Automação do método de Stokes para a determinação da viscosidade via celular

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ensino de Química

Autores

Mayrink, M.I.C.B. (FACULDADE DINÂMICA DO VALE DO PIRANGA) ; Reis, E.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Reis, C.D.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Reis, C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Silva, A.A.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; Damasceno, O.I.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA)

Resumo

O uso de atividades experimentais deve ser pautado em uma abordagem interdisciplinar sempre buscando-se conexões. Mas conhecendo as dificuldades envolvidas na construção de experimentos e na aquisição de materiais, observamos que a utilização desse recurso ainda não é a ideal. O uso de materiais alternativos pode incentivar professores a adotar essa prática como uma ferramenta de ensino, que possa ser aplicada ao longo do processo de ensino. O presente trabalho apresenta uma determinação experimental da viscosidade de um óleo e de um detergente através de um viscosímetro com automação simples, baseado no método de Stokes, usando-se um celular como etapa do registro de dados. Esta proposta de viscosímetro permite uma abordagem do conteúdo de forma simples, rápida e investigativa.

Palavras chaves

viscosidade; automação; celular

Introdução

A experimentação pode se mostrar como uma estratégia eficiente para que o aluno não seja um mero espectador e sim um sujeito participante, permitindo a contextualização e o estímulo ao senso investigativo do aluno. Tendo em vista essa problemática, a construção de equipamentos alternativos, empregando materiais presentes no cotidiano, de baixo custo e fácil aquisição, sem prejudicar os objetivos e metas da aprendizagem, tem se tornado uma forma de viabilizar o aprendizado, despertando o interesse pelas ciências exatas e o senso crítico dos alunos. Desta maneira, neste trabalho propõe-se a construção de um instrumento de medição da viscosidade, utilizando como sinalizadores LEDs e a câmera de um celular, com um aplicativo próprio, além do aparato que constitui o próprio viscosímetro. Será usado como referência, o princípio operacional do viscosímetro de Stokes, que se baseia na determinação da velocidade de queda livre de uma esfera através do fluido do qual se deseja obter a viscosidade. A viscosidade é basicamente a propriedade que os fluidos possuem em resistir ao escoamento, em determinada temperatura. Gases e líquidos, quando submetidos a tensões, apresentam sua capacidade de escoar, mostrando assim sua característica viscosa, diferentemente dos sólidos, que quando submetidos a tensões se deformam. Na indústria farmacêutica medidas de viscosidade são utilizadas na identificação e determinação do grau de pureza de matérias-primas, bem como na determinação da qualidade dos produtos. Na indústria alimentícia, a viscosidade de um líquido é de interesse, pois conhecer e controlar essa propriedade é de extrema importância na formulação e preparação de emulsões, cremes, géis e soluções.

Material e métodos

O viscosímetro construído teve como base o viscosímetro de Stokes. O princípio operacional deste tipo de viscosímetro baseia-se na determinação da velocidade de queda de uma esfera através do fluido do qual se deseja obter a viscosidade. A viscosidade define-se como a resistência que um fluido oferece ao escoamento, sendo que essa oposição ao movimento se deve ao atrito interno das camadas adjacentes do fluido. Para a construção do viscosímetro utilizou-se dois tubos de acrílico, com diâmetro de 5,0 cm e 2,5 cm respectivamente, colocados um dentro do outro, como mostra a figura 1. O espaço entre os dois tubos é preenchido com água, que dentro das possibilidades do laboratório, pode ser circulada a partir de um banho termostático. Foram colocados dois LEDs de luz branca, alimentados por pilhas tipo botão, a uma distância de 30 cm um do outro e através de pares de espelhos a luz foi direcionada a uma câmera de um celular. Nas duas extremidades do tubo de acrílico interno, foram colocados eletroímãs para liberar a esfera de aço. Esta esfera tem diâmetro de 0,50 cm. Assim para iniciar a medição basta desligar o eletroímã e a esfera é liberada e ao percorrer o trajeto através do líquido dentro do tubo interno interceptará a luz dos LEDS em tempos diferenciados que dará suporte para o cálculo da viscosidade.

Resultado e discussão

Para a realização dos experimentos a esfera de aço de 0,5 cm de diâmetro é liberada desligando-se o eletroímã. Quando a esfera intercepta a luz do primeiro LED, o tempo começa a ser contado pelo aplicativo desenvolvido em Java. Quando a esfera passa pelo segundo feixe de luz do LED o aplicativo calcula o tempo gasto pela esfera para percorrer a distância de 30 cm dentro do líquido específico. Com estes parâmetros é possível inferir sobre a viscosidade do líquido. A massa e o diâmetro da esfera de aço foram determinados com o auxílio de uma balança analítica e de um paquímetro, respectivamente. A temperatura da água que termostatiza o sistema foi medida com um termômetro de mercúrio. Um picnômetro foi utilizado para determinar as densidades dos líquidos em estudo. Os valores encontrados estão dispostos na tabela 1. O óleo utilizado para o experimento é o óleo de mamona (óleo de rícino) e o detergente é de uma marca comercial. Em seguida, foi calculada as velocidades terminais para os dois fluidos encontrando-se respectivamente 16,1 cm/s para o óleo e 21,4 cm/s para o detergente. Por fim foi calculado o coeficiente de viscosidade dinâmica para cada caso, obtendo-se os coeficientes de viscosidade para os dois fluidos, 20,86 stokes para o óleo e 15,81 stokes para o detergente.

Viscosímetro


Parâmetros determinados e tempo gasto pela esfera para percorrer o fluido.

Conclusões

A partir dos dados experimentais foi possível aplicar a Lei de Stokes e determinar experimentalmente o coeficiente de viscosidade para os dois fluidos. A vantagem do método de Stokes em relação ao método de Ostwald é que se obtêm a viscosidade absoluta direta por modelagem, enquanto no método de Ostwald necessitamos de um líquido de referência. Pela simplicidade na construção do instrumento infere-se que alguns erros são inerentes, mas ainda assim proposta não fica invalidada.

Agradecimentos

Os autores agradecem a FAPEMIG pelo fomento e ao Departamento de Química da UFV pela utilização dos espaços físicos e instrumentos.

Referências

GUIMARÃES, C. C., Experimentação no Ensino de Química: Caminhos e Descaminhos Rumo à Aprendizagem Significativa. Química Nova na Escola, 2, 31, 190-197, 2009.

BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica. Parâmetros curriculares nacionais: Ensino Médio. Brasília: MEC, 1999.

SILVA, S. F.; NÚÑEZ, I. B. O ensino por problemas e trabalho experimental dos estudantes: reflexões teórico-metodológicas. Química Nova, 25, 1, 1197-1203, 2002.

SHAMES, I. H. Mecânica dos Fluidos – volume 1. São Paulo: Editora
Edgard Blücher, 1999, 192p.

E. L. Silva Vaz, H. A. Acciari, A. Assis, E. N. Codaro. Uma experiência didática sobre viscosidade e densidade. Química Nova na Escola, 34, 3, 155-158. 2012.