O que é viscosidade cinemática?

    A viscosidade cinemática é uma medida da resistência interna de um fluido ao escoamento sob a ação da gravidade. Ela é determinada medindo-se o tempo, em segundos, necessário para que um volume fixo de fluido percorra uma distância conhecida, sob a ação da gravidade, através de um capilar dentro de um viscosímetro calibrado, a uma temperatura rigorosamente controlada.

    Esse valor é convertido para unidades padrão, como centistokes (cSt) ou milímetros quadrados por segundo. A informação sobre a viscosidade só é válida quando a temperatura na qual o teste foi realizado também é informada — por exemplo, 23 cSt a 40 graus Celsius.

     De todos os testes empregados para análise de óleo usado, nenhum oferece melhor repetibilidade ou consistência do que a viscosidade. Da mesma forma, não há propriedade mais crítica para a lubrificação eficaz de componentes do que a viscosidade do óleo base. No entanto, a viscosidade é mais complexa do que aparenta. Ela pode ser medida e relatada como viscosidade dinâmica (absoluta) ou como viscosidade cinemática. As duas são facilmente confundidas, mas são significativamente diferentes.

    A maioria dos laboratórios de análise de óleo usado mede e reporta a viscosidade cinemática. Em contrapartida, a maioria dos viscosímetros de uso no local mede a viscosidade dinâmica, mas são programados para estimar e reportar a viscosidade cinemática, de modo que as medições de viscosidade reportadas refletem os valores cinemáticos informados pela maioria dos laboratórios e fornecedores de óleo lubrificante.

    Dada a importância da análise de viscosidade, aliada à crescente popularidade dos instrumentos de análise de óleo utilizados no local para complementar e filtrar as análises laboratoriais de óleo realizadas fora do local, é essencial que os analistas de óleo compreendam a diferença entre as medições de viscosidade dinâmica e cinemática.

    De modo geral, a viscosidade é a resistência de um fluido ao escoamento (tensão de cisalhamento) a uma determinada temperatura. Às vezes, a viscosidade é erroneamente chamada de espessura (ou peso). A viscosidade não é uma medida dimensional, portanto, chamar um óleo altamente viscoso de espesso e um óleo menos viscoso de fino é enganoso.

    Da mesma forma, relatar a viscosidade para fins de análise de tendências sem referência à temperatura não faz sentido. A temperatura deve ser definida para interpretar a leitura da viscosidade. Normalmente, a viscosidade é relatada a 40 °C e/ou 100 °C, ou em ambas as temperaturas, se o índice de viscosidade for necessário.

Equação da Viscosidade Cinemática

    Diversas unidades de engenharia são usadas para expressar a viscosidade, mas as mais comuns são o centistoke (cSt) para viscosidade cinemática e o centipoise (cP) para viscosidade dinâmica (absoluta). A viscosidade cinemática em cSt a 40 °C é a base do sistema de classificação de viscosidade cinemática ISO 3448, tornando-o o padrão internacional. Outros sistemas comuns de viscosidade cinemática, como o Saybolt Universal Seconds (SUS) e o sistema de classificação SAE, podem ser relacionados à medição da viscosidade em cSt a 40 °C ou 100 °C.

Medição da viscosidade cinemática

    A viscosidade cinemática é medida observando-se o tempo que o óleo leva para percorrer o orifício de um capilar sob a ação da gravidade (Figura 1). O orifício do tubo do viscosímetro cinemático oferece uma resistência fixa ao fluxo. Capilares de diferentes tamanhos estão disponíveis para suportar fluidos com viscosidades variadas.

    O tempo que o fluido leva para fluir através do tubo capilar pode ser convertido em viscosidade cinemática usando uma constante de calibração simples fornecida para cada tubo. O procedimento dominante para realizar medições de viscosidade cinemática é o ASTM D445, frequentemente modificado em laboratórios de análise de óleo usado para economizar tempo e tornar a medição mais eficiente.

Figura 1. Viscosímetro de tubo em U capilar 

Medição da viscosidade dinâmica (viscosidade absoluta)

    A viscosidade dinâmica é medida como a resistência ao fluxo quando uma força externa e controlada (bomba, ar comprimido, etc.) força o óleo através de um capilar (ASTM D4624), ou quando um corpo é forçado através do fluido por uma força externa e controlada, como um eixo acionado por um motor. Em ambos os casos, mede-se a resistência ao fluxo (ou cisalhamento) em função da força aplicada, o que reflete a resistência interna da amostra à força aplicada, ou sua viscosidade dinâmica.

    Existem diversos tipos e configurações de viscosímetros absolutos. O método rotativo de Brookfield, ilustrado na Figura 2, é o mais comum. A medição da viscosidade absoluta tem sido utilizada em pesquisas, controle de qualidade e análise de graxas na área de lubrificação de máquinas.

