O que é viscosidade cinemática?

    A viscosidade cinemática é uma medida da resistência interna de um fluido ao fluxo sob forças gravitacionais. É determinado medindo o tempo, em segundos, necessário para que um volume fixo de fluido flua por uma distância conhecida por gravidade através de um capilar dentro de um viscosímetro calibrado a uma temperatura rigorosamente controlada.

    Este valor é convertido em unidades padrão, como centistokes (cSt) ou milímetros quadrados por segundo. O relatório de viscosidade só é válido quando a temperatura na qual o teste foi realizado também é informada - por exemplo, 23 cSt a 40 graus C.

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

    Os laboratórios de análise de óleo mais utilizados medem e relatam a viscosidade cinemática. Por outro lado, a maioria dos viscosímetros no local medem a viscosidade dinâmica, mas são programados para estimar e relatar a viscosidade cinemática, de modo que as medições de viscosidade relatadas reflitam os números cinemáticos relatados pela maioria dos laboratórios e fornecedores de óleo lubrificante.

    Dada a importância da análise de viscosidade, juntamente com a crescente popularidade dos instrumentos de análise de óleo no local, usados ​​para rastrear e complementar a análise de óleo em laboratório externo, é essencial que os analistas de petróleo entendam a diferença entre medições de viscosidade dinâmica e cinemática.

    De modo geral, a viscosidade é a resistência de um fluido ao fluxo (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 o óleo altamente viscoso de espesso e o óleo menos viscoso de fino é enganoso.

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

Equação de viscosidade cinemática

    Várias unidades de engenharia são usadas para expressar a viscosidade, mas as mais comuns são, de longe, 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 para o sistema de classificação de viscosidade cinemática ISO 3448, tornando-o o padrão internacional. Outros sistemas de viscosidade cinemática comuns, como 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.

Medindo a Viscosidade Cinemática

    A viscosidade cinemática é medida observando o tempo que o óleo leva para viajar através do orifício de um capilar sob a força da gravidade (Figura 1). O orifício do tubo do viscosímetro cinemático produz uma resistência fixa ao fluxo. Capilares de tamanhos diferentes estão disponíveis para suportar fluidos de viscosidade variável.

    O tempo necessário para o fluido fluir através do tubo capilar pode ser convertido em uma 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 no laboratório de análise de óleo usado para economizar tempo e tornar a medição de teste mais eficiente.

Figura 1. Viscosímetro capilar em tubo em U 

Medição da Viscosidade Dinâmica (Viscosidade Absoluta)

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

    Existem vários tipos e modalidades de viscosímetros absolutos. O método rotativo Brookfield ilustrado na Figura 2 é o mais comum. A medição da viscosidade absoluta tem sido usada para aplicações de pesquisa, 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 Brookfield tradicional são definidos pela ASTM D2983, D6080 e outros. No entanto, a viscosidade dinâmica está se tornando comum na área de análise de óleo usado porque a maioria dos viscosímetros locais vendidos no mercado hoje medem a viscosidade dinâmica, e não a viscosidade cinemática. 

    De modo geral, a viscosidade cinemática (cSt) refere-se à viscosidade absoluta (cP) em função da gravidade específica do fluido (SG) de acordo com as equações da figura 3.

Figura 3. Equações de Viscosidade 

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

Viscosidade Cinemática: Fluidos Newtonianos vs. Fluidos Não Newtonianos

    Um fluido newtoniano é um fluido que mantém a 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, entretanto, 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 são de particular interesse na análise de óleo usado porque a viscosidade de um fluido tixotrópico diminui à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. A viscosidade de um fluido tixotrópico aumenta à medida que a taxa de cisalhamento diminui. Com fluidos tixotrópicos, o tempo de ajuste pode aumentar a viscosidade aparente, como no caso da graxa. Exemplos de fluidos não newtonianos incluem:

• Líquidos espessantes: a viscosidade aumenta à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. Por exemplo, o amido de milho, quando colocado em água e mexido, começa a ficar mais espesso com o tempo.

• Líquidos de cisalhamento: a viscosidade diminui à medida que a taxa de cisalhamento aumenta. Pintar para paredes é um bom exemplo disso. Conforme você mexe a tinta, ela fica mais fluida.

