Reología - Rheology

Reología ( / r i ɒ l ə i / ; de griego ῥέω RHEO , 'flujo' y -λoγία , -logía , 'estudio de') es el estudio del flujo de la materia, principalmente en un estado líquido o gas, pero también como "sólidos blandos" o sólidos en condiciones en las que responden con un flujo plástico en lugar de deformarