Aspectos da Reometria

Aspectos da Reometria
Aula 2
Prof. Hamilton Viana
A lei básica
• A medida de viscosidade dos líquidos requer:
¾ definição dos parâmetros envolvidos no fluxo.
• Devem-se encontrar condições adequadas de
teste para:
¾ medida das propriedades do fluxo
• Objetivamente
• Com reprodutividade
A lei básica
• Newton foi o primeiro a expressar a lei básica
da visco simetria, descrevendo o
comportamento de fluxo de um líquido ideal:
⋅
τ =η ⋅γ
⋅
τ =η ⋅γ
•
Tensão de cisalhamento = viscosidade . taxa de cisalhamento
[2]
τ = η .γ
Tensão de cisalhamento
• Uma força F aplicada tangencialmente em uma
área A,
• A área A é a interface entre a placa superior e
o líquido abaixo,
• gera um fluxo na camada líquida;
• A velocidade do fluxo que pode ser mantida
com uma força constante é controlada pela
resistência interna do líquido (viscosidade):
F ( força) N ( Newton)
τ=
=
= Pa[ Pascal ]
A(área)
m²
τ = η .γ
Taxa de cisalhamento
• A tensão de cisalhamento (τ) conduz o líquido
para perfil de fluxo especial;
• A velocidade máxima do fluxo (vmáx) se
encontra na camada superior (figura).
τ = η .γ
Taxa de cisalhamento
• A velocidade diminui no corpo de prova até chegar
a zero
• No fluxo laminar, uma camada infinitamente fina de
líquido desliza sobre a outra,
• O gradiente de velocidade na amostra é a taxa de
cisalhamento
• é definido como uma diferencial (velocida-de pela
distância y).
τ = η .γ
Taxa de cisalhamento
•
• Antes de usar o símbolo “
γ ",
• Usava-se a letra "D" para indicar taxa de
cisalhamento.
τ = η .γ
Viscosidade dinâmica
•
Rearranjando a equação
⋅
τ =η ⋅γ
•
Vem:
η=
•
τ
•
γ
a viscosidade dinâmica η é dada em:
• η = N.s/m² = Pa . s
τ = η .γ
Viscosidade cinemática
• Se líquidos Newtonianos são analisados
por viscosímetros capilares (Ubbeholde
ou Cannon Fenske)
• a viscosidade é determinada com a
unidade de viscosidade cinemática (ν);
• A força da gravidade age como força
motriz;
Viscosidade cinemática
• A densidade (ρ)da amostra é um
parâmetro necessário para
converter viscosidade dinâmica (η)
em viscosidade cinemática (ν):
τ = η .γ
Curvas de viscosidade e de fluxo
• A correlação entre tensão de
cisalhamento e taxa de cisalhamento:
¾define o comportamento de fluxo de
um líquido;
¾é mostrada graficamente em um
diagrama:
ƒ τ na ordenada (eixo y)
ƒ γ na abscissa (eixo x)
¾Este diagrama é chamado de "curva
de fluxo".
τ = η .γ
Curvas de viscosidade e de fluxo
•
O tipo mais simples de uma curva de fluxo:
•A viscosidade na equação é assumida como constante e
independente de γ.
τ = η .γ
Curvas de viscosidade e de fluxo
•
Um outro tipo de curva bastante comum é a curva dfe
viscosidade:
τ = η .γ
Parâmetros de viscosidade
• Viscosidade:
¾É a propriedade física de um líquido
de resistir ao fluxo induzido pelo
cisalhamento,
¾pode depender de seis parâmetros
independentes:
• η = função de S, T, P, γ, t, E
τ = η .γ
Parâmetros de viscosidade
• S - denota a natureza físicoquímica de uma substância:
¾ se o líquido é água, óleo, mel ou um polímero
fundido, etc.
• T - está relacionado à temperatura da
substância:
¾ A experiência mostra que a viscosidade é fortemente
influenciada por mudanças na T
¾ a viscosidade de um óleo mineral sofre um
decréscimo de 10% para um aumento de temperatura
de apenas 1° C.
τ = η .γ
Parâmetros de viscosidade
• P - de "pressão", não é tão testado
quanto a temperatura.
¾ pressão comprime os fluidos,
¾ aumenta a resistência intermolecular;
¾ líquidos e gases são compressíveis sob a
influência de altas pressões
¾ crescimento da pressão tende a aumentar a
viscosidade.
τ = η .γ
Parâmetros de viscosidade
ο γ - "taxa de cisalhamento" γ é um fator decisivo
que influencia a η de muitos líquidos;
o O aumento da taxa de cisalhamento pode
diminuir ou aumentar a viscosidade;
o t - "tempo", indica a dependência da
viscosidade de algumas substâncias
(geralmente dispersões) do tempo ao qual uma
substância foi submetida ao cisalhamento
contínuo
o ou se foi mantida parada antes de ser
analisada.
τ = η .γ
Parâmetros de viscosidade
•
E - "campo elétrico“:
•
relacionado com uma família de suspensões cujo
comportamento de fluxo é muito influenciado pela
magnitude de campo elétrico atuante
•
Essas suspensões são chamadas de:
¾ "fluidos eletroviscosos" (EVF) ou
¾ "fluidos eletroreológicos" (ERF)
•
Contêm partículas dielétricas dispersas:
¾ silicatos de alumínio em líquidos eletrocondutivos (como a
água, que pode ser polarizada em um campo elétrico).
