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Trabajo Práctico: Reología de Alimentos 1 - ¿Qué es un flujo newtoniano? 2 - ¿Qué es un flujo no newtoniano? 3 - Clasifique los fluidos no newtonianos en base a su comportamiento. 4 – realice un cuadro comparativo en el que establezca las ecuaciones que rigen el
comportamiento de los distintos tipos de fluidos con sus respectivos gráficos. Ejemplifique.
5 - ¿Cómo es la variación de la viscosidad con la temperatura y la presión para gases y
líquidos? Explique este comportamiento. 6 - ¿Por qué los aceites tienen alta viscosidad? 7 - ¿A qué se debe el comportamiento pseudoplástico y dilatante? 8 - ¿Qué son productos viscoelásticos? De ejemplos de alimentos. 9 - ¿Cómo pueden clasificarse los métodos para medir propiedades reológica en
alimentos? Explique el funcionamiento de cada uno de ellos.
1 – FLUIDOS NEWTONIANOS
El flujo viscoso de un fluido newtoniano implica una deformación no recuperable El fluido se comporta como una serie de capas paralelas o láminas, cuyas
velocidades son proporcionales a su distancia al plato inferior. Así para un fluido newtoniano, el esfuerzo cizallante es directamente proporcional
a la velocidad de cambio de la velocidad con la distancia:
• Fluido contenido entre dos platos paralelos. • El fluido se comporta como una serie de capas
paralelas o láminas, cuyas velocidades son proporcionales a su distancia al plato inferior.
• El plato superior es obligado a moverse con una velocidad v, relativa al plato inferior.(Velocidad debida a la aplicación de una fuerza cortante F por unidad de área)
• Las capas de fluido en contacto con los platos se considera que se mueven a la misma velocidad que la sup con la que están en contacto.( No hay deslizamiento en las paredes).
F,v
PARA UN FLUIDO NEWTONIANO EL ESFUERZO CORTANTE ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL A LA VELOCIDAD DE CAMBIO DE LA VELOCIDAD CON LA DISTACIA, ES DECIR AL GRADIENTE DE
VELOCIDAD:
dy
dv
A
F
dt
dv
dt
dy
Luego, se puede decir que para tales fluidos el gradiente de velocidad es igual a la velocidad de tiempo de cambio de la deformación de cizalla:
µ
Sustancias y alimentos que presentan comportamiento ideal newtoniano:
Líquidos simples
Soluciones verdaderas
Disolventes de bajo peso molecular
Dispersiones macromoleculares diluidas
Soluciones de polímeros que no interaccionan
Pastas con bajos contenido en sólidos
Bebidas (Té, café,cerveza,vinos y bebidas gaseosas)
Soluciones azucaradas
Leche no concentrada ( la leche concentrada presenta una debil dependencia a la cizalla
Aceites(excepto a muy altas velocidades de deformación)
Zumos de fruta
Jarabes semejantes a la miel, jarabes de cereales, mezcla de sacarosa y melazas
2 – FUIDOS NO NEWTONIANOS
Fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.
La relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estos
fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo. Ejemplo: almidón de maíz en una taza de agua. Se añade el almidón en pequeñas
proporciones y se revuelve lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes. La aplicación de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo recupera su comportamiento como líquido. Se investiga con este tipo de fluidos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensiones bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio.
Independientes del tiempo
Dependientes
del tiempo
Fluidos No Newtonianos
Fluidos Newtonianos
Tipos de Fluidos
Pseudoplásticos
Dilatante
Fluido de Bingham o plástico
Tixotrópicos
Reopécticos
3 - CLASIFICACION DE LOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS EN BASE A SU COMPORTAMIENTO
Excedido el umbral de
fluencia
Exhiben flujo no lineal
Fluidos Pseudoplástico con umbral de
fluencia.
Fluidos dilatantes
con umbral de fluencia.
• Algunos materiales fluyen solo bajo un determinado valor de esfuerzo de cizalla.
Umbral de fluencia
SI se excede…
• La velocidad de deformación es proporcional al
esfuerzo.
Sustancia plástica
Los fluidos no newtonianos se pueden clasificar en :
Flujo independiente del tiempo:
Pseudoplástico: no presenta un valor umbral de fluencia, este comportamiento indica reorganización de la estructura dando como resultado una disminución de la resistencia al flujo. Ej.: Ketchup, clara de huevo, etc.
Dilatante: no presenta un valor umbral, pero muestra la elaboración de estructura que dan como resultado un aumento de la resistencia al aplicar una fuerza.
Fluido de Bingham (plástico): es aquel que una vez que se excede el valor umbral, la velocidad de deformación es proporcional al esfuerzo. Ej. :puré de papas, chocolate fundido, etc.
Pseudoplástico con umbral de fluencia: son los que exhiben un flujo no lineal una vez excedido el umbral de fluencia.
Dilatante con umbral de fluencia: son los que exhiben un flujo no lineal una vez excedido el umbral de fluencia.
Flujo dependiente
del tiempo.
Reopécticos: aumenta su viscosidad y
resistencia al flujo
Tixotrópicos: disminuye su viscosidad y
resistencia al flujo
Cambian su viscosidad al aumentar el tiempo de flujo bajo condiciones
constantes.
• Flujo dependiente del tiempo:
1. Reopéxia: es el efecto que al aumentar el tiempo de flujo bajo condiciones constante, estos fluidos desarrollan un aumento del a viscosidad. . Ej. Zumo de tomate, mayonesa, miel, etc.
2. Tixotropía: cuando al aumentar el tiempo de flujo bajo condiciones constante los fluidos desarrollan una disminución de la viscosidad. Ej. Mieles de eucalipto.
Nota : Para resaltar la diferencia entre estos comportamientos el grafico se simplifico eliminando el eje correspondiente a la velocidad de deformación
tiempo
A-NEWTONIANO (Ej.: aire o agua)
B- PSEUDOPLASTICO Ej.: suspensiones, emulsiones, polímeros fundidos o dispersiones)
C- DILATANTE (Ej.: suspensiones de almidón en agua y de pvc)
E- PLASTOCO O DE BINGHAM (Ej.: pasta dentífrica, mayonesa)
E- PSEUDOPLASTICO CON UMBRAL DE FLUENCIA (ej.: pasta de pescado, pasta de uva)
F- DILATANTE CON UMBRAL DE FLUENCIA (ej. : miel)
A- Newtoniano B- Pseudoplástico C- Dilatante D- Fluido Plástico E- Pseudoplástico, umbral de fluencia F- Dilatante con umbral de fluencia
Esfu
erzo
co
rtan
te
Velocidad de deformación
Fluidos dependientes del tiempo
Ecuación que los estudia Grafico
1- Reopexicos (Ej.: la elaboración de yogurt o el espesamiento del almidón en pastas para niños)
2- Tixotrópicos (Ej.: leche condensada azucarada)
Velocidad de deformación
Esfu
erzo
co
rtan
te
Tixotrópico
Reopéctico
Temperatura μ vs T Observaciones
Líquidos
Disminuye T. dilatación térmica
Gases Aumenta Agitación de las moléculas
5 – VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN.
ln μ= ln A + [B/RT]
B: energía de activación del sistema.
c: concentración.
f: fuerza de cizalla.
z:longitud media de molécula.
Presión μ(P ≅ Patm) μ (P>>Patm) Observaciones
Líquidos Sin influencia Aumenta
exponencialmente
μagua [10.000 atm] =
2 x (μagua [1 atm])
Gases Baja influencia
(aumenta poco) Aumenta
• Todos los aceites tienen una viscosidad
claramente alta debido a su estructura
molecular de largas cadenas.
6 - VISCOSIDAD DE ACEITES
Aumento de la
viscosidad
Mayor longitud de la cadena de ác.
grasos
Polimerización de aceites
Saturación de los enlaces dobles de carbono
A mayor interacción molecular , mayor viscosidad.
