Vicosímetros Óleos Lubrificantes

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CURSO DE ENGENHARIA MECNICA FENMENO DOS TRANSPORTES

VISCOSIDADE, VISCOSMETROS E LEOS LUBRIFICANTES

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CURSO DE ENGENHARIA MECNICA FENMENO DOS TRANSPORTES

VISCOSIDADE, VISCOSMETROS E LEOS LUBRIFICANTES

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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 - Um modelo de viscosmetro capilar.....................................................................7 Figura 2 - Um modelo de viscosmetro de orifcio...............................................................9 Figura 3 - Um modelo de viscosmetro rotativo.................................................................10 Figura 4 - Um modelo de viscosmetro de esfera...............................................................11 figura 5 Exemplo de equipamento Saybolt-Furol de ensaio de viscosidade e esquema do interior do equipamento......................................................................................................11 Quadro 1 Tabela de Unidades (SI e Outras)....................................................................7 Quadro 2 Resultados do Ensaio (Temperatura x Tempo)................................................18 Quadro 3 Memria de Clculo do Ensaio Laboratorial...................................................18 Quadro 4 Resultado do Ensaio (Temperatura x Viscosidade).........................................19 Grfico 1 Resultado do Ensaio (Viscosidade x Temperatura).........................................19

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SUMRIO12INTODUO.....................................................................................................5 DESENVOLVIMENTO.........................................................................................6 2.1- Viscosidade.................................................................................................6 2.1.1- Conceito...................................................................................................6 2.1.2- Unidades....................................................................................................6 2.1.3- Relao entre a viscosidade e a temperatura nos gases e nos lquidos......................7 2.1.4- Fluido newtoniano........................................................................................7 2.1.5- Fluido no - newtoniano...............................................................................7 2.2- Vinscosmetros............................................................................................7 2.2.1- Tipos de Viscosmetros.................................................................................8 2.2.2- Utilizao...................................................................................................8 2.3- leos Lubrificantes...................................................................................12 2.3.1- Tipos, Composio e Utilizao dos leos Lubrificantes....................................12 2.3.2- Sistema de Classificao: SAE e API.............................................................14 2.3.3- ndice de Viscosidade.................................................................................15 2.4- Experincia Laboratorial...........................................................................17 2.4.1- Descrio Sumria das Atividades.................................................................17 2.5- Grfico V x T (Viscosidade por Temperatura)..........................................18 2.5.1- Memria de Clculo (Viscosidade x Temperatura)............................................18 2.5.2- Resultados (Viscosidade x Temperatura).........................................................19 2.5.3- Grfico (Viscosidade x Temperatura).............................................................19 3- CONCLUSO...............................................................................................20 REFERNCIAS...................................................................................................22

REFERNCIAS

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1- INTODUO

O presente trabalho tem por objeto o estudo da viscosidade em Fluidos Newtonianos e No Newtonianos abordando conceitos e caractersticas dos principais leos lubrificantes e viscosmetros. Visando uma abordagem prtica e seus resultados descrevemos a experincia laboratorial (teste com leo lubrifiacante) realizada no dia 15 de outubro de 2010 no Laboratrio de Engenharia Mecncia da Universidade Gama Filho.

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2- DESENVOLVIMENTO

2.1- Viscosidade 2.1.1- Conceito Viscosidade a propriedade associada a resistncia que o fluido oferece a deformao por cisalhamento. De outra maneira pode-se dizer que a viscosidade corresponde ao atrito interno nos fluidos devido basicamente a interaes intermoleculares, sendo em geral funo da temperatura. comumente percebida como a "grossura", ou resistncia ao despejamento. Viscosidade descreve a resistncia interna para fluir de um fluido e deve ser pensada como a medida do atrito do fluido. A viscosidade desempenha nos fluidos o mesmo papel que o atrito nos slidos. 2.1.2- Unidades A unidade fsica de viscosidade no Sistema Internacional de Unidades o pascalsegundo (Pas), que corresponde exatamente a 1 Ns/m ou 1 kg/(ms). Na Frana intentouse estabelecer o poiseuille (Pl) como nome para o Pas, sem xito internacional. Deve-se prestar ateno em no confundir o poiseuille com o poise, chamado assim pela mesma pessoa. A unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinmica o poise (p), cujo nome homenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Si ser mais usado o seu submltiplo: o centipoise (cp). O centipoise mais usado devido a que a gua tem uma viscosidade de 1,0020 cp a 20 C. 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cms) = 0,1 Pas. 1 centipoise = 1 mPas. O fator de proporcionalidade a viscosidade absoluta ou viscosidade dinmica do fluido. dc = d y A viscosidade cinemtica a relao entre a viscosidade dinmica e a massa especfica: = /

