao fluxo, ou a uma alteração da forma.
Viscosidade é, portanto, uma medida da resistência de um fluido à deformação
causada por um torque, sendo comumente percebida como a "grossura", ou resistência ao
despejamento. Ela descreve a resistência interna para fluir de um fluido e deve ser pensada
como a medida do atrito do fluido. Assim, a água é "fina", tendo uma baixa viscosidade,
enquanto óleo vegetal é "grosso", tendo uma alta viscosidade.
Formalmente, a viscosidade, , é a razão entre a tensão de cisalhamento (ou tensão
tangencial), τ = 𝐹/𝐴, e o gradiente de velocidade na direção perpendicular às placas
(𝜕𝑣𝑥 /𝜕𝑧):
μ=
τ
𝜕v𝑥 /𝜕𝑧
(1)
com 𝐹 a força e 𝐴 a área. Essa definição está baseada na lei de Newton, onde o líquido é
interpretado como um arranjo de placas paralelas ilustrado na Figura 1. O atrito entre o
fluido e a superfície móvel causa a torsão do fluido, e a viscosidade do fluido é a força
necessária para essa ação.
A viscosidade de um líquido é, então, a
força tangencial 𝐹 necessária para deslocar um
plano de área unitária 𝐴 com velocidade
unitária v em relação a outro plano paralelo,
situado a uma distância unitária 𝐿, sendo o
espaço entre eles ocupado pelo líquido. O
conjunto dessas forças sobre um líquido
produz diferenças de velocidades entre as
camadas adjacentes no interior do líquido.
Figura 1. Fluxo laminar de um fluido entre
Assim, em um líquido escoando através de um
duas placas.
tubo de seção circular, as suas camadas se
movem com velocidades que aumentam da periferia para o centro. Essa forma de
escoamento é conhecida como escoamento laminar. Portanto, quando as placas forem
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movimentadas em sentidos opostos com uma diferença de velocidade ∆v, deve ser aplicada
uma força 𝐹 da direção 𝑥 para contrabalançar a força de cisalhamento do fluido. Essa
definição de viscosidade conforme a eq. 1 é conhecida de viscosidade dinâmica, expressa
em poise, P, que equivale a pascal por segundo, Pas-1. Assim, cP, centipoise, equivale a um
centésimo de poise.
Já a razão entre a viscosidade dinâmica e a densidade do fluido é conhecida como
viscosidade cinemática:
ν=
μ
𝜌
(2)
e é expressa em St (Stokes) que equivale a cm2 s-1.
Muitos fluidos como a água, ou a maioria dos gases, satisfazem aos critérios de
Newton e por isso são conhecidos como fluidos newtonianos. Se a viscosidade é constante,
e independente da tensão de cisalhamento, 𝜏, exibindo um comportamento de fluxo ideal, o
fluido é dito newtoniano. Já os fluidos não newtonianos têm um comportamento mais
complexo e não linear. Água, óleos minerais, soluções salinas, soluções de açúcares,
gasolina, etc., são exemplos de fluidos newtonianos. Como fluidos não newtonianos tem-se
o asfalto, a maioria das tintas, soluções de amido, sacarose, etc.. Fluidos com composições
variadas, como mel, podem ter uma grande variedade de viscosidades, uma vez que a
viscosidade dinâmica depende da natureza do fluido, da temperatura e da pressão.
Existem vários métodos de determinação da viscosidade para líquidos com
escoamento laminar. A maioria deles consiste em determinar as velocidades de
escoamenteo do líquido no interior de um tubo capilar, ou a queda de um corpo esférico, de
densidade conhecida, no líquido.
Os viscosimetros mais utilizados em medidas de viscosidade de líquidos são os
viscosimetros de Ostwald, Höpller e Gilmont (Figura 2). Para fluidos newtonianos, a
viscosidade
pode
ser
determinada tanto a partir da
velocidade da vazão do fluido
através
do
capilar
(viscosimetro de Ostwald),
quanto pela velocidade com
que uma esfera cai no fluido
(viscosímetros de Hopller e
Gilmont). Para líquidos muito
viscosos, em geral, empregase
preferencialmente
o
método
baseado
na
velocidade com que uma
esfera, de raio e densidade
a)
b)
c)
Figura 2. Viscosímetros de a) Ostwald, b) Höpller e c) Gilmont
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conhecidos, desce em um cilindro contendo o líquido de viscosidade desconhecida. Nesse
caso, a viscosidade é determinada utilizando a lei de Stokes, segundo a qual a velocidade
com que a esfera cai em um tubo contendo o líquido é inversamente proporcional à
viscosidade do líquido.
O viscosimentro de Ostwald baseia-se na observação do tempo gasto para o líquido
fluir sob a influência da gravidade através de um tubo capilar de raio e comprimentos
conhecidos, escoando de um reservatório superior de volume definido para um segundo
reservatório inferior. A viscosidade, ou coeficiente de viscodade, é determinada, nesse caso,
através da equação de Poiseuille:
𝜋𝑟 4 𝜌𝑔ℎ
𝜂=
𝑡
8𝑉𝑙
onde 𝑟 é o raio do capilar; 𝑔 é a aceleração da gravidade; ℎ é a diferença de altura entre as
superfícies do líquido nos reservatórios superior e inferior; 𝜌 é a densidade do líquido; 𝑡 é o
tempo gasto para o líquido fluir através do tubo capilar entre os dois reservatórios; 𝑉 é o
volume do reservatório superior e 𝑙 é o comprimento do tubo capilar.
O procedimento usual para determinar a viscosidade absoluta consiste em
determinar a viscosidade do líquido em relação a uma substância de referência em uma
dada temperatura. Já a viscosidade relativa de um líquido é definada como sendo a razão
entre a sua viscosidade absoluta e à da água na mesma temperatura. Para obtê-la medemse, em um mesmo viscosímetro, os tempos de escoamento de volumes iguais do líquido em
estudo e da água a uma dada temperatura. Como os valores de 𝑟, 𝑔, ℎ, 𝑉e 𝑙 na equação
anterior são os mesmos para ambos os líquidos, a razão entre os coeficientes de viscosidade
do líquido e da água é dada por:
𝜂líquido 𝜌líquido 𝑡líquido
=
𝜂água
𝜌água 𝑡água
Assim, conhecendo-se o valor da viscosidade da água, o que pode ser obtido através
de tabelas, calcula-se a viscosidade do líquido em estudo.
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Procedimento experimental
O procedimento será realizado com o viscosímetro capilar
Cannon-Fenske, de 100 ou 75, cujo modelo 200 é ilustrado na
Figura 3.
 Com a ajuda de uma pipeta graduada coloque no viscosímetro,
limpo e seco, 10 mL de água destilada através do tubo de maior
diâmetro;
 Adapte ao braço do viscosímetro de menor diâmetro uma pera
de borracha e aspire, lentamente, o líquido até a metade do
bulbo C;
 Desconecte a pera do tubo de modo a permitir o escoamento
livre do líquido;
 Marque o tempo gasto para o menisco superior passar Figura 3. Viscosímetro
sucessivamente pelas duas marcas de calibração: m e n. Repita capilar Cannon-Fenske
esse procedimento mais duas vezes;
 Usando as misturas hidroalcoólicas já preparadas e uma solução teste, repita, no mesmo
viscosímetro, depois de limpo e seco, o procedimento anterior. Use o mesmo volume usado
para água (10 mL).
 Anote as densidades da água e das soluções, além da temperatura ambiente.
Resultados a Apresentar

Planilha VISCOSIMETRIA.ods
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