Ejemplo :
Acido ricinoleico
Los grupos –OH forman enlaces H y por esta razón la viscosidad del aceite de castor es mas alta que la de los aceites similares.
7- COMPORTAMIENTO PSEUDOPLÁSTICO
se debe a la presencia de:
Compuestos de elevado peso molecular o partículas alargadas a concentración baja.
Alta interacción entre partículas.
Relación axial elevada y asimetría de las partículas requiriendo su orientación a lo largo de las líneas de corriente.
Variación de la forma y tamaño de las partículas, permitiendo su apilamiento.
Partículas no rígidas o flexibles, que pueden sufrir un cambio en su geometría o conformación.
COMPORTAMIENTO DILATANTE
La dilatancia puede explicarse por la presencia de partículas de formas y tamaños variados, ceñidas y estrechamente empaquetadas, con lo que el flujo se torna mas dificultoso con el aumento de la presión. Con el aumento de la velocidad de formación, las partículas largas y flexibles pueden estirarse, aumentando la relación axial de las partículas.
8 - PRODUCTOS VISCOELÁSTICOS Los productos semi-líquidos que presentan conjuntamente propiedades de flujo viscoso y sólido elástico, se denominan viscoelásticos. El material viscoelastico se comporta de la siguiente forma: -Ante la aplicación de un esfuerzo , un material viscoelastico responde deformándose instantáneamente con algún comportamiento elástico, la tensión aplicada produce una deformación. -A del instante cero , el material fluye de acuerdo a un modelo reologico de forma que la tensión se relaja al aproximarse el material a la nueva posición de equilibrio -A tiempo infinito, la tensión puede haberse relajado totalmente, si el material fluye de acuerdo al modelo newtoniano o de la potencia , o conservar un valor si el flujo es de plástico general o de Bingham. -Si el esfuerzo cesa en cualquier momento antes de la relajación, el material se retrotrae recuperando algo de su forma inicial
-Ejemplos alimentos como el queso fundido, purés vegetales y prácticamente todas las masas para la fabricación de galletas, dulces, bollería y todo tipo de productos horneados o fritos. Especialmente las asas de trigo, como las del pan y los churros.
Modelo de Maxwell
Newton (viscosidad)
Modelos matemáticos para descripción de comportamiento viscoelástico
Modelos de Bird - Carreau
Teoría Constitutiva de Carreau
Experimentos de Cizallamiento y experimentos oscilatorios
Hooke (elasticidad)
Métodos de medición de propiedades
reológicas
Métodos Fundamentales: Miden propiedades físicas definidas. Métodos Empíricos: Miden parámetros no bien definidos pero
que han sido probados empíricamente. Métodos Imitativos: Miden los ensayos bajo condiciones
similares a las que se dan en la práctica.
9 -
Métodos Fundamentales
Viscosímetros Rotacionales
Cilindros Concentricos
Comportamiento de Cizalla
Fluidos no newtonianos
Viscosímetro p-p, p-c
Mide v de deformacion
dependiente de la viscosidad aparente
Flujo oscilatorio
Estudian la viscoelasticidad utilizando MAS
Viscosímetro de flujo por
compresión
Caracterización reológica de fluidos con
problemas de fluidez
Flujo Capilar
Un fluido fluye por un tubo produciendo
un gradiente de velocidad y un cizallamiento
Viscosímetro de retro
extrusión
Se produce una retro extrusión en una
varilla que penetra en el fluido
Métodos Empíricos
Consistómetro de Adams
Control de calidad de productos
Mide la consistencia por el flujo de producto en todas las
direcciones
Consistometro de Bostwick
Mide la Consistencia de materiales viscosos por la medida
de distancias recorridas por el fluido
Viscosímetro de Flujo de tubo
Mide el tiempo en el que el fluido atraviesa un tubo capilar
Métodos Imitativos Visco Amilógrafo
Brabender
Evaluación de consistencias midiendo el par de torsión ejercido sobre una pala rotante.
Plastometro Puente de flujo con conductos ideados para producir una presión diferencial entre dos puntos. Es función de la consistencia