O que é viscosidade?

A viscosidade de um fluido é uma medida de sua resistência ao fluxo. Ele descreve o atrito interno de um fluido em movimento. Os fluidos viscosos resistem ao movimento porque sua composição molecular cria muito atrito interno. Fluidos com baixa viscosidade fluem facilmente porque sua composição molecular cria pouco atrito quando estão em movimento.

Em um nível molecular, a viscosidade é causada pelas interações entre diferentes moléculas em um fluido. Isso também pode ser considerado como sendo o atrito entre as moléculas. Assim como no caso de atrito entre sólidos em movimento, a viscosidade determinará a energia necessária para fazer um fluido fluir.

A melhor maneira de visualizar isso é através de um exemplo. Considere um copo feito de isopor com um buraco no fundo. Percebo que o copo drena muito lentamente quando despejamos mel nele. Isso ocorre porque a viscosidade do mel é relativamente alta quando comparada a outros líquidos. Quando enchemos o mesmo copo com água, por exemplo, a água vai escorrer muito mais rápido. Um fluido com baixa viscosidade é considerado “fino”, enquanto um fluido de alta viscosidade é considerado “espesso”. É mais fácil passar por um fluido de baixa viscosidade (como a água) do que um fluido de alta viscosidade (como o mel).

Fatores que afetam a viscosidade

A viscosidade é influenciada por muitos fatores. Exemplos incluem temperatura, pressão e a adição de outras moléculas. A pressão tem um pequeno efeito nos líquidos e é frequentemente ignorada. A adição de moléculas pode ter um efeito significativo. O açúcar, por exemplo, torna a água mais viscosa.

A temperatura, no entanto, tem o maior impacto na viscosidade. O aumento da temperatura em um líquido diminui a viscosidade porque dá às moléculas energia suficiente para superar a atração intermolecular. O efeito da temperatura na viscosidade é o oposto para os gases. À medida que a temperatura do gás aumenta, a viscosidade aumenta. A viscosidade do gás não é significativamente afetada pela atração intermolecular, mas pelo aumento da temperatura, o que faz com que mais moléculas colidam.

Viscosidade dinâmica e cinética

Existem duas maneiras de relatar a viscosidade. Absoluto ou viscosidade dinamica é uma medida da resistência de um fluido ao fluxo enquanto viscosidade cinemática é a razão entre a viscosidade dinâmica e a densidade de um fluido. Embora a relação seja direta, é importante lembrar que dois fluidos com os mesmos valores de viscosidade dinâmica podem ter densidades diferentes e, portanto, valores de viscosidade cinemática diferentes. E, claro, viscosidade dinâmica e viscosidade cinemática têm unidades diferentes.

Unidades de viscosidade

A unidade SI para viscosidade é newton-segundo por metro quadrado (N·s/m2). No entanto, muitas vezes você verá a viscosidade expressa em termos de pascal-segundo (Pa·s), quilograma por metro por segundo (kg·m−1·s−1), poise (P ou g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) ou centipoise (cP). Isso faz com que a viscosidade da água a 20°C seja de cerca de 1 cP ou 1 mPa·s.

Na engenharia americana e britânica, outra unidade comum é libra-segundos por pé quadrado (lb·s/ft2). Uma unidade alternativa e equivalente é libra-força-segundo por pé quadrado (lbf·s/ft2).

Unidades de Viscosidade Dinâmica

Equilíbrio (símbolo: P)

Poise (símbolo: P) Em homenagem ao médico francês Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869), esta é a unidade CGS de viscosidade, equivalente a dine-segundo por centímetro quadrado. É a viscosidade de um fluido no qual uma força tangencial de 1 dine por centímetro quadrado mantém uma diferença de velocidade de 1 centímetro por segundo entre dois planos paralelos separados por 1 centímetro. Mesmo em relação aos fluidos de alta viscosidade, esta unidade é mais comumente encontrada como o centipoise (cP), que é 0.01 poise. Muitos fluidos comuns têm viscosidades entre 0.5 e 1000 cP

Pascal-segundo (símbolo: Pa · s)

Esta é a unidade SI de viscosidade, equivalente a newtons por segundo por metro quadrado (N · sm – 2). É por vezes referido como “poiseuille” (Pl). Um equilíbrio é exatamente 0.1 Pa · s. Um poiseuille é 10 poise ou 1000 cP, enquanto 1 cP = 1 mPa · s (um milipascal-segundo).

