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Dependência da viscosidade em relação à temperatura

1850
Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Para um fluido newtoniano, viscosidade é uma função da temperatura e pressão mas não a taxa de cisalhamento. Em líquidos, a viscosidade diminui significativamente com o aumento da temperatura, porque uma maior energia térmica permite que as moléculas superem as forças coesivas intermoleculares com mais facilidade. Por outro lado, em gases, a viscosidade aumenta com a temperatura, pois colisões moleculares mais frequentes em velocidades mais altas levam a uma maior transferência de momento.

The relationship between viscosidade and temperature is fundamentally different for liquids and gases, stemming from their distinct molecular mechanisms for momentum transfer. In liquids, molecules are closely packed and held together by strong intermolecular cohesive forces. Viscous forces arise from the resistance of these molecules to sliding past one another. As temperature rises, the kinetic energy of the molecules increases, allowing them to overcome these cohesive forces more readily. This results in a decrease in the liquid’s resistance to flow, and thus, a lower viscosity. This effect is pronounced; for example, the viscosity of water decreases by a factor of about 6 between 0°C and 100°C.

Nos gases, as moléculas estão muito distantes umas das outras e interagem principalmente por meio de colisões. A viscosidade de um gás é uma medida da transferência de momento linear entre camadas que se movem a velocidades diferentes. Esse momento é transferido pelas moléculas que se movem entre as camadas e colidem entre si. À medida que a temperatura aumenta, a velocidade térmica aleatória das moléculas do gás também aumenta. Isso leva a colisões mais frequentes e mais energéticas, resultando em uma transferência de momento linear mais eficaz entre as camadas e, consequentemente, em um aumento da viscosidade. Esse comportamento foi um dos primeiros triunfos da teoria cinética dos gases, pois se tratava de uma previsão contra-intuitiva posteriormente confirmada por experimentos.

UNESCO Nomenclature: 2212
Termodinâmica

Tipo

Propriedade física

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Desenvolvimento do termômetro
  • O trabalho de Rudolf Clausius e James Clerk Maxwell sobre a teoria cinética dos gases
  • Estudos sobre forças intermoleculares por Johannes Diderik van der Waals
  • Experimentos iniciais sobre fluxo de fluidos por Poiseuille e Hagen

Aplicações

  • Formulação de óleo de motor (óleos multiviscosos)
  • trocadores de calor industriais
  • fabricação e moldagem de vidro
  • processamento de alimentos (ex: controle do fluxo de chocolate ou mel)
  • extração de energia geotérmica

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • temperature-responsive smart fluids for haptic feedback
  • self-regulating cooling systems for electronics
  • advanced thermal insulation using gas-filled panels
  • geothermal drilling fluids that maintain performance at high temperatures
  • materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica
  • criogênico fluid handling systems for exploração espacial
  • fire suppression systems using temperature-sensitive foams
  • cooking appliances that precisely control food texture via temperature
Relacionado a: viscosidade, dependência da temperatura, líquidos, gases, teoria cinética, forças intermoleculares, transferência de momento, propriedades dos fluidos.

Contexto histórico

Instalação de painel solar demonstrando o efeito fotovoltaico na física do estado sólido.

O efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é a geração de tensão e corrente elétrica em um material quando exposto à luz. É um fenômeno físico e químico. Uma aplicação comum é a célula solar, que utiliza esse efeito para converter a luz solar diretamente em eletricidade. O efeito se baseia em fótons de luz que excitam elétrons para um estado de energia mais elevado.
Laboratório do século XIX com instrumentos termodinâmicos e equações da relação de Mayer.

Relação de Mayer (termodinâmica)

A relação de Mayer relaciona os calores específicos de um gás perfeito com a constante específica dos gases (Rs). A relação é cp - cv = Rs. Para calores específicos molares (Cp e Cv), a relação é Cp - Cv = R, onde R é a constante universal dos gases. Isso demonstra que cp é sempre maior que cv.
19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservação de Energia

Um princípio fundamental afirma que a energia total de um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. A energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada de uma forma em outra, como de energia potencial para energia cinética. Na mecânica clássica, para sistemas com apenas forças conservativas, a energia mecânica total [latex]E = T + V[/latex] é conservada.

