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Viscosidade dependente do tempo: tixotropia e reopexia

1927

Herbert Freundlich

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Tixotropia e reopexia descrevem mudanças dependentes do tempo em viscosidade. A thixotropic fluid’s viscosity decreases over time under constant tensão de cisalhamento (Por exemplo, o iogurte fica mais líquido quando mexido). A viscosidade de um fluido reopéctico (ou antitixotrópico) aumenta com o tempo sob cisalhamento constante (por exemplo, alguns lubrificantes). Esses efeitos são reversíveis; o fluido retorna ao seu estado original após um período de repouso.

Thixotropy and rheopexy are distinct from shear-thinning and shear-thickening. While the latter describe how viscosity changes with the *rate* of shear, thixotropy and rheopexy describe how viscosity changes with the *duration* of shear at a constant rate. The underlying cause is a reversible change in the fluid’s microstructure that takes time to occur.

Em um fluido tixotrópico, a estrutura interna (por exemplo, uma rede de partículas floculadas) se desfaz sob cisalhamento. Essa desfazimento não é instantâneo, portanto a viscosidade diminui gradualmente à medida que o cisalhamento continua. Quando o cisalhamento é removido, a estrutura se reconstrói lentamente e a viscosidade retorna ao seu valor original. Esse atraso é crucial para aplicações como tintas. A reopexia é o fenômeno oposto e muito mais raro. Nesse caso, o cisalhamento promove a formação de uma estrutura interna ao longo do tempo, levando a um aumento gradual da viscosidade. Por exemplo, em algumas suspensões, um cisalhamento suave e regular pode ajudar as partículas a se organizarem em um estado mais ordenado e resistente ao fluxo mais rapidamente do que se deixadas em repouso. Esse comportamento dependente do tempo é frequentemente visualizado por um laço de histerese em um gráfico de tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento.

Mecânica dos Fluidos, Ciência dos Materiais, Otimização de Processos, Controle de qualidade, Reologia

UNESCO Nomenclature: 2210

Mecânica

Tipo

Propriedade física

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

Observações de géis e sóis, particularmente em química coloidal.
Estudos de Péterfi e Freundlich sobre a transição reversível sol-gel
Distinção em relação ao comportamento de pseudoplasticidade/espessamento simples

Aplicações

Tintas tixotrópicas que são fáceis de misturar, mas engrossam na parede para evitar gotejamento.
Pastas de solda fáceis de aplicar, mas que mantêm os componentes no lugar.
Líquido sinovial biológico nas articulações, que se torna mais fluido durante o movimento.
Fluidos de perfuração que se liquefazem quando bombeados, mas se solidificam quando o bombeamento para.
Lubrificantes reopécticos que se tornam mais espessos em ambientes de alto cisalhamento para proporcionar melhor proteção.

Patentes:

Ideias de Inovação Potencial

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Related to: thixotropy, rheopexy, time-dependent viscosity, rheology, non-newtonian, hysteresis loop, yogurt, paint.

Contexto histórico

Medição de pH em laboratório com um medidor digital em química analítica.

O pH é formalmente definido como o logaritmo decimal negativo da atividade do íon hidrogênio, [latex]a_{H^+}[/latex]. A fórmula é [latex]pH = -log_{10}(a_{H^+})[/latex]. A atividade é a concentração efetiva de íons hidrogênio, levando em consideração as forças intermoleculares, e é adimensional. Para soluções diluídas, a atividade é aproximadamente igual à concentração molar de íons [latex]H^+[/latex], simplificando o cálculo.

Experimento de laboratório sobre elementos de lantanídeos em química inorgânica.

Contração de lantanídeos

A contração dos lantanídeos é a diminuição constante dos raios atômicos e iônicos dos elementos lantanídeos (do lantânio ao lutécio) com o aumento do número atômico. Esse efeito é causado pela baixa blindagem da carga nuclear pelos elétrons 4f. Como resultado, os elementos do 6º período, que seguem os lantanídeos, são inesperadamente pequenos, semelhantes aos seus correspondentes do 5º período.

Laboratório de pesquisa com foco em aplicações de estatística quântica em física de semicondutores e lasers.

Estatísticas Quânticas

A estatística quântica modifica a mecânica estatística clássica para levar em conta a indistinguibilidade de partículas idênticas. Ela se divide em dois tipos: a estatística de Fermi-Dirac para férmions (partículas com spin semi-inteiro, como elétrons), que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, e a estatística de Bose-Einstein para bósons (partículas com spin inteiro, como fótons), que podem ocupar o mesmo estado quântico. Essa distinção é crucial em baixas temperaturas e altas densidades.

