universidade federal de viÇosa centro de ciÊncias

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i UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Aline Aparecida dos Santos Silva UM EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA MEDIDA DA VISCOSIDADE ATRAVÉS DE AUTOMAÇÃO SIMPLES DO MÉTODO DE STOKES Viçosa-MG Julho 2015

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Page 1: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

Aline Aparecida dos Santos Silva

UM EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA MEDIDA

DA VISCOSIDADE ATRAVÉS DE AUTOMAÇÃO

SIMPLES DO MÉTODO DE STOKES

Viçosa-MG

Julho 2015

Page 2: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

ii

Aline Aparecida dos Santos Silva

UM EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA MEDIDA

DA VISCOSIDADE ATRAVÉS DE AUTOMAÇÃO

SIMPLES DO MÉTODO DE STOKES

Monografia apresentada ao Departamento

Química da Universidade Federal de Viçosa,

como parte das exigências de conclusão do

Curso de licenciatura em Química.

Orientador: Efraim Lázaro Reis

Viçosa-MG

Julho 2015

Page 3: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

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Aline Aparecida dos Santos Silva

UM EXPERIMENTO DIDÁTICO PARA MEDIDA

DA VISCOSIDADE ATRAVÉS DE AUTOMAÇÃO

SIMPLES DO MÉTODO DE STOKES

Monografia apresentada ao Departamento

Química da Universidade Federal de Viçosa,

como parte das exigências de conclusão do

Curso de licenciatura em Química.

APROVADA: 03 de Julho de 2015

Prof. Vinicius Catão de Assis Souza

Coordenador da disciplina

Prof. Efraim Lázaro Reis

Orientador

Prof. César Reis Prof. Renata Pereira L. Moreira

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iv

DEDICATÓRIA

A Deus, minha fortaleza incondicional,

minha família e ao meu namorado.

Page 5: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus pela dádiva da vida e por ter ajudado a manter a fé nos

momentos mais difíceis.

Agradeço imensamente aos meus pais Carlos e Nilza, pois confiaram em mim e me

deram esta oportunidade de concretizar e encerrar mais uma caminhada da minha vida.

Sei que eles não mediram esforços pra que este sonho se realizasse, sem a compreensão,

ajuda e confiança deles nada disso seria possível hoje. A eles além da dedicatória desta

conquista dedico a minha vida.

Agradeço aos meus irmãos, Ariane e Alisson, que compartilharam o meu ideal e os

alimentaram, incentivando a prosseguir na jornada, mostrando que o nosso caminho

deveria ser seguido sem medo, fossem quais fossem os obstáculos.

Agradeço ao meu namorado George, por toda paciência, compreensão, carinho e amor,

e por me ajudar muitas vezes a achar soluções quando elas pareciam não aparecer. Você

foi à pessoa que compartilhou comigo os momentos de tristezas e alegrias. Além deste

trabalho, dedico todo meu amor a você.

Agradeço aos meus amigos, que me apoiaram e que sempre estiveram ao meu lado

durante esta longa caminhada, em especial as minhas amigas Gabriela e Shayenne que

muitas vezes compartilhei momentos de tristezas, alegrias, angústias e ansiedade, mas

que sempre esteve ao meu lado me apoiando e me ajudando.

Agradeço ao professor Efraim Lázaro Reis por todo o ensinamento, dicas e sugestões.

Agradeço ao Professor César Reis e Renata Pereira Lopes Moreira pela participação na

banca examinadora.

Agradeço ao professor Vinícius Catão, pela orientação na disciplina de Monografia.

Page 6: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

vi

EPÍGRAFE

“O bom humor espalha mais felicidade que

todas as riquezas do mundo. Vem do hábito

de olhar para as coisas com esperança e de

esperar o melhor e não o pior.”

(Alfred Montapert)

Page 7: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

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SILVA, Aline Aparecida dos Santos Silva. Universidade Federal de Viçosa, Julho 2015.

Um experimento didático para medida de viscosidade através de automação

simples do método Stokes. Orientador: Efraim Lázaro Reis.

RESUMO

O ensino deve ser pautado em uma abordagem interdisciplinar e que busque uma

conexão com as vivências diárias do aluno. O uso de atividades experimentais vem se

tornando uma ferramenta útil no ensino. Mas, atualmente, conhecendo as dificuldades

envolvidas na construção de experimentos e na aquisição de materiais, observamos que

a utilização desse recurso é escassa. Acreditamos que o uso de materiais alternativos

possa 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 a

determinação experimental da viscosidade do óleo e do detergente através de um

viscosímetro com automação simples, baseado no método de Stokes. Foi realizada uma

proposta de aula para aplicação do aparelho, constituindo-se uma excelente ferramenta

para o ensino de Química no Ensino Médio e do superior, permitindo uma abordagem

do conteúdo de forma simples, rápida e investigativa.

