adelgazamiento por cizallamiento

Comportamiento de fluidos no newtonianos

Clasificación de fluidos con esfuerzo cortante en función de la velocidad de corte : pseudoplástico, plástico de Bingham y pseudoplástico de Bingham muestran una reducción en la viscosidad aparente al aumentar la velocidad de corte.

En reología , el adelgazamiento por corte es el comportamiento no newtoniano de los fluidos cuya viscosidad disminuye bajo tensión de corte . A veces se considera sinónimo de comportamiento pseudoplástico , [ ^{1] [2]} y generalmente se define excluyendo los efectos dependientes del tiempo , como la tixotropía . ^[3]

El adelgazamiento por cizallamiento es el tipo más común de comportamiento no newtoniano de los fluidos y se observa en muchas aplicaciones industriales y cotidianas. ^[4] Aunque la dilución por cizallamiento generalmente no se observa en líquidos puros con baja masa molecular o soluciones ideales de moléculas pequeñas como sacarosa o cloruro de sodio , a menudo se observa en soluciones de polímeros y polímeros fundidos, así como en fluidos y suspensiones complejos como el ketchup . crema batida , sangre , ^[5] pintura y esmalte de uñas .

Teorías detrás del comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento

Aunque la causa exacta del adelgazamiento por cizallamiento no se comprende completamente, se considera ampliamente que es el efecto de pequeños cambios estructurales dentro del fluido, de modo que las geometrías a microescala dentro del fluido se reorganizan para facilitar el cizallamiento . ^[6] En los sistemas coloidales, la separación de fases durante el flujo conduce a un adelgazamiento por cizallamiento. En sistemas poliméricos, como soluciones y fundidos de polímeros, el adelgazamiento por cizallamiento es causado por el desenredo de las cadenas de polímeros durante el flujo. En reposo, los polímeros de alto peso molecular están entrelazados y orientados aleatoriamente. Sin embargo, cuando se agitan a una velocidad suficientemente alta, estas cadenas de polímeros altamente anisotrópicas comienzan a desenredarse y alinearse en la dirección de la fuerza de corte. ^[7] Esto conduce a una menor interacción molecular/partícula y a una mayor cantidad de espacio libre, lo que disminuye la viscosidad. ^[4]

Modelo de ley de potencia

Adelgazamiento por cizallamiento en un sistema polimérico: dependencia de la viscosidad aparente de la velocidad de cizallamiento. η ₀ es la viscosidad de velocidad de corte cero y η _∞ es la meseta de viscosidad de corte infinita.

Tanto a velocidades de corte suficientemente altas como a muy bajas, la viscosidad de un sistema polimérico es independiente de la velocidad de corte. A altas velocidades de corte, los polímeros se desenredan por completo y el valor de viscosidad del sistema se estabiliza en η _∞ , o el nivel infinito de viscosidad de corte. A velocidades de corte bajas, la velocidad de corte es demasiado baja para ser impedida por enredos y el valor de viscosidad del sistema es η ₀ , o la viscosidad de velocidad de corte cero. El valor de η _∞ representa la viscosidad más baja alcanzable y puede ser órdenes de magnitud inferiores a η ₀ , dependiendo del grado de adelgazamiento por cizallamiento.

La viscosidad se representa frente a la velocidad de corte en un gráfico log(η) vs. log( ), donde la región lineal es el régimen de adelgazamiento por corte y se puede expresar utilizando la ecuación de la ley de potencia de Ostwald y de Waele: ^[8] ${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$

${\displaystyle \tau =K(T)\left({d\gamma \over dt}\right)^{n}=K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

La ecuación de Ostwald y de Waele se puede escribir en forma logarítmica:

${\displaystyle \log(\tau )=\log(K)+n\log \left({\dot {\gamma }}\right)}$

La viscosidad aparente se define como , y esto se puede conectar a la ecuación de Ostwald para producir una segunda ecuación de ley de potencia para la viscosidad aparente: ${\displaystyle \eta ={\tau \over {\dot {\gamma }}}}$

${\displaystyle \eta =K(T){\dot {\gamma }}^{n-1}}$

Esta expresión también se puede utilizar para describir el comportamiento dilatante (espesamiento por cizallamiento), donde el valor de n es mayor que 1.