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Quadro 1 - Tabela de Unidades Unidades Unidade SI Outras

Viscosidade dinmica

N s / m2 ou Pa s. Tambm A unidade no SI poise denominada poiseuille (PI) equivale a 101 N s/m2 A unidade no SI stoke (St) m2 / s equivale a 10-4 m2/s

Viscosidade cinemtica

As unidades do Sistema Internacional (SI) para ambos os tipos podem ser deduzidas por simples anlise dimensional. A tabela acima nos d os resultados. 2.1.3- Relao entre a viscosidade e a temperatura nos gases e nos lquidos A viscosidade a propriedade dos fluidos que se traduz por oferecer resistncia ao escoamento, que nos lquidos diminui quando a temperatura aumenta, mas nos gases aumenta com o aumento da temperatura. 2.1.4- Fluido newtoniano Um fluido newtoniano um fluido em que cada componente da tenso cisalhante proporcional ao gradiente de velocidade na direo normal a essa componente. A constante de proporcionalidade a viscosidade dinmica. Fluidos Newtonianos: a tenso diretamente proporcional taxa de deformao. Ex: gua, ar, leos. 2.1.5- Fluido no - newtoniano O fluido no Newtoniano um fluido cuja sua viscosidade varia

proporcionalmente com a cinetica que se imprime a esse mesmo fluido, respondendo de forma quase instantanea. Para exemplo temos a mistura de farinha com gua que dependendo da energia cintica que recebe pode ser um slido ou um liquido. Se o movimento que se lhe imprime for rpido esta mistura torna-se um solido e assim que se cessa o movimento, esta transforma-se novamente em liquido. 2.2- Vinscosmetros Um viscosmetro, tambm designado por viscometro, consiste num instrumento usado para medio da viscosidade de um fludo.

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2.2.1- Tipos de Viscosmetros Existem quatro tipos bsicos de viscosmetros:

Viscosmetro capilar. Viscosmetro de orifcio. Viscosmetro rotativo. Viscosmetro de esfera.

2.2.2- Utilizao

A escolha do tipo de viscosmetro a ser utilizado depende do propsito da medida e do tipo de lquido a ser investigado. O viscosmetro capilar no adequado para lquidos no newtonianos, pois no permite variar a tenso de cisalhamento, mas bom para lquidos newtonianos de baixa viscosidade. O viscosmetro rotacional o mais indicado para estudar lquidos no-newtonianos. O viscosmetro de orifcio indicado nas situaes onde a rapidez, a simplicidade e robustez do instrumento e a facilidade de operao so mais importantes que a preciso e a exatido na medida, por exemplo, nas fbricas de tinta, adesivos e leos lubrificantes. 2.2.2.1- Viscosmetro capilar ou viscosmetro de Ostwald O viscosmetro capilar ou de Ostwald, utilizado para lquidos e baseia-se na determinao de alguns dos parmetros relacionados com a frico desenvolvida por um lquido quando este escoa no interior de um capilar. Este tipo de viscosmetro essencialmente um tubo em U, sendo que um dos seus ramos um tubo capilar fino ligado a um reservatrio superior. O tubo mantido na vertical e coloca-se uma quantidade conhecida de um lquido no reservatrio, deixando-se escoar sob a aco da gravidade atravs do capilar. A medida da viscosidade o tempo que a superfcie de lquido no reservatrio demora a percorrer o espao entre duas marcas gravadas sobre o mesmo.

