Reologia

É o ramo da física que estuda a viscosidade, plasticidade, elasticidade e o escoamento da matéria, ou seja, um estudo das mudanças na forma e no fluxo de um material, englobando todas estas variantes. Podemos então concluir que é a ciência responsável pelos estudos do fluxo e deformações decorrentes deste fluxo, envolvendo a fricção do fluido.

Esta fricção ocorre internamente no material, onde 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. Enquanto temos os solventes que possuem uma viscosidade desprezível, temos também as resinas, com uma viscosidade elevada, graças ao tamanho de sua cadeia polimerizada. Ambos são compostos orgânicos, mas seus comportamentos são totalmente diferentes.

Viscosidade Aparente: É aquela medida em um único ponto e através de cisalhamento constante. É expressa por unidades de Poise ou centiPoise (mPa/s). Utilizada na leitura de viscosidade de fluidos pseudo-plásticos. Viscosímetros: Brookfield, Haake.

Viscosidade Cinemática: é aquela medida por um sistema de geometria que utiliza-se da gravidade para sua obtenção de medida. Medida por copos, tem como método a contagem, através de um cronômetro, do tempo gasto para o fluido escorrer pelo orifício inferior destes copos.

Viscosidade Absoluta: é aquela que é medida por um sistema de geometria que não sofre influência da gravidade para a obtenção desta medida.

1. Classificação Reológica

Quanto à deformação, os fluidos podem ser classificados em:

- Reversíveis ou elásticos: são sistemas que não escoam; sua deformação é reversível e o sistema obedece à Lei de Hooke.

- Irreversíveis ou viscosos: são sistemas que escoam; sua deformação é irreversível e o sistema obedece à Lei de Newton, de viscosidade constante.

Também podem ser classificados quanto à relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento:

- Fluidos Newtonianos: sua viscosidade é constante, seguem a Lei de Newton. Esta classe abrange todos os gases e líquidos não poliméricos e homogêneos.

Ex.: água, leite, soluções de sacarose, óleos vegetais.

- Fluidos Não Newtonianos: a relação entre a taxa de deformação e a tensão de cisalhamento não é constante.

Além disso, os fluidos não newtonianos ainda podem ser classificados em: viscoelásticos, dependentes e independentes do tempo, como podemos ver no link: http://www.setor1.com.br/analises/reologia/cla_ssi.htm

O link: http://www.setor1.com.br/analises/reologia/curva_inde.htm , mostra o comportamento reológico do fluido newtoniano e dos fluidos não newtonianos independentes do tempo e a seguir é dada uma breve descrição sobre cada um deles.

1.1 Fluidos não newtonianos independentes do tempo

São aqueles cujas propriedades reológicas independem do tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. São ainda divididos em:

A) Sem tensão inicial – são aqueles que não necessitam de uma tensão de cisalhamento inicial para começarem a escoar. Compreende a maior parte dos fluidos não newtonianos. Dentro desta classe destacam-se:

• Pseudoplásticos

São substâncias que, em repouso, apresentam suas moléculas em um estado desordenado, e quando submetidas a uma tensão de cisalhamento, suas moléculas tendem a se orientar na direção da força aplicada. E quanto maior esta força, maior será a ordenação e, conseqüentemente, menor será a viscosidade aparente.

Este fluido pode ser descrito pelo Modelo de Ostwald-de-Waele ou Modelo Power Law (1923, 1925), representado pela equação:

Τ_yx= -K(du_x/dy)^n-1 du_x/dy

Na qual:

K é o índice de consistência do fluido,

n é a inclinação da curva, neste caso, menor que 1. (A inclinação da curva só atinge o valor da unidade para taxas de deformação muito baixas ou muito altas, e o fluido se torna mais newtoniano.)

Ex.: polpa de frutas, caldos de fermentação, melaço de cana.

• Dilatantes

São substâncias que apresentam um aumento de viscosidade aparente com a tensão de cisalhamento. No caso de suspensões, à medida que se aumenta à 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, conseqüentemente, um aumento da viscosidade aparente.

Também podem ser representados pelo Modelo de Orswado-de-Waele ou Modelo Power Law (equação acima). No entanto, para este caso, n é maior que a unidade.

Ex.: suspensões de amido, soluções de farinha de milho e açúcar, silicato de potássio e areia.

B) Com tensão inicial – são os que necessitam de uma tensão de cisalhamentos inicial para começarem a escoar. Dentre os fluidos desta classe se encontram:

• Plásticos de Bingham

Este tipo de fluido apresenta uma relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação, a partir do momento em que se atinge uma tensão de cisalhamento inicial. Este comportamento é descrito pela equação:

τ_yx = ±τ₀ – μ₀ du_x/dy , para (τ_yx)>(τ₀)

du_x/dy = 0, para (τ_yx)>(τ₀

Na qual:

τ₀ é a tensão de cisalhamento inicial,

µ₀ é uma constante análoga à viscosidade de fluidos newtonianos.

O sinal positivo de τ₀ é utilizado quando τ_xy é positivo ou negativo, caso contrário.

Ex.: fluidos de perfuração de poços de petróleo, algumas suspensões de sólidos granulares.

• Herschel-Bulkley

Também chamado de Bingham generalizado. Este tipo de fluido também necessita de uma tensão inicial para começar a escoar. Entretanto, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação não é linear. Esta relação depende do expoente adimensional n, característico para cada fluido.

τ_yx = ±τ₀ – μ₀ du_x/dy , para (τ_yx)>(τ₀)

du_x/dy = 0, para (τ_yx)<(τ₀)

Existe ainda o Modelo de Casson, comumente utilizado para descrever o estado estacionário de substâncias como sangue, iogurte, purê de tomate, etc. Este modelo é descrito pela Equação:

1.2 Fluidos não newtonianos dependentes do tempo

Os fluidos que possuem este tipo de comportamento apresentam propriedades que variam, além da tensão de cisalhamento, com o tempo de aplicação desta tensão, para uma velocidade de cisalhamento constante.

A) Tixotrópicos

Esta classe de fluidos tem sua viscosidade diminuída com o tempo de aplicação da tensão de cisalhamento, voltando a ficar mais viscosos com quando esta cessa.

Ex.: suspensões concentradas, emulsões, soluções protéicas, petróleo cru, tintas, ketchup.

B) Reopéticos

Já este tipo de fluido apresenta um comportamento inverso ao dos tixotrópicos. Desta forma, a viscosidade destes fluidos aumenta com o tempo de aplicação da tensão, retornando à viscosidade inicial quando esta força cessa.

Ex.: argila bentonita.