Dependência da viscosidade em relação à temperatura

Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

Primeira Lei da Termodinâmica

A Primeira Lei da Termodinâmica afirma a conservação da energia. Ela postula que a variação da energia interna de um sistema fechado (ΔU) é igual ao calor fornecido ao sistema (Q) menos o trabalho realizado pelo sistema sobre o meio externo (W). A equação que rege essa lei é ΔU = Q - W. Essa lei relaciona calor, trabalho e energia interna, estabelecendo o calor como uma forma de transferência de energia.
Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Catalisador em Equilíbrio Químico

Um catalisador aumenta a velocidade das reações direta e inversa igualmente, fornecendo uma via de reação alternativa com menor energia de ativação. Embora um catalisador permita que um sistema atinja o equilíbrio muito mais rapidamente, ele não altera a posição do equilíbrio em si. As concentrações de equilíbrio dos reagentes e produtos, bem como o valor da constante de equilíbrio K, permanecem inalterados.
19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

Lei dos Gases Ideais (Forma Molar)

A lei dos gases ideais é a equação de estado para um gás ideal hipotético, aproximando o comportamento de muitos gases sob diversas condições. A forma molar relaciona a pressão ([latex]P[/latex]), o volume ([latex]V[/latex]), a quantidade de substância em moles ([latex]n[/latex]) e a temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) através da constante universal dos gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].
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Aparelho antigo de célula de combustível de William Grove, mostrando princípios eletroquímicos em físico-química.

Célula de combustível

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que converte diretamente a energia química de um combustível, tipicamente hidrogênio, e de um agente oxidante, geralmente oxigênio, em eletricidade. Ao contrário de uma bateria, ela requer um suprimento externo contínuo de combustível e oxidante para funcionar. Os componentes principais são um ânodo, um cátodo e um eletrólito que os separa, facilitando o transporte de íons.
Demonstração do aquecimento Joule em um laboratório antigo com aparelhos elétricos.

Aquecimento Joule e energia elétrica

O aquecimento Joule, ou aquecimento ôhmico, é o fenômeno em que o calor é produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um condutor. A taxa de geração de calor, ou potência dissipada ([latex]P[/latex]), é dada pela primeira lei de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando isso com a lei de Ohm, a potência pode ser expressa como [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = frac{V^2}{R}[/latex].
Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Energia interna e entalpia de um gás perfeito

Para um gás perfeito, a energia interna ([latex]U[/latex]) e a entalpia ([latex]H[/latex]) são funções apenas da temperatura. Suas variações são dadas por [latex]Delta U = m c_v Delta T[/latex] e [latex]Delta H = m c_p Delta T[/latex], onde [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] são os calores específicos a volume e pressão constantes, respectivamente, e são considerados constantes.
Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

Viscoelasticidade

A viscoelasticidade é a propriedade dos materiais que exibem características tanto viscosas quanto elásticas quando submetidos à deformação. Materiais viscosos, como o mel, resistem ao fluxo de cisalhamento e se deformam linearmente com o tempo quando submetidos a uma tensão. Materiais elásticos, como um elástico, se deformam quando esticados e retornam rapidamente ao seu estado original assim que a tensão é removida. Os materiais viscoelásticos possuem elementos de ambos os tipos de propriedades.
Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Entalpia de sublimação

A entalpia de sublimação, ΔHsub, é o calor necessário para converter um mol de uma substância do estado sólido para o gasoso a uma dada temperatura e pressão. De acordo com a Lei de Hess, como a entalpia é uma função de estado, essa variação de energia é a soma da entalpia de fusão (ΔHfus) e da entalpia de vaporização (ΔHvap).
Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Segunda Lei da Termodinâmica

A Segunda Lei da Termodinâmica introduz o conceito de entropia e define a direção dos processos espontâneos. Ela pode ser enunciada de diversas maneiras, mas uma consequência fundamental é que a entropia total de um sistema isolado nunca pode diminuir com o tempo. Essa lei explica a "flecha do tempo" e por que os processos são irreversíveis, como o fluxo espontâneo de calor de um corpo quente para um corpo frio.
Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

O Modelo de Gás Perfeito

Um gás perfeito é um modelo teórico de um gás onde as forças intermoleculares são negligenciadas e os calores específicos (CP e CV) são considerados constantes em relação à temperatura. Isso simplifica significativamente os cálculos termodinâmicos. Trata-se de um caso específico do gás ideal, onde os calores específicos podem variar com a temperatura, tornando-o um modelo mais restrito.
19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

Lei dos Gases Ideais (Forma Estatística)

A formulação da mecânica estatística da lei dos gases ideais expressa a relação em termos das propriedades microscópicas do gás. Ela relaciona a pressão ([latex]P[/latex]) e o volume ([latex]V[/latex]) ao número total de partículas ([latex]N[/latex]) e à temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) através da constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

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