Figura 1: Um modelo de viscosmetro capilar

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2.2.2.2- Viscosmetro de orifcio. A viscosidade medida pelo tempo que um volume fixo de lquido gasta para escoar atravs de um orifcio existente no fundo de um recipiente. Figura 2: Um modelo de viscosmetro de orifcio.

2.2.2.3- Viscosmetro rotativo O viscosmetro rotativo o mais usado na indstria e mede a fora de frico de um motor que gira, devido a um sistema de pesos e roldanas, no seio de um fludo que se pretende estudar. A viscosidade medida pela velocidade angular de uma parte mvel separada de uma parte fixa pelo lquido. Nos viscosmetros de cilindros concntricos, a parte fixa ,

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em geral, a parede do prprio recipiente cilndrico onde est o lquido. A parte mvel pode ser no formato de palhetas ou um cilindro. Nos viscosmetros de cone-placa, um cone girado sobre o lquido colocado entre o cone e uma placa fixa. Figura 3: Um modelo de viscosmetro rotativo.

2.2.2.4- Viscosmetro de esfera em queda ou viscosmetro de bola O viscosmetro de esfera em queda ou de bola, possibilita a medio da velocidade de queda de uma esfera no seio de uma amostra de fludo, cuja viscosidade se pretende determinar. Este tipo de viscosmetro baseado na lei de Stokes, enunciada pelo fsico e matemtico irlands George Gabriel Stokes, que nasceu em Skreen a 13 de Agosto de 1819 e que faleceu em Cambridge a 1 de Fevereiro de 1903. Este mtodo consiste em diversos tubos contendo lquidos padres de viscosidades conhecidas, com uma bola de ao em cada um deles. O tempo que a bola leva A descer o comprimento do tubo depende da viscosidade do lquido. Colocando-se a amostra num tubo semelhante, pode determinar-se aproximadamente a sua viscosidade por comparao com os outros tubos.

Figura 4: Um modelo de viscosmetro de esfera.

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2.2.3- Exemplo de equipamento Saybolt-Furol de ensaio de viscosidade e esquema do interior do equipamento Figura 5 Exemplo de equipamento Saybolt-Furol de ensaio de viscosidade e esquema do interior do equipamento

No Brasil, o viscosmetro mais usado para os materiais asflticos o de SayboltFurol (Saybolt: o inventor; e Furol: Fuel Road Oil). O aparelho consta, basicamente, de

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um tubo com formato e dimenses padronizadas, no fundo do qual fica um orifcio de dimetro 3,15 0,02mm. O tubo, cheio de material a ensaiar, colocado num recipiente com leo (banho) com o orifcio fechado. Quando o material estabiliza na temperatura exigida (25 a 170C, dependendo do material e 135C para os cimentos asflticos), abre-se o orifcio e inicia-se a contagem do tempo.Desliga-se o cronmetro quando o lquido alcana, no frasco inferior, a marca de 60ml. O valor da viscosidade reportado em segundos Saybolt-Furol, abreviado como SSF, a uma dada temperatura de ensaio. 2.3- leos Lubrificantes O lubrificante composto por leos bsicos e aditivos. Sua funo no motor lubrificar, evitar o contato entre as superfcies metlicas e arrefecer, independentemente de ser mineral ou sinttico. A diferena est no processo de obteno dos leos bsicos. Os leos minerais so obtidos da separao de componentes do petrleo, sendo uma mistura de vrios compostos. Os leos sintticos so obtidos por reao qumica, havendo assim maior controle em sua fabricao, permitindo a obteno de vrios tipos de cadeia molecular, com diferenas caractersticas fsico-qumicas e por isso so produtos mais puros. Os leos semi-sintticos ou de base sinttica, empregam mistura em propores variveis de bsicos minerais e sintticos, buscando reunir as melhores propriedades de cada tipo, associando a otimizao de custo, uma vez que as matrias-primas sintticas possuem custo muito elevado. 2.3.1- Tipos, Composio e Utilizao dos leos Lubrificantes 2.3.1.1- leos minerais So usados como lubrificantes com uma adequada viscosidade, originados de petrleos crus e beneficiados atravs de refinao. As propriedades e qualidades destes lubrificantes dependem da proveniencia e da viscosidade do petroleo cru. Quando falamos em leos minerais temos de distinguir trs tipos:

