Manual do Viscosimetro Ostwald[1]

Atualizado em 23/05/2003
DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE VISCOSIDADE PELO
VISCOSÍMETRO DE OSTWALD
OBJETIVO
Determinar o coeficiente de viscosidade de líquidos em função da temperatura e
calcular a energia de ativação de fluxo.
INTRODUÇÃO
A viscosidade de um líquido mede a resistência interna oferecida ao
movimento relativo das diferentes partes desse líquido (resistência ao fluxo).
Conhecer e controlar essa propriedade é muito importante na formulação e
preparação de emulsões, cremes, géis, soluções etc.
A viscosidade é chamada de newtoniana quando a tensão de cisalhamento,
τ, ou seja a força F por unidade de área, aplicada paralelamente à direção do
fluxo, necessária para iniciar o fluxo de uma camada molecular, for proporcional
ao gradiente de velocidade dv/dx entre as camadas,
τ = η.
dv
dx
(equação de fluxo de Newton)
onde η é o coeficiente de viscosidade.
A unidade de viscosidade é o poise, definido como a força de cisalhamento
requerida para produzir uma velocidade de 1 cm s-1 entre dois planos moleculares
paralelos, de 1 cm2 de área separados por uma distância de 1 cm. Na prática é
comum o uso da unidade centipoise cp (1cp = 0,01 poise). O inverso de η é
chamado de fluidez (φ).
É freqüente expressar a viscosidade em termos da chamada viscosidade
cinemática, ηcin , que resulta do quociente da viscosidade pela densidade, ρ, isto
é,
ηcin =
η
.
ρ
A unidade de ηcin é o stoke (s), sendo comum o uso do centistoke (cs).
O coeficiente de viscosidade de um líquido pode ser determinado através
da velocidade de vazão do fluído por um tubo capilar. Neste caso, o coeficiente de
viscosidade é dado pela equação de Hagen-Poiseuile,
Atualizado em 23/05/2003
η=
P.π.r 4 .t
8.V.L
,
onde p é a pressão hidrostática sobre o líquido (P=ρ.g.h) em N/m2, V é o volume
em m3, do líquido que flui em t segundos através do capilar de raio r e de
comprimento L, em metros.
O viscosímetro de Oswald, permite uma determinação simples
coeficiente de viscosidade a partir de uma substância padrão. Neste caso
medidas de viscosidade são feitas por comparação entre o tempo na vazão
fluído de viscosidade conhecida, geralmente água, e o de um fluído
viscosidade desconhecida. Neste caso a equação usada é
η1 d1.t 1
=
η 2 d 2 .t 2
do
as
do
de
,
onde d1 e d2 são as densidades dos fluídos conhecido e desconhecido,
respectivamente e t1 e t2 são os tempos correspondentes para que escoem
volumes iguais dos líquidos.A precisão na operação com este viscosímetro
depende do controle das variáveis temperatura, tempo, alinhamento vertical e
volume da substância estudada.
O efeito da temperatura sobre o coeficiente de viscosidade de um fluído
difere notadamente segundo o estado físico (líquido ou gás). Nos gases, a
viscosidade aumenta com a temperatura, mas nos líquidos diminui marcadamente
com a elevação da temperatura enquanto que a fluidez aumenta.
A relação dos coeficientes de viscosidade dos líquidos com a temperatura á
dada pela equação de Carrancio,
η = A.e Ea / RT
,
onde T é a temperatura absoluta, A é uma constante dependente da massa molar
e do volume molar do líquido; Ea é a energia de ativação requerida para inicar o
fluxo entre camadas moleculares (energia necessária para fazer o líquido fluir).
Tomando-se o logaritmo natural da equação de Carrancio, obtem-se
ln η = ln A +
Ea
R.T
.
A partir dessa equação pode-se obter uma reta, lançando ln η em função de 1/T.
Atualizado em 23/05/2003
MATERIAL NECESSÁRIO
1 viscosímetro de Ostwald, 1 cronômetro, 1 densímetro, tubo de borracha, 1
pipeta, 1 termômetro 0-100oC, banho termostático, etanol, propanol e n-butanol.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
-
Lavar o viscosímetro com solução sulfocrômica e seca-lo bem. Determinar o
volume de líquido para que o tubo fique cheio até 2/3 da sua altura, abaixo da
extremidade inferior do capilar.
Colocar o viscosímetro em banho-maria.
Determinar os tempos necessários para que a água (padrão) e os líquidos
problemas escoem através do capilar deste a temperatura ambiente até 50o C.
Repetir a determinação cinco vezes para cada líquido.
Determinar as densidades dos liquidos nas temperaturas de trabalho.
TRATAMENTO DOS DADOS EXPERIMENTAIS
-
Calcule a viscosidade dos líquidos problemas em relação à da água utilizando
a relação entre viscosidades e tempos de escoamento dada acima e lance os
resultados na tabela abaixo.
Amostras
-
T(oC)
1/T
densidade Tempo(s)
η
ln η
Construa o gráfico de y = ln η contra x = 1/T para cada uma das substâncias.
Verifique a validade da lei de Carrancio, ajustando uma reta ao conjunto de
dados e obtenha os parâmetros A e Ea.
Atualizado em 23/05/2003
BIBLIOGRAFIA
1) P. W. Atkins, Físico-Química, Vol 2. LTC Editora, Rio de Janeiro (1999).
Capítulo 13.
2) V. P. Levitt (Editor), Findlay’s Practical Physical Chemistry. Longman Group,
Londres (1973). Ver p. 96.
3) F. Daniels, J. Williams e P. Bender, Experimental Physical Chemistry, Book
Company, N. York (1956).
4) R. Aveyard e D. A. Haydon, An Introduction to the Principles of Surface
Chemistry. Cambridge University Press, Cambridge, 1973.
5) P. W. Atkins e L. Jones, Princípios de Química: questionando a vida moderna
e o meio ambiente, Bookman, Porto Alegre (2001).
Prof. Marcos Antônio Villetti
Departamento de Física
Centro de Ciências Naturais e Exatas
Universidade Federal de Santa Maria