miniatura|Um viscosímetro.
Um viscosímetro, também chamado de viscómetro em Portugal ou viscômetro no Brasil, é um instrumento usado para medir a viscosidade de um fluido. Viscosímetros operam sob condições definidas de escoamento. Muitos fornecem um valor de viscosidade para essas condições. Viscosímetros rotacionais também podem medir a viscosidade aparente de fluidos não newtonianos, desde que sejam especificadas as condições de cisalhamento. Para caracterizar de forma mais completa a dependência do material em relação à taxa ou à tensão de cisalhamento, emprega-se um reômetro.
miniatura|direita|Viscosímetros rotacional, à esquerda, e cinemático, à direita, da Anton Paar, na DEF-TECH Bharat 2026, no KTPO, em Bengaluru.
Em geral, o fluido permanece imóvel enquanto um objeto se move através dele, ou o objeto permanece imóvel enquanto o fluido passa por ele. O arrasto causado pelo movimento relativo entre o fluido e uma superfície permite medir a viscosidade. Nos métodos baseados em relações de escoamento laminar, o número de Reynolds deve ser suficientemente baixo para que haja escoamento laminar.
A 20 °C e sob pressão atmosférica normal de 0,101325 MPa, a viscosidade dinâmica da água é de 1,0016 mPa·s e sua viscosidade cinemática é de 1,0034 mm²/s. A viscosidade dinâmica corresponde ao produto da viscosidade cinemática pela densidade. Esses valores são usados como referência na calibração de viscosímetros relativos.
Aplicações Viscosímetros são usados em laboratórios, no controle de qualidade e diretamente em processos industriais. Em instalações de processo, sensores podem ser montados em uma tubulação, em uma linha de desvio ou imersos em um tanque, permitindo acompanhar alterações do produto sem a retirada contínua de amostras. Na indústria de alimentos, a medição de viscosidade é empregada no acompanhamento de processos e na verificação da consistência do produto.
A escolha do instrumento depende da faixa de viscosidade, da temperatura, do volume disponível de amostra e do comportamento reológico do material. Viscosímetros capilares são usados rotineiramente com líquidos newtonianos. Métodos rotacionais permitem trabalhar com uma faixa maior de viscosidades e obter valores de viscosidade aparente sob condições de cisalhamento especificadas.
Viscosímetros laboratoriais padrão para líquidos miniatura|direita|100px|Viscosímetros de Ostwald medem a viscosidade de um fluido de densidade conhecida.
Viscosímetros de tubo em U Esses aparelhos também são chamados de viscosímetros capilares de vidro ou viscosímetros de Ostwald, em referência a Wilhelm Ostwald. Outra configuração é o viscosímetro de Ubbelohde, de nível suspenso. O viscosímetro Cannon-Fenske também pertence à família dos viscosímetros capilares. Esses instrumentos empregam o tempo de escoamento de um líquido através de um capilar calibrado.
No viscosímetro de tubo em U, um dos braços contém uma seção vertical de diâmetro interno estreito e precisamente determinado, o capilar. Acima dela há um bulbo, enquanto outro reservatório fica mais abaixo no braço oposto. O aparelho é mantido verticalmente em um banho de temperatura controlada.
Durante o ensaio, o líquido é levado até o bulbo superior e depois deixado escoar pelo capilar. Duas marcas delimitam um volume conhecido. O tempo necessário para que o menisco passe entre elas é medido. Quando a correção de energia cinética é desprezível, a viscosidade cinemática pode ser escrita como
em que é a viscosidade cinemática, é a constante do viscosímetro e é o tempo de escoamento. Para capilares e tempos de escoamento em que a energia cinética não pode ser desprezada, aplica-se uma correção própria do instrumento. A viscosidade dinâmica é obtida pela relação
em que é a viscosidade dinâmica e é a densidade do líquido.