Page 8: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

viii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .......................................................................................... 1

2 JUSTIFICATIVA ........................................................................................ 2

3 OBJETIVOS ............................................................................................... 3

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................... 3

5 VISCOSÍMETRO DE OSTWALD ........................................................... 13

6 METODOLOGIA ..................................................................................... 15

7 CONSTRUÇÃO DO VISCOSÍMETRO .................................................... 15

8 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................... 17

9 CONCLUSÕES ........................................................................................ 23

10 REFERÊNCIAS .................................................................................... 24

11 ANEXOS............................................................................................... 26

Page 9: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

1

1 INTRODUÇÃO

Durante os estágios supervisionados no decorrer da formação acadêmica,

pode-se observar que muitas são as dificuldades encontradas pelos alunos do

Ensino Médio na compreensão dos conceitos básicos de Química, onde, em geral,

observa-se que o aluno é um mero espectador e não um sujeito participante. O

aluno apenas ouve as explicações dadas pelos professores, não demonstrando

interesse em compreender o conteúdo apresentado.

A experimentação pode se mostrar como uma estratégia eficiente para esse

problema, permitindo a contextualização e o estímulo ao senso investigativo do

aluno (GUIMARÃES, 2009). Os experimentos facilitam a compreensão dos

conceitos e fenômenos de natureza científica e auxiliam no desenvolvimento de

atitudes e diagnósticos de concepções não científicas. Além disso, contribuem para

despertar o interesse pela Ciência. Para tanto, a atividade experimental favorece o

processo de ensino e aprendizagem, possibilitando ao aluno a construção de novos

conhecimentos.

Segundo os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), atividades

experimentais são indispensáveis no dia a dia das salas de aula para contribuir no

desenvolvimento de competências e habilidades, evitando que os conhecimentos

científicos sejam uma verdade estabelecida e inquestionável, permitindo ao aluno

observar situações e fenômenos.

A tarefa do professor é buscar novas metodologias, pois apenas o método

tradicional atual não é o suficiente para despertar o interesse dos alunos pela

disciplina. Com isso, o professor tem a responsabilidade de fazer com que o aluno

torne-se capaz de ser investigativo, fazendo com que este assimile e compare o que

foi estudado com o seu cotidiano, criando cidadãos autodidatas capazes de aprender

com seu esforço individual.

Assim, a busca por formas alternativas de ensino tentando despertar o

interesse, o raciocínio e o entendimento dos conceitos químicos tornam-se

necessárias. Desta forma, os alunos poderiam entender que a Química está

Page 10: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

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entrelaçada com outras Ciências e está mais presente em seu cotidiano do que

imaginam (ASSUMPÇÃO, 2010).

A utilização do método experimental pode contribuir para aproximar o

ensino com a estrutura conceitual da Química. O experimento passa a ser um

instrumento para a compreensão dos conceitos, leis e teorias. Deste ponto de vista,

pode-se afirmar que o ensino experimental, amplia a possibilidade de interação

professor-aluno e aluno-objeto de conhecimento, na perspectiva de se obter

eficiência no processo de ensino e aprendizagem (BARBOSA et al., 1999).

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 nas escolas de Ensino Médio e Superior. A

aula experimental proporciona uma abordagem de ensino muito eficaz, pois facilita

a visualização e compreensão de fenômenos, além de despertar o interesse pelas

ciências exatas e o senso crítico dos alunos com a socialização do trabalho em

grupo.

Desta maneira, este trabalho propõe a construção de um instrumento de

medição da viscosidade (viscosímetro), utilizando como sinalizadores sensores

eletrônicos, ligado à porta de saída de impressoras a um computador. 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.

2 JUSTIFICATIVA

Estudos mostram que o que falta para o aluno não é potencial, mas sim uma

ferramenta que o leve a ter mais interesse pelas aulas, algo que faça com que ele

participe e que chame a sua atenção. As aulas práticas podem fazer isso, podem

trazer o aluno para uma maior sintonia com o conteúdo, fazê-lo se interessar mais

pela aula.

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3

Ao analisarmos os alunos de escolas estaduais, nas quais dificilmente

atividades experimentais são realizadas, o que falta é algo que os incentive a

mostrar seu potencial e participar das aulas.

Tendo em vista as dificuldades e obstáculos da disciplina Físico-Química e

no segundo ano do ensino médio, defende-se o uso de experimentos, no qual o

estudante terá uma visão simplificada sobre a demonstração, levando-o a uma

melhor compreensão, observação e participação nos fenômenos envolvidos. Assim

o aluno terá uma maior participação nas aulas ao invés de adotar o papel de

expectador passivo e acrítico. Sendo assim, sugere-se a construção de um

viscosímetro como uma ferramenta experimental, utilizando-o em uma proposta de

aula.

