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Propiedades Fisico-Químicas y Funcionales de los Alimentos II

DefiniciónCiencia del 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 impresión, detergentes o aceites lubricantes, por ejemplo.

Reología

Sólidos: generalmente se estudia la deformación elástica

del material. Ej: elasticidad del queso Parmesano,

Líquidos: interesa conocer los fenómenos físicos asociados como el

escurrimiento (deformaçión plástica) de los alimentos

líquidos. Ej: jugo de fruta concentrado

Gases: en la industria de alimentos se usan Ar, CO2, CH4, N2,

gases de refrigeración.


Considere:un elemento de volumen de un fluido, con la forma de un cubo y la respuesta del fluido a una fuerza externa aplicada.

Existen dos tipos básicos de tensiones que pueden ser ejercidas sobre cualquier material en ese volumen. Tensiones normales: actúan perpendicularmente sobre una cara del cubo.Tensiones de cizallamiento: actúan tangencialmente a la cara del cubo.

Se desarrolla una fuerza interna, actúando a partir de esa área, que se denomina tensión (σyx ).

Conceptos fundamentalesTension normal Tensión de

cizallamiento

Los conceptos de tensión de cizallamiento (fuerza aplicada) y tasa de deformación (gradiente de velocidades) son usados para describir la deformación o escurrimiento del fluido (flujo).


h

Fuerza de cisallamiento

v velocidad constante de la placa sólida deslizante

Flujo de tensión en el líquido ( yx ).

Área de acción de la tensión

Laminas de diferentes velocidades (Ux).

y

x yx = f (dUx /dy)

Perfil inicial de velocidades en el líquido: v = 0

Deformación:el perfil de velocidades cambia hasta alcanzar un equlibrio.

Placa sólida móvil

Placa sólida fija

Fluido

El gradiente de velocidades entre las capas laminares genera un flujo de fuerza mecánica (tensión de cisallamiento).


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

•Esfuerzo: fuerza/superficie(Pa) •De cizalla(o cortante): tangente a la superficie•En inglés: shearstress

σ


Deformación

•Deformación: ángulo de cambio de la forma de un fluido o sólido•En inglés: strain

Fluido

•Fluido: sustancia que no puede soportar un esfuerzo de cizalla sin deformarse continuamente

Fuerza de Cizalla

•Cizalla: cuando existe variación de la velocidad.•Gradiente de velocidad: du/dy•En inglés:shear

Velocidad de cizalla

•Velocidad 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)

• Ejemplo: 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 de fluidos

• Puramente viscosos• Viscoelásticos

Tipos de fluidos viscosos

Viscosidad constante: newtonianos

Viscosidad variable

Independientes del tiempo Dependientes del tiempo•Pseudoplásticos•Dilatantes

•Tixotrópicos•Reopéxicos

• Cinemática:• Unidades: m2/s (cst)


Tipos de fluidos viscosos


Pseudoplásticos

• Viscosidad disminuye al aumentar cizalla• Otro nombre: fluidificantes• En inglés: shear-thinning

•Mayor caudal•Mayor fuerza apretando tubo•Más rápido se extiende•Más enérgicamente se mezcla

Dilatantes

•Viscosidad aumentaal aumentar cizalla•Otro nombre: espesantes•En inglés: shear-thickening

•Mayor caudal•Mayor fuerza apretando tubo•Más rápido se extiende•Más enérgicamente se mezcla

MENOS CUESTA

MÁSCUESTA

Poco frecuentes


Tixotrópicos

• Característico de sustancias sol-gel• Al someterlo a cizalla, se produce la transición:

–de gel(alta viscosidad)–a sol(menor viscosidad)


Parámetros de la tixotropía

1)Tiempo de destrucción de la estructura2)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


Reopexia 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


Reómetros rotacionales


Modos CS y CR


Ensayos reológicos•Medir curva de flujo y curva de viscosidad

•Averiguar el tipo de fluido (pseudoplástico, tixotrópico, 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”(esfuerzo umbral)–“yield point”(punto de flujo)

•Esperando mucho tiempo, todo fluye …(ej. vidrio catedrales: más fino por arriba)

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


•Otro ensayo: deformación vs esfuerzo•Modo CS


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


Modelos


Ensayos reológicos1) Esfuerzos normales


2) Expansión al salir del molde


3) Ensayo de fluencia (“creep 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 flujo)

Precauciones–Modelos sólo válidos en zona lineal(esfuerzos pequeños)–PERO ... En aplicaciones industriales, esfuerzos elevados (p.ej. mezcladores)


4) Ensayo oscilatorio


Ventajas– Oscilaciones pequeñas: no se estropea la estructura interna de la muestraInconvenientes– Barrido en frecuencias lleva su tiempo


Fuentes de error


• Calentamiento por fricción a alta cizallaSi 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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