Figura 2. Viscosímetro rotativo ASTM D2983 

    Os procedimentos para testar a viscosidade dinâmica em laboratório pelo método tradicional de Brookfield são definidos pelas normas ASTM D2983, D6080 e outras. No entanto, a viscosidade dinâmica está se tornando comum na área de análise de óleo usado, pois a maioria dos viscosímetros portáteis disponíveis no mercado atualmente mede a viscosidade dinâmica, e não a viscosidade cinemática. 

    De um modo geral, a viscosidade cinemática (cSt) relaciona-se com a viscosidade absoluta (cP) em função da densidade relativa (SG) do fluido, de acordo com as equações da figura 3.

Figura 3. Equações de viscosidade 

    Por mais simples e elegantes que essas equações pareçam, elas são válidas apenas para os chamados fluidos newtonianos. Além disso, a densidade do fluido deve permanecer constante durante o período de análise. Nenhuma dessas condições pode ser considerada constante na análise de óleo usado, portanto, o analista deve estar ciente das condições sob as quais podem ocorrer variações.

Viscosidade cinemática: fluidos newtonianos versus não newtonianos

    Um fluido newtoniano é um fluido que mantém viscosidade constante em todas as taxas de cisalhamento (a tensão de cisalhamento varia linearmente com a taxa de cisalhamento). Esses fluidos são chamados de newtonianos porque seguem a fórmula original estabelecida por Sir Isaac Newton em sua Lei da Mecânica dos Fluidos. Alguns fluidos, no entanto, não se comportam dessa maneira. Em geral, são chamados de fluidos não newtonianos. Os fluidos newtonianos incluem gases, água, óleo, gasolina e álcool.

    Um grupo de fluidos não newtonianos, denominados tixotrópicos, é de particular interesse na análise de óleo usado, pois a viscosidade de um fluido tixotrópico diminui com o aumento da taxa de cisalhamento. A viscosidade de um fluido tixotrópico aumenta com a diminuição da taxa de cisalhamento. Com fluidos tixotrópicos, o tempo de solidificação pode aumentar a viscosidade aparente, como no caso de graxas. Exemplos de fluidos não newtonianos incluem:

• Líquidos com comportamento dilatante por cisalhamento: a viscosidade aumenta com o aumento da taxa de cisalhamento. Por exemplo, o amido de milho, quando colocado em água e mexido, começa a ficar mais espesso com o tempo.

• Líquidos pseudoplásticos: a viscosidade diminui à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. A tinta para paredes é um bom exemplo disso. Ao mexer a tinta, ela se torna mais fluida.

• Líquidos tixotrópicos: tornam-se menos viscosos quando agitados. Exemplos comuns são o ketchup e o iogurte. Ao serem agitados, tornam-se mais fluidos. Quando deixados em repouso, retornam a um estado semelhante a gel.

• Líquidos reopécticos: tornam-se mais viscosos quando agitados. Um exemplo comum disso é a tinta de impressora.

Viscosidade cinemática: um exemplo prático

    Imagine que você tem dois potes à sua frente: um cheio de maionese e o outro cheio de mel. Com ambos os potes fixados à superfície da mesa com velcro, imagine-se mergulhando facas de manteiga idênticas em cada um dos líquidos, no mesmo ângulo e na mesma profundidade. Imagine misturar os dois líquidos girando as facas na mesma rotação, mantendo o mesmo ângulo de ataque.

    Qual dos dois líquidos foi mais difícil de mexer? Sua resposta deve ser mel, que é muito mais difícil de mexer do que maionese. Agora imagine soltar os potes do velcro na mesa e virá-los de lado. Qual deles escorre mais rápido do pote, mel ou maionese? Sua resposta deve ser mel; a maionese não escorrerá de jeito nenhum ao virar o pote de lado.

    Qual fluido é mais viscoso, mel ou maionese? Se você disse maionese, acertou... pelo menos em parte. Da mesma forma, se você disse mel, também acertou em parte. A razão para a aparente anomalia é que, ao girar a faca em ambas as substâncias, a taxa de cisalhamento varia, enquanto virar cada frasco de lado mede simplesmente a resistência estática ao fluxo.

    Como o mel é um fluido newtoniano, enquanto a maionese é um fluido não newtoniano, a viscosidade da maionese diminui à medida que a taxa de cisalhamento aumenta ou conforme a faca é girada. Mexer submete a maionese a uma alta tensão de cisalhamento, fazendo com que ela ceda à ação forçada. Por outro lado, simplesmente colocar o pote de lado submete a maionese a uma baixa tensão de cisalhamento, resultando em pouca ou nenhuma alteração na viscosidade, de modo que ela tende a permanecer no pote.

