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UNIVERSIDADE FEDERAL DA
PARAÍBA CENTRO DE
TECNOLOGIA LABORATÓRIO DE
HIDRÁULICA EXPERIÊNCIA 02
VISCOSIDADE DE ÓLEOS
LUBRIFICANTES
Prof. Luiz Simão de Andrade Filho
1 - OBJETIVO
Determinação da viscosidade de um óleo lubrificante automotivo para várias temperaturas e sua classificação segundo a SAE.
2 - BASE TEÓRICA
A viscosidade de fluidos pode ser medida por vários métodos, por exemplo: (a) pelo torque necessário para girar um cilindro no líquido, tais como instrumentos de Michael e Storner, usados para óleos e líquidos viscosos; (b) pelo tempo necessário para que uma esfera caia através do líquido, como no instrumneto de Gardner Holot usado para tintas e outros fluidos altamente viscosos; (c) pelo tempo necessário para que o líquido escoe através de um pequeno tubo capilar como nos viscosímetros Saybolt, Engler e Redwood. (d) Os viscosímetros do tipo capilar, possuem um reservatório, onde se coloca o líquido a ser ensaiado, ligado ao tubo capilar (Figura 1).
Figura 1- Viscosímetro Capilar Tipo Engler
A equação da energia aplicada entre a superfície líquida do fluido e a descarga do capilar nos dá:
𝑣𝑣 2 2𝑔𝑔
o termo h 1 corresponde a perda por atrito e como o escoamento é laminaar, esta perda é dada pela equação de Hagen-Poiseulle:
128𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇 𝜋𝜋𝐷𝐷 4 𝜌𝜌𝑔𝑔
Substituindo (2) em (1), e escrevendo a energia cinética de (1) em função da vazão volumétrica Q, temos:
Onde o quociente μ (viscosidade absoluta) sobre ρ (massa específica), foi substituído por ν(viscosidade cinemática). Explicitando ν, e substituindo Q por ∀/t, sendo ∀ o volume recolhido no tempo, obtemos:
𝜋𝜋𝐷𝐷 4 𝑔𝑔ℎ 128 𝜇𝜇∀
∀ 16𝜋𝜋𝜇𝜇
1 𝑡𝑡
Observamos que os termos entre parênteses não variam para um dado viscosímetro. A viscosidade cinemática será, portanto, dada por uma expressão do tipo:
𝐵𝐵 𝑡𝑡
Na prática, os valores de A e B se afastam um pouco daqueles nos parênteses de (3), uma vez que na sua dedução desprezamos as perdas na entrada e consideramos o escoamento no capilar como totalmente desenvolvido, o que não é verdade pois o tubo é muito curto. Além disso, o escoamento não pode ser considerado permanente, pois o nível do fluido diminuui com o tempo. A viscosidade da maior parte dos líquidos diminui com a temperatura, o efeito oposto é observado nos gases. A variação da viscosidade com a temperatura é de grande importância na engenharia, em todos os problemas de escoamento de fluidos, atrito hidráulico, bombas, ventiladores e principalmente em lubrificação. A influência da pressão na viscosidade é pouco significativa, salvo em equipamentos de alta pressão. Por exemplo, a viscosidade de um óleo mineral a 250 atmosferas pode ser considerada mesma que à pressão atmosférica. Para produtos de petróleo, verificou-se que a relação entre a viscosidade cinemática e a temperatura, segue a equação empírica:
onde ν é a viscosidade em cSt(10-6^ m 2 /s), T a temperatura absoluta em °K e α, β constantes específicas de cada óleo, determinadas experimentalmente.
Para classificar o óleo, determina-se as viscosidades a Oo F(≅-18oC) e 210o
F(≅ 99 oC) e verifica-se em qual ou quais faixas a viscosidade se enquadra. O índice W
indica classificação a 0o F. Óleos cuja viscosidade se enquadram simultaneamente nas faixas a 0oF e a 210 o F são óleos multiviscosos, isto é, óleos cuja viscosidade varia pouco com a temperatura. Tais óleos são recomendados na lubrificação de motores de automóveis, por proporcionarem lubrificação eficiente, tanto em baixas temperaturas (manhã fria), como em altas temperaturas (meio dia nos dias de verão).
3 - EQUIPAMENTO
O viscosímetro utilizado nesta experiência é de tubo capilar tipo Engler com aquecimento elétrico, Figura 1. Para este viscosímetro, a relação entre o tempo de escoamento de 200ml do fluido cuja viscosidade se deseja determinar, e o tempo de escoamento de igual volume de água destilada a 20 °C, é uma medida da viscosidade cinemática na unidade chamada grau Engler. Ou seja:
O tempo para água a 20oC, obtido neste laboratório foi de 52,0 segundos. As constantes A e B de (4) foram igualmente determinadas, sendo obtidos
A=0,147 e B=374, para ν em Centistokes (10-6 m^2 /s), t é o tempo necessário para recolher 200ml de fluido.
4 - PROCEDIMENTO
(a) Encher a cuba externa do viscosímetro com água potável para banho térmico. (b) Tampar o orifício capilar com o pino de madeira e encher a cuba central com o fluido que se deseja determinar a viscosidade, de maneira que sua superfície livre coincida com os pinos existentes na parede da cuba. Nivelar o instrumento fazendo com que os três pinos toquem simultaneamente a superfície do fluido. (c) Recolher 50ml do fluido através do reservatório adequado, marcando o tempo de escoamento através do cronômetro, anotando o tempo e a temperatura do fluido. O tempo para 200ml pode ser obtido multiplicando o tempo de 50ml por 4. (d) Repetir os itens (b) e (c) para no mínimo cinco temperaturas, variando de ambiente até um máximo de 70°C. O aquecimento se faz ligando o interruptor do transformador, desligando-se quando atingida uma temperatura ligeiramnte superior à desejada, e esperando-se que as temperaturas das cubas interna e externa, se igualem. Enquanto o aquecimento estiver ligado, a lâmpada vermelha do transformador permanecerá acesa.
Fig. 2 - Gráfico Viscosidade - Temperatura ASTM D 341, Gráfico VII, referente a um óleo SAE 10W-40, típico do motor.
5 – RESULTADOS
(a) Traçar em planilhas eletrônicas o gráfico da Viscosidade (cSt) versus Temperatura (°C), para a substância ensaiada. (b) Lançar os pontos (ν,T) em gráfico loglog x log e ajustar os pontos obtidos a uma reta. (c) interpolar a reta obtida no item (b) determinar as viscosidades a -17,78 oC e a 98,89 oC, e classificar o óleo segundo o Quadro 1 da SAE. (d) Ainda através do gráfico do item (b) determinar os coeficientes α e β da relação de Walther.
6 - CONCLUSÕES E DISCUSSÃO
Discutir a coveniência em se expressar os resultados do item (a) através da equação (5) obtida em (b). Comentar quaisquer observações efetuadas durante a experiência.