3 OBJETIVOS

Este trabalho visa à construção de um viscosímetro para alunos do Ensino

Médio e Superior, utilizando como referência o método de Stokes (Methods of

Experimental Physics), que estará ligado a um computador por meios de saída de

impressora e a partir deste apresentar propostas de ensino aplicando-o. Também é

objetivo deste trabalho mostrar a importância do uso de materiais didáticos

alternativos no Ensino de Química, produzidos por docentes e discentes, de modo a

promover a produção dos conhecimentos abordados em sala de aula, bem como

analisar o interesse e o desempenho dos alunos nas atividades, isso tudo

proporcionando uma aprendizagem mais eficiente e prazerosa.

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1 EXPERIMENTAÇÃO NO ENSINO

É de conhecimento dos professores de ciências o fato de a experimentação

despertar um forte interesse entre os alunos em diversos níveis de escolarização. Os

alunos também costumam atribuir à experimentação um caráter motivador, lúdico,

essencialmente vinculado aos sentidos. É comum ouvir de professores a afirmativa

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que a experimentação aumenta a capacidade de aprendizado, pois funciona como

meio de envolver o aluno nos temas que estão em pauta.

Há mais de 2300 anos, Aristóteles defendia a experiência quando afirmava

que "quem possua a noção sem a experiência, e conheça o universal ignorando o

particular nele contido, enganar-se-á muitas vezes no tratamento" (Aristóteles,

1979, p. 212). Naquele tempo, já se reconhecia o caráter particular da experiência,

sua natureza factual como elemento imprescindível para se atingir um

conhecimento universal. O pensamento aristotélico marcou presença por toda a

idade média entre aqueles que se propunham exercitar o entendimento sobre o

fenômeno da natureza. Atualmente, passados vários séculos, notamos que muitas

propostas de ensino ainda desafiam a contribuição dos empiristas para a elaboração

do conhecimento, ignorando a experimentação das praticas escolares.

As funções do experimento emitidas pelos professores remetem a concepções

que eles possuem sobre ciência e também sobre ensino de ciências que são muito

parecidas com as concepções descritas por Miguens e Garret (1991). Precisa ficar

muito claro o que o professor almeja com a atividade.

Arruda & Laburú trabalharam muito tempo com educação continuada entre

professores de magistério e de Ciências. Durante essas orientações, os

pesquisadores coletaram informações a respeito dos objetivos que esses professores

emitiram sobre os experimentos e classificaram as respostas em três tipos básicos:

As de cunho epistemológico, que assumem que a experimentação serve para

comprovar a teoria, revelando a visão tradicional da ciência; as de cunho

cognitivo, que supõem que as atividades experimentais podem facilitar a compreensão do conteúdo; as de cunho motivacional, que acreditam que as

aulas práticas ajudam a despertar a curiosidade ou o interesse pelo estudo nos

alunos (ARRUDA & LABURÚ, 1998, p. 55).

Mas para que os resultados sejam satisfatórios, é necessário que a teoria

trabalhada em sala de aula não seja colocada em experimentos como uma “receita

de bolo”. Temos que deixar o aluno refletir sobre o experimento e chegar às suas

próprias conclusões, associando com os conhecimentos prévios que ele possui

(GUIMARÃES, 2009).

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Nesta mesma linha, SILVA E NUÑEZ (2002) destaca a importância do uso da

experimentação e a forma como a mesma deve se apresentar:

Por meio de experimentos, a atividade experimental pode converte-se numa

atividade cognoscitiva criadora e, para isso não se devem utilizar tarefas

reprodutivas, mas investigativas e produtivas nas quais possam ser

construídos e empregados os conhecimentos assimilados. Nesse sentido, a

aprendizagem a partir de problemas pode ser um dos meios importantes para

desenvolver as potencialidades criativas dos alunos, como também pode ser

considerada uma estratégia que mobiliza os conhecimentos e habilidades dos

alunos, na relação teoria e prática, baseada na aplicação de problemas

relativos a seus interesses quanto ao contexto (SILVA & NUÑEZ, 2002, p.

1199).

Gaspar (2009) destaca que a atividade experimental tem vantagens sobre a

teórica, porém ambas devem caminhar juntas, pois uma é o complemento da outra.

O experimento sozinho não é capaz de desencadear uma relação com o

conhecimento científico, e sim a junção da teoria com a prática. O autor ainda

ressalta as vantagens das aulas práticas, demonstrativas ou experimentais.

Uma das vantagens que se dá no decorrer de uma atividade experimental é o

fato de o aluno conseguir interpretar melhor as informações. O modo prático

possibilita ao aluno relacionar o conhecimento cientifico com aspectos de sua

vivência, facilitando assim a elaboração de significados dos conteúdos ministrados.

A outra vantagem é a interação social mais rica, devido à quantidade de

informações a serem discutidas, estimulando a curiosidade do aluno e

questionamentos importantes.

4.2 MATERIAIS ALTERNATIVOS

Muitas barreiras e dificuldades encontradas em sala de aula podem ser

amenizadas e até mesmo superadas com vontade e criatividade do professor. As

práticas com materiais alternativos, por exemplo, ampliará o ensino e a

aprendizagem, o qual o aluno poderá associar o conteúdo visto em sala de aula

junto com a prática.

