[Lab 1] - Relatório - Fluidos Newtonianos e Não Newtonianos

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA DORIVAL JUNIOR MATHEUS MATHUCHENKO TATIANE BRETAS VITOR QUIBAO PRETTI FLUÍDOS NEWTONIANOS E NÃO NEWTONIANOS RELATÓRIO PONTA GROSSA 2014 1 SUMÁRIO OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 INTRODUÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 OBJETIVO A aula é composta de duas partes, sendo a primeira com o objetivo de determinar se um fluido é Newtoniano ou Não Newtoniano e a segunda é a determinação da viscosidade de fluidos. INTRODUÇÃO TEÓRICA Fluidos, são assim denominados os líquidos e os gases pelo fato de poderem se escoar com grande facilidade. Seu estudo teve início com Arquimedes e sua mecânica dos fluídos, responsável pelo estudo da hidrostática, força gerada por líquidos e gases. A viscosidade é um termo comumente conhecido que descreve as propriedades de escoamento de um fluido, ou seja, o atrito das camadas internas dentro do fluido que impõe resistência a sua fluidez. Os componentes dos fluidos podem apresentar diferentes formas geométricas, características diversas de ligação, tamanhos variados, que lhe conferem comportamentos distintos. Para estudar essa propriedade, foi criado um estudo específico chamado reologia (estudo do escoamento e deformação da matéria). A viscosidade pode ser influenciada por diversos fatores como, geometria da molécula, ligação, temperatura entre outros. A reologia é o estudo do escoamento e deformação da matéria, ou seja, é o estudo do comportamento deformacional e do fluxo de matéria submetido a tensões, sob determinadas condições termodinâmicas ao longo de um intervalo de tempo. Inclui propriedades como: elasticidade, viscosidade e plasticidade. Quanto mais viscosa a massa, mais difícil de escoar e maior o seu coeficiente de viscosidade. Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando sujeito à ação de uma força. Os fluidos reais (líquidos, gases, sólidos fluidizados) apresentam uma resistência à deformação ou ao escoamento quando submetidos a uma determinada tensão. 3 Para os gases, a viscosidade está relacionada com a transferência de impulso devido à agitação molecular. Já a viscosidade dos líquidos relaciona- se mais com as forças de coesão entre as moléculas. Os líquidos viscosos não possuem forma geométrica definida e escoam irreversivelmente quando submetidos a forças externas. Por outro lado, os sólidos elásticos apresentam forma geométrica bem definida e se deformados pela ação de forças externas, assumem outra forma geométrica de equilíbrio. Muitos materiais apresentam um comportamento mecânico intermediário entre estes dois extremos, evidenciando tanto características viscosas como elásticas e, por este motivo, são conhecidos como viscoelásticos. Numa fase de investigação e desenvolvimento de formulações, as medições reológicas são usadas para caracterizar a facilidade com que o material pode ser despejado de um frasco, ser apertado num tubo ou outro recipiente deformável, manter a forma do produto num frasco, ou, após a extrusão, esfregar o produto sobre a pele ou bombear o produto do equipamento onde se procedeu a mistura ou enchimento. (LACHMAN, et. Al.2001). Devido a sua viscosidade ser uma propriedade específica a uma dada temperatura padrão, alguns materiais (conhecidos como fluídos Newtonianos), são selecionados por essa característica. Entretanto alguns fluidos nãoapresentam essa característica de proporcionalidade entre a temperatura e a força cisalhante, e assim são denominados fluídos Não-Newtonianos. Outros produtos ainda apresentam um comportamento reológico bastante variado, dependentes do tempo e da viscoelasticidade. ( ANSEL, et. al.2000). 