• Líquidos tixotrópicos: tornam-se menos viscosos quando agitados. Exemplos comuns disso são o ketchup de tomate e o iogurte. Depois de agitados, eles se tornam mais fluidos. Quando deixados sozinhos, eles retornam a um estado semelhante a um gel.

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

Viscosidade Cinemática: Um Exemplo Prático

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

    Qual dos dois fluidos foi mais difícil de agitar? Sua resposta deveria ser mel, que é muito mais difícil de mexer do que maionese. Agora imagine separar os potes do velcro da mesa e virá-los de lado. O que sai mais rápido da jarra, mel ou maionese? Sua resposta deveria ser querida; a maionese não escorrerá virando o pote de lado.

    Qual fluido é mais viscoso, mel ou maionese? Se você disse maionese, você está correto… pelo menos parcialmente. Da mesma forma, se você disse querido, você está parcialmente correto. 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 é simplesmente medir a resistência estática ao fluxo.

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

    Não se pode medir convencionalmente a viscosidade de um fluido não newtoniano. Em vez disso, deve-se medir a viscosidade aparente, que leva em consideração a taxa de cisalhamento na qual a medição da viscosidade foi feita. (Veja a Figura 4) Assim como as medições de viscosidade não fazem sentido a menos que a temperatura do teste seja relatada, as medições de viscosidade aparente não fazem sentido a menos que a temperatura do teste e a taxa de cisalhamento sejam relatadas.

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

    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 aconteça, 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, composto de ovos emulsionados em óleo, o fluido hospedeiro. Como a maionese não é newtoniana, sua viscosidade cede com a aplicação de força, facilitando a propagação.

    Uma suspensão coloidal é composta por partículas sólidas suspensas de forma estável em um fluido hospedeiro. Muitas tintas são suspensão coloidal. 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 quando o pincel é retirado. Como resultado, a tinta se espalha com relativa facilidade, mas não deixa marcas de pincel e não escorre.

Viscosidade dinâmica vs. cinemática: qual é a diferença

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

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

• Aditivos Melhoradores do Índice de Viscosidade (VI) - Os óleos de motor multigraduados de base mineral (exceto óleos base naturalmente com alto VI) são formulados com um aditivo elástico que é compacto em baixas temperaturas e se expande em altas temperaturas em resposta ao aumento da solvência do fluido. Como esta molécula aditiva é diferente das moléculas do óleo hospedeiro, ela se comporta de maneira não newtoniana.

• Contaminação da Água - Óleo e água livre não se misturam, pelo menos não quimicamente. Mas, sob certas circunstâncias, eles se combinarão para formar uma emulsão, muito parecida com a maionese discutida anteriormente. Quem já viu um óleo parecido com café com creme pode atestar esse fato. Embora possa parecer contra-intuitivo, a contaminação da 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 uma suspensão estável. Essas suspensões criam um comportamento não newtoniano.

• Fuligem – Comumente encontrada em motores diesel, a fuligem é uma partícula que resulta em uma suspensão coloidal no óleo. O aditivo dispersante do óleo, projetado para evitar a aglomeração e crescimento de partículas de fuligem, serve para facilitar a formação de uma suspensão coloidal.

  
  

    Se alguém medisse a viscosidade absoluta de uma dessas emulsões ou colóides comumente encontrados 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 dividíssemos esta viscosidade absoluta estabilizada pela gravidade específica do fluido para estimar a viscosidade cinemática, o valor calculado seria diferente da viscosidade cinemática medida. Novamente, as equações na Figura 3 se aplicam apenas aos fluidos newtonianos, e não aos fluidos não newtonianos descritos acima, e é por isso que ocorre essa discrepância.

Viscosidade cinemática e efeitos de gravidade específica

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

    Pode-se presumir que todos os fluidos produzirão a mesma pressão? Não, a pressão é função da gravidade específica do fluido ou do peso relativo ao peso de um volume idêntico de água. A maioria dos óleos lubrificantes à base de hidrocarbonetos tem uma gravidade específica de 0,85 a 0,90. No entanto, isto pode mudar ao longo do tempo à medida que o óleo se degrada ou fica contaminado (glicol, água e metais de desgaste, por exemplo), o que produz um diferencial entre as medições de viscosidade absoluta e cinemática.

