REOLOGIA DOS FLUIDOS

Eugene Cook Bingham - publicações da década de vinte; O QUE É REOLOGIA? É o ramo da mecânica dos fluidos que estuda as propriedades físicas que influenciam o transporte de quantidade de movimento num fluido; Eugene Cook Bingham - publicações da década de vinte; Ramo da física que estuda a viscosidade, plasticidade, elasticidade e o escoamento da matéria; Estudo das mudanças na forma e no fluxo de um material, englobando todas estas variantes. Ciência responsável pelos estudos do fluxo e deformações decorrentes deste fluxo, envolvendo a fricção do fluido.

Solventes – viscosidade desprezível Fricção- ocorre internamente no material. Uma camada de fluido possui uma certa resistência ao se deslocar sobre outra. Tudo isto envolve uma complexidade de fatores. O tamanho e geometria de cadeia é um exemplo possível. Exemplo: Resinas - viscosidade elevada, graças ao tamanho de sua cadeia polimerizada; Solventes – viscosidade desprezível Ambos são compostos orgânicos, mas seus comportamentos são totalmente diferentes.

Tensão de cisalhamento Consideremos um elemento de volume com a forma de um paralelepípedo e consideremos a resposta do material a uma força externa aplicada. Sob estas condições, se desenvolverá uma força interna agindo na mesma direção, mas em sentido contrário, denominada tensão, definida como força por área. Existem basicamente dois tipos de tensão: ·       Tensões normais: agem perpendicularmente às faces do corpo. ·       Tensões de cisalhamento: agem tangencialmente às faces do corpo.

Deformação e taxa de deformação Uma força é aplicada na placa superior, resultando na movimentação desta a uma velocidade constante em relação à placa inferior, fixa. Supondo que não haja deslizamento do fluido nas paredes das placas, a força aplicada pela placa no fluido será equilibrada por uma força cisalhante produzida pela viscosidade do fluido. Essa força cisalhante, pela área da placa é a chamada tensão de cisalhamento. A tensão de cisalhamento produz um escoamento viscoso, uma deformação no fluido, e um gradiente de velocidade, que é equivalente à taxa de deformação. Fluido localizado entre duas placas planas separadas por uma distância y.

Viscosidade - propriedade reológica mais conhecida; - é a única que caracteriza os fluidos newtonianos. Viscosidade Aparente: É aquela medida em um único ponto e através de cisalhamento constante. Viscosidade Cinemática: é aquela medida por um sistema de geometria que utiliza-se da gravidade para sua obtenção de medida. É expressa por unidades de Poise ou centiPoise (mPa/s). Utilizada na leitura de viscosidade de fluidos pseudo-plásticos. Viscosímetros: Brookfield, Haake. Medida por copos, tem como método a contagem, através de um cronômetro, do tempo gasto para o fluido escorrer pelo orifício inferior destes copos

CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS

Esquema de classificação dos fluidos segundo comportamento reológico

Fluido newtoniano é um fluido em que cada componente da velocidade é proporcional ao gradiente de velocidade na direção normal a essa componente. A constante de proporcionalidade é a viscosidade. O comportamento newtoniano indica que a viscosidade do fluido é independente da taxa de deformação a que ele está submetido. Possui um único valor de viscosidade, em uma dada temperatura. Exemplos: gases, água, leite, soluções de sacarose, óleos vegetais, etc Fluido não newtoniano não apresentam taxa de deformação diretamente proporcional à tensão de cisalhamento aplicada sob uma determinada área.