Unidades de viscosidade cinemática

Stokes (símbolo: St)

Esta é a unidade cgs, equivalente a centímetro quadrado por segundo. Um stokes é igual à viscosidade em poise dividida pela densidade do fluido em g cm–3. É mais comumente encontrado como centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt Segundos Universal

Este é o tempo para 60 ml de fluido fluir através do orifício calibrado de um viscosímetro Saybolt Universal a uma temperatura especificada de viscosidade cinemática, conforme prescrito pelo método de teste ASTM D 88. Para viscosidades mais altas, é usado SSF (Saybolt Seconds Furol).

Fórmula para viscosidade

Modelo básico de escoamento entre duas placas [1]

A razão da força externa (F) para a área afetada (A) é definido como o tensão de cisalhamento (σ):

σ = F/A

O tensão de cisalhamento (γ) é definido como a mudança relativa no comprimento do material devido à força externa:

γ = l/l₀

A razão entre a tensão de cisalhamento (σ) e a tensão de cisalhamento (γ) é definido como o módulo (G):

G = σ/ γ

Se a placa superior na Figura 1 está se movendo a uma certa velocidade (v), o gradiente de velocidade dv/dx é definido como o taxa de cisalhamento (γ̇). Sir Isaac Newton, que formulou as leis do movimento e da gravitação universal, descobriu que em fluidos ideais (conhecidos como fluidos newtonianos), a tensão de cisalhamento (σ) está diretamente relacionado com a taxa de cisalhamento (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Fluidos Newtonianos e Não Newtonianos

Os fluidos newtonianos, como são chamados, têm uma viscosidade constante. À medida que você aumenta a força, a resistência aumenta, mas é um aumento proporcional. Não importa quanta força seja aplicada a um fluido newtoniano, ele continua agindo como um fluido. UMA Fluido newtoniano é um fluido que obedece à lei de atrito de Newton, onde a viscosidade é independente da taxa de deformação.

A viscosidade permanece constante, independentemente das mudanças na taxa de cisalhamento ou agitação. À medida que a velocidade da bomba aumenta, o fluxo aumenta proporcionalmente. Líquidos que exibem comportamento newtoniano incluem água, óleos minerais, xarope, hidrocarbonetos e resinas.

Fluidos não newtonianos

A fluído não-newtoniano é aquele que não obedece à lei de atrito de Newton. A maioria dos sistemas de fluidos não são newtonianos (conhecidos como fluidos não newtonianos) e sua viscosidade não é constante, mas muda em função do aumento ou diminuição da taxa de cisalhamento aplicada.

Muitos fluidos mostram uma diminuição na viscosidade em função do aumento da taxa de cisalhamento. Esses fluidos são chamados fluidos pseudoplásticos. A “estrutura” do fluido nesses sistemas é quebrada devido à força externa, resultando em uma cisalhamento desbaste comportamento. Se a associação inicial entre partículas (ou molecular) for forte, o sistema pode se comportar como um sólido em repouso. A tensão de cisalhamento inicial necessária para superar as forças internas e romper a estrutura é definida como valor de rendimento do sistema. Materiais que exibem um valor de escoamento e então demonstram afinamento de cisalhamento com o aumento da taxa de cisalhamento são definidos como fluidos plásticos. Alguns fluidos exibem um aumento na viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento, um fenômeno conhecido como espessamento de cisalhamento. Esses materiais são definidos como fluidos dilatantes.

Tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento [1]

Viscosidade em função da taxa de cisalhamento [1]

Comportamento do fluxo ao longo do tempo: Tixotropia

Um fluido complexo se reorganiza ao longo do tempo quando uma força externa é removida. Assim, a viscosidade não deve ser medida apenas pelo aumento da taxa de cisalhamento à medida que a estrutura é quebrada, mas também pela diminuição da taxa de cisalhamento à medida que o sistema se restabelece. Isso é chamado de histerese.