    Considere os dados apresentados na Tabela 2. Cada um dos novos cenários petrolíferos é idêntico e, em ambos os casos, a viscosidade absoluta aumenta em 10 por cento, normalmente o limite condenatório para uma alteração na viscosidade. No cenário A, a modesta mudança na gravidade específica resulta num ligeiro diferencial entre a viscosidade absoluta medida e a viscosidade cinemática.

    Este diferencial poderia atrasar um pouco o soar do alarme de troca de óleo, mas não causaria muitos erros. Porém, no cenário B, o diferencial é muito maior. Aqui, a gravidade específica aumenta significativamente, o que resulta num aumento medido de 1,5 por cento na viscosidade cinemática, versus um aumento de 10 por cento medido com um viscosímetro absoluto.

    Esta é uma diferença significativa que pode levar o analista a identificar a situação como não reportável. O erro cometido é a suposição em ambos os cenários de que os fluidos permanecem newtonianos.

    Devido às muitas possibilidades de formação de fluidos não newtonianos, o verdadeiro parâmetro de interesse para o analista de petróleo e técnico de lubrificantes deve ser a viscosidade absoluta. É o que determina a espessura da película do fluido e o grau de proteção das superfícies dos componentes. No interesse da economia, da simplicidade e do fato de que novos procedimentos de teste de lubrificantes são comumente emprestados para análise de óleo usado, a viscosidade cinemática do óleo é o parâmetro medido usado para determinar tendências e tomar decisões de gerenciamento de lubrificante. No entanto, em certos casos, isto pode introduzir erros desnecessários na determinação da viscosidade de um óleo.

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

Conclusões importantes sobre a viscosidade cinemática

Pode-se tirar as seguintes conclusões desta discussão sobre medição de viscosidade:

• Supondo que o laboratório mede a viscosidade por métodos cinemáticos, adicionar a medição da gravidade específica a um programa de rotina de análise de óleo de laboratório ajudará a eliminar isso como uma variável na estimativa da viscosidade absoluta a partir da viscosidade cinemática medida.

  
  Ao usar um viscosímetro no local, não procure uma concordância completa entre o viscosímetro cinemático do laboratório e o instrumento no local. A maioria desses dispositivos mede a viscosidade absoluta (cP) e aplica um algoritmo para estimar a viscosidade cinemática (cSt), muitas vezes mantendo a gravidade específica constante. Considere a tendência dos resultados do viscosímetro local em cP.

  
  

• É o parâmetro que está sendo medido e ajuda a diferenciar a tendência local da tendência dos dados produzidos pelo laboratório com um viscosímetro cinemático. Não tente alcançar uma concordância perfeita entre as medições de viscosidade no local e em laboratório. É fútil e gera pouco valor. Na melhor das hipóteses, procure uma correlação frouxa. Sempre faça a referência do óleo novo com o mesmo viscosímetro que você está usando com o óleo em serviço.

  
  

• Reconheça que os fluidos não newtonianos não fornecem a mesma proteção de filme para uma determinada viscosidade cinemática que um fluido newtoniano com a mesma viscosidade cinemática. Como a viscosidade de um fluido não newtoniano varia com a taxa de cisalhamento, a resistência do filme é enfraquecida sob carga e velocidade operacionais. Essa é uma das razões pelas quais a água emulsionada aumenta a taxa de desgaste em componentes como rolamentos de elementos rolantes, onde a resistência do filme fluido é crítica (é claro, a água também causa outros mecanismos de desgaste, como cavitação por vapor, ferrugem e fragilização e formação de bolhas por hidrogênio).

    A viscosidade é uma propriedade crítica do fluido e o monitoramento da viscosidade é essencial para a análise do óleo. As técnicas de medição de viscosidade dinâmica e cinemática podem produzir resultados muito diferentes ao testar óleos usados. Certifique-se de que os detalhes da medição da viscosidade e do comportamento do fluido viscoso sejam compreendidos para que decisões precisas sobre lubrificação possam ser tomadas.