Relátorio - Densidade e Viscosidade PDF

Preview

Summary

Relátorio - Densidade e Viscosidade...

Description

Universidade do Vale do Paraíba Faculdade de Engenharia da Computação Departamento de Química

Química Experimental I Prof.ª Mônica Duarte Vieira Del Core Torres Barbosa

Densidade e Viscosidade João Pedro Carvalho de Lima (02110768) Enzo Carvalho Mattiotti dos Reis (02110065)

Data do experimento: agosto de 2021 Data de entrega: 31 de agosto de 2021

Sumário Resumo.......................................................................................................................................... 3 1.

Introdução............................................................................................................................. 3

2.

Fundamentação Teórica ....................................................................................................... 4

2.1 3.

Escoamento laminar ......................................................................................................... 4 Procedimento Experimental ................................................................................................ 5

3.1

Densidade de líquidos ...................................................................................................... 5

3.2

Densidade de sólidos ........................................................................................................ 5

3.3

Viscosidade de líquidos .................................................................................................... 6

4.

Resultados e discussões ....................................................................................................... 7

4.1

Densidade de líquidos ...................................................................................................... 7

4.2

Densidade de sólidos ........................................................................................................ 7

4.3

Viscosidade de líquidos .................................................................................................... 7

5.

Questionário ......................................................................................................................... 7

6.

Conclusão .............................................................................................................................. 8

7.

Referências ........................................................................................................................... 8

Resumo. Neste trabalho, é proposta uma experiência didática com o objetivo de avaliar e diferenciar, de forma simples e clara, duas propriedades intrínsecas da matéria que formam parte do vocabulário cotidiano, a viscosidade e a densidade. A análise dos resultados coloca em evidência a falta de uma relação de proporcionalidade entre essas propriedades. Palavras chaves: experiência, densidade, viscosidade, fluidos

1. Introdução Fluidos são substâncias capazes de tomar a forma dos recipientes que os contêm. Quando em equilíbrio (hidrostático), fluidos não causam forças tangenciais (ou de cisalhamento). Fluidos podem ser líquidos ou gasosos e são, todos, compressíveis em maior ou menor grau. Líquidos são pouco compressíveis e, muitas vezes, podem ser tratados como incompressíveis, ao contrário dos gases, que, em geral, têm que ser tratados como compressíveis (um gás só pode ser tratado como incompressível quando houver pouca variação na pressão). Líquidos ocupam volumes definidos e apresentam uma superfície bem delimitada, enquanto um gás se expande até ocupar todo o volume do recipiente que o contém. A camada de um fluido que toca a superfície de um sólido (tubo, esfera, obstáculo etc.) está em repouso em relação ao sólido. Quando as velocidades são pequenas, o escoamento de um fluido pode ser descrito como um deslizamento de camadas, o fluido adere à superfície e tem um perfil de velocidades que varia continuamente à medida que se afasta dela. Esse tipo de escoamento é denominado escoamento laminar. No caso de velocidades altas, essas camadas tendem a se desfazer, e o movimento do fluido fica complicado, com redemoinhos (também chamados turbilhões ou vórtices): é o escoamento turbulento. A densidade é uma das propriedades que caracterizam uma substância, sendo uma característica própria de cada material, por isso é classificada como uma propriedade específica. A densidade dos sólidos nem sempre é maior que a dos líquidos e dos gases. Para medir a densidade de um objeto qualquer, precisamos relacionar a sua massa e seu volume, sendo que a massa pode ser medida por uma balança. A viscosidade pode ser interpretada como a resistência ao movimento de um fluido, que dificulta seu escoamento. Em um escoamento laminar, a viscosidade pode ser definida a partir da força necessária para manter duas camadas próximas em movimento relativo com velocidade constante. A viscosidade depende da temperatura. Para líquidos em geral, a viscosidade diminui com o aumento da temperatura e, nos gases, ao contrário do que se poderia esperar, a viscosidade cresce com a temperatura. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade do coeficiente de viscosidade é o N.s/m², frequentemente escrito como Pa.s (pascal vezes segundo). T (ºC) 15 16 17 18

