Resumo de Viscosidade: Conceitos, Medição e Padrões
Viscosidade: Conceitos, Medição e Padrões Essenciais
Introdução
A viscosidade é uma propriedade fundamental que descreve a resistência interna de um fluido ao escoamento. Em hidrocarbonetos e sistemas de transporte e processamento de petróleo, é necessário conhecer tanto a viscosidade cinemática quanto a viscosidade dinâmica para projetar equipamentos, tubulações e selecionar métodos de medição e controle.
Definição: A viscosidade cinemática é a relação entre a viscosidade dinâmica e a densidade do fluido, e é expressa em unidades como mm(^2)/s ou cSt.
Conceitos básicos e unidades
Viscosidade cinemática e dinâmica
- Viscosidade dinâmica ($\mu$) mede a resistência interna à deformação por cisalhamento e é expressa em $\mathrm{Pa\cdot s}$ ou em centipoise (cP).
- Viscosidade cinemática ($\nu$) é a viscosidade dinâmica dividida pela densidade ($\rho$):
$$\nu = \frac{\mu}{\rho}$$
Definição: $\nu$ = viscosidade cinemática (mm(^2)/s ou cSt), $\mu$ = viscosidade dinâmica (Pa\cdot s), $\rho$ = densidade (kg/m(^3)).
Relação de medida com viscosímetros
- Para viscosímetros capilares:
$$\nu = C\cdot t$$ onde $C$ é a constante de calibração do viscosímetro (mm(^2)/s\cdot s^{-1}) e $t$ é o tempo de escoamento em s. - Para converter para viscosidade dinâmica:
$$\mu = \nu\cdot\rho\cdot 10^{-3}$$ (se $\nu$ estiver em mm(^2)/s e $\rho$ em kg/m(^3) para obter $\mu$ em Pa\cdot s).
Unidades comuns e conversões
| Unidade | Símbolo | Relação básica |
|---|---|---|
| Centistoke | cSt | 1 cSt = 1 mm(^2)/s |
| Stoke | St | 1 St = 100 cSt |
| Centipoise | cP | 1 cP = 0.001 Pa\cdot s |
Curiosidade: Você sabia que o nome "stoke" vem do físico George Gabriel Stokes, que fez contribuições importantes para a teoria do escoamento viscoso?
Efeito da temperatura e da pressão
- Líquidos: a viscosidade diminui acentuadamente ao aumentar a temperatura.
- Gases: a viscosidade aumenta ao aumentar a temperatura; sua variação com a pressão é perceptível apenas em pressões elevadas.
Definição: Para gases, a viscosidade dinâmica $\mu$ geralmente aumenta com a temperatura; para líquidos, $\mu$ diminui com a temperatura.
Prática: ao projetar aquecimento ou resfriamento de tubulações, considere que uma variação de temperatura altera a viscosidade e, portanto, a perda de carga.
Medidas e escalas convencionais
- Segundos Saybolt Universal (SSU): tempo de escoamento de 60 cm(^3) no viscosímetro universal.
- Segundos Saybolt Furol (SSF): similar, mas com orifício maior, para produtos mais viscosos.
- Graus Engler (°E): razão entre o tempo de escoamento de 200 cm(^3) de produto e o tempo de escoamento de 200 cm(^3) de água a 20 °C.
- Segundos Redwood: tempo de escoamento de 50 cm(^3) usando viscosímetros Redwood 1 ou 2.
Conversão entre viscosidade cinemática e Saybolt (ASTM D2161)
- Para faixas específicas, são utilizadas tabelas do método ASTM D2161.
- Para viscosidades cinemáticas maiores que certos limites, aplicam-se fórmulas aproximadas:
$$\mathrm{SSU}{100^{\circ}\mathrm{F}} = 4.632\cdot \nu{100^{\circ}\mathrm{F}}$$ $$\mathrm{SSU}{210^{\circ}\mathrm{F}} = 4.664\cdot \nu{210^{\circ}\mathrm{F}}$$ onde $\nu$ está em mm(^2)/s.
Equação de Poiseuille e aplicações em tubulações
A Equação de Poiseuille para fluxo laminar em uma condução cilíndrica relaciona vazão $Q$, diferença de pressão $\Delta P$, raio $R$, comprimento $L$ e viscosidade dinâmica $\mu$:
$$Q = \frac{\pi,\Delta P,R^{4}}{8,\mu,L}$$
- De forma útil para determinar $\mu$ quando o movimento é por diferença de altura (condução vertical) e $\Delta P = \rho g L$, obtém-se:
$$\mu = \frac{\rho,t,g,R^{2}}{8,L}$$ onde $t$ é o tempo relacionado com a velocidade (por exemplo, $v = L/t$) e $g$ é a gravidade.
Exemplo prático: Um duto de 80 m transporta 100 bbl/min com diferença de pressão de 12 Pa e diâmetro de 8 pol; aplicar Poiseuille para estimar a viscosidade assumindo fluxo laminar e conver
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Viscosidade de hidrocarbonetos
Klíčové pojmy: Viscosidad cinematica: $\nu=\mu/\rho$ en mm^2/s o cSt, Viscosidad dinámica: $\mu$ en Pa\cdot s; convertir con $\mu=\nu\,\rho\,10^{-3}$, Viscosímetro capilar: $\nu=C\,t$ donde $C$ es constante de calibración, Ecuación de Poiseuille: $Q=\frac{\pi\,\Delta P\,R^{4}}{8\,\mu\,L}$ para flujo laminar, Temperatura disminuye $\mu$ en líquidos y aumenta $\mu$ en gases, Conversión a Saybolt: usar ASTM D2161 y fórmulas $\mathrm{SSU}_{100}=4.632\,\nu_{100}$ cuando aplica, Índice de viscosidad cuantifica estabilidad de $\nu$ frente a T (usar tablas/ecuaciones), Mezclas: la viscosidad no es aditiva; usar correlaciones logarítmicas para mezclar viscosidades, Medición: controlar temperatura, densidad y calibración según ASTM D446, Usar métodos ASTM D341 o método de la pendiente para estimar $\nu(T)$ a partir de dos puntos