La presente investigación se refiere al tema de los fluidos no newtonianos, que se puede definir como aquél cuya viscosidad o resistencia a fluir varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.
La Mecánica de los Fluidos se ocupa del estudio de los fluidos newtonianos exclusivamente; mientras que los fluidos no-newtonianos son parte de una ciencia mas amplia denominada Reología. La Reología es la ciencia que estudia y analiza los fenómenos de flujo y deformación y las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos y comprende el estudio de las substancias que "fluyen"
pero que su comportamiento no está regido por la ecuación de viscosidad de newton.
En el presente trabajo se empieza realizando el planteamiento del tema
¿Qué son lo fluidos newtonianos? ¿Qué son los fluidos no newtonianos y como se clasifican?
Luego se profundiza el tema en cuanto a la clasificación, es decir se describe una sub-clasificación indicando las características y propiedades de cada una de ellas, incluyendo algunos ejemplos conocidos como también para una mejor comprensión se incluyeron gráficos que describen su comportamiento, representaciones matemáticas, etc.
La presente investigación se realizó por el interés de conocer los comportamientos de los distintos tipos de fluidos utilizados tanto en la vida cotidiana como en los procesos de las más grandes empresas, que en su gran mayoría utilizan estos tipos de fluidos (no newtonianos). Por otra parte, establecer las diferencias de cada tipo de fluido debido a sus características, es decir comportamiento con respecto a la dependencia del tiempo o por su propiedad visco elástica. Asimismo, nos interesamos por aportar ejemplos experimentales de estos fluidos e incluso describimos el procedimiento para hallar la viscosidad de fluidos similares al ketchup como el xenón en determinadas condiciones (punto critico), como también describimos el comportamiento de la maizena y explicamos el porque de cada uno de ellos.
FLUIDOS NO NEWTONIANOS
La Ley de la viscosidad de Newton, establece que en movimientos fluidos laminares existe una relación lineal entre las tensiones tangenciales y los gradientes de velocidad, siendo la constante de proporcionalidad una propiedad física del fluido llamada viscosidad dinámica o absoluta .
Primeramente un fluido newtoniano es una sustancia homogénea que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión, independiente de la magnitud de ésta. En otras palabras, es una sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene.
Aquellos fluidos que verifican la relación (1) , se denominan fluidos newtonianos, y muchos fluidos comunes tanto líquidos como gaseosos se comportan siguiendo esa relación. La misma también puede expresarse de otro modo analizando la deformación en el entorno de un punto.
Por simplicidad, pero sin pérdida de generalidad, considérese un movimiento unidimensional donde la componente según el eje x de la velocidad sea una función solamente de la coordenada y , que dicha componente varíe linealmente con y de tal manera que . Un rectángulo de fluido infinitesimal de lados antes de deformarse está definido por los vértices 0123, y luego de un instante pasará a ocupar el cuadrilátero 012' 3’:
Fig. Nº1- Deformación de un elemento fluido
La distorsión o deformación angular de los segmentos 03 y 12 luego de un instante dt en ese campo de movimiento será:
de la (2) se obtiene
la siguiente conclusión : el gradiente de velocidad es igual a la velocidad de deformación o velocidad de distorsión angular:
Consecuentemente, la ley de la viscosidad de Newton puede escribirse también indistintamente como:
Sin embargo existe algunas
sustancias industriales importantes que no se comportan siguiendo la ley de Newton de la viscosidad, a este fluido se le denomina:
Fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma 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.
Este tipo de fluidos se comportan como fluidos newtonianos cuando la tensión o fuerza aplicada es pequeña. Sin embargo sobre ellos se le aplica una tensión intensa en un corto espacio de tiempo, el material se estresa, aumentando su viscosidad proporcionalmente a dicha solicitud.
Los fluidos no-newtonianos son parte de una ciencia más amplia denominada Reología. La Reología es la ciencia que estudia y analiza los fenómenos de flujo y deformación y las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos y comprende el estudio de las substancias que "fluyen" pero que su comportamiento no está regido por la ley de newton de la viscosidad.
El mundo real existen una amplia variedad de fluidos tan comunes como los newtonianos que no siguen la simple relación dada por ley de Newton, especialmente en las industrias químicas, alimenticias y en la industria del petróleo, y de allí la importancia de su estudio para un adecuado y correcto tratamiento. Pueden mencionarse, entre otros, los siguientes fluidos no- newtonianos:
• 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.