leo mineral de base parafnico

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O nome Parafina, de origem Latin, indica, que estas ligas quimicas so relativamente estveis e resistentes e no podem ser modificadas facilmente com influncias quimicas. Sendo assim as parafinas tendem a no oxidar em temperaturas ambientes ou levemente elevadas. Nos lubrificantes eles so partes resistentes e preciosos, que no envelhecem ou somente oxidam de forma lenta. Contm em sua composio quimica hidrocarbonetos de parafina em maior proporo, demonstra uma densidade menor e menos sensvel a alterao de viscosidade/temperatura. A grande desvantagem seu comportamento em temperaturas baixas: as parafinas tendem a sedimentar-se.

leo mineral de base naftnico

Enquanto os hidrocarbonetos parafinicos formam em sua estrutura molecular correntes, os naftncios formam em sua maioria ciclos. Os naftenicos em geral so usados, quando necessitamos produzir lubrificantes para baixas temperaturas. Desvantagem dos naftnicos sua incompatibilidade com materiais sintticos e elastmeros.

leo mineral de base misto

Para atender as caracteristicas de lubrificantes conforme necessidade e campo de aplicao a maioria dos leos minerais misturada com base naftncio ou parafnico em quantidades variados. 2.3.1.2- leos sintticos So, ao contrrio dos leos minerais, produzidos artificialmente. Eles possuem, na maioria das vezes, um bom comporamento de viscosidade-temperatura com pouca tendncia de coqueificao em temperaturas elevadas, baixo ponto de solidificao em baixas temperaturas, alta resistncia contra temperatura e influncias quimicas. Quando falamos em leos sintticos temos de distinguir cinco tipos diferentes:

Hidrocarbonetos sintticos

Entre os hidrocarbonetos sintticos destacam-se hoje com maior importncia de um lado os polialfaoleofinas (PAO) e os leos hidrocraqueados. Estes leos so fabricados a partir de leos minerais, porm levam um processo de sinteticao, o qual elimina os radicais livres e impurezas, deixando-os assim mais estvel a oxidao. Tambm se consegue atravs desde processo um comportamento excelente em relao viscosidade-

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temperatura. Estes hidrocarbonetos semi-sintticos atingem IV (ndices de Viscosidade) at 150.

Poliolsteres

Para a fabricao de lubrificantes especiais, fluidos de freios, leos hidrulicos e fluidos de corte os poli-alquileno-glicois, miscvel ou no miscvel em gua tem hoje cada vez mais importncia.

Disteres

So ligaes entre cidos e alcois atravs da perda de gua. Certos grupos formam leos de Ester que so usados para a lubrificao e, tambm, fabricao de graxas lubrificantes. Os disteres esto hoje aplicados em grande escala em todas as turbinas da aviao civil por resistir melhor a altas e baixas temperaturas e rotaes elevadssimas. Dos leos sintticos eles tm o maior consumo mundial.

leos de silicone

Os silicones destacam-se pela altssima resistncia contra temperaturas baixas, altas e envelhecimento, como tambm pelo seu comportamento favorvel quanto ao ndice de viscosidade. Para a produo de lubrificantes destacam-se os Fenil-polisiloxanes e Methil-polisiloxanes. Grande importncia tem os Fluorsilicones na elaborao de lubrificantes resistentes a influncia de produtos qumicos, tais como solventes, cidos etc.

Polisteres Perfluorados

leos de flor e fluorclorocarbonos tm uma estabilidade extraordinria contra influncia qumica. Eles so quimicamente inertes, porm em temperaturas acima de 260C eles tendem a craquear e liberar vapores txicos. 2.3.2- Sistema de Classificao: SAE e API Para facilitar a escolha do lubrificante correto para veculos automotivos vrias so as classificaes, sendo as principais SAE e API. 2.3.2.1- Classificao SAE A Classificao SAE estabelecida pela Sociedade dos Engenheiros Automotivos dos Estados Unidos, classifica os leos lubrificantes pela sua viscosidade, que indicada por um nmero. Quanto maior este nmero, mais viscoso o lubrificante e so divididos em trs categorias:

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50.

leos de vero: SAE 20, 30, 40, 50, 60; leos de inverno: SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W; leos multiviscosos (inverno e vero): SAE 20W-40, 20W-50, 15W-

Observao: a letra "W" vem do ingls "winter", que significa inverno. 2.3.2.2- Classificao API A Classificao API foi desenvolvida pelo Instituto Americano do Petrleo, tambm dos Estados Unidos da Amrica, baseia-se em nveis de desempenho dos leos lubrificantes, isto , no tipo de servio do qual a mquina estar sujeita. So classificados por duas letras, a primeira indica o tipo de combustvel do motor e a segunda o tipo de servio. Os leos lubrificantes para motores a gasolina e lcool e GNV (Gs natural veicular) de 4 tempos atualmente no mercado so apresentados na tabela abaixo. O leo SJ superior ao SH, isto , o SJ passa em todos os testes que o leo SH passa, e em outros que o SH no passa. O leo SH por sua vez superior ao SG, assim sucessivamente. Os leos lubrificantes para motores a gasolina 2 tempos, como os usados em moto serras, abrangem 3 nveis de desempenho: API TA, TB e TC. A classificao API, para motores diesel, mais complexa que para motores a gasolina, lcool e GNV, pois devido s evolues que sofreu, foram acrescentados nmeros, para indicar o tipo de motor (2 ou 4 tempos) a que se destina o lubrificante. 2.3.3- ndice de Viscosidade A viscosidade mede a dificuldade com que o leo escorre (escoa); quanto mais viscoso for um lubrificante (mais grosso), mais difcil de escorrer, portanto ser maior a sua capacidade de manter-se entre duas peas mveis fazendo a lubrificao das mesmas. A viscosidade dos lubrificantes no constante, ela varia com a temperatura. Quando esta aumenta a viscosidade diminui e o leo escoa com mais facilidade. O ndice de Viscosidade (IV) mede a variao da viscosidade com a temperatura. Quanto maior o IV, menor ser a variao de viscosidade do leo lubrificante, quando submetido a diferentes valores de temperatura. 2.3.3.1- Ponto de fluidez

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Ponto de fluidez a menor temperatura em que o combustvel ainda escoa. Este ponto uma medida importante para a determinao das caractersticas de armazenagem e de transporte do combustvel na instalao. No h uma relao direta entre o ponto de fluidez e a viscosidade do leo combustvel. 2.3.3.2- Ponto de fulgor Ponto de fulgor ou ponto de inflamao a menor temperatura na qual um combustvel liberta vapor em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamvel por uma fonte externa de calor. O ponto de fulgor no suficiente para que a combusto seja mantida. Por mistura inflamvel, para a obteno do ponto de fulgor, entenda-se a quantidade de gs ou vapor misturada com o ar atmosfrico suficiente para iniciar uma inflamao em contacto com uma fonte de calor (isto , a queima abrupta do gs ou vapor), sem que haja a combusto do combustvel emitente. Outro detalhe verificado que, ao retirar-se a fonte de calor, acaba a inflamao (queima) da mistura. Trata-se de um dado importante para classificao dos produtos combustveis, em especial no que se refere segurana, aos riscos de transporte, armazenagem e manuseamento. Atravs do ponto de fulgor distinguem-se os lquidos combustveis e inflamveis, de acordo com norma regulamentadora: Lquido combustvel: todo aquele que possua ponto de fulgor igual

ou superior a 70 C (setenta graus Celsius) e inferior a 93,3 C (noventa e trs graus e trs dcimos de graus Celsius). O lquido combustvel acima se classifica como lquido combustvel Classe III Lquido inflamvel: todo aquele que possua ponto de fulgor inferior

a 70 C (setenta graus Celsius) e presso de vapor que no exceda 2,8 kg/cm2 absoluta a 37,7 C (trinta e sete graus e sete dcimos de graus Celsius). Quando o lquido inflamvel definido acima possui ponto de fulgor superior a 37,7 C (trinta e sete graus e sete dcimos de graus Celsius) e inferior a 70 C (setenta graus Celsius), ele classificado como lquido combustvel Classe II. Quando o lquido inflamvel possui ponto de fulgor inferior a 37,7 C (trinta e sete graus e sete dcimos de graus Celsius), ele classificado como lquido combustvel Classe I.