Em uma recuperação rápida, o gráfico de viscosidade versus taxa de cisalhamento decrescente seria sobreposto ao gráfico de viscosidade versus taxa de cisalhamento crescente. Se o fluido demorar para restaurar sua estrutura, a “curva descendente” estaria abaixo da “curva ascendente”. Tixotropia é definido como exibindo afinamento de cisalhamento com taxa de cisalhamento aumentada e recuperação mais lenta com taxa de cisalhamento decrescente. Dentro não tixotrópico materiais, as curvas “para cima” e “para baixo” se sobrepõem e em reopético materiais, a curva “para baixo” está acima da curva “para cima”.

Mas enquanto os fluidos tixotrópicos são ocasionalmente confundidos com fluidos pseudoplásticos, e os fluidos reopéticos são ocasionalmente confundidos com fluidos dilatantes, esses dois tipos de fluidos diferem de uma maneira crucial: dependência do tempo. A mudança na viscosidade em relação à tensão para fluidos dilatantes e pseudoplásticos é independente do tempo. Mas para fluidos tixotrópicos, a viscosidade diminui com o aumento da tensão quanto mais tempo a tensão é aplicada. O mesmo vale para fluidos reopéticos, a viscosidade aumenta com o aumento da tensão quanto mais tempo a referida tensão é aplicada.

Usamos muitos produtos na vida diária que apresentam comportamento tixotrópico. A tixotropia é a propriedade que explica por que produtos de cuidados pessoais como géis de cabelo e pasta de dente passam de líquido para sólido quando espremidos, mas retornam ao estado sólido depois para manter sua forma. As propriedades reológicas de decomposição estrutural e regeneração em relação ao tempo determinam a qualidade de um produto.

Viscosidade em função da taxa de cisalhamento – comportamento tixotrópico e não tixotrópico (as setas mostram taxa de cisalhamento crescente ou decrescente) [1]

Viscosidade em relação ao estresse ao longo do tempo (comportamento tixotrópico vs comportamento reopético) [2]

Importância da viscosidade na vida diária

Em muitos campos diferentes, a viscosidade pode realmente ser bastante útil, embora pareça ter pouca importância na vida diária. Por exemplo:

• Lubrificação em veículos.Quando você coloca óleo em seu carro ou caminhão, você deve considerar sua viscosidade. É porque a viscosidade afeta o atrito, que afeta o calor. Além disso, a viscosidade afeta tanto a taxa de consumo de óleo quanto a facilidade com que seu veículo dá partida em condições quentes e frias. A viscosidade de alguns óleos permanece a mesma à medida que aquecem e resfriam, enquanto outros se tornam mais finos à medida que aquecem, causando problemas ao operar seu carro durante um dia quente de verão.
• Na preparação e serviço de alimentos, a viscosidade desempenha um papel significativo. Muitos óleos de cozinha tornam-se muito mais viscosos com o resfriamento, enquanto outros podem não alterar a viscosidade. Como a gordura é viscosa quando aquecida, torna-se sólida quando resfriada. A viscosidade de molhos, sopas e ensopados também é importante em diferentes cozinhas. Quando diluída, uma sopa grossa de batata e alho-poró torna-se vichyssoise francesa. O mel, por exemplo, é bastante viscoso e pode alterar a “sensação de boca” de certos alimentos.
• O equipamento na fabricação precisa ser devidamente lubrificado para funcionar sem problemas. As tubulações podem ser obstruídas e obstruídas por lubrificantes viscosos. Lubrificantes finos fornecem proteção insuficiente para peças móveis.
• Quando os fluidos são injetados por via intravenosa, a viscosidade pode ser crucial. Uma grande preocupação envolve a viscosidade do sangue: o sangue muito viscoso pode formar coágulos internos, enquanto o sangue muito fino não coagula, causando perda de sangue perigosa e até a morte.

Algumas viscosidades típicas