Otro tipo de fluidos no newtonianos son: algunos tipos de barros como los de arcilla, algunas variedades de mieles, algunos metales (en su estado fundido), algunos plásticos como la plastelina, el cemento o yeso con agua, entre otras.
Los fluidos newtonianos (como el agua) tienen una viscosidad que no varía con la velocidad. En cambio, los no-newtonianos tienen una viscosidad que depende de la tensión que se le aplique (la fuerza o presión que hagamos en él).
Gracias a esta propiedad, si se le golpea fuertemente, su viscosidad aumenta y pasa a comportarse como sólido. De hecho, si se le mueve rápidamente, es equivalente a decir que se le aplica una fuerza, y también se comportará como sólido.
Fluido no newtoniano
Características y clasificación de los fluidos no-newtonianos.
• Fluidos no-newtonianos independientes del tiempo para los cuales se verifica;
• Fluidos no-newtonianos dependientes del tiempo en los que la relación anterior es más compleja, y que puede expresarse como:
• 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.
1.-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 en ciertos casos algunos fluidos dependientes del tiempo pueden ser aproximados o modelizados como fluidos independientes del tiempo.
Para visualizar y analizar los fluidos no-newtonianos resulta más cómodo representar el comportamiento de la función (7) en un sistema de ejes coordenados cartesianos - según se indica en la Fig. Nº2. Se pueden identificar 4 tipos de fluidos no-newtonianos independientes del tiempo.
El comportamiento de los fluidos indicados en la Fig Nº2 suele expresarse en forma generalizada mediante la siguiente ecuación:
1.1.-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 0 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, pasta dental, grasas, chocolates, lodos de perforación y sólidos en suspensión en líquidos o agua.
El fluido se comporta como un sólido hasta que excede un esfuerzo de deformación mínimo.
1.2.-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
1.3.-FLUIDOS PSEUDO PLÁSTICOS
Los fluidos pseudo plásticos 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 pseudo plásticos es la denominada ley potencial o de Ostwald que puede escribirse como:
k y n son constantes para un fluido particular. La constante k es una medida de la consistencia del fluido y se denomina índice de consistencia, y el exponente n es indicativo de la desviación respecto al fluido con comportamiento newtoniano y se lo suele l amar índice de comportamiento.
Obsérvese que cuando n1, y la ecuación (8) representa a un fluido newtoniano.
Para estos fluidos se define un coeficiente de viscosidad aparente, como:
Cuando el fl uido se modeliza con la ley potencial, el coefi ciente de viscosidad aparente.
a
−
Reemplazando la (10) en la (11) resulta:
La ley potencial tiene un defecto, y es que cuando la viscosidad aparente , lo cual es físicamente
imposible. Además la constante de consistencia k tiene dimensiones que depende de n, y éste coefi ciente no se mantiene constante en ciertos intervalos de fl ujo.
A pesar de estas insufi ciencias, el modelo de la ley potencial por su s implicidad resulta sumamente útil para abordar el tratamiento de algunos tipos de problemas como el de fl ujos en tuberías como se verá más adelante. Otras ecuaciones empíricas que permiten modelizar con mejor aproximación un fluido pseudo plástico y que superan las carencias de la ley potencial son las siguientes:
fl uido conduce a análisis más complejos debiendo recurrirse a programas computacionales muy elaborados que se basan e leyes empíricas obtenidas de mediciones de las propiedades viscosas del fl uido.
Por ejemplo: polímeros en disolución, mermelada, tintas de impresión, pulpa de papel en agua, etc.
Mermelada
Tintas De Impresión
Su viscosidad disminuye rápidamente cuando aumenta su cizalladura.
1.4.-FLUIDOS DILATANTES
Los fl uidos dilatantes al igual que los pseudo plásticos no tienen una tensión de fl uencia inicial pero el coefi ciente n de la ecuación 2 disminuye al aumentar el gradiente hasta para que grandes valores de este adquiere un valor constante. Los fl uidos dilatantes son mucho menos comunes que los pseudo plásticos. Se pueden modelizar con la ley potencial, con exponente n>1:
10