Mas muitas vezes o problema vai além de não possuir um laboratório ou

materiais. Os professores, muitas vezes, não estão preparados ou estão

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desinteressados. Por ser um conteúdo que necessita de uma prática experimental

para melhor compreensão, o que muitas vezes os colégios não dispõem desses

recursos, o aluno precisa ser dotado de uma capacidade de abstração, a qual permite

a elaboração da estrutura do conhecimento de Química (TORRICELI, 2007).

Nesse âmbito, os materiais alternativos tem um papel importante em ajudar

a sanar essas dificuldades. Sabemos que os experimentos não precisam necessariamente

ser realizados em laboratórios ou em ambientes especiais, bem como não estão

obrigatoriamente vinculados a materiais especiais. Eles podem ser realizados utilizando

materiais de fácil aquisição e baixo custo, tornando os experimentos simples e também

atraentes. Os experimentos podem ser utilizados para abordar temas ligados ao

conteúdos de forma interdisciplinar e dessa forma fazer com que o aluno entenda a

Química e as demais Ciências como um conhecimento da realidade.

Assim, diante da nossa conjuntura escolar, cria-se a necessidade de utilizar

formas alternativas de ensino, sempre tentando despertar o interesse, o raciocínio e o

entendimento dos conceitos químicos. Para que em meio da falta de laboratórios

equipados possam ainda buscar o entendimento crítico e permanente do aluno.

4.3 VISCOSIDADE

A viscosidade é uma característica completamente ligada aos fluidos.

Basicamente, viscosidade é a propriedade que os fluidos possuem em resistir ao

escoamento, dado em certa 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 algumas matérias-primas, assim

como na determinação da qualidade de diversos produtos. Para matérias-primas,

uma vez que são sistemas newtonianos, fluido cuja a viscosidade ou atrito interno é

constante para diferentes taxas de cisalhamento e não variam com o tempo, as

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medidas são realizadas com viscosímetros capilares, em geral, no laboratório de

controle químico de qualidade. Nos produtos, as medidas são feitas na linha de

produção com viscosímetros rotacionais.

Os viscosímetros rotacionais são constituídos de duas partes básicas

separadas pelo fluido que está sendo analisado. As partes podem ser de cilindros

concêntricos (copo e rotor), de placas, de cone e placa ou de discos. Uma das partes

gira em relação à outra e produz cisalhamento no fluido. A viscosidade é medida

em função do torque fornecido para produzir uma determinada velocidade angular

ou, da velocidade angular necessária para produzir um determinado torque.

Na indústria alimentícia, a viscosidade de um líquido é de interesse, pois,

conhecer e controlar essa propriedade é extrema importância na formulação e

preparação de emulsões, cremes, géis, soluções etc. Também é importante nas

etapas de execução de projetos de equipamentos e de processos ou mesmo para

especificação do produto.

4.4 MÉTODO DE STOKES

O viscosímetro que será construído terá como base o viscosímetro de

Stokes, porém a grande diferença é a utilização de sensores eletrônicos.

O princípio operacional do viscosímetro de Stokes 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 (ou placas) adjacentes do fluido.

Um fluido pode ser entendido como um conjunto de placas ou camadas

justapostas. Devido ao atrito interno entre as placas, conforme figura 1, surge uma

força Fa oposta ao deslocamento.

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Figura 1. A placa P1 de um fluido se desloca com velocidade dʋ em relação

a uma camada adjacente P2. Devido ao movimento relativo entre as placas do

fluido, há uma força interna de atrito Fa.

Na figura 2 temos uma visualização da queda de um corpo esférico num

fluido. Devido ao movimento da esfera no fluido com velocidade ʋ há uma força

de atrito interna Fa, a força de empuxo E e a força peso P.

Figura 2. O Balanço de forças e visualização das linhas de corrente em uma

esfera em queda livre com velocidade ʋ. Referencial deslocando-se com a esfera

num fluido estacionário.

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Podemos quantificar esse atrito através da definição do coeficiente de atrito

interno, também chamada de viscosidade, definido por Isaac Newton como:

Onde A é a área da placa P1. A equação revela que ƞ é diretamente proporcional

à força de resistência ao movimento entre as placas e sua unidade no SI é N.s/m2 ou

Pa.s.

Shames (1999) comenta que a viscosidade é diretamente proporcional à força de

atração entre as moléculas. Com o aumento da temperatura, essa força de atração

diminui, diminuindo também a viscosidade. Dessa maneira, observa-se nos líquidos que

a viscosidade diminui com o aumento da temperatura. Na Tabela a seguir, apresenta-se

alguns valores típicos da viscosidade, de várias substâncias, em função da temperatura.

Tabela 1. Viscosidade (em Pas) de líquidos e gases em função de várias temperaturas.

A temperatura é um parâmetro relacionado com a energia interna de uma

substância. Vários estudos têm demonstrado que a viscosidade de um líquido é

altamente influenciada por mudanças na temperatura (OLIVEIRA; BARROS; ROSSI,

2009).

