6 maneiras de medir a viscosidade do fluido

A viscosidade é uma das propriedades físicas mais essenciais dos fluidos industriais, como revestimentos, tintas e adesivos.

Essencialmente, a viscosidade indica a resistência de um fluido à deformação por tensões de cisalhamento ou tração. Em outras palavras, esta propriedade descreve o atrito entre as moléculas do fluido causando movimento relativo de oposição entre as camadas de fluido movendo-se em diferentes velocidades. A viscosidade pode ser uma pista sobre como um fluido se comportará sob uma força aplicada ou seu próprio peso.

Quanto mais viscoso é um fluido, mais “espesso” ele parece ser. Por exemplo, óleo ou graxa têm viscosidades mais altas que a água e, portanto, parecem mais espessas.

Os fabricantes de óleo, revestimentos, tintas e adesivos geralmente têm a tarefa de determinar a viscosidade ideal de seus produtos para aplicações específicas. (Para saber mais sobre este tópico, consulte: Requisitos de serviço e fatores ambientais para revestimentos .)

Fluidos de baixa viscosidade tendem a fluir mais facilmente. Portanto, ter um revestimento com uma viscosidade muito baixa pode causar escorregões e flacidez. Por outro lado, um revestimento com viscosidade muito alta pode ser “rígido” e difícil de aplicar.

Neste artigo, veremos a diferença entre viscosidades dinâmicas e cinemáticas, bem como os vários métodos com os quais elas são medidas.

Viscosidade dinâmica

A viscosidade dinâmica, também conhecida como viscosidade absoluta, é a resistência de um fluido ao fluxo de cisalhamento devido a uma força externa aplicada. Ele descreve a quantidade de resistência interna oferecida quando uma camada do fluido se move sobre outra camada em um plano horizontal.

A viscosidade dinâmica é especialmente útil ao descrever fluidos não newtonianos.

Matematicamente, a viscosidade dinâmica pode ser expressa como:

μ =τ dy / dc =τ/γ

Onde:

• τ =tensão de cisalhamento no fluido (N/m ² ).
• μ =viscosidade dinâmica do fluido (N s/m ² ).
• dc =velocidade unitária (m/s).
• dy =distância unitária entre camadas (m).
• γ =dc / dy =taxa de cisalhamento (s ^-1 ).

A unidade SI para viscosidade dinâmica é N s/m ² ou o Pascal-segundo (Pa s). Outra unidade de medida para a viscosidade dinâmica é o equilíbrio (p), onde um equilíbrio é igual a um décimo de N s/m ² ou 1/10 Pas.

A unidade de equilíbrio às vezes pode ser muito grande para fins práticos. Por esta razão, a unidade centipoise (cP) é frequentemente usada em seu lugar. Na unidade centipoise, um cP é igual a 0,01P, 0,001 N s/m ² ou 0,001 Pas.

Viscosidade cinemática

A viscosidade cinemática é simplesmente a razão entre a viscosidade dinâmica e a densidade do fluido. Ele reflete a resistência de um fluido ao fluxo de cisalhamento sob a influência da gravidade, ou seja, fluxo de cisalhamento devido ao próprio peso do fluido.

Esta viscosidade é especialmente útil na descrição de fluidos newtonianos. Matematicamente, a viscosidade cinemática pode ser expressa como:

ν =μ / ρ

Onde:

• ν =viscosidade cinemática (m ² /s).
• μ =viscosidade absoluta ou dinâmica (N s/m ² ).
• ρ =densidade (kg/m ³ ).

A unidade SI para viscosidade dinâmica é m ² /s. Outra unidade de medida para esta propriedade é Stoke (St), onde um St é igual a 10 ^-4 m ² /s é igual a 1 cm ² /s.

Onde o valor da viscosidade em Stoke é muito grande, a unidade menor centistoke (cSt) é frequentemente usada em seu lugar. No centistoke, um cSt é igual a 10 ^-6 m ² /s =1 mm ² /s.

Como a viscosidade é medida?

