Reologia

Reología Definición

Ciencia del flu flujo que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos externos . Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo las de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impre mpresi sión ón,, dete deterg rgen ente tess o acei aceite tess lubr lubriicant cantes es,, por por ej ejem empl plo o. generalmente se estudia la deformación elástica del mate materi riaal. Ej: elasticidad del queso Parme rmesano ano, Líquidos: inte nteres resa cono onocer los fe fen nóme ómenos nos fís físicos asoci ociado ados como omo el escurrimiento (deformaçión plástica) de los alimen mentos líquidos. os. Ej: jug jugo de fru fruta conc oncent entrad rado Gases: en la industria de alimentos se usan Ar, CO 2, CH4, N2, gase gasess de refri refrige gera raci ción ón.. Sólidos:

Propiedades Fisico-Químicas Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Conceptos

fundamentales

Tension normal

Tensió Tens ión n de cizallamiento

Considere: un elem elemen ento to de de volu volume men n de un un flui fluido do,, con con la form formaa de de un un cubo y la la res respues uesta del fluido fluido a una fuerza externa externa aplica aplicada. da. Se desa desarro rrollllaa una una fue fuerza rza inte intern rna, a, act actúa úand ndo o a part partir ir de de esa esa área área,, que que se denomina denomina tensión tensión (yx ). Existen Existen dos tipos tipos básico básicoss de tensione tensioness que pueden pueden ser ejercida ejercidass sobr sobree cual cualqu quie ierr mate materi rial al en ese ese volu volume men. n. Tensio Ten siones nes nor normal males: es: actúan perpendicularmente perpendicularmente sobre una cara cara del del cubo. Tensiones Tensi ones de cizal cizallamien lamiento: to: actúa actúan n ta tange ngenc ncia ialme lmente nte a la la cara cara del del cubo. tens nsió ión n de ci ciza zallllam amiien ento to (f (fue uerz rzaa ap aplilica cada da)) y tasa de Los conceptos de te defo de form rmac aciión (g (gra radi dien ente te de vel eloc ocid idad ades es)) son usados para describir la deform formaación o escurri rrimie miento nto del flu fluido (fl (flujo). jo). Propiedades Fisico-Químicas Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Conceptos

fundamentales

Tension normal

Tensió Tens ión n de cizallamiento

Considere: un elem elemen ento to de de volu volume men n de un un flui fluido do,, con con la form formaa de de un un cubo y la la res respues uesta del fluido fluido a una fuerza externa externa aplica aplicada. da. Se desa desarro rrollllaa una una fue fuerza rza inte intern rna, a, act actúa úand ndo o a part partir ir de de esa esa área área,, que que se denomina denomina tensión tensión (yx ). Existen Existen dos tipos tipos básico básicoss de tensione tensioness que pueden pueden ser ejercida ejercidass sobr sobree cual cualqu quie ierr mate materi rial al en ese ese volu volume men. n. Tensio Ten siones nes nor normal males: es: actúan perpendicularmente perpendicularmente sobre una cara cara del del cubo. Tensiones Tensi ones de cizal cizallamien lamiento: to: actúa actúan n ta tange ngenc ncia ialme lmente nte a la la cara cara del del cubo. tens nsió ión n de ci ciza zallllam amiien ento to (f (fue uerz rzaa ap aplilica cada da)) y tasa de Los conceptos de te defo de form rmac aciión (g (gra radi dien ente te de vel eloc ocid idad ades es)) son usados para describir la deform formaación o escurri rrimie miento nto del flu fluido (fl (flujo). jo). Propiedades Fisico-Químicas Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

El gr grad adie ient ntee de ve velo loci cida dade dess entre las capas laminares genera un flu flujo de fu fueerza rza mec mecáni ánica (t (ten ensi sión ón de ci cisa sallllam amie ient nto) o).. Área de acción

Placa sólida móvil

de la la tens tensió ión n

Fuerza de

v ve velo loci cida dad d const constant antee de la plac placaa sólid sólidaa deslizante

cisallamiento

aminas de diferentes velocidades (Ux).

L

Flujo de tens nsiión en el líqui uid do ( yx ). X

y

h Fluido x Placa sólida fija

Perfil inicial de veloc ve locid idad ades es en el líquido: v = 0 X

yx

= f ( f (dUx /dy)

Deformaci Deformación:e ón:ell perfil perfil de veloci velocidad dades es cambia cambia hasta hasta alcanzar alcanzar un equlibrio. Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Conceptos de Reología  Esfuerzo de cizalla  Deformación  Fluido (frente a sólido)  Cizalla y gradiente de velocidad  Velocidad de cizalla  Viscosidad  Tipos de fluidos Esfuerzo

de cizalla

E sf uerzo: f uerza/superficie(Pa) De cizalla(o cortante): tangente a la superficie En inglés: shearstress



Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Deformación

Deformación: ángulo de cambio de la forma de un fl uido o sólido En inglés: strain

Fluido

F l uido: sustancia que no puede so portar un esf uerzo de cizalla sin deformarse continuamente


Fuerza

de

Cizalla

C izalla: cuando existe variación de la velocidad. Gradiente de velocidad: d u /dy En inglés:shear

Velocidad

de cizalla

V elocidad de cizalla: velocidad de variación de la deformación También se llama velocidad de deformación( shear rate, strain rate)

Viscosidad

 Propiedad de un fluido que mide su oposición a fluir (con cizalla)

 Ej em plo: la miel fluye peor que el agua  Por tanto: la miel es más viscosa que el agua