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4.5 PORTAS PARALELAS

A princípio, para a construção e montagem do viscosímetro utilizaremos um

tubo onde é colocado o fluido que se deseja determinar a viscosidade e em sua

parede de suporte um conjunto de sensores para se demarcar o tempo de queda do

corpo de prova, que no caso será uma bolinha de ferro. Esses sensores estarão

ligados a um computador por meio do cabo de uma impressora, chamada de porta

paralela.

A porta paralela é uma interface de comunicação entre o computador e um

periférico (figura 3). Quando a IBM criou seu primeiro computador pessoal

(Personal Computer), a ideia era conectar a essa porta uma impressora. Mas

atualmente, são vários periféricos que se utilizam desta porta para enviar e receber

dados para o computador (exemplos: Scanners, câmeras de vídeos, unidade de

disco removível, entre outros). Assim, desenvolveremos um programa no qual

possui um controle do aparelho conectado (viscosímetro) à porta paralela.

Figura 3. Porta paralela e o conector.

As figuras 4 e 5 apresentam conectores padrão, com 25 pinos, onde cada

pino tem um nome que o identifica:

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Figura 4. Conector macho.

Figura 5. Conector fêmea.

O pino 1 carrega o sinal de estrobo (strobe). Ele mantém um nível entre 2,8

a 5 volts, mas cai abaixo de 0,5 volts toda vez que o computador envia um byte

de dados. Essa queda na voltagem diz à impressora que os dados estão sendo

enviados.

Os pinos 2 ao 9 são usados para carregar dados. Para indicar que um bit tem

um valor 1, uma tensão de 5 volts é enviada através do pino. A ausência de

tensão no pino indica um valor de 0. Isso é uma maneira simples, mas altamente

eficaz de transmitir informação digital por um cabo analógico em tempo real.

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O pino 10 (aknow) envia o sinal de reconhecimento da impressora para o

computador. Como o pino 1, ele mantém uma tensão e leva a voltagem abaixo de

0,5 volts para permitir que o computador saiba que a impressora está pronta para

receber mais dados.

Se a impressora estiver ocupada (busy), haverá tensão no pino 11. Depois, a

impressora vai levar a tensão para um valor abaixo de 0,5 volts para permitir que o

computador saiba que ela está pronta para receber mais dados. A impressora deixa

o computador saber que ela está sem papel enviando uma tensão para o pino 12.

Se o computador recebe uma tensão no pino 13, ele sabe que o dispositivo

está online.

O computador envia um sinal de auto feed (alimentação de papel) à

impressora através do pino 14, usando uma tensão de 5 volts. Se a impressora tiver

qualquer problema, ela abaixa a tensão para menos de 0,5 volts no pino 15 para

deixar o computador saber que há um erro.

Toda vez que um novo serviço de impressão estiver pronto, o computador

diminui a tensão no Pino 16 para iniciar a impressora. O pino 17 é usado pelo

computador para, remotamente, deixar a impressora offline. Consegue-se isso

enviando uma tensão para a impressora e mantendo essa tensão pelo tempo que se

deseja manter a impressora offline. Os pinos 18 a 25 são terra e são usados como

um sinal de referência para a tensão baixa (abaixo de 0,5 volts).

O sensor eletrônico que será usado no viscosímetro é um dispositivo em que

existe uma fonte emissora, normalmente um LED infra-vermelho, e um receptor,

geralmente um fototransistor ( figura 6). O dispositivo é montado de tal forma que

entre o emissor e o receptor existe uma fenda onde pode ser introduzido um objeto.

A introdução desse objeto interrompe o feixe de radiação do emissor, provocando

uma mudança de estado do circuito. As chaves ópticas são extremamente rápidas e

têm a vantagem de não utilizarem contatos mecânicos que podem desgastar-se e

ainda apresentarem problemas de repiques.

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13

Figura 6. Sensores eletrônicos.

5 VISCOSÍMETRO DE OSTWALD

O coeficiente de viscosidade de líquidos pode ser determinado por vários

métodos experimentais. Por exemplo, determinando a velocidade de vazão do

fluido através de um capilar (o coeficiente de viscosidade é dado pela lei de

Poiseuille), a velocidade com que a esfera cai no fluido (neste caso é a lei de Stokes

que se aplica), etc. No caso da vazão de um fluido através de um capilar o

coeficiente de viscosidade, segundo Poiseuille, é:

Onde P é a pressão hidrostática sobre o líquido, em N.m-2

, V é o volume, em

m3, do líquido que flui em t segundos através do capilar de raio r e de comprimento

L, em metros.