Existem vários métodos diferentes para medir a viscosidade dinâmica e cinemática. Alguns dos métodos mais comuns são os seguintes:

1. Copos de viscosidade

Os copos de viscosidade são usados ​​para determinar a viscosidade cinemática de um fluido e normalmente são feitos de alumínio anodizado com um orifício de aço inoxidável. (Para saber mais sobre este tópico, consulte: Compreendendo a corrosão do alumínio .)

Este teste relativamente simples envolve colocar o fluido em um recipiente com uma pequena abertura na parte inferior. O fluido é permitido fluir através da abertura em uma quantidade precisa. O tempo que o fluido leva para passar pela abertura é medido e correlacionado com a viscosidade através do uso de gráficos fornecidos para o copo fornecido.

Copos de viscosidade são normalmente usados ​​para medir a consistência de tintas, vernizes e produtos similares. Uma tabela é então usada para converter o tempo de efluxo (em segundos) em viscosidade em centistokes (cSt).

Os copos Ford e Zahn são algumas das variedades de copos de viscosidade mais usadas. Cada design de copo é único; portanto, deve-se tomar cuidado ao comparar os valores de viscosidade entre os diferentes tipos de copos. Os valores que um copo de viscosidade fornece é um valor absoluto e não inclui as tolerâncias permitidas, pois elas diferem consideravelmente entre cada um dos padrões.

2. Viscosímetros Vibracionais

Viscosímetros vibracionais operam imergindo um ressonador eletromecânico oscilante no fluido de teste e medindo o grau de amortecimento que o fluido oferece. O ressonador geralmente oscila torcionalmente ou transversalmente e o amortecimento pode ser determinado por:

• Gravando a entrada de energia necessária para manter o aparelho vibrando em uma amplitude constante.
• Medição do decaimento de tempo da oscilação após o desligamento da vibração.
• Medição da frequência do ressonador em relação a vários ângulos de fase.

O viscosímetro de quartzo é um exemplo de um viscosímetro vibracional. Com este método, um cristal de quartzo oscilante é imerso em um fluido e a influência específica no comportamento oscilante define a viscosidade. Um campo elétrico aplicado ao oscilador faz com que o sensor se mova e resulta no cisalhamento do fluido. (Para saber mais sobre este tópico, consulte: Corrosão e interferência elétrica em estruturas metálicas enterradas .)

O movimento do sensor é então influenciado pelas forças externas (a tensão de cisalhamento) do fluido, que afeta a resposta elétrica do sensor.

3. Viscosímetros Rotacionais

Os viscosímetros rotacionais funcionam medindo o torque necessário para girar um objeto no fluido de teste. Veja como o processo se desenrola:

1. Uma das superfícies está parada.
2. A superfície de acoplamento é girada por uma unidade externa.
3. Fluido preenche o espaço entre as superfícies. O torque necessário para girar um disco ou pêndulo a uma velocidade predeterminada é medido e registrado.

O torque que mantém a velocidade ajustada é diretamente proporcional à viscosidade; portanto, o aparelho é capaz de emitir valores de viscosidade, tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento. Como uma força de cisalhamento externa é aplicada ao líquido, os viscosímetros rotacionais medem a viscosidade dinâmica de um fluido.

Copos, bobs, cones e placas são todos os tipos de viscosímetros rotacionais. Os viscosímetros Cup e Bob consistem em cilindros coaxiais de diferentes diâmetros. Um volume de uma amostra a ser cisalhada é armazenado dentro de uma célula de teste; o torque necessário para atingir uma certa velocidade de rotação é medido e plotado.

Viscosímetros de cone e placa têm um medidor de torque preciso que é acionado como velocidade de rotação discreta. Ele usa cone de ângulo estreito próximo a uma placa plana. A viscosidade é calculada a partir da tensão de cisalhamento e da taxa de cisalhamento. (Para saber mais sobre este tópico, consulte: Os efeitos da corrosão no comportamento de cisalhamento dos materiais .)

4. Viscosímetros Capilares

O viscosímetro capilar é um dos primeiros métodos conhecidos para determinar a viscosidade do fluido.