O procedimento padronizado mede o tempo necessário para que um volume definido da amostra percorra, por gravidade, o trecho entre duas marcas de um capilar calibrado. A ASTM D445 e a ISO 3104 tratam desse tipo de determinação em líquidos transparentes e opacos.
Os viscosímetros capilares podem ser de escoamento direto ou reverso. Nos de escoamento reverso, o reservatório fica acima das marcas de medição. Nos de escoamento direto, fica abaixo delas. A configuração de escoamento reverso facilita a leitura de líquidos opacos ou que mancham o vidro, pois a amostra que já passou pelo capilar não encobre as marcas usadas na cronometragem.
Alguns modelos têm mais de um bulbo ou mais de um par de marcas, permitindo obter duas determinações na mesma carga de amostra. Em líquidos newtonianos, os tempos convertidos pelas respectivas constantes devem produzir valores compatíveis. Em materiais cuja viscosidade depende da taxa de cisalhamento, capilares de diâmetros diferentes podem produzir resultados diferentes.
A viscosimetria capilar também é usada na caracterização de polímeros em solução. A ISO 307 estabelece a determinação do número de viscosidade de soluções diluídas de poliamidas em solventes e condições especificados.
Viscosímetros de esfera em queda miniatura|100px|direita|Escoamento lento ao redor de uma esfera.
A lei de Stokes é a base do viscosímetro de esfera em queda. O fluido permanece imóvel em um tubo vertical e uma esfera de dimensões e densidade conhecidas é deixada cair através dele. Quando o conjunto é escolhido adequadamente, a esfera atinge a velocidade terminal, que pode ser determinada pelo tempo necessário para percorrer a distância entre duas marcas. Sensores eletrônicos podem ser usados quando o fluido é opaco.
Conhecendo-se a velocidade terminal, as dimensões e a densidade da esfera e a densidade do líquido, a lei de Stokes permite calcular a viscosidade do fluido. Em experimentos didáticos, podem ser usadas esferas de diferentes diâmetros e líquidos como o glicerol. O mesmo princípio é empregado em medições de óleos, soluções de polímeros e outros líquidos.
Em 1851, George Gabriel Stokes obteve uma expressão para a força de arrasto exercida sobre um objeto esférico rígido que se move lentamente em um fluido viscoso newtoniano quando o número de Reynolds é muito pequeno:
em que: é a força de arrasto, é o raio do objeto esférico, é a viscosidade dinâmica do fluido, é a velocidade relativa entre a esfera e o fluido.
Se a partícula cai no fluido pela ação do próprio peso, a velocidade terminal é atingida quando a força de arrasto e o empuxo equilibram a força gravitacional. Para uma esfera em um meio não confinado e no regime de Stokes,
em que: é a velocidade de sedimentação da partícula, em m/s, dirigida para baixo se e para cima se , é o raio de Stokes da partícula, em m, é a aceleração da gravidade, em m/s², é a densidade da partícula, em kg/m³, é a densidade do fluido, em kg/m³, é a viscosidade dinâmica do fluido, em Pa·s.
A expressão pressupõe que a esfera tenha alcançado a velocidade terminal, que os efeitos de inércia sejam pequenos e que o fluido ao redor possa ser tratado como não confinado. Em um tubo real, as paredes e as extremidades alteram o arrasto quando estão suficientemente próximas da esfera, exigindo fatores de correção. A rugosidade e imperfeições geométricas da esfera também podem afetar a medição.
Viscosímetros de esfera em queda ou rolante são usados principalmente com líquidos de comportamento newtoniano. A ISO 12058-1 estabelece um método de tubo inclinado para polímeros e resinas líquidos, emulsionados ou dispersos, e alerta que líquidos cuja viscosidade depende do cisalhamento podem produzir resultados diferentes com esferas ou geometrias distintas.
Uma modificação do aparelho é o viscosímetro de esfera rolante. A esfera percorre uma superfície inclinada enquanto permanece imersa na amostra, e seu tempo de deslocamento é relacionado à viscosidade. Uma variante emprega uma placa em V, que aumenta o número de rotações da esfera por unidade de distância e permite aparelhos menores. O movimento controlado da esfera reduz a possibilidade de regimes de escoamento indesejados em comparação com certas configurações de queda livre.