O viscosímetro de Ostwald (Figura 7) permite uma determinação simples do

coeficiente de viscosidade a partir de um padrão. Neste caso as medidas de

viscosidade são feitas por comparação entre o tempo na vazão de um fluido de

viscosidade conhecida, geralmente água, e o de um fluido de viscosidade

desconhecida, uma vez que uma medida absoluta do coeficiente de viscosidade é

difícil. A partir da equação (1), pode-se chegar a:

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Onde d1 e d2 são as densidades dos fluidos conhecido e desconhecido,

respectivamente, e t1 e t2 são os tempos gastos para que se escoem volumes iguais.

Figura 7: viscosímetro de Ostwald

A precisão na operação com este viscosímetro depende do controle e da medida

das seguintes variáveis: temperatura, tempo, alinhamento vertical do capilar e volume

da substância estudada.

O efeito da temperatura sobre o coeficiente de viscosidade de um fluido difere

notadamente segundo o fluido é um líquido ou gás. Nos gases, o coeficiente aumenta

com a temperatura, mas nos líquidos diminui marcadamente com a elevação da

temperatura.

A relação dos coeficientes de viscosidade dos líquidos com a temperatura é dada

pela equação de Carrancio:

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Onde A e B são constantes próprias dos líquidos dados, sendo B uma

medida de energia necessária para fazer o líquido fluir.

6 METODOLOGIA

O trabalho possui enfoque na área de Físico-Química. Foram analisadas as

viscosidades de líquidos, usando o viscosímetro construído e um computador, com

software específico. Ao final foram analisadas as vantagens de utilizar esse método

em uma aula prática.

7 CONSTRUÇÃO DO VISCOSÍMETRO

Para a construção do viscosímetro utilizou-se dois tubos de acrílico, sendo

um com diâmetro de 10 centímetros e outro de 1,2 centímetros, colocados um

dentro do outro, como mostra a figura 8. O tubo de diâmetro maior não terá contato

com o fluido a ser determinado à viscosidade, nele apenas ocorre à passagem da

água para termostatizar o tubo central.

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Figura 8. Montagem do viscosímetro

Os sensores utilizados foram colocados a uma distância de 32 centímetros

um do outro e ligados a um cabo de saída de impressora.

Em cada ponta do acrílico, foi utilizada uma tampa acoplada a um

eletroímã. Nesse eletroímã, está uma esfera de ferro de 0,502 centímetros de

diâmetro. Assim para iniciar a medição basta acionar o eletroímã e a esfera é solta

passando pelos sensores e descendo pelo líquido a ser medida a viscosidade.

Para a realização das medidas, a esfera é solta através do eletroímã. Quando

a esfera atingir o primeiro sensor, o software manda um sinal para o computador e

o tempo começa a ser contado (Figura 9). Após a esfera atingir o segundo sensor é

lançado outro sinal ao computador, informando o segundo tempo. Assim tem-se a

distância que a esfera percorreu e quando tempo ela gastou.

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Figura 9: Funcionamento do viscosímetro

8 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Quando um corpo se movimenta no interior de um fluido existem

também forças de atrito entre eles que tendem a reduzir a velocidade do corpo. Esta

resistência depende da velocidade relativa entre o corpo e o fluido de forma que

para velocidades relativas baixas (condição associada ao regime de resistência de

viscosidade ou regime de Stokes) a resistência do fluido é proporcional à

viscosidade do fluido e à velocidade relativa:

que, para o caso de uma esfera de raio r toma a forma:

Eletroímã

Sensores

Esfera

Page 26: UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS

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Onde:

V0 é a velocidade da esfera e Ƞ é o coeficiente de viscosidade.

Repare que esta expressão é válida para uma extensão infinita de fluido.

Quando essa condição não é satisfeita, a resistência será maior, uma vez que as

paredes do recipiente, no qual se dá o movimento da esfera, vão também

condicionar o seu movimento. Considerando que o movimento ocorre num tubo

de diâmetro R, a expressão toma a forma:

Vejamos agora o que acontece quando um corpo esférico cai no interior

de um fluido. As forças que lhe estão aplicadas são: o seu peso, P, o empuxo, E, e a

força de resistência do fluido ao movimento, FR. Facilmente se verifica que,

enquanto a primeira e a segunda são constantes ao longo do movimento, a terceira

vai aumentando com a velocidade, de modo que existe um ponto no qual as três se

anulam. A partir daí o movimento da esfera passa a ser uniforme, sendo a sua

velocidade designada por velocidade limite. Para calcular essa velocidade

considere-se, então, atendendo à direção das forças, que: FR + E = P; ou seja ρe for

à densidade absoluta da esfera e ρf a densidade absoluta do fluido, pode-se

escrever:

É nesta expressão que se fundamenta a determinação experimental da

viscosidade, através da medição da velocidade limite. Assim, ao medir o tempo de

queda, t, em regime de Stokes, de um corpo esférico, no interior de um tubo, entre

dois pontos distanciados de L, a viscosidade poderá ser determinada.

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OBS: A velocidade terminal é uma correção desenvolvida empiricamente

para a verdadeira velocidade da esfera no fluido, pois quando a esfera entra no

tubo esta sofre efeitos de borda onde aumenta sua velocidade real. A velocidade

terminal é dada por

Onde Vm é a velocidade medida, r é o raio da esfera e R o raio do tubo.