Tipos

de viscosidad

 Absoluta o dinámica:  Unidades: Pa s (cps)

Tipos

 Cinemática:  Unidades: m2 /s (cst)

de fluidos

 Puramente viscosos  Viscoelásticos Tipos 

de fluidos viscosos

Viscosidad constante: newtonianos

Viscosidad variable



Independientes

Pseudoplásticos Dilatantes

del tiempo

Dependientes del tiempo

Tixotrópicos Reopéxicos


Tipos

de fluidos viscosos


Tipos

de fluidos viscosos


Pseudoplásticos

 Viscosidad disminuye al aumentar cizalla  Otro nombre: fluidificantes  En inglés: shear-thinning Mayor caudal Mayor f uerza a pretando t ubo Más rá pido se extiende Más enérgicamente se mezcla

M ENOS CUESTA

Dilatantes

Poco frecuentes Viscosidad aumentaal aumentar cizalla Otro nombre: espesantes En inglés: shear-thickening Mayor caudal Mayor f uerza a pretando t ubo Más rá pido se extiende Más enérgicamente se mezcla

MÁSCUESTA Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Tixotrópicos

 Característico de sustancias sol-gel  Al someterlo a cizalla, se produce la transición: ±de gel(alta viscosidad) ±a sol(menor viscosidad) Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Parámetros

de la tixotropía

1)Tiempo de destrucción de la estructura 2)Viscosidad final del sol 3)Tiempo de recuperación (volver a gel)  Ejemplo: pintura para pared ±Destrucción rápida (fácil extensión) ±Viscosidad baja del sol (fácil extensión) ±Recuperación rápida (evitar goteo)  Otro ejemplo: cosméticos, fármacos, pastas alimenticias

±Destrucción rápida (fácil mezcla) ±Viscosidad baja del sol (fácil mezcla) ±Recuperación rápida (evitar sedimentación o segregación)


Tixotropía:

destrucción estructura


R eopexia

o Anti-tixotropía


Funcionamiento de los reómetros Medidas

absolutas/relativas

Absolutas: ±Condiciones del ensayo muy controladas: gradiente de velocidad, flujo laminar, etc. ±Se miden magnitudes físicas ±Obtienen viscosidad mediante fórmula matemática sin correlaciones /calibraciones ±Por tanto: son exactos Relativas: ±Condiciones del ensayo no tan controladas ±Se miden magnitudes físicas ±Obtienen viscosidad mediante correlaciones/calibraciones ±La velocidad de cizalla no es constante - Por tanto, no sirve para obtener curvas de flujo




Tipos de reómetros


Tipos de reómetros


Tipos de reómetros








Reómetros rotacionales



Modos CS y CR




Ensayos reológicos Medir curva de flujo y curva de viscosidad Averiguar el tipo de fluido ( pseudo plástico, tixotró pico, etc) Medir punto de flujo Tixotrópicos ±Tiempo de destrucción ±Tiempo de recuperación


Curva de flujo

Parámetros a medir  Viscosidad aparente  Área encerrada  Ajustes con modelos


Punto de flujo Definición: es el esfuerzo que hay que aplicar para que la sustancia empiece a fluir En inglés: ± yield stress´(esf uerzo umbral) ± yield point´( punto de fl u j o) Esperando mucho tiempo, todo fluye « (ej. vidrio catedrales: más fino por arriba) ³ ³

Importancia del punto de flujo Pasta de dientes: hay que apretar para que salga Ketchup: igual Aumentamos esfuerzo hasta que el sensor empieza a rotar Modo CS Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

Otro ensayo: deformación vs esfuerzo Modo CS


Rotura/recuperación


Rotura/recuperación


Modelos matemáticos

Primero: hacemos las medidas Luego: ajustamos las medidas a un modelo

Utilidad: En control de calidad: ±Caracterizamos la muestra con unos parámetros (mejor que con una curva) ±Rangos de validez: por ej. Modelos

más comunes


Fluidos viscoelásticos Manifestación de viscoelasticidad


 Ejemplos ±Sangre (glóbulos rojos elásticos + líq. newt.) ±Polímeros fundidos ±Adhesivos ±Harina con agua Propiedades Fisico-Químicas y

Funcionales de los Alimentos II

Modelos


Ensayos reológicos 1) Esfuerzos normales


2) Expansión al salir del molde


3) Ensayo de fluencia (³creep and recovery´)








Ventajas de este ensayo ±Permite averiguar si el fluido se asemeja a un modelo Sólido de Hooke Fluido Newtoniano Modelo de Kelvin-Voigt Fluido de Maxwell Modelo de Burger ±Permite medir su esfuerzo umbral(p.ej. pinturas) (yieldstress, punto de fl u j o) Precauciones ±Modelos sólo válidos en zona lineal (esfuerzos pequeños) ±PERO ... En aplicaciones industriales, esfuerzos elevados (p.ej. mezcladores) Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

4) Ensayo oscilatorio







Ventajas ± Oscilaciones pequeñas: no se estropea la estructura interna de la muestra Inconvenientes Propiedades Fisico-Químicas y ± Barrido en frecuencias lleva su tiempo Funcionales de los Alimentos II

Fuentes de error


 Calentamiento por fricción a alta cizalla Si la muestra es poco conductora: ± Aumentará su temperatura (fricción) ±Por tanto, disminuirá su viscosidad  Cambios físico-químicos en muestra ±Gelificación, endurecimiento, ... ±Pérdida de disolvente, sedimentación Evaporación del disolvente ±Disminuir superficie abierta ±Poner exceso de muestra ±Cubrir el sistema de medida (se satura)


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