6 maneiras de medir a viscosidade de fluidos

Masigo Uncategorized outubro 16, 2025 | 0

Por
Krystal Nanan
| Revisado por
Raghvendra Gopal
Publicado: 30 de março de 2022 | Última atualização: 19 de julho de 2024

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, essa propriedade descreve o atrito entre as moléculas do fluido, causando movimento relativo de oposição entre camadas de fluido que se movem em velocidades diferentes. A viscosidade pode ser uma pista sobre como um fluido se comportará sob uma força aplicada ou sob seu próprio peso.

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

Fabricantes de óleo, revestimentos , tintas e adesivos geralmente são encarregados de determinar a viscosidade ideal de seus produtos para aplicações específicas. (Para mais informações sobre este tópico, consulte: Requisitos de serviço e fatores ambientais para revestimentos .)

Fluidos de baixa viscosidade tendem a fluir com mais facilidade. Portanto, um revestimento com viscosidade muito baixa pode causar escoamento e flacidez . Por outro lado, um revestimento com viscosidade muito alta pode ficar “rígido” e difícil de aplicar.

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

Viscosidade Dinâmica

Viscosidade dinâmica , também conhecida como viscosidade absoluta, é a resistência de um fluido ao fluxo de cisalhamento devido a uma força externa aplicada. Ela 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 do SI para viscosidade dinâmica é N s/m ² ou Pascal-segundo (Pa s). Outra unidade de medida para viscosidade dinâmica é o poise (p), onde um poise equivale a um décimo de N s/m ² ou 1/10 Pa s.

A unidade de poise às vezes pode ser grande demais para fins práticos. Por esse motivo, a unidade centipoise (cP) é frequentemente usada em seu lugar. Na unidade centipoise, um cP é igual a 0,01P, 0,001 N s/m² ^ou 0,001 Pa s.

Viscosidade Cinemática

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

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

Quando o valor da viscosidade em Stoke é muito alto, 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

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 mais informações sobre este tópico, consulte: Compreendendo a Corrosão do Alumínio .)

Este teste relativamente simples envolve colocar o fluido em um recipiente com uma pequena abertura no fundo. O fluido flui através da abertura em uma quantidade precisa. O tempo que o fluido leva para passar pela abertura é medido e correlacionado à viscosidade por meio de gráficos fornecidos para o copo em questão.

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) para viscosidade em centistokes (cSt).

Os copos Ford e Zahn são alguns dos tipos de copos de viscosidade mais comumente utilizados. Cada design de copo é único; portanto, deve-se ter cuidado ao comparar os valores de viscosidade entre diferentes tipos de copo. Os valores fornecidos por um copo de viscosidade são absolutos e não incluem as tolerâncias permitidas, pois estas diferem consideravelmente entre cada uma das normas.

2. Viscosímetros vibracionais

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

Registro da entrada de energia necessária para manter o aparelho vibrando em uma amplitude constante .
Medição da decadência temporal da oscilação após a vibração ser desligada.
Medição da frequência do ressonador em relação a ângulos de fase variáveis.

O viscosímetro de quartzo é um exemplo de 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, resultando no cisalhamento do fluido. (Para mais informações 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, o que afeta a resposta elétrica do sensor.

3. Viscosímetros rotacionais

Viscosímetros rotacionais funcionam medindo o torque necessário para girar um objeto no fluido de teste. Veja como o processo ocorre:

Uma das superfícies é estacionária.
A superfície de acoplamento é girada por um acionamento externo.
O 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 definida é diretamente proporcional à viscosidade; portanto, o aparelho é capaz de fornecer 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, cones, placas e prumos são todos tipos de viscosímetros rotacionais. Os viscosímetros de copo e prumo consistem em cilindros coaxiais de diferentes diâmetros. Um volume de uma amostra a ser cisalhada é armazenado em uma célula de teste; o torque necessário para atingir uma determinada velocidade de rotação é medido e plotado.

Viscosímetros de cone e de placa possuem um medidor de torque preciso, acionado por uma velocidade de rotação discreta. Utiliza um 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 mais informações sobre este tópico, consulte: Os Efeitos da Corrosão no Comportamento de Cisalhamento de Materiais .)

4. Viscosímetros capilares

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

Este método mede o tempo que um volume definido de fluido leva para fluir através de um tubo capilar em forma de U, de diâmetro e comprimento conhecidos. O tubo geralmente possui duas marcas — uma superior e outra 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.

Os viscosímetros capilares incluem os viscosímetros de 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 Análise dos Revestimentos de Barreira de Corrosão para Proteção Interna contra Corrosão .)

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

5. Viscosímetros de esferas cadentes

O viscosímetro de esfera cadente é usado para determinar a viscosidade dinâmica do fluido newtoniano transparente.

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

Viscosímetros de esferas cadentes são utilizados para controle de qualidade em diversos setores, bem como em instituições acadêmicas, para ilustrar métodos científicos. A facilidade de uso e o método direto para registrar medições de tempo garantem resultados de teste significativos.

6. Consistemetros

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

A amostra a ser testada é colocada atrás do portão com mola.
A comporta é levantada, permitindo que a amostra flua livremente sob seu próprio peso.
A distância que o líquido flui em um tempo específico é medida por meio de gradações do aparelho.

O consistômetro em si não mede os valores de viscosidade diretamente; em vez disso, permite que os usuários desenvolvam seus próprios padrões específicos para os produtos 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, papinhas e molhos para salada. (Para mais informações sobre a indústria alimentícia, consulte: As Propriedades de Corrosão do Alumínio e Suas Ligas .)

Fatores que afetam a viscosidade

A viscosidade do fluido depende de vários fatores. São eles:

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 para 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 em suspensão. Materiais em suspensão 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.

No entanto, a lei da viscosidade de Newton se aplica apenas a fluidos newtonianos. Fluidos não newtonianos não seguem a lei da viscosidade de Newton; portanto, sua viscosidade varia e depende da taxa de cisalhamento.

Conclusão

Viscosidade é uma propriedade importante de fluidos, essencial para diversos produtos em diversos setores.

Viscosidades dinâmica e cinemática descrevem propriedades diferentes e podem produzir resultados muito distintos ao testar fluidos. Portanto, é importante entender a diferença entre os tipos de viscosidade e adotar mecanismos de teste apropriados para a amostra em questão.

Termos relacionados

Link do artigo original : https://www.corrosionpedia.com/6-ways-to-measure-fluid-viscosity/2/6731