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Outra definio para ponto de fulgor: O ponto de fulgor (com o seu teste realizado no aparelho de vaso fechado de Pensky-Martens) a temperatura em que o leo desprende vapores que, em contato com o oxignio presente no ar, podem entrar em combusto momentnea, na presena de uma fonte de calor. O ponto de fulgor no tem relao direta no desempenho do combustvel, mas um valor mnimo estabelecido para garantir segurana no armazenamento e manuseio do produto. 2.4- Experincia Laboratorial 2.4.1- Descrio Sumria das Atividades Data da experincia: 15/10/2010 Local: Laboratrio de Engenharia Mecnica Universidade Gama Filho Equipamentos Utilizados: Viscosmetro Saybolt (ASTM D-88); Termmetro; Cronmetro.

leo Testado: TEXACO HAVOLINE, SAE 20 W 40, API SH. Amostra: 60 ml do leo; 2.4.2- Principais Passos da Realizao da Experincia O viscosmetro foi ajustado para uma temperatura inicial de 80 C; Foi inserida a amostra de 60 ml de leo no viscosmetro; Foi medido o tempo (em segundos) que a amostra (60 ml de leo)

levou para escoar atravs dos tubos capilares que compem o viscosmetro com a temperatura escolhida e atingir o nvel do recipiente colocado para aparar o leo. A experincia foi repetida para as temperaturas de 90 C e 100 C e O ponto de fulgor adotado foi de 260 C. Os resultados de tempos de escoamento transcorridos a cada os tempos foram cronometrados da mesma forma.

temperatura testada esto apresentados na tabela abaixo:

Quadro 2 Resultados do Ensaio (Temperatura x Tempo)

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TEMPERATURA (Em graus Celsius) 80 90 100

TEMPO (Em segundos) 100 69 59

2.5- Grfico V x T (Viscosidade por Temperatura) A seguir apresentamos a memria de clculo e o grfico gerado a partir dos dados resultantes da experincia laboratorial onde: V= Viscosidade T= Tempo (em segundos) A e B= Parmetros dependentes do tipo de viscosmetro. No caso de nossa experincia utilizamos os parmetros do Saybolt Universal. T > 100 segundos: A= 0,220 e B= 135 T 100 segundos: A= 0,226 e B= 195 2.5.1- Memria de Clculo (Viscosidade x Temperatura)

Quadro 3 Memria de Clculo do Ensaio Laboratorial

Viscosidade Temperatura ( T AxT 22,6 15,594 13,334 B/T 1,95 2,826087 3,305085 (AxT) - B/T 20,65 12,76791304 10,02891525 C) A (segundos) B 80 0,226 100 195 90 0,226 69 195 100 0,226 59 195 2.5.2- Resultados (Viscosidade x Temperatura)

Quadro 4 Resultado do Ensaio (Temperatura x Viscosidade) Temperatura 80 90 100 Viscosidade 20,65 12,767913 10,0289153

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2.5.3- Grfico (Viscosidade x Temperatura) Grfico 1 Resultado do Ensaio (Viscosidade x Temperatura)

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1- CONCLUSOA viscosidade uma propriedade que descreve a resistncia de um fluido ao escoar. Nos lquidos a viscosidade diminui quando a temperatura aumenta, j nos gases a viscosidade aumenta com o aumento da temperatura. possivel medir a viscosidade com equipamentos denominados viscosmetros Utilizando viscosmetro modelo Saybolt em ensaio realizado com leo TEXACO HAVOLINE, SAE 20 W 40, API SH, no dia 15/10/2010, pudemos verificar que medida que ajustvamos o viscosmetro para uma temperatura maior, o leo de teste atingia o nvel do recipiente em menor tempo. Aplicando a frmula para clculo da viscosidade verificamos na prtica a relao viscosidade versus temperatura para fluido lquido, ou seja, a medida que a temperatura aumentava a viscosidade diminua.

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