Substituindo a equação de medição de velocidade limite (4) com base na eq. 5

obtemos:

onde:

µ é o coeficiente de viscosidade (Stokes);

g é aceleração da gravidade;

ρe; ρl são as densidade da esfera e do líquido, respectivamente;

Vt velocidade terminal

Se uma esfera de densidade maior que a de um líquido for solta na

superfície do mesmo, no instante inicial a velocidade é zero, mas a força resultante

acelera a esfera de forma que sua velocidade vai aumentando, mas de forma não

uniforme. Pode-se verificar que a velocidade aumenta não uniformemente com o

tempo, mas atinge um valor limite, que ocorre quando a força resultante for nula.

Portanto por meio da lei de Stokes é possível determinar a viscosidade dinâmica de

um fluido.

8.1 DADOS EXPERIMENTAIS

Inicialmente, foram determinados a massa e o diâmetro da esfera de ferro

com o auxilio da balança e do paquímetro respectivamente. Em seguida, utilizou-se

a régua para medir a distância entre os dois sensores do tubo de acrílico.

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Posteriormente, mediu-se a temperatura do ambiente na qual se encontrava o

experimento, utilizando-se para isso o termômetro.

Após essas medições utilizamos o picnômetro para encontrar a densidade do

óleo e do detergente. Os valores encontrados seguem na tabela abaixo:

Tabela 2: medição de densidades e massas

Temperatura ambiente 25 ºC

Massa do picnômetro vazio 44,8670 g

Massa do picnômetro com água 99,3503 g

Massa do picnômetro com detergente 100,8157 g

Massa de detergente 55,94887 g

Volume do picnômetro 54,658 cm3

ρ detergente 1,0236 g/cm3

Massa do picnômetro com óleo 101,592 g

Massa de água 54,4833 g

ρ de água a 26 ºC 0,9968 g/cm3

Massa de óleo 56,725 g

ρ óleo 1,037816 g/cm3

O óleo utilizado para o experimento é o óleo de rícino (figura 10), também

conhecido como óleo de mamona, que protegem o couro cabeludo de sofrer

agressões externas, como micoses e infecções causadas por bactérias diversas.

Embora seja usado na medicina popular como purgativo, este óleo possui largo

emprego na indústria química devido a uma característica peculiar: possui uma

hidroxila (OH) ligada na cadeia de carbono. Não existe outro óleo vegetal

produzido comercialmente com esta propriedade. Plantas do gênero Lesquerella

também produzam óleo hidroxilado, mas elas ainda não são cultivadas

comercialmente. O ácido graxo hidroxilado se chama ácido ricinoleico. Outra

importante propriedade do óleo de mamona é ser composto entre 80 e 90 por cento

de um único ácido graxo (ácido ricinoleico), o qual lhe confere alta viscosidade e

solubilidade em álcool a baixa temperatura. Pode ser utilizado como matéria prima

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para o biodiesel, mas a quase totalidade do óleo de produzido no mundo tem sido

utilizado pela indústria química para produtos de maior valor agregado.

Figura 10: Óleo utilizado no experimento

Após esse procedimento foram pesadas às esferas em uma balança analítica:

Tabela 3: Medida do diâmetro e massa da esfera

ESFERAS DIÂMETRO (D)

1 0,520 cm

2 0,510 cm

3 0,500 cm

4 0,478 cm

Média 0,502 cm

Raio 0,251 cm

Peso da esfera 0,472 cm

O processo de medição do tempo gasto é iniciado, utilizando o viscosímetro

construído. Esse tempo é o tempo que uma esfera de raio de 0,251 cm gasta para

percorrer uma distância de 32 cm (distância entre os dois sensores). Os valores

obtidos pelo viscosímetro são mostrados na tabela seguinte:

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Tabela 4: tempo gosto pela esfera ao descer pelo fluido.

OLÉO DETERGENTE

4s 3s

3s 3s

4.9s 3s

4s 3s

Média Média

3,9s 3s

Em seguida, foi calculada o a velocidade média e a velocidade terminal,

respectivamente:

Substituindo os valores obtemos a tabela 5:

Tabela 5: Velocidade terminal

Tempo Distância

entre

sensores

Raio da Esfera

Raio do

Tubo do

Viscosímetro

Velocidade Terminal

Óleo 3,98 s 32 cm 0,251 cm 0,6 cm 16,1 cm/s

Detergente 3,0 s 32 cm 0,251 cm 0,6 cm 21,36 cm/s

Por fim para obtermos o coeficiente de viscosidade dinâmica para cada

caso, utilizaremos da seguinte equação:

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Tabela 6: Cálculo do coeficiente de viscosidade

