Fluidos No Newtonianos

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS INTRODUCCIÓN Existe una amplia clasificación de los fluidos, dentro de los que se encuentran los fluidos newtonianos y los fluidos no-newtonianos. A lo largo de este trabajo hablaremos específicamente sobre los fluidos no-newtonianos y su respectiva división ya establecida, con el fin de conocer mediante ejemplos reales la aplicación de ellos en la vida industrial. Además se mencionará sus conceptos y las ecuaciones que los rigen de manera ampliada. También se hará referencia a dos propiedades de los fluidos como son tensión superficial, y capilaridad.

OBJETIVOS -

Conocer la clasificación de los fluidos no-newtonianos.

-

Determinar ejemplos de uso diario que definan a los l os fluidos no-newtonianos.

-

Definir brevemente los conceptos de tensión superficial y capilaridad c apilaridad

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS Los fluidos en los cuales el esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la relación de deformación son no-newtonianos. Un fluido no-newtoniano es aquel cuya viscosidad o resistencia a fluir varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforman en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. 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 Como ejemplos de fluidos no-newtonianos, podemos mencionar: -

Pinturas y barnices. Soluciones de polímeros. Mermeladas y jaleas. Mayonesa y manteca. Dulce de leche y la miel. Salsas y melazas.

-

Soluciones de agua con arcillas y carbón. La sangre humana.

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS NO-NEWTONIANOS Los fluidos que no siguen la relación de proporcionalidad entre tensiones tangenciales y velocidades de deformación se los clasifica en 3 grupos: 1. Fluidos no-newtonianos independientes del tiempo para los cuales se verifica;

    ̇  2. Fluidos no-newtonianos dependientes del tiempo en los que la relación anterior es más compleja, y que puede expresarse como:

    ̇  3. Fluidos visco-elásticos, fluidos en los que a diferencia de los viscosos donde la energía de deformación es disipada totalmente, esa energía puede recuperarse como sucede en los sólidos elásticos.

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO. Los fluidos no-newtonianos independientes del tiempo, se caracterizan porque las tensiones tangenciales dependen únicamente de la velocidad de deformación, y se representan funcionalmente en tres formas equivalentes:

            ̇  La gran mayoría de los fluidos no-newtonianos que tienen aplicaciones en problemas de ingeniería caen dentro de esta categoría, y se pueden identificar 4 tipos de fluidos nonewtonianos independientes del tiempo.

Fig. 1 Clasificación de los fluidos, por la relación

   ̇ 

El comportamiento de los fluidos indicados suele expresarse en forma generalizada mediante la siguiente ecuación:



            ̇ 

Donde puede ser indistintamente una función tanto de la tensión tangencial velocidad de deformación



̇

 como de la

Plástico ideal o de Bingham

Se denomina plástico ideal o de Bingham a las sustancias o fluidos que para tensiones tangenciales inferiores a un valor característico  se comportan elásticamente, y superado ese valor muestran un comportamiento similar al de un fluido newtoniano. A este tipo de fluido lo caracteriza dos constantes, la tensión tangencial de fluencia que es el valor de  para que se inicie el flujo, y el coeficiente de viscosidad plástica  dado por la pendiente La relación que siguen los plásticos de Bingham es:





 ⁄ ̇

       

      ̇

El modelo de plástico de Bingham es aplicable al comportamiento de muchos fluidos de la vida real como plásticos, emulsiones, pinturas, lodos de perforación y sólidos en suspensión en líquidos o agua. Ejemplos: Barro, algunos coloides



Plástico real



Son sustancias que no fluyen hasta la tensión de fluencia  , y luego presentan una zona de viscosidad variable que disminuye con el incremento de la velocidad de deformación, hasta alcanzar un valor asintótico constante  .



Ejemplos: Metales dúctiles una vez superado el límite elástico



Fluidos pseudoplásticos

Los fluidos pseudoplásticos no tienen una tensión de fluencia para que comiencen a deformarse, pero la viscosidad medida por la pendiente de la curva es alta para bajas velocidades de deformación, y decrece con el incremento de hasta alcanzar un valor asintótico  constante. La relación más simple que describe el comportamiento de los fluidos pseudoplásticos es la denominada ley potencial o de Ostwald que puede escribirse como:

     ̇    ̇



    ̇ Siendo



 y  son constantes para un fluido particular. La constante  es una medida de la consistencia del fluido y se denomina índice de consistencia, y el exponente  es indicativo de la desviación respecto al fluido con comportamiento newtoniano y se lo suele llamar índice de comportamiento. Para cuando   , y    la ecuación     ̇  representa a un fluido newtoniano.