Densidades e viscosidades da água, P = atm 𝑝 (𝑔/𝑐𝑚3 ) 0,9991 0,9989 0,9988 0,9986

𝜇 (𝑐𝑃) 1,1390 1,1090 1,0810 1,0530

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

0,9984 0,9982 0,9980 0,9978 0,9975 0,9973 0,9970 0,9968 0,9965 0,9962

1,0270 1,0020 0,9779 0,9548 0,9325 0,9111 0,8904 0,8705 0,8513 0,8327

Tabela 1 – Densidade e viscosidade da água

2. Fundamentação Teórica A viscosidade é uma propriedade dos líquidos associada à sua capacidade de escoamento. Tecnicamente, diz-se que a viscosidade dos líquidos vem do seu atrito interno, ou seja, das forças de coesão entre moléculas relativamente próximas. Em termos simples a viscosidade está associada a quanto um dado líquido gruda. Diferentes líquidos têm diferentes viscosidades. Por exemplo, mel e xarope de milho escorrem mais lentamente do que a água. A quantificação física da viscosidade é feita pelo coeficiente de viscosidade, denotado pela letra grega η. Sabe-se que a temperatura tem um efeito grande na viscosidade de um líquido. Em geral, quanto maior a temperatura menor a viscosidade. Por isso é sempre importante levar em conta a temperatura ambiente ao se fazer experimentos envolvendo viscosidade. O objetivo deste experimento é identificar o comportamento de diferentes compostos quando submersos em água e observar a mudança de volume nos recipientes, para assim determinar suas densidades e viscosidades. 2.1 Escoamento laminar Pode-se descrever o escoamento de um líquido com o deslizamento de placas, quando as velocidades envolvidas são pequenas. Em geral, entretanto, quando o líquido estiver fluindo suavemente através de um tubo, ele está em um estado chamado de escoamento laminar. Estando numa situação dessas (que é o caso do presente experimento, como vai se verificar logo adiante), temos que a taxa de escoamento é dada pela equação de Pouseuílle. 𝜋𝑟 4 (𝑃1 − 𝑃2) 𝑄= (1) 8𝜂𝐿 Onde 𝑄 é a taxa de escoamento, 𝑃1 − 𝑃2 é a diferença de pressão entre os extremos do tubo, 𝐿 é o comprimento do tubo, 𝑟 é o raio do tubo, e 𝜂 é o coeficiente de viscosidade do líquido. Também pode-se escrever 𝑄 em função da vazão do líquido, através do volume de líquido escoado 𝑉 e do intervalo do tempo 𝑡. 𝑄=

𝑉 (2) 𝑡

Igualando as duas equações (1 e 2), conseguimos obter que a viscosidade 𝜂 pode ser expressa por: 𝜂=

𝜋(𝑃1 − 𝑃2)𝑟 4 𝑡 (3) 8𝑉𝐿

Aplicando está fórmula para comparar 𝜂 para dois líquidos diferentes, ou obter 𝜂 de um líquido conhecido, para volumes iguais: 𝜂𝐵 𝑃2𝐵 − 𝑃1𝐵 𝑡𝐵 = (4) 𝜂𝐴 𝑃2𝐴 − 𝑃1𝐴 𝑡𝐴 Conseguimos obter: 𝜂𝐵 𝐷𝐵 𝑡𝐵 (5) = 𝐷𝐴 𝑡𝐴 𝜂𝐴 Onde 𝐷 é a densidade do líquido 3. Procedimento Experimental 3.1 Densidade de líquidos Materiais e reagentes: Balão volumétrico de 50 mL, termômetro, balança, béquer de 250 mL, água destilada, solução saturada de NaCl, solução (glicerina/água [1:1]), bureta de 50mL, funil pequeno. Nesta parte, serão calculadas as densidades, à temperatura ambiente, de três líquidos na seguinte ordem: Água destilada, solução saturada de NaCl e solução [glicerina/água]. Siga as instruções abaixo para cada líquido. Os resíduos foram reservados para serem reutilizados. 1. Pese na balança um balão volumétrico de 50 mL, seco, e anote sua massa em gramas: M1 (39,201g) 2. Preencha o balão com o líquido até aproximadamente 1 cm abaixo da marca. 3. Utilize um conta-gotas (Pipeta de Pasteur) para completar o volume exatamente até a marca do balão (menisco). 4. Pese na balança o balão volumétrico, contendo o líquido, e anote a massa em gramas: M2 (89,049g) 5. Transfira o líquido do balão para um béquer de 250 mL e coloque o termômetro. Quando a leitura da temperatura estabilizar, anote seu valor na tabela abaixo. 6. Calcule a massa do líquido (M3 = M2 – M1) e sua densidade (ρ = M3 / 50 mL). 7. Repita o procedimento, a partir do item 2, para cada líquido e complete a tabela abaixo. 3.2 Densidade de sólidos Materiais e reagentes: Béquer, espátula, balança, barra metálica, proveta de 25mL, água da torneira. Nesta parte, serão calculadas as densidades, à temperatura ambiente, de dois sólidos cujas densidades são maiores do que a da água. Siga as instruções abaixo para cada um dos sólidos. Os metais utilizados serão secos e reutilizados.

