Lista 2 (2015) - Introdução à Reologia - FEG/UNESP

Lista 2 (2015) - Introdução à Reologia - FEG/UNESP

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

CAMPUS DE GUARATINGUETÁ

DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E TECNOLOGIA

Introdução à Reologia

Prof. Alexandre Zirpoli Simões

Julianne Bellíssimo nº 10558-6

Sidney Barbosa nº 131320181

Lista de Exercícios

Exercício 1:

Propriedade

Solução A

Solução B

Solução C

Natureza da molécula

Átomos, íons, pequenas moléculas

Macromoléculas, grupos de moléculas

Partículas visíveis a olho nu

Efeito da gravidade

Não sedimenta

Não sedimenta

Sedimenta rapidamente

Uniformidade

Homogênea

Não tão homogênea

Heterogênea

Separabilidade

Não

Com filtros especiais

Com filtros comuns

Tabela 1: Propriedades das soluções

Dispersões são sistemas nos quais uma substância está disseminada, sob a forma de partículas, em uma segunda substância. Tais substâncias possuem comportamentos e características diferentes. Uma maneira de identificá-las é de acordo com o tamanho das partículas de soluto dispersas. Dessa maneira, as suspensões podem ser divididas em três tipos básicos: soluções verdadeiras, colóides e suspensões.

Soluções verdadeiras são misturas de substâncias de aspecto uniforme, com partículas dispersas de tamanhos menores que 1nm e que não são capazes de dispersar luz, portanto não visíveis nem mesmo com auxílio de equipamento microscópico. Além disso, as partículas de soluto não sedimentam e não é possível separá-las do solvente por meio de filtração. Tais características estão presentes na solução A.

Colóides são suspensões em que o sistema precisa de certa estabilidade ou condições próprias de formação, já que suas partículas não são miscíveis, formando um sistema aparentemente homogêneo, mas que, sob ação de centrífuga por exemplo, forma depósitos e suas partículas de soluto podem sem retiradas após filtragem. As partículas dispersas são pequenos agregados de átomos, íons, moléculas ou macromoléculas cujo diâmetro veria de entre maiores que um átomo/moléculas e muito menores que partículas visíveis a olho nu. As suspensões apresentam mais de uma fase, que só podem ser visualizadas com aparelhagem ultramicroscópica, que ilumina a amostra. Tais características estão presentes na solução B.

Suspensões apresentam partículas com diâmetros superiores a 1000 nm, portanto visíveis por meio de microscópios ou até mesmo a olho nu. É uma mistura heterogênea, onde suas partículas suspensas sedimentam e podem ser facilmente filtradas. Tais características estão presentes na solução C.

Dessa forma, a alternativa correta é a alternativae: A= solução verdadeira, B= solução coloidal, C= suspensão.

Exercício 2:

Dispersões coloidais simples são sistemas de duas fases, que recebem o nome de fase dispersa e meio dispersante, onde se encontram as partículas coloidais. Podem ser classificados quanto à afinidade disperso-dispersante:

  • Colóidesliófilos: são colóides cujas partículas dispersas apresentam grande afinidade pelo dispersante, portanto a dispersão é espontânea. Quando o dispersante é a água, o colóide chama-se hidrófilo. São geralmente moléculas orgânicas (gelatina, goma arábica) em que as suas partículas se carregam eletricamente por ionização. A passagem de sol a gel neste caso é reversível. As partículas dispersas tem película de solvatação, que estabiliza o colóide.

  • Colóidesliófobos: são colóides cujas partículas dispersas apresentam pequena afinidade pelo dispersante, portanto a dispersão não é espontânea. São geralmente moléculas inorgânicas em que as partículas se carregam eletricamente por adsorção de íons. A passagem de sol a gel é irreversível. As partículas dispersas não tem película de solvatação, por isso são instáveis. Se o meio de dispersão for a água, usa-se o termo hidrófobo. Exemplo: enxofre em água, cloreto de prata, etc.

Para obtenção de uma dispersão coloidal estável deve evitar-se a agregação das pequenas partículas para formar uma partícula maior. Isto se consegue por dois métodos: auto estabilização ou estabilização por um componente adicional. O componente necessário para a estabilização do colóide hidrófobo pode ser: um colóide protetor, íons adsorvidos ou pó finamente dividido.

Colóidesprotetores são colóides liófilos que estabilizam os liófobos, impedindo sua coagulação. O sabão atua como colóide protetor quando é utilizado para lavar objetos engordurados. A gelatina o colóide protetor na fabricação de dispersão de brometo de prata para películas e papéis fotográficos. Também é utilizada na preparação de sorvetes para evitar a formação de partículas grandes de açúcar ou gelo. Os colóides protetores também são importantes na estabilização de emulsões (dispersão coloidal de dois líquidos imiscíveis). Nestes sistemas recebem o nome de agentes emulsificantes.

a) O nanquim é liófobo e a gelatina é liófila.

b) Neste caso a gelatina atua como colóide protetor, formando a camada de solvatação estabilizante.

Exercício 3:

a)Dispersãocoloidalliófila é indicada por grande afinidade entre o disperso e o dispersante (caso essa fase seja a água, é chamado dispersão hidrófila), que causa a formação de uma película protetora denominada camada de solvatação. Com isso é possível formar a dispersão coloidal em sol ou gel conforme se adicione ou retire dispersante, portanto tais colóides são ditos reversíveis. São geralmente moléculas orgânicas (gelatina, goma arábica) em que as suas partículas se carregam eletricamente por ionização.