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A análise deste experimento foi feita em um Reômetro tipo Brookfield com o sensor Spindle nº SC4-31. A figura abaixo ilustra o equipamento. Figura 3: Reômetro tipo Brookfield A primeira etapa foi realizada no Laboratório de Análises Físicas, do Departamento Acadêmico de Alimentos, com o auxílio da Profª Drª Sabrina Ávila. O fluído utilizado foi a goma xantana, que é um polissacarídeo produzido por espécies de bactérias do gênero Xanthomonas. Sua produção, comercialização e utilização como espessante e estabilizante tornou-se crescente com o passar dos anos. A xantana é solúvel em água fria ou quente, exibindo alta viscosidade até mesmo em baixas concentrações. Na indústria química, as principais aplicações da Goma Xantana são nas indústrias de polímeros e de alimentos. Para a realização dos testes, deve-se inserir uma pequena alíquota de amostra, de acordo com o equipamento. Então observa-se o comportamento da viscosidade em função da velocidade, além da possibilidade de gerar gráficos de taxa de deformação por tensão de cisalhamento. Os ciclos de medida geralmente duram menos de 15 minutos. Para realizar a leitura dos dados, utilizou-se o Software Rheocalc Datal, que foi previamente instalado em um computador acoplado ao Reômetro. 5 Para tanto, preparou-se uma solução de 0,5 g de Goma Xantana para 250 mL de água (concentração 0,02 g/mL), e a inseriu no copo medidor, de maneira a enchê-lo até a sua base. Utilizou-se o spindle médio, uma vez que testes anteriores comprovaram sua eficácia. Na prática do copo Ford, primeiramente é necessário avaliar as amostras previamente para selecionar o copo adequado para esta, sendo que quanto maior a viscosidade, maior o orifício necessário para dar fluidez ao liquido. Preencheu-se o copo com a amostra e retirou-se o excesso com o auxílio de uma espátula. Então, posiciona-se um béquer abaixo do copo e ao mesmo tempo tampa-se o orifício. A função do béquer é de recolher o material. Figura 4: Copo Ford para análise de viscosidade Assim que o orifício foi aberto, acionou-se um cronômetro. A pausa da marcação de tempo deve foi feita assim que se formar a primeira bolha na linha de escoamento. Com este tempo, pode-se calcular a viscosidade da amostra de acordo com uma equação específica do copo utilizado. 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES  REÔMETRO Inicialmente, um gráfico “Shear Rate x Shear Stress” (tensão de cisalhamento x taxa de deformação) foi feito para verificar o comportamento do fluído, e assim caracterizá-lo como newtoniano ou não newtoniano. Por existir vários valores de taxa de deformação para cada tensão obtida, realizou-se uma média aritmética entre os valores da taxa de deformação. Os valores coletados em um dos experimentos estão expressos na tabela abaixo: Viscosity Speed % Torque Shear Stress Shear Rate Time (cisalhamento) (deformação) Interval 1.050 001 004 004 000 00:00:17,8 1.080 001 004 004 000 00:00:15,0 1.050 001 003 004 000 00:00:15,0 990 001 003 003 000 00:00:15,0 930 001 003 003 000 00:00:15,0 990 001 003 003 000 00:00:15,0 990 001 003 003 000 00:00:15,0 960 001 003 003 000 00:00:15,0 900 001 003 003 000 00:00:15,0 066 026 006 006 009 00:00:15,1 112 026 010 010 009 00:00:15,0 112 026 010 010 009 00:00:15,0 112 026 010 010 009 00:00:15,0 111 026 010 010 009 00:00:15,1 112 026 010 010 009 00:00:15,0 111 026 010 010 009 00:00:15,1 112 026 010 010 009 00:00:15,0 111 026 010 010 009 00:00:15,0 112 026 010 010 009 00:00:15,1 121 051 020 021 017 00:00:15,1 071 051 012 012 017 00:00:15,0 7 071 051 012 012 017 00:00:15,1 071 051 012 012 017 00:00:15,0 071 051 012 012 017 00:00:15,0 071 051 012 012 017 00:00:15,1 071 051 012 012 017 00:00:15,0 071 051 012 012 017 00:00:15,1 071 051 012 012 017 00:00:15,1 071 051 012 012 017 00:00:15,0 043 075 011 011 026 00:00:15,0 055 075 014 014 026 00:00:15,0 056 075 014 014 026 00:00:15,0 056 075 014 014 026 00:00:15,0 056 075 014 014 026 00:00:15,1 056 075 014 014 026 00:00:15,0 056 075 014 014 026 00:00:15,0 056 075 014 014 026 00:00:15,0 056 075 014 014 026 00:00:15,1 056 075 014 014 026 00:00:15,1 059 100 020 020 034 00:00:15,1 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,0 047 100 016 016 034 00:00:15,1 047 100 016 016 034 00:00:15,0 A partir dos dados obtidos da tabela “xantana 1.xls” de arquivo de Excel, foram retirados os dados referentes à tensão de cisalhamento e taxa de deformação. Com auxílio do programa Windows Excel foi construído um gráfico de Tensão de cisalhamento x Taxa de deformação. 