1. Pese em um béquer pelo menos 10 g do sólido (anote a massa exata): M 2. Coloque água da torneira até a marca aproximada de 15 mL numa proveta de 25 mL. 3. Utilize uma pipeta de Pasteur para adicionar água na proveta até a marca exata de 10 mL (verifique o menisco). 4. Transfira todo o sólido para a proveta com cuidado para não saltar água, evitando a perda do líquido para o meio ou para a parte superior da proveta. Certifique-se de que todo o sólido está submergido e que não há bolhas de ar. 5. Anote o volume total marcado pela água na proveta: Vt 6. Calcule o volume do sólido: Vs = Vt – 15 mL 7. Calcule a densidade do sólido: ρ = M / Vs 8. Repita o procedimento para o outro sólido, completando a tabela abaixo. 3.3 Viscosidade de líquidos Materiais reagentes: água destilada, solução saturada de NaCl, solução (glicerina/água [1:1]), seringa plástica de 20mL sem êmbolo, suporte para seringa, béquer de 100mL, cronômetro, termômetro. As soluções de NaCl e glicerina serão guardados no frasco de origem. Nesta parte, será calculada a viscosidade (Coeficiente de Viscosidade Dinâmica), à temperatura ambiente, de dois líquidos na seguinte ordem: solução saturada de NaCl (água com sal) e [glicerina:água]. As viscosidades das duas soluções serão obtidas usando a viscosidade da água como referencial, a partir dos tempos de escoamento e das densidades (Parte 1). Repita as instruções abaixo para cada um dos líquidos. 1. Lave a seringa 3 vezes com água da torneira, sem sabão, deixando a água escorrer pela ponta livremente. Ao final, sacuda a seringa para que fique o mais seca possível, não use panos nem papel para tentar secá-la. 2. Coloque a seringa no suporte e adicione, com a proveta, exatos 10 mL do líquido, usando o dedo para obstruir a ponta da seringa e evitar a saída do líquido. 3. Coloque o béquer de 100 mL embaixo da seringa e zere o cronômetro. 4. Inicie a contagem do tempo no cronômetro ao mesmo tempo em que seu colega retira o dedo da ponta da seringa, parando o cronômetro assim que o líquido escoar por completo. Anote o tempo de escoamento em segundos: t 5. Repita mais duas vezes o procedimento e calcule o tempo médio de escoamento, anotando os valores na tabela. 6. Coloque o termômetro no béquer, contendo o líquido colhido, e anote a temperatura: T 𝑡∗𝜌 7. Calcule o Coeficiente de Viscosidade Dinâmica: 𝜇 = 𝜇𝐻2𝑂 ∗ 𝑡𝐻2𝑂∗𝑝𝐻2𝑂

8. Para o cálculo, escolha o valor de viscosidade da água μH2O (ver Tabela 1 da Introdução) cuja temperatura for a mais próxima à observada no experimento e anote-o na tabela. Utilize os valores médios obtidos pelo grupo para os tempos de escoamento t e as densidades (ρ) obtidas previamente na Parte 1 deste experimento. 9. Repita o procedimento inteiro para os outros líquidos, completando a tabela de resultados.