Para estos fluidos se define un coeficiente de viscosidad aparente, como:

   ̇ Cuando el fluido se modeliza con la ley potencial, el coeficiente de viscosidad aparente, reemplazando resulta:

    ̇    ̇    ̇  Otras ecuaciones empíricas que permiten modelizar con mejor aproximación un fluido pseudoplástico son las siguientes: Ley de Prandti:

  (̇) Ley de Eyring:

  ̇     Ley de Power – Eyring

    ̇     ̇  Ley de Williamson:

   ̇ ̇     ̇ Donde A, B y C son constantes características de cada fluido particular. El uso de ley potencial para el análisis de fluidos pseudoplásticos es adecuado para muchas aplicaciones de ingeniería. Ejemplos: Algunos coloides, arcilla, leche, gelatina, sangre



Fluidos dilatantes.

Los fluidos dilatantes al igual que los pseudoplásticos no tienen una tensión de fluencia inicial, pero el coeficiente disminuye al aumentar el gradiente de velocidad hasta que para grandes valores de éste, adquiere un valor  constante. Los fluidos dilatantes son mucho menos comunes que los pseudoplásticos. Se pueden modelizar con la ley potencial, con exponente :







    ̇

Siendo

 

Los fluidos que siguen la ley potencial se pueden representar gráficamente de un modo más simple, tomando logaritmos a ambos miembros:

   ̇ Ejemplos: Soluciones concentradas de azúcar en agua, suspensiones de almidón de maíz o de arroz, la manteca y las arenas movedizas.

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO. Existen otro tipo de fluidos que son más complejos que los vistos y cuya viscosidad aparente depende no solo de la velocidad de deformación , sino también del tiempo durante el cual actúa la tensión tangencial . Se los clasifica en dos grupos principales:



-

  ̇

Fluidos tixotrópicos Fluidos reopécticos.

En los tixotrópicos la tensión tangencial disminuye con el tiempo, mientras que en los reopécticos se incrementa.



Fluidos tixotrópicos.

La viscosidad aparente de los fluidos tixotrópicos es una función tanto de la tensión tangencial como de la velocidad de deformación:

    ̇  Al actuar una tensión tangencial a este fluido desde el estado de reposo, se da un proceso de fraccionamiento a escala molecular seguido de una reconstitución estructural a medida que transcurre el tiempo. Eventualmente y en ciertas circunstancias, se logra un estado de equilibrio donde el fraccionamiento molecular iguala a la reconstitución. Si la tensión tangencial se detiene, el fluido se recupera lentamente y vuelve a adquirir su consistencia original en un proceso que se caracteriza por su reversibilidad. En la fig. 2 se muestra la tensión tangencial en función de la velocidad de deformación de un fluido tixotrópico cuando se lo somete a una tensión y luego de sucesivos tiempos de reposo. Inicialmente la curva que se muestra es la de un fluido newtoniano, pero esta no es la regla, y puede inicialmente ser no newtoniano.

Fig. 2 Comportamiento de un fluido tixotrópico en el tiempo Algunos plásticos de Bingham tienen comportamiento tixotrópico, pero si la tensión tangencial es suficientemente alta se fraccionan molecularmente y posteriormente van reconstruyendo paulatinamente su estructura molecular, y terminan comportándose como fluidos newtonianos. A estos se los denomina plástico de Bingham tixotrópico verdadero y su diagrama tensión – velocidad de deformación es:

Fig. 3 Plástico Bingham tixotrópico verdadero

Ejemplos: Algunas variedades de mieles, kétchup, algunas pinturas anti-goteo o la tinta de impresión que generalmente se la trabaja en rollos antes de aplicarla a una placa.



Fluidos reopécticos

Los fluidos reopécticos se comportan en forma parecida a los tixotrópicos, pero en ellos la variable h tiene un incremento con la velocidad de deformación similarmente a la de un fluido dilatante en su fase inicial de deformación hasta alcanzar un valor límite donde comienza a disminuir con .



  ̇

     ̇ 

Podemos notar que se puede ver la curva típica de un fluido reopéctico. Otras sustancias tienen propiedades reopécticas inicialmente, pero la pierden para altas tensiones tangenciales, volviéndose tixotrópicos.

Fig. 4 Comportamiento de un fluido reopéctico Ejemplos: Algunos lubricantes, un ejemplo de fluido reopéctico es el espesamiento de la clara de huevo por efecto de la agitación, aunque quizá la clara de huevo no es un verdadero fluido reopéctico.