Dispersãocoloidalliófoba é a dispersão onde praticamente não existe afinidade entre disperso e dispersante (caso essa fase seja a água, é denominada dispersão hidrófoba). A formação de uma dispersão coloidal liófoba não é espontânea e a passagem de gel a sol é muito difícil, por isso são ditos colóides irreversíveis. São geralmente moléculas inorgânicas em que as partículas se carregam eletricamente por adsorção de íons, como enxofre em água, cloreto de prata, etc.

b) Emulsões do tipo O/A contem fase interna (dispersa) oleosa e fase interna (dispersante) aquosa. Emulsões do tipo A/O possuem fase oleosa superior em proporção, sendo portanto dispersante.

Emulsões A/O: liófobas.

Emulsões O/A: hidrófobas.

c) Devido à afinidade entre as partículas de disperso e dispersante ocorre absorção ou fixação das partículas do dispersante na superfície das partículas do disperso, formando uma partícula protetora denominada camada de solvatação, que permite que as partículas do disperso fiquem isoladas umas das outras, tornando a dispersão coloidal estável.

d) A solvatação é um mecanismo de dissolução em que íons negativos e positivos ficam envoltos por moléculas de solvente. Esse fenômeno acontece quando um composto iônico ou polar é dissolvido num composto polar, sem que haja formação de uma nova substância.

O processo de solvatação requer energia para ser empregada no rompimento de ligações entre íons de soluto (disperso) e também nas interações entre moléculas de solvente (dispersante). A formação de interações de soluto com solvente constitui uma fase exotérmica em contrapartida. Esse processo contribui para a estabilidade dos íons da solução, evitando que ânions e cátions se unam outra vez, formando uma rede protetora: a camada de solvatação.

Nas dispersões liófilas, o próprio dispersante faz esse papel. Nas dispersões liófobas, determinada substância é acrescentada para atuar como agente emulsionante, que pode ser: um colóide protetor, íons adsorvidos ou pó finamente dividido.

Exercício 4:

Material

E

G

Aço

220 GPa

85,9 GPa

Cobre

120 GPa

44,4 GPa

Vidro

60 GPa

24,4 GPa

Granito

30 GPa

15,5 GPa

Poliestireno

34 GPa

12,8 GPa

Polietileno

24 GPa

8,7 GPa

Borracha natural

0,02 GPa

0,0067 GPa

Tabela 1 : Módulo de Elasticidade e Módulo de Rigidez

O comportamento mecânico de um material depende em grande medida de sua resposta (ou deformação) à carga ou força à que é submetido. A propriedade que correlaciona a deformação elástica com a tensão é o módulo elástico, que terá diferentes definições dependendo do tipo de esforço aplicado, sendo propriedades intrínsecas dos materiais que descrevem a relação entre tensão e deformação no regime elástico. No caso de materiais isotrópicos -em que as propriedades não dependem da direção em que são medidas - os módulos elásticos são: módulo de elasticidade (E) e módulo de cisalhamento (G). A movimentação de discordâncias, como deslizamento de planos, é o principal fator envolvido na deformação plástica de materiais cristalinos.

Módulo de elasticidade de um material é a máxima tensão dentro do limite elástico- em que a deformação é totalmente reversível após a retirada da carga aplicada, devido ao realinhamento das cadeias do material. Quanto maior esse módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada tensão (maior rigidez).

Comparativamente, como o módulo do aço é maior do que o da borracha, seria necessário aplicar uma força de tensão maior para que ambos sofressem a mesma deformação, caso seja possível. A diferença na magnitude do módulo de elasticidade dos metais, cerâmicas e polímeros é consequência dos diferentes tipos de ligação atômica existentes neste três tipos de materiais.

A deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão das ligações interatômicas. Como conseqüência, a magnitude do módulo de elasticidade representa uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, isto é, as forças de ligação interatômicas. Para materiais poliméricos, o módulo de elasticidade está relacionado com a energia necessária para deformar os ângulos e distâncias entre os átomos das ligações poliméricas. Ligações cruzadas impedem o movimento molecular das cadeias, portanto os polímeros com esse tipo de ligação exibem alto grau de emaranhamento. Quanto maior for uma cadeia polimérica e mais rígida, maior será o módulo de elasticidade.

A imposição de tensões compressivas, de cisalhamento ou torcionais também induzem um comportamento elástico. A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais entre si por meio da relação: τ = Gγ onde G representa o módulo de rigidez, definido como a razão entre a tensão de cisalhamento aplicada paralelamente a uma superfície e a sua deformação específica (que ocorre pelo deslizamento dos planos atômicos paralelos entre si).

A flexibilidade de moléculas elastômeras e a restrição imposta à deformação irrecuperável das ligações cruzadas proporcionam às borrachas um comportamento único, sua elasticidade, não sofrendo nenhuma deformação permanente, por isso um baixo módulo elástico. A cristalização de um material diminui a flexibilidade das moléculas, restringindo a deformação, exigindo um valor de tensão maior. Isso explica o valor do módulo para cerâmicas, por exemplo. Em polímeros não cristalinos o processo de escoamento é menos localizado do que em materiais cristalinos.

Exercício 5:

O grafico apresenta um mesmo material, submetido a diferentes temperaturas, com diferentes caracteristicas reológicas.: nota-se que a viscosidade e o tempo de escoamento diferem em cada caso, indicando o surgimento de uma mesofase, não newtoniana, de dificil interpretação.

Junho/2015

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