São classificados naqueles que: Possuem propriedades reológicas independentes do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. Possuem propriedades reológicas dependentes do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento Viscoelásticos maioria dos fluidos não newtonianos - Pseudoplásticos e dilatantes sem tensão de cisalhamento inicial: com tensão de cisalhamento inicial: requerem a aplicação de uma tensão de cisalhamento superior a um certo valor para que haja deformação conseqüência de uma estrutura interna que impede a movimentação. Sob a ação de uma certa tensão, a estrutura do fluido colapsa e se inicia a deformação. Plásticos de Bingham e Herschel – Bulkley Reopéticos e tixotrópicos

Fluidos biológicos apresentam o efeito de pseudoplasticidade Possuem propriedades independentes do tempo de cisalhamento sem tensão de cisalhamento inicial Fluido pseudoplástico Não newtoniano; Diminuição da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento em escoamentos cisalhantes estacionários. Não há uma relação linear entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento. Tal efeito pode estar acompanhado por outros fenômenos como certa elasticidade do fluido. O efeito contrário à pseudoplasticidade é chamado de dilatância (muito raramente encontrado). Sangue - apresenta diversos graus de pseudoplasticidade de acordo com a geometria em que esteja escoando e com a sua composição, basicamente, protéica. - suspensão de diversos tipos de partículas (essencialmente hemácias), a quantidade dessas partículas também é determinante para que o grau de pseudoplasticidade varie não só de indivíduo para indivíduo, mas também dentro do mesmo indivíduo dependendo do ponto do organismo onde está circulando o sangue. Fluidos biológicos apresentam o efeito de pseudoplasticidade

Dilatantes Apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de cisalhamento. Ex: Suspensões à medida que se aumenta a tensão de cisalhamento, o líquido intersticial que lubrifica a fricção entre as partículas é incapaz de preencher os espaços devido a um aumento de volume que freqüentemente acompanha o fenômeno. Ocorre, então, o contato direto entre as partículas sólidas e conseqüente aumento da viscosidade aparente. Exemplos: soluções de amido, farinha de milho, açúcar, etc. Possuem propriedades independentes do tempo de cisalhamento com tensão de cisalhamento inicial Plásticos de Bingham Herschel – Bulkley Sob a ação de uma certa tensão, a estrutura do fluido colapsa e se inicia a deformação

Possuem propriedades dependentes do tempo de cisalhamento Tixotrópicos Apresentam um decréscimo reversível no tempo da força tangencial necessária para manter uma taxa de deformação constante, a uma temperatura constante.   Reopéticos Apresentam comportamento inverso aos tixotrópicos. Os ciclos de histereses destas substâncias dependem da velocidade de mudança da taxa de deformação.

Viscoelásticos Exibem muitas características de sólidos; São substâncias que apresentam propriedades viscosas e elásticas acopladas. Quando cessa a tensão de cisalhamento ocorre uma certa recuperação da deformação.  

VISCOSÍMETROS

Esquema de viscosímetros primários m =viscosidade; W = velocidade angular aplicada; T = torque medido, que resulta da tensão oriunda da deformação do fluido. Esquema de viscosímetros primários

Viscosímetro primário de Brookfield muito popular pela facilidade de manuseio. "spindles" cada  um apropriado para medir a viscosidade de fluidos em uma faixa específica: os de menor diâmetro, as maiores viscosidades; os de maior diâmetro, as menores viscosidades.

Capilar A viscosidade é obtida por meio da medida do gradiente de pressão de um escoamento laminar em um tubo. Q= vazão volumétrica L = distância entre as tomadas de pressão DP= diferença de pressão D = diâmetro do tubo capilar

Stokes A viscosidade é obtida através de medições do tempo de queda livre de uma esfera através de um fluido estacionário. g= aceleração da gravidade D= diâmetro da esfera rs= densidade da esfera rf = densidade do fluido V = velocidade terminal de queda livre, isto é, a razão entre a distância L e o intervalo de tempo Dt. * Esta relação aplica-se somente para esferas em queda livre em meio infinito, com Reynolds menores do que 1.

Copo Ford Fácil manuseio; A viscosidade está relacionada com o tempo de esvaziamento de um copo de volume conhecido que tem um orifício calibrado na sua base; Conjunto de orifícios-padrão (giglê) feitos de bronze polido O orifícios de número 2, 3 e 4 são utilizados para medir líquidos de baixa viscosidade, na faixa de 20 a 310 centistokes; Os orifícios de número 5, 6, 7 e 8 para líquidos de viscosidade superior a 310 cst.