Viscosidade dependente do tempo: tixotropia e reopexia

Tunelamento Quântico

Um fenômeno da mecânica quântica onde uma função de onda pode se propagar através de uma barreira de energia potencial. Classicamente, uma partícula sem energia suficiente para ultrapassar uma barreira seria refletida. No entanto, devido à natureza ondulatória das partículas, existe uma probabilidade não nula de que a partícula possa aparecer do outro lado da barreira, efetivamente "atravessando-a por tunelamento".

Experimento de laboratório que mede o potencial eletroquímico em físico-química.

A equação fundamental do potencial eletroquímico

O potencial eletroquímico, μ̄_i, quantifica a energia total de uma espécie carregada `i` em um sistema. Ele combina o potencial químico, μ_i, que leva em conta a concentração e as propriedades intrínsecas, com a energia potencial eletrostática, z_iF_φ. A fórmula é μ̄_i = μ_i + z_iF_φ, onde z_i é a carga do íon, F é a constante de Faraday e φ é o potencial elétrico local.

Cena de laboratório demonstrando aplicações de termoeletricidade com resfriador e gerador Peltier.

Relações Recíprocas de Onsager

Um teorema fundamental na termodinâmica de não equilíbrio, essas relações expressam a igualdade de certos coeficientes cruzados entre fluxos acoplados de energia e matéria. Elas afirmam que, na ausência de um campo magnético, a matriz de coeficientes de transporte é simétrica: [latex]L_{alphabeta} = L_{betaalpha}[/latex]. Isso conecta fenômenos de transporte aparentemente não relacionados, como os efeitos Seebeck e Peltier na termoeletricidade.

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Potencial de Lennard-Jones

Um modelo matemático simples e amplamente utilizado que aproxima a energia potencial de interação entre dois átomos ou moléculas neutros. Ele combina um termo atrativo de longo alcance ([latex]propto r^{-6}[/latex]) representando as forças de Van der Waals com um termo repulsivo acentuado de curto alcance ([latex]propto r^{-12}[/latex]) representando a repulsão de Pauli. A fórmula é [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} - (frac{sigma}{r})^6][/latex].

Demonstração do comportamento de diluição por cisalhamento em um laboratório com ketchup.

Afinamento por cisalhamento (pseudoplasticidade)

O afinamento por cisalhamento, ou pseudoplasticidade, é um comportamento não newtoniano no qual a viscosidade de um fluido diminui com o aumento da taxa de tensão de cisalhamento. Muitas substâncias comuns, como ketchup ou tinta, exibem essa propriedade. Em repouso, elas são espessas, mas fluem com mais facilidade quando agitadas, misturadas ou espalhadas. Esse fenômeno é frequentemente modelado pela relação de lei de potência de Ostwald-de Waele.

Equação de Schrödinger

Esta é uma equação fundamental da mecânica quântica que descreve como o estado quântico de um sistema físico muda ao longo do tempo. É uma equação diferencial parcial linear para a função de onda, [latex]Psi(x, t)[/latex]. A versão dependente do tempo é [latex]ihbarfrac{partial}{partial t}Psi = hat{H}Psi[/latex], onde [latex]hat{H}[/latex] é o operador hamiltoniano, representando a energia total do sistema.

Laboratório de mecânica quântica com um físico analisando operadores de momento.

Operador de Momento Quântico

Em mecânica quântica, o momento é uma grandeza observável representada por um operador vetorial. Na base de posição, o operador de momento é dado por [latex]hat{vec{p}} = -ihbarnabla[/latex], onde [latex]hbar[/latex] é a constante de Planck reduzida e [latex]nabla[/latex] é o operador gradiente. A conservação do momento corresponde ao fato de que o operador hamiltoniano comuta com o operador de momento, [latex][hat{H}, hat{vec{p}}] = 0[/latex], para um sistema com simetria translacional.

Princípio da Incerteza de Heisenberg

É impossível conhecer simultaneamente com precisão perfeita certos pares de propriedades físicas complementares de uma partícula. O exemplo mais comum é a posição [latex]x[/latex] e o momento [latex]p[/latex]. O princípio afirma que o produto de suas incertezas, [latex]Delta x[/latex] e [latex]Delta p[/latex], deve ser maior ou igual a um valor específico: [latex]Delta x Delta p ge frac{hbar}{2}[/latex].

Cientista fazendo experimentos com viscosidade de fluido não newtoniano em um ambiente de laboratório.

Definição de fluido não newtoniano

Um fluido não newtoniano é aquele cuja viscosidade varia sob a ação de uma tensão de cisalhamento. Ao contrário de um fluido newtoniano, cuja viscosidade é constante, suas propriedades de fluxo não são descritas por uma relação linear entre a tensão de cisalhamento (τ) e a taxa de cisalhamento (γ̇). Essa dependência pode se manifestar como pseudoplasticidade (a viscosidade diminui com a tensão) ou dilatação por cisalhamento (a viscosidade aumenta com a tensão).