4. Resultados e discussões 4.1 Densidade de líquidos Balão seco: M1 (g) = 39,201 M2 M3 Densidade (𝜌) balão + líquido líquido g/mL Água destilada 89,049 𝑔 49,848 𝑔 0,99696 Solução NaCl 87,007 𝑔 47,806 𝑔 0,95612 Glicerina/água 93,605 𝑔 54,404 𝑔 1,08808

Temperatura ºC 18 18,5 18

Tabela 2 – Resultados do experimento 1

4.2 Densidade de sólidos M (g) Sólido Massa do sólido Prego 3,867 Zinco 6,374 Cobre 7,620

Vt (mL) Volume total 15 15 15

Vs (mL) Volume do sólido 0,5 1,0 1,0

Densidade (p) (g/mL) 7,734 6,374 7,620

Tabela 3 – Resultados do experimento 2

4.3 Viscosidade de líquidos

Água destilada Solução NaCl Glicerina/água

𝑡1 (𝑠) 5,03 5,01 6,67

Tempo de escoamento 𝑡2 (𝑠) 𝑡3 (𝑠) 4,69 5,01 4,98 4,98 6,38 6,59

𝑡𝑚é𝑑𝑖𝑜 (𝑠) 4,91 4,99 6,54

Tabela 4 – Resultados do experimento 3

Coeficientes de viscosidade dinâmica t (s) Temperatura tempo de 𝑡 ∗ 𝜌 (𝑠 ∗ 𝑔/𝑚𝐿) (ºC) escoamento médio Água destilada Solução NaCl Glicerina/água

Viscosidade dinâmica 𝜇 (𝑐𝑃)

4,91

4,895

18

1,0530

4,99 6,54

4,771 7,116

18,5 18

1,0263 1,5307

Tabela 5 – Resultados do experimento 3

5. Questionário 1. A densidade diminui à medida que a temperatura aumenta. Uma vez que o aumento de temperatura causa o aumento do volume por efeito da dilatação, a relação entre o peso e o volume diminui. 2. As diferenças podem ter sido causadas por uma diferença na pressão ou na temperatura. 3. Na água saturada com o sal, o volume mal muda, mas a massa aumenta. Portanto, a densidade da água saturada com sal é maior do que a da água destilada.

4. É importante que a temperatura seja a mesma pois a temperatura muda o volume das amostras, tanto sólidas quanto líquidas. Para resultados precisos e corretos, ambos devem estar na mesma temperatura. 5. Os valores ficaram próximos dos da literatura, e a diferença se dá provavelmente por conta da diferença na temperatura e no caso da glicerina, está misturado com água. 6. Sim, pois teríamos as informações para calcular a densidade das joias. 7. Nos líquidos newtonianos, a viscosidade do líquido diminui quando aumentamos a temperatura, e sua viscosidade é diretamente proporcional a força de atração das moléculas. 8. Não, para determinar a viscosidade do líquido temos que ter o produto do tempo de escoamento pela densidade do líquido em questão. 6. Conclusão Com base ao longo do experimento, é possível observar que há substâncias com índice de escoamento maior que outras, devido a viscosidade. Quanto maior for a viscosidade do líquido, maior será seu tempo de escoamento, como no caso da glicerina, o tempo gasto para o escoamento foi maior. 7. Referências [1] Bertulani, Carlos “Viscosidade, turbulência e tensão superficial” https://www.if.ufrj.br/~bertu/fis2/hidrodinamica/viscosidade.html. Acesso em 28 de agosto 2021. [2] Prolab “O que é viscosidade de um fluido?” https://www.prolab.com.br/blog/curiosidades/o-que-e-viscosidade-de-um-fluido/. Acesso em 28 de agosto de 2021. [3] Beduka, Redação “O que é Densidade? Definição, fórmula, absoluta e relativa!” https://beduka.com/blog/materias/quimica/o-que-e-densidade/. Acesso em 28 de agosto de 2021. [4] Fogaça, Jennifer “Densidade” https://www.manualdaquimica.com/quimicageral/densidade.htm. Acesso em 28 de agosto de 2021. [5] Andrade, Alan “Tipos de escoamento” http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasalan/AT087-Aula04.pdf. Acesso em 28 de agosto de 2021....