8 Gráfico 1 – Tensão de cisalhamento x Taxa de deformação Comportamento da goma xantana 018 Tensão de cisalhamento 016 014 012 010 Série1 008 006 004 002 000 -010 000 010 020 030 040 Taxa de deformação Alguns pontos coletados foram excluídos por apresentarem-se incoerentes, o que ocorre devido a leituras realizadas enquanto ocorre mudança de velocidade do spindle. Analisando o gráfico nota-se uma não linearidade, que é uma característica de fluidos não newtonianos, que esta associada à relação da deformação e não segue a lei de Hooke, a qual a tensão é proporcional à deformação pode-se notar que a viscosidade varia com a variação da tensão; sendo assim, pode-se afirmar que a solução de goma xantana apresenta um comportamento de fluidos não newtonianos. Para fluidos não-newtonianos existem subdivisões, dentre elas, podem ser citados os dilatantes e pseudoplásticos. Nos fluidos não-newtonianos, a viscosidade dinâmica é denominada viscosidade aparente, devido a variação. Para verificar em qual classificação, se encaixa a goma xantana, fluido não newtoniano, foi plotado o seguinte gráfico da viscosidade x Tensão de cisalhamento: 9 Gráfico 2 – Viscosidade x Tensão de cisalhamento 1.400 1.200 1.000 Viscosidade 800 600 Série1 400 200 000 000 005 010 015 020 Tensão de cisalhamento  Verifica-se neste gráfico, uma não linearidade da viscosidade do fluido em questão, com auxilio da literatura, pode-se concluir que como a viscosidade do fluido diminui com o aumento tensão de cisalhamento a solução apresenta comportamento de um fluido pseudoplástico.  COPO FORD Os tempos de escoamento da glicerina foram anotados e apresentam-se na tabela abaixo: LÍQUIDO EXPERIMENTO TEMPO (s) 1 40,66 2 38,60 3 37,60 Glicerina 4 35,94 5 41,2 6 36,02 7 34,70 10 O copo 5 seria o mais indicado para a medição da faixa de viscosidade em que encontra-se a glicerina, mas na ausência deste, realizou-se a medição através do copo nº4. A equação para o copo nº 4 é: A viscosidade cinemática obtida através da equação e dos tempos obtidos foi bastante inferior à viscosidade apresentada na literatura. Isso pode ser explicado pela ausência do copo ideal para a realização do experimento. 11 CONCLUSÃO O primeiro método exige equipamentos melhores e um investimento muito maior. O segundo método é mais simples e mais barato, porém apresenta resultados menos precisos e confiáveis. A escolha do método depende de cada aplicação, da condição financeira e da importância da precisão dos resultados. É possível encontrar ambos os métodos em indústrias químicas, e é de extrema importância o engenheiro químico conhecer e saber realizar os dois procedimentos. Ao analisarmos o valor de viscosidade obtido, é possível perceber que houve uma disparidade relevante entre o valor obtido e o da literatura, possivelmente devido a erros experimentais, dentre eles a inexistência na instituição do equipamento ideal para o cálculo de viscosidade. De um modo geral, percebeu-se que o método para determinar a viscosidade de fluidos por meio do Copo trata de um procedimento simples, cujo investimento não abrange um valor elevado. Em contrapartida, o parâmetro obtido é pouco preciso. 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - ANSEL, Howard C.et. al. Formas Farmacêuticas e Sistemas de Liberação de Fármacos. 69ª edição.editora Premier. São Paulo 2000. 548p. - ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA, John M.; Mecânica dos fluidos: Fundamentos e Aplicações; McGraw Hill, 2007. - ENQ.UFSC. Reologia de fluídos. Florianópolis: Ufsc, 2000 - FOX, Robert W; MCDONALD, Aland T. Mecânica dos fluidos. 5. ed. Rio de Janeiro: Ltc, 1998. LACHMAN, Leon et. Al. Teoria e Prática na Indústria Farmacêutica. Vol.1 editora Fundação Calouste Gulibenkian. Lisboa 2001. 505p. 13