    Não é possível medir a viscosidade de um fluido não newtoniano pelos métodos convencionais. Em vez disso, é necessário medir a viscosidade aparente, que leva em consideração a taxa de cisalhamento na qual a medição da viscosidade foi realizada (ver Figura 4). Assim como as medições de viscosidade não fazem sentido a menos que a temperatura do teste seja informada, as medições de viscosidade aparente não fazem sentido a menos que a temperatura do teste e a taxa de cisalhamento sejam informadas.

    Por exemplo, a viscosidade da graxa nunca é informada diretamente; em vez disso, a viscosidade aparente da graxa é informada em centipoises (cP). (Observação: a viscosidade pode ser informada para o óleo base usado na fabricação da graxa, mas não para o produto final.)

    De modo geral, um fluido é não-newtoniano se for composto por uma substância suspensa (mas não dissolvida quimicamente) em um fluido hospedeiro. Para que isso ocorra, existem duas categorias básicas: emulsões e suspensões coloidais. Uma emulsão é a coexistência física estável de dois fluidos imiscíveis. A maionese é um fluido não-newtoniano comum, composta por ovos emulsionados em óleo, o fluido hospedeiro. Por ser não-newtoniana, a viscosidade da maionese cede com a aplicação de força, tornando-a fácil de espalhar.

    Uma suspensão coloidal é composta por partículas sólidas suspensas de forma estável em um fluido hospedeiro. Muitas tintas são suspensões coloidais. Se a tinta fosse newtoniana, ela se espalharia facilmente, mas escorreria se a viscosidade fosse baixa, ou se espalharia com grande dificuldade e deixaria marcas de pincel, mas não escorreria se a viscosidade fosse alta.

    Como a tinta não é newtoniana, sua viscosidade cede sob a força do pincel, mas retorna ao normal quando o pincel é retirado. Consequentemente, a tinta se espalha com relativa facilidade, sem deixar marcas de pincel e sem escorrer.

Viscosidade dinâmica versus viscosidade cinemática: qual a diferença?

    A viscosidade dinâmica determina a espessura da película fornecida pelo óleo. A viscosidade cinemática é apenas uma tentativa conveniente de estimar o grau de espessura da película que o óleo pode fornecer, mas tem menos significado se o óleo for não-newtoniano.

Muitas formulações e condições de lubrificantes produzirão um fluido não newtoniano, incluindo:

• Aditivos melhoradores do índice de viscosidade (IV) - Os óleos de motor multiviscosos à base de minerais (exceto os óleos básicos com IV naturalmente elevado) são formulados com um aditivo elástico que se mantém compacto a baixas temperaturas e se expande a altas temperaturas em resposta ao aumento da solvência do fluido. Como essa molécula do aditivo é diferente das moléculas do óleo base, ela se comporta de maneira não newtoniana.

• Contaminação por água - Óleo e água livre não se misturam, pelo menos não quimicamente. Mas, sob certas circunstâncias, eles se combinam para formar uma emulsão, muito semelhante à maionese mencionada anteriormente. Qualquer pessoa que já viu óleo com a aparência de café com creme pode confirmar esse fato. Embora possa parecer contraditório, a contaminação por água, quando emulsionada no óleo, na verdade aumenta a viscosidade cinemática.

• Subprodutos da degradação térmica e oxidativa - Muitos subprodutos da degradação térmica e oxidativa são insolúveis, mas são transportados pelo óleo em suspensão estável. Essas suspensões criam um comportamento não newtoniano.

• Fuligem - Comumente encontrada em motores a diesel, a fuligem é uma partícula que resulta em uma suspensão coloidal no óleo. O aditivo dispersante do óleo, projetado para impedir que as partículas de fuligem se aglomerem e cresçam, facilita a formação dessa suspensão coloidal.

  
  

    Se alguém medisse a viscosidade absoluta de uma dessas emulsões ou coloides comuns descritos acima com um viscosímetro absoluto de taxa de cisalhamento variável (por exemplo, ASTM D4741), a medição diminuiria à medida que a taxa de cisalhamento aumentasse, até um ponto de estabilização.

    Se dividirmos essa viscosidade absoluta estabilizada pela densidade relativa do fluido para estimar a viscosidade cinemática, o valor calculado será diferente da viscosidade cinemática medida. Novamente, as equações da Figura 3 aplicam-se apenas a fluidos newtonianos, e não aos fluidos não newtonianos descritos anteriormente, razão pela qual ocorre essa discrepância.

Efeitos da viscosidade cinemática e da densidade específica

    Observe novamente as equações na Figura 3. As viscosidades absoluta e cinemática de um fluido newtoniano estão relacionadas em função da densidade relativa do fluido. Considere o aparato na Figura 1, o bulbo que contém a amostra de óleo, que é liberado quando o vácuo é eliminado, produzindo então uma pressão que impulsiona o óleo através do tubo capilar.

