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Determinação do coeficiente de viscosidade pelo viscosímetro Ostwald
O coeficiente de viscosidade de líquidos pode ser determinado por
vários métodos experimentais. Por exemplo, determinando a velocidade de
vazão do fluido através de um capilar (o coeficiente de viscosidade é dado
pela lei de Poiseuille), a velocidade com que a esfera cai no fluido (neste
caso é a lei de Stokes que se aplica), etc. No caso da vazão de um fluido
através de um capilar o coeficiente de viscosidade, segundo Poiseuille, é:
" "(01)"
onde P é a pressão hidrostática sobre o líquido, em N.m-2, 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 Ostwald (Figura 1) permite uma determinação simples
do coeficiente de viscosidade a partir de um padrão. Neste caso as medidas
de viscosidade são feitas por comparação entre o tempo na vazão de um
fluido de viscosidade conhecida, geralmente água, e o de um fluido de
viscosidade desconhecida, uma vez que uma medida absoluta do coeficiente de
viscosidade é difícil. A partir da equação (1), pode-se chegar a:
" "(02)"
onde d1 e d2 são as densidades dos fluidos conhecido e desconhecido,
respectivamente, e t1 e t2 são os tempos gastos para que se escoem volumes
iguais.
Figura 01: Viscosímetro de Ostwald.
A precisão na operação com este viscosímetro, depende do controle e da
medida das seguintes variáveis: temperatura, tempo, alinhamento vertical do
capilar e volume da substância estudada.
O efeito da temperatura sobre o coeficiente de viscosidade de um fluido
difere notadamente segundo o fluido é um líquido ou gás. Nos gases, o
coeficiente aumenta com a temperatura, mas nos líquidos diminui
marcadamente com a elevação da temperatura.
A relação dos coeficientes de viscosidade dos líquidos com a
temperatura é dada pela equação de Carrancio:
" "(03)"
"ou " "
" " "
" " "
" "(04)"
onde A e B são constantes próprias dos líquidos dados, sendo B uma
medida de energia necessária para fazer o líquido fluir.
A partir da equação (04) pode-se obter uma reta, lançando ln ( em
função de 1/T.
Procedimentos:
O viscosímetro deve ser isento de resíduos de amostras. Determina-se o
volume de amostra necessária para que o reservatório inferior contenha até
2/3 de líquido.
Acondicione o viscosímetro, contendo em seu interior o volume de água
determinado acima, num banho termostático a 25(C. Espere que o sistema
atinja o equilíbrio térmico.
Por sucção, através do tubo de borracha, eleve o líquido no interior
do tubo até preencher a dilatação pequena e passar um pouco acima da marca
superior. Deixe o líquido escoar para verificar se o escoamento está se
processando convenientemente e sem que gotas fiquem aderidas às paredes do
tubo. Se isto acontecer, o viscosímetro deve ser esvaziado e novamente
limpo com cuidado.
Torne a aspirar o líquido até uns 2 cm acima da marca superior
(reproduzir sempre esta mesma posição em todas as medidas, não devendo
elevar-se acima do nível da água do banho termostático) e mantenha a
posição pinçando o tubo de borracha. Abre-se a pinça e, quando o menisco do
líquido passar pelo traço superior, dê partida ao cronômetro. Quando o
menisco alcançar a marca inferior, trave o cronômetro.
Repita a determinação cinco vezes com o mesmo líquido(seguir indicações
de normas).
Se o viscosímetro estiver convenientemente limpo, os tempos de
escoamento não diferirão de mais de 0,2 %. No caso de tempos de escoamento
diferirem de mais de 0,2 %, precisa-se examinar cuidadosamente a técnica e
o material para encontrar a origem dos erros.
Retire o viscosímetro do banho termostático e seque-o muito bem.
Utilizando o densímetro, determine a densidade da água na temperatura do
banho termostático.
Torne a colocar o viscosímetro no banho termostático. Por meio da
pipeta coloque no viscosímetro a substância cuja viscosidade deve ser
determinada no mesmo volume que anteriormente. Espere de 15 a 20 minutos
para que se estabeleça o equilíbrio térmico. Depois execute uma série de
determinações do tempo de escoamento, tendo o cuidado de conduzir as
operações nas mesmas condições anteriores. Com o auxílio do densímetro,
determine a densidade do líquido-problema à temperatura do banho
termostático. Faça o experimento, utilizando como líquido-problema o
tetracloreto de carbono, a acetona e o metanol.
Repita o processo acima nas temperaturas de 25, 35, 45 e 55 (C, desde
que a temperatura de ebulição do líquido-problema não esteja muito próxima
da temperatura do banho termostático. Para cada temperatura, faça os
experimentos com água e com os líquidos-problemas.
Tratamento de dados:
À pressão de 760 torr, a viscosidade da água, segundo o National
Bureau of Standards, é dada na Tabela 01.
Tabela 01: Coeficiente de viscosidade e densidade da água a várias
temperaturas.
"Temperatura (°C)"Coeficiente de viscosidade "Densidade (g.cm-3) "
" "(em milipoise) " "
"10 "13,07 "0,99973 "
"15 "11,39 "0,99913 "
"20 "10,02 "0,99822 "
"25 "8,904 "0,99707 "
"30 "7,975 "0,99568 "
"35 "7,194 "0,99406 "
"40 "6,529 "0,99225 "
"50 "5,468 "0,98807 "
"60 "4,665 "0,98323 "
Para cada líquido problema, completa-se uma planilha (Tabela 2).
Tabela 02: Medidas de viscosidade, densidade e tempo de escoamento.
"Amostra "(H2O "dH2O "tH2O "d "t "( "
" " " " " " " "
" " " " " " " "
Para cada líquido e para cada temperatura repita o tratamento acima
gerando dados para a tabela 03.
Tabela 03: Medidas de viscosidade à várias temperaturas.
"Líquido-problema "T (K) "1/T "( "ln ( "
" " " " " "
" " " " " "
" " " " " "
" " " " " "
" " " " " "
Gráficos podem ser montados a partir do logaritmo do coeficiente de
viscosidade em função do inverso da temperatura absoluta. Desta forma será
possível estimar a viscosidade para qualquer variação de temperatura.
Referências Bibliográficas:
BUENO, Willie A. "Manual De Laboratório De Físico-Química". São Paulo:
McGraw-Hill do Brasil, 1980.
INNES, K. K. J. Chem. Ed., 38, 564, 1961.
ANDER, P. J. Chem. Ed., 47, 233, 1970.
SORREL, C. A. J. Chem. Ed., 48, 253, 1971.
MILLER, J. F. e GORYS, J. G. J. Chem. Ed., 48, 475, 1971.
SHEARER, C. e RUMPEL, M. L. J. Chem. Ed.,51, 140, 1974.
BARROW, Gordon M. "Química Física". 2. ed. - Barcelona : Reverte, 1972.