Este método mede o tempo necessário para um volume definido de fluido fluir através de um tubo capilar em forma de U de diâmetro e comprimento conhecidos. O tubo geralmente tem duas marcas - uma marca superior e uma marca inferior - que são usadas como referência de medição. O tempo que o fluido leva para passar por essas marcas é proporcional à viscosidade cinemática; portanto, a viscosidade pode ser determinada usando fórmulas padrão.

Viscosímetros capilares incluem os viscosímetros Ostwald e Ubbelohde. Ambos são instrumentos em forma de U, possuem dois bulbos de vidro e utilizam tubos capilares. (Para saber mais sobre como o vidro pode prevenir a corrosão, consulte: Uma olhada nos revestimentos de barreira de corrosão para proteção contra corrosão interna .)

Uma grande vantagem do viscosímetro Ubbelohde, no entanto, é que os valores obtidos são independentes do volume total do líquido utilizado. A principal diferença entre os viscosímetros Ostwald e Ubbelohde é que o viscosímetro Ostwald é adequado para medir líquidos de baixa a moderada viscosidade, enquanto o viscosímetro Ubbelohde é adequado para medir líquidos de alta viscosidade.

5. Viscosímetros de esfera descendente

O viscosímetro de esfera descendente é usado para determinar a viscosidade dinâmica do fluido Newtoniano transparente.

O conceito envolve medir o tempo que leva para uma esfera de densidade conhecida cair através de um tubo cheio de amostra sob gravidade. O tubo geralmente é montado em um aparelho que pode girar rapidamente 180 graus para permitir a repetição do teste. O tempo médio de três testes é registrado e usado em uma fórmula de conversão para determinar a viscosidade da amostra.

Viscosímetros de esfera descendente são usados ​​para controle de qualidade em várias indústrias, bem como em instituições acadêmicas para ilustrar o método científico. A facilidade de uso e o método direto para registrar medições de tempo garantem resultados de teste significativos.

6. Consistômetros

Um consistômetro é um aparelho composto por uma calha de metal com uma pequena seção barrada atrás de um portão com mola. Veja como funciona:

1. A amostra a ser testada é colocada atrás do portão com mola.
2. O portão é levantado, permitindo que a amostra flua livremente sob seu próprio peso.
3. A distância que o líquido flui em um tempo específico é medida através das gradações do aparelho.

O próprio consistômetro não mede os valores de viscosidade diretamente; em vez disso, permite que os usuários desenvolvam seus próprios padrões específicos para os produtos que estão sendo testados. Este método é mais popular na indústria alimentícia e normalmente é usado para medir a viscosidade de produtos como ketchup, maionese, conservas, recheios, sopas, alimentos para bebês e molhos para saladas. (Para saber mais sobre a indústria alimentícia, consulte: As propriedades de corrosão do alumínio e suas ligas .)

Fatores que afetam a viscosidade

Existem vários fatores dos quais a viscosidade do fluido depende. Estes são:

• Temperatura do fluido. Normalmente, a viscosidade de um líquido diminui com o aumento da temperatura. No entanto, a viscosidade de um gás geralmente aumenta com o aumento da temperatura.
• Condições de fluxo. Para fluxo laminar, a viscosidade de um líquido permanece constante; enquanto que para o fluxo turbulento a viscosidade muda.
• Pressão. Quando a pressão aumenta, a viscosidade de um gás geralmente aumenta. Para líquidos, por serem incompressíveis, a pressão não tem muito impacto.
• Fluxo multifásico. A viscosidade do fluxo multifásico é alterada pelo volume de cada fase.
• Partículas suspensas. Materiais suspensos resultam em aumento da viscosidade.
  
  

Lei da Viscosidade de Newton

A relação entre a tensão de cisalhamento de um fluido e a taxa de cisalhamento sob tensão mecânica é governada pela lei da viscosidade de Newton.

A lei da viscosidade de Newton afirma que, para uma dada temperatura e pressão, a tensão de cisalhamento entre duas camadas adjacentes em um fluido é proporcional aos gradientes de velocidade entre essas camadas. Em outras palavras, a razão entre a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento em um fluido é uma constante e é o coeficiente de viscosidade.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

Conclusão

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.