FLUIDOS VISCOELÁSTICOS. Los materiales viscoelásticos exhiben propiedades elásticas y viscosas, y el más simple es aquel que desde el punto de vista de la viscosidad se comporta como newtoniano, y en lo referente a su elasticidad sigue a la ley de Hooke. Para estos materiales le velocidad e deformación se expresa:

     ̇    ̇ 

 ̇  

Siendo el módulo de rigidez. Para un flujo estacionario y el fluido se comporta como un fluido newtoniano simple. Sin embargo al variar la tensión tangencial comienzan a manifestarse los efectos elásticos.

Maxwell propuso inicialmente la siguiente ecuación para los fluidos viscoelásticos:

      ̇ Ejemplos: Metales, materiales compuestos, betún, masa panadera, nailon, plastilina

TENSIÓN SUPERFICIAL Es la fuerza de tension requerida para formar una pelicula en la interfase entre un liquido y un gas, o dos liquidos miscibles, debida a la atraccion de las moleculas del liquido por debajo de la superficie. Su manifestación es un efecto de "malla superficial" o membrana elástica que rodea la masa fluida

Fig. 5 Pompa penetrada por gotas que impactan

Corresponde a una combinación de fuerzas de atracción entre las partículas, su naturaleza es posiblemente de tipo eléctrico, y por este motivo su valor es más alto en líquidos que en gases. -

La cohesión es la fuerza de atracción intermolecular de partículas de la misma naturaleza. La adhesión es la fuerza de atracción intermolecular entre partículas de diferente naturaleza.

Si la adhesión es mayor que la cohesión el fluido es humectante (agua-vidrio) Si la adhesión es menor que la cohesión el fluido es no humectante (mercurio-vidrio, aguasuperficie grasosa)

Propiedades aproximadas de líquidos comunes a 20⁰C y presión atmosférica estándar Liquido

Tensión superficial N/m

Alcohol etílico

0.0223

benceno

0.0289

Tetracloruro de C

0.0267

querosene

0.023-0.032

mercurio

0.51

petróleo

0.023-0.038

lubricante

0.023-0.038

agua

0.074

Tensión superficial del agua a diferentes temperaturas Temp. ⁰C

Tensión superficial *10-2 N/m

0

7.62

5

7.54

10

7.48

15

7.41

20

7.36

25

7.26

30

7.18

35

7.10

40

7.01

45

6.92

50

6.82

55

6.74

60

6.68

65

6.58

70

6.50

75

6.40

80

6.30

85

6.20

90

6.12

95

6.02

100

5.94

CAPILARIDAD La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual, a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido) y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

Fig. 6 Efectos de capilaridad

CONCLUSIONES: 

Fluido no-newtoniano es aquel cuya viscosidad o resistencia a fluir varía con el gradiente de tensión que se le aplica, por ello no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.



Clasificación de los fluidos no-newtonianos:

Plástico Bingham

Barro, pasta de tomate, pasta dental

Plástico Real

Metal dúctil

Pseudoplásticos

Salsa de tomate, jugos

Dilatantes

Manteca, arenas movedizas

Tixotrópicos

Miel

Reopécticos

Lubricantes

Propiedades elásticas y viscosas

Betún, masa panadera

Independientes del tiempo

Fluidos nonewtonianos Dependientes del tiempo

Visco-elásticos



La tensión superficial es una fuerza que produce efectos de tensión en la superficie de dos líquidos allí donde el fluido entra en contacto con otro fluido o con un contorno sólido. El origen de esta fuerza es la cohesión intermolecular y la fuerza de adhesión del fluido al sólido.



La tensión superficial explica los fenómenos de formación del menisco y el de la elevación del líquido en tubos capilares



La capilaridad es una propiedad física de los fluidos por la que ella puede avanzar a través de un canal minúsculo (desde unos milímetros hasta micras de tamaño) siempre y cuando el fluido se encuentre en contacto con ambas paredes de este canal y estas paredes se encuentren suficientemente juntas.



Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar.

Bibliografía: -

http://www.cienciapopular.com/n/Experimentos/Fluidos_No_Newtonianos/Fluidos_N o_Newtonianos.php http://www.slideshare.net/LiliFierros/fluidosnonewtonianos?src=related_normal&rel= 1799779 http://www.construaprende.com/Lab/10/Prac10_1.html http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/nonewtoni anos/nonewtonianos.html http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido_no-newtoniano http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/tensionsuppf.html http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Fen%C3%B3menos_superficiales_de_los_l %C3%ADquidos/Capilaridad http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/tensionsup erficial/definiciones.html