Viscosidade e Reologia dos Fluidos

Prof. Luiz Carlos M Neves

Física Aplicada

UNIP

Reologia

• Estudo do comportamento dos materiais quando submetidos a forças (“tensões”) por um período de tempo.

Propriedades Reológicas

• Elasticidade: Capacidade de deformação (reversível) pela ação de uma força externa ou contato.

Propriedades Reológicas

• Plasticidade: Capacidade de deformação irreversível pela ação de uma força externa ou contato. Ocorre após se atingir o chamado limite de escoamento.

Viscosidade

• Parâmetro que indica a resistência de um fluido ao fluxo quando submetido a uma tensão de cisalhamento.

Teoria da Placa

• Moléculas aderidas na superfície da placa terão velocidade igual a ela.

• Moléculas aderidas a uma superfície estática terão zero de velocidade.

• Se forma um gradiente de velocidade à medida que se a molécula se distancia da placa e se aproxima da parede.

Tensão de Cisalhamento

• Age tangencialmente à superfície do material.

• Surge à partir do “choque” ou atrito entre as moléculas do fluido.

• O “choque” é gerado pela diferença na velocidade de deslocamento das moléculas.

O atrito gerado pelo contato entre as diferentes camadas de moléculas do fluido gera uma tensão de cisalhamento (reação ao escoamento/deslocamento do fluido).

Fluidos Newtonianos

• A tensão de cisalhamento (τ) é proporcional ao gradiente de velocidade (taxa de cisalhamento) existente no interior do fluido (dv/dy)

Coeficiente de Viscosidade (μ)

• Indica a resistência ao escoamento de um fluido.

• Unidade no SI: Poise (P).

• Usualmente utilizamos o cP (centiPoise) para indicar os valores de viscosidade.

1 cP = 0,001 Kg/m.s

Tensão de Cisalhamento x Taxa de Cisalhamento

• A viscosidade em fluidos Newtonianos será sempre constante, pois, a relação entre a tensão (τ) e o gradiente de velocidade (dv/dy) será sempre a mesma.

Influência da Temperatura

• O aumento na agitação das moléculas e seu afastamento por conta da ruptura das forças de coesão (interação) provoca alteração na viscosidade dos fluidos.

• Líquidos: a viscosidade diminui com o aquecimento.

• Gases: a viscosidade aumenta com o aquecimento.

Por quê?

• Líquidos: a viscosidade é devido, principalmente, o atrito entre as moléculas e está, diretamente, relacionado às forças de coesão.

• Gases: a distância média das moléculas é elevada e a principal influência sobre a viscosidade passa a ser a diferença de velocidade entre as moléculas e o quanto este contato pode impactar na perda de energia e escoamento do gás.

Fluidos Não-Newtonianos

• São fluidos cuja viscosidade varia com o tempo ou tensão de cisalhamento aplicada.

• Terá variação na relação entre a tensão (τ) e a taxa de cisalhamento (dv/dy).

• São divididos em duas classes:

– Independentes do tempo.

– Dependentes do tempo.

Independentes do Tempo

• Dilatantes

• Pseudoplásticos

• Plásticos de Bingham

Fluido Dilatante

• Viscosidade AUMENTA com a tensão de cisalhamento.

• Será provocado o fenômeno caso se aumente a agitação, a temperatura e a pressão.

• Moléculas de menor ordenação geram maior contato e, portanto, maior atrito.

• Quem são:

coloides e suspensões (amido, polímeros, farináceos, açúcares, macromoléculas)

Fluido Pseudoplástico

• A viscosidade DIMINUI com a tensão de cisalhamento.

• Será provocado o fenômeno caso se aumente a agitação, a temperatura e a pressão.

• Moléculas de maior ordenação terão menor contato e, portanto, menor atrito.

• Quem são:

Polpas, caldos, melaços, cremes entre outros.

Plástico de Bingham

• O fluido só inicia o escoamento caso se aplique uma tensão de cisalhamento (agitação, temperatura ou pressão) mínima.

• Após iniciar o escoamento, entretanto, a viscosidade do fluido se torna constante.

• Quem são:

Suspensões granulares, pastas e pomadas.

Taxa de Cisalhamento

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Taxa de Cisalhamento

Dependentes do Tempo

Além de variar com a tensão de cisalhamento, a viscosidade irá variar com o tempo.

• Reopéticos

• Tixotrópicos

Fluidos Tixotrópicos

• A viscosidade diminui com o tempo de aplicação/exposição da tensão de cisalhamento.

• Quem são:

Suspensões, emulsões, alguns tipos de material biológico, etc.

Fluidos Reopéticos

• A viscosidade aumenta com o tempo de aplicação/exposição da tensão de cisalhamento.

• Quem são:

Alguns fluidos biológicos (sangue, suspensão celular).

Como medir a viscosidade?

• Existem duas formas de medirmos a viscosidade:

– Aparente (μ): medida em um único ponto e

mantendo cisalhamento constante.

(Unidade: Poise)

– Cinemática (ν): medida baseada na gravidade. (Unidade: Stokes)

Viscosidade Aparente (μ)

• Equipamentos: Brookfield e Haake

Viscosidade Cinemática (ν)

• Equipamentos: Copo Ford e Cannon-Fenske

n = μ / d