Modelo Herschel-Bulkley

Los plásticos Bingham requieren que se supere un esfuerzo cortante crítico para comenzar a fluir. Este comportamiento suele observarse en micro y nanocompuestos de polímero/sílice, donde la formación de una red de sílice en el material proporciona una respuesta similar a la de un sólido a baja tensión de corte. El comportamiento de adelgazamiento por corte de los fluidos plásticos se puede describir con el modelo de Herschel-Bulkley, que agrega un componente umbral de tensión cortante a la ecuación de Ostwald: ^[8]

${\displaystyle \tau =\tau _{y}+K(T){\dot {\gamma }}^{n}}$

Relación con la tixotropía

Algunos autores consideran que el adelgazamiento por cizallamiento es un caso especial de comportamiento tixotrópico, porque la recuperación de la microestructura del líquido a su estado inicial siempre requerirá un tiempo distinto de cero. Sin embargo, cuando la recuperación de la viscosidad después de la alteración es muy rápida, el comportamiento observado es el clásico adelgazamiento por cizallamiento o pseudoplasticidad, porque tan pronto como se elimina el cizallamiento, la viscosidad vuelve a la normalidad. Cuando la viscosidad tarda un tiempo mensurable en recuperarse, se observa un comportamiento tixotrópico. ^[9] Sin embargo, al describir la viscosidad de los líquidos, es útil distinguir el comportamiento de adelgazamiento (pseudoplástico) del comportamiento tixotrópico, donde la viscosidad a todas las velocidades de corte disminuye durante algún tiempo después de la agitación: ambos efectos a menudo pueden verse por separado en el mismo líquido. ^[10]

Ejemplos cotidianos

La pintura para paredes es un material pseudoplástico. ^[11] Cuando se aplica pintura de pared moderna, el cizallamiento creado por la brocha o el rodillo permitirá que se diluya y humedezca la superficie de manera uniforme. Una vez aplicada, la pintura recupera su mayor viscosidad, lo que evita goteos y corrimientos.

El ketchup es un material que se adelgaza, viscoso cuando está en reposo, pero que fluye rápidamente cuando se agita apretando, agitando o golpeando la botella. ^[11]

La crema batida también es un material adelgazante. ^[6] Cuando se rocía crema batida desde su recipiente, fluye suavemente desde la boquilla debido a la baja viscosidad a un alto caudal. Sin embargo, después de rociar la crema batida en una cuchara, no fluye y su mayor viscosidad le permite ser rígida.

Ver también

• Espesamiento por corte  : material en el que la viscosidad aumenta con la tasa de deformación por corte.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Fluido no newtoniano  : fluido cuya viscosidad varía con la cantidad de fuerza/estrés que se le aplica.
• Fluido de ley potencial  : tipo de fluido newtoniano generalizado
• Tixotropía  : cambio en la viscosidad de un gel o fluido causado por el estrés.
• Dilatante  : material en el que la viscosidad aumenta con la tasa de deformación por corte.
• Plástico Bingham  : material que es sólido con poca tensión pero se vuelve viscoso con mucha tensión.
• Reología  : estudio del flujo de materia, principalmente en estado fluido.
• Efecto Kaye  - Propiedad de los líquidos complejos

enlaces externos

• El gran misterio del ketchup

Referencias

1. Mezger, Thomas G. (2006). El manual de reología: para usuarios de reómetros rotacionales y oscilatorios (2., ed. rev.). Hannover: Red Vincentz. pag. 34.ISBN​ 9783878701743.
2. Heldman, R. Paul Singh, Dennis R. (2013). Introducción a la ingeniería de alimentos (5ª ed.). Ámsterdam: Elsevier. pag. 160.ISBN​ 9780124016750.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
3. Bair, Scott (2007). Reología de alta presión para elastohidrodinámica cuantitativa (1ª ed.). Ámsterdam: Elsevier. pag. 136.ISBN​ 9780080475301. Consultado el 24 de mayo de 2015 .
4. Malvern Instruments en todo el mundo. "Una introducción básica a la reología" (PDF) . Consultado el 12 de diciembre de 2019 .
5. Tazraei, P.; Riasi, A.; Takabi, B. (2015). "La influencia de las propiedades no newtonianas de la sangre sobre el golpe de sangre a través de la arteria cerebral posterior". Biociencias Matemáticas . 264 : 119-127. doi :10.1016/j.mbs.2015.03.013. PMID  25865933.
6. "La física de la crema batida". Ciencia de la NASA . 25 de abril de 2008 . Consultado el 20 de agosto de 2023 .
7. "Viscosidad de fluidos newtonianos y no newtonianos". Rheosense Inc. Consultado el 12 de diciembre de 2019 .
8. "Propiedades de flujo de los polímeros". polímerodatabase.com . Consultado el 12 de diciembre de 2019 .
9. Barnes, Howard A. (1997). "Revisión de la tixotropía" (PDF) . J. Non-Newtonian Fluid Mech., 70 : 3. Archivado desde el original (PDF) el 30 de abril de 2016 . Consultado el 11 de noviembre de 2011 .
10. Troya, David B. (2005). Remington: La ciencia y la práctica de la farmacia (21ª ed.). Filadelfia: Lippincott, Williams y Wilkins. pag. 344.ISBN​ 9780781746731. Consultado el 24 de mayo de 2015 .
11. Schlichting, H. Joachim (12 de marzo de 2021). "El ketchup no es sólo un condimento: también es un fluido no newtoniano". Científico americano . Consultado el 20 de agosto de 2023 .