    Pode-se assumir que todos os fluidos produzirão a mesma pressão? Não, a pressão é uma função da densidade relativa do fluido, ou seja, seu peso em relação ao peso de um volume idêntico de água. A maioria dos óleos lubrificantes à base de hidrocarbonetos tem uma densidade relativa de 0,85 a 0,90. No entanto, esse valor pode mudar com o tempo à medida que o óleo se degrada ou se contamina (com glicol, água e metais de desgaste, por exemplo), o que produz uma diferença entre as medições de viscosidade absoluta e cinemática.

    Considere os dados apresentados na Tabela 2. Cada um dos novos cenários de petróleo é idêntico e, em ambos os casos, a viscosidade absoluta aumenta em 10%, geralmente o limite crítico para uma mudança na viscosidade. No cenário A, a pequena alteração na densidade relativa resulta em uma ligeira diferença entre a viscosidade absoluta medida e a viscosidade cinemática.

    Essa diferença pode atrasar ligeiramente o acionamento do alarme de troca de óleo, mas não causaria um erro significativo. No entanto, no cenário B, a diferença é muito maior. Nesse caso, a densidade específica aumenta consideravelmente, resultando em um aumento medido de 1,5% na viscosidade cinemática, em comparação com um aumento de 10% medido com um viscosímetro absoluto.

    Essa é uma diferença significativa que pode levar o analista a classificar a situação como não reportável. O erro cometido foi assumir, em ambos os cenários, que os fluidos permanecem newtonianos.

    Devido às inúmeras possibilidades de formação de fluidos não newtonianos, o parâmetro de maior interesse para o analista de óleo e o técnico de lubrificação deve ser a viscosidade absoluta. É ela que determina a espessura da película do fluido e o grau de proteção das superfícies dos componentes. Visando economia, simplicidade e considerando que novos procedimentos de teste de lubrificantes são frequentemente adaptados para análises de óleo usado, a viscosidade cinemática do óleo é o parâmetro medido para monitoramento de tendências e tomada de decisões sobre o gerenciamento de lubrificantes. Entretanto, em certos casos, isso pode introduzir erros desnecessários na determinação da viscosidade do óleo.

    O problema pode ser reduzido a cálculos matemáticos simples. Como sugerem as equações na Figura 3, a viscosidade absoluta e a viscosidade cinemática estão relacionadas em função da densidade relativa do óleo. Se tanto a viscosidade quanto a densidade relativa forem dinâmicas, mas apenas uma for medida, ocorrerá um erro, e a viscosidade cinemática não fornecerá uma avaliação precisa da variação na viscosidade absoluta do fluido, o parâmetro de interesse. A magnitude do erro é função da magnitude da variação no parâmetro não medido, a densidade relativa.

Conclusões importantes sobre a viscosidade cinemática

Dessa discussão sobre medição de viscosidade, podemos tirar as seguintes conclusões:

• Supondo que o laboratório meça a viscosidade por métodos cinemáticos, adicionar a medição da densidade específica a um programa de análise de óleo de rotina ajudará a eliminar essa variável na estimativa da viscosidade absoluta a partir da viscosidade cinemática medida.

  
  When using an onsite viscometer, don’t look for complete agreement between the laboratory’s kinematic viscometer and the onsite instrument. Most of these devices measure absolute viscosity (cP) and apply an algorithm to estimate the kinematic viscosity (cSt), often holding the specific gravity constant. Consider trending the results from the onsite viscometer in cP.

  
  

• It is the parameter being measured, and it helps to differentiate the onsite trend from the trend of data produced by the laboratory with a kinematic viscometer. Don’t try to achieve perfect agreement between the onsite and laboratory-based viscosity measurements. It is futile and generates little value. At best, look for loose correlation. Always baseline the new oil with the same viscometer you are using with the in-service oil.

  
  

• Recognize that non-Newtonian fluids don’t provide the same film protection for a given kinematic viscosity as a Newtonian fluid of the same kinematic viscosity. Because the viscosity of a non-Newtonian fluid will vary with the shear rate, the film’s strength is weakened under operating load and speed. That is one of the reasons that emulsified water increases the rate of wear in components such as rolling element bearings, where fluid film strength is critical (of course, water also causes other wear mechanisms like vaporous cavitation, rust and hydrogen embrittlement and blistering).

    Viscosity is a critical fluid property, and viscosity monitoring is essential to oil analysis. Dynamic and kinematic viscosity measurement techniques can produce very different results when testing used oils. Be sure the ins and outs of viscosity measurement and viscous fluid behavior are understood so accurate lubrication decisions can be made.