Viscosímetro de pistão em queda Também chamado de viscosímetro Norcross em referência a Austin Norcross, esse aparelho industrial usa um conjunto formado por pistão e cilindro. O pistão é elevado periodicamente por um mecanismo pneumático, puxando o material em medição pelo espaço entre o pistão e a parede do cilindro para a cavidade formada abaixo dele. O conjunto permanece elevado por alguns segundos e depois é liberado para descer pela ação da gravidade. A amostra é expelida pelo mesmo caminho por onde entrou, produzindo cisalhamento. Essa configuração permite trabalhar com certos líquidos tixotrópicos.
O tempo de queda é usado como medida de viscosidade e a folga entre o pistão e a superfície interna do cilindro forma o orifício de medição. O controlador de viscosidade mede esse tempo e pode apresentar o resultado em segundos de copo de escoamento, segundo Saybolt universal ou centipoise.
A construção é usada em sistemas industriais por exigir poucas partes móveis na região de medição. O princípio pode ser adaptado a diferentes condições de controle de processo.
Viscosímetro de pistão oscilante O viscosímetro de pistão oscilante, também chamado de viscosímetro eletromagnético ou EMV, possui uma câmara de medição e um pistão movido magneticamente. Uma patente de Hubert A. Wright atribuída à Cambridge Applied Systems foi depositada em 1984 e concedida nos Estados Unidos em 1986.
A amostra é introduzida em uma câmara com temperatura controlada. Um circuito eletrônico gera um campo magnético controlado que faz o pistão oscilar no interior da câmara. O movimento impõe cisalhamento ao fluido. A viscosidade é determinada a partir do movimento do pistão, levando em conta a geometria da câmara e a calibração do instrumento. A ASTM D7483 padroniza a determinação da viscosidade dinâmica e o cálculo da viscosidade cinemática por esse tipo de aparelho.
500px|centro|Esquema de um viscosímetro de pistão oscilante.
O método da ASTM D7483 cobre viscosidades dinâmicas de 0,2 a 20.000 mPa·s e temperaturas de −40 °C a 190 °C, embora os intervalos para os quais há dados de precisão sejam menores. O instrumento utiliza menos de 5 mL de amostra no procedimento descrito pela norma.
Viscosímetros vibracionais Viscosímetros vibracionais medem alterações na resposta de um ressonador eletromecânico imerso no fluido. O ressonador pode oscilar por torção ou transversalmente, na forma de uma viga em balanço, haste ou diapasão. O fluido modifica a frequência, a amplitude, a fase ou o amortecimento do sistema, e essas alterações podem ser relacionadas às propriedades viscosas da amostra.
O amortecimento pode ser medido de diferentes maneiras:
Medindo-se a potência necessária para manter o oscilador em amplitude constante. Um amortecimento maior exige mais potência. Medindo-se o tempo de decaimento da oscilação depois que a excitação é desligada. Um amortecimento maior produz decaimento mais rápido. Medindo-se a frequência do ressonador em função da diferença de fase entre a excitação e a resposta.
O campo de cisalhamento de um sensor vibracional depende de sua geometria e frequência. Por isso, um valor obtido com esse tipo de aparelho não equivale automaticamente à curva reológica completa de um material cuja resposta dependa da taxa de cisalhamento.
Em instalações industriais, a parte ativa do sensor pode ser uma haste vibrante. Sua resposta muda quando a viscosidade do fluido em contato com ela se altera. A ausência de mancais e de outras partes móveis expostas ao produto permite construir sensores compactos para instalação em tanques e tubulações. Fluidos fortemente básicos ou ácidos podem exigir revestimentos protetores, como esmalte vítreo, ou sensores fabricados com materiais resistentes, como aço inoxidável da classe 316L.
Viscosímetro de quartzo