•
EVF’s podem ter suas η mudadas instantânea e
reversivelmente de um baixo nível para um alto nível de
viscosidade
•
EVFs possuem um grande potencial reológico ainda não
explorado
τ = η .γ
Parâmetros de viscosidade
• Recentemente, têm sido pesquisados
fluidos que contêm partículas que
podem se magnetizar em um campo
eletromagnético
• O resultado é uma forte mudança na
viscosidade.
• Fluidos magneto-reológicos (MRF) são
tecnicamente uma alternativa para
ERFs.
τ = η .γ
Líquidos Newtoneanos
• Do conceito do número de Deborah:
¾líquidos Newtonianos = líquidos que
exibem um "comportamento de fluxo
Newtoniano"
• em determinadas condições de:
• tensão de cisalhamento
• ou taxa de cisalhamento.
• Newton assumiu que:
¾o gráfico equivalente da equação [2]
para um líquido ideal seria uma linha
reta:
• com início na origem da curva de fluxo,
• esta reta subiria com uma inclinação de
ângulo α.
τ = η .γ
Líquidos Newtoneanos
• Qualquer ponto desta reta define pares
de valores para τ e γ .
• Dividindo um pelo outro, obtém-se o
valor de η (equação [8]).
• Tal valor pode ser definido como a
tangente do ângulo de inclinação α da
curva de fluxo:
¾ η = tan α.
τ = η .γ
Líquidos Newtoneanos
• A viscosidade (η) não é afetada por
mudanças na taxa de cisalhamento;
• Os líquidos para os quais essa
afirmativa seja verdadeira são
chamados de líquidos Newtonianos
(curvas 1 na figura 6).
¾água,
¾óleo mineral,
¾betume,
¾melaço, etc
Líquidos Newtoneanos
τ = η .γ
Líquidos não-Newtoneanos
• Todos os outros líquidos que não
exibem esse comportamento de
fluxo "ideal" são chamados de
líquidos não-Newtonianos.
• Em quantidade, eles excedem
muito aos líquidos ideais.
Líquidos não-Newtoneanos
τ = η .γ
Líquidos não-Newtoneanos
• A) Líquidos que exibem comportamento de
fluxo pseudoplástico sob certas condições de τ
e γ - são chamados "líquidos pseudoplásticos"
(ambas as curvas 2 na figura 6).
• Muitos líquidos apresentam uma diminuição
drástica na viscosidade quando a γ passa de
níveis baixos para níveis mais altos.
¾ Bombeamento dos produtos farmacêuticos
nas linhas, nos tubos ou capilares;
¾ pulverização das tintas em forma de spray
ou vaporizadas em uma parede;
¾ expulsão de pastas de dente ou cremes
faciais de suas embalagens;
¾ processos de mistura ou a injeção de
polímeros fundidos no molde.
Líquidos não-Newtoneanos
τ = η .γ
Líquidos não-Newtoneanos
• Tecnicamente significa que:
¾ para certa força ou pressão, uma massa
maior pode ser movimentada
¾ ou a energia para manter a mesma taxa de
cisalhamento pode ser reduzida
• Fluidos que sofrem diminuição de η, quando a γ
aumenta, são os pseudoplásticos
• Diversas substâncias de alta importância
técnica e comercial pertencem a esse grupo:
¾ emulsões,
¾ suspensões ou
¾ dispersões
τ = η .γ
Líquidos não-Newtoneanos
¾ Vale citar algumas razões para o efeito de
cisalhamento pseudoplástico dos materiais:
Dispersões paradas e fluindo através de um tubo.
τ = η .γ
Líquidos não-Newtoneanos
• Muitos produtos líquidos que parecem ser
homogêneos são compostos por diversos
ingredientes:
¾ partículas de forma irregular ou
¾ gotas de um líquido dispersas em outro
líquido
Dispersões paradas e fluindo através de um tubo.
• Por outro lado, existem soluções poliméricas
com longas cadeias entrelaçadas e enoveladas
• Parados, todos esses materiais irão manter
uma ordem interna irregular e serão
caracterizados por uma considerável
resistência interna ao fluxo, ou seja, alta η.
τ = η .γ
Líquidos Newtoneanos
• Com o aumento das γ, partículas rígidas se
orientam na direção do fluxo;
• Nas moléculas poliméricas em solução ou no
estado fundido:
¾ os entrelaçamentos entre elas podem ser
desfeitos,
¾ as moléculas se alinham e se orientam na
direção do fluxo
• Alinhamentos de moléculas ou partículas
permitem que elas escorreguem umas pelas
outras mais facilmente.
τ = η .γ
Líquidos Newtoneanos
• Alinhamentos de moléculas ou partículas
permitem que elas escorreguem umas pelas
outras mais facilmente;
• Partículas com forma esférica podem ser
deformadas para a forma de uma "bola de
futebol americano ou “rugby",
¾ menores no diâmetro e mais alongadas.
• Células corpusculares com formato de uma
moeda, assim como as células vermelhas do
sangue suspensas no plasma, podem ter sua
forma mudada para a de longos dedais com
diâmetros reduzidos, o que significa uma
passagem mais fácil através dos pequenos
vasos sangüíneos e uma maior taxa de
escoamento.
τ = η .γ
Líquidos Newtoneanos
• O cisalhamento também pode
induzir a quebra de agregados, o
que pode auxiliar um material a
escoar mais rápido a uma
determinada tensão de
cisalhamento:
¾Esfoliamento de argilas!!!