Óleo Detergente

Gravidade 982 cm/s2

982 cm/s2

Raio da esfera 0,251cm 0,251cm

Densidade da Esfera 3,7533 g/cm3

3,7533 g/cm3

Densidade do Fluido 1,0378 g/cm3

1,0236 g/cm3

Velocidade Terminal 16,1 cm/s 21,36 cm/s

Coeficiente de Viscosidade 20,86 stokes 15,81 stokes

9 CONCLUSÕES

A partir dos dados experimentais foi possível aplicar a Lei de Stokes e

determinar experimentalmente o coeficiente de viscosidade para determinado

detergente e óleo. Embora o erro não pudesse ser calculado, devido o não

conhecimento da natureza química do detergente e óleo utilizados, pudemos

verificar a correlação direta da densidade da substância com sua respectiva

viscosidade (comparação). O óleo, por ser mais denso (possui mais massa por

unidade de volume) “demora” mais tempo para escoar em relação ao detergente,

apresentando resistência maior à trajetória da esfera.

A vantagem do método de Stokes em relação ao método de Ostwald está

que, por Stokes obtemos a viscosidade absoluta direta por modelagem, enquanto no

método de Ostwald necessitamos de um líquido de referência, havendo maior

possibilidade de erros. Podemos também deduzir a existência de alguns erros, como

por exemplo, as medidas feitas com a régua, que resultam em valores pouco

precisos.

Não foi possível realizar a prática contida no material devido à falta de tempo.

Porém segue em anexo um roteiro de aula para possível aplicação em sala.

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10 REFERÊNCIAS

GUIMARÃES, C. C., Experimentação no Ensino de Química: Caminhos e

Descaminhos Rumo à Aprendizagem Significativa. Química Nova na Escola.

v. 2, n. 31, p. 198, 2009.

BRASIL. Ministério da Educação. Secretaria de Educação Profissional e

Tecnológica. Parâmetros curriculares nacionais: Ensino Médio. Brasília:

MEC, 1999.

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titulação ácido base. Eclet. Quím., São Paulo, v. 35, n. 4, p. 1, 2010.

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Experimentação na Construção de Conceitos em Eletricidade no Ensino

Médio.Caderno Catarinense Ensino de Física. v. 16, n. 1: p. 105-122, abr.

1999.

ARISTÓTELES. Metafísica, “Livro A, cap. I”. Coleção Os Pensadores. Editora

Abril, São Paulo, 1979, pagina 212 (orig. século IV a.c.).

BUENO, L.; MOREIA, K. C.; SOARES, M.; WIEZZEL, A. C. S.; TEIXEIRA,

M. F. S.; DANTAS, D. J. O ensino de química por meio de atividades

experimentais: a realidade do ensino nas escolas. In: Silvania Lanfredi Nobre;

José Milton de Lima. (Org.). Livro Eletrônico do Segundo Encontro do

Núcleo de Ensino de Presidente Prudente. São Paulo: Editora UNESP, 2007.

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dos estudantes: reflexões teórico-metodológicas. Química Nova. v. 25, n.1, p.

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TORRICELLI, Enéas. Dificuldades de aprendizagem no Ensino de Química.

(Tese de livre docência), Belo Horizonte, Universidade Federal de Minas Gerais.

Faculdade de Educação, 2007.

Methods of Experimental Physics, Vol 1, Classical Methods, cap 4.1 e 4.2.

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metodologia Bayesiana para o estudo reológico da polpa de uva. Revista

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Edgard Blücher, 1999. p. 192.

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11 ANEXOS

PROPOSTAS DE APLICAÇÃO DO VISCOSÍMETRO NO ENSINO MÉDIO

Primeira proposta: Viscosidade e Temperatura

Série do Ensino Médio: 2º Ano

Tempo estimado: 50 minutos

1. OBJETIVO:

Determinar o coeficiente de viscosidade de um líquido a diferentes

temperaturas, empregando o viscosímetro construído baseado no método de Stokes.

2. MATERIAL NECESSÁRIO:

Viscosímetro construído utilizando como base o método de Stokes

Termômetro

Chapa de aquecimento

Glicerina

3. DESENVOLVIMENTO:

1ª Etapa: Em uma balança semianalítica encontre a massa da esfera

envolvida no sistema. Posteriormente, com uma régua meça o diâmetro da esfera.

Em seguida marque a altura entre os sensores no cilindro de vidro do viscosímetro,

distancia essa que será percorrida pela esfera na descida.

O tempo de queda será dado pelo software do viscosímetro que deverá ser

anotado. Coloque a glicerina no tubo cilíndrico do viscosímetro.

Pese um picnômetro vazio e em seguida com água.

Após lavados e secos, preenche-o com o fluido em questão e pese

novamente.

Varia a temperatura do fluido e repita as etapas anteriores.

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2ª Etapa: Com esses dados em mãos, podemos calcular a viscosidade do

fluido por meio algébrico. Assim podemos registrar a influência que a temperatura

exerce sobre a viscosidade.

4. AVALIAÇÃO:

Desenvolver um resumo da aula experimental abordando os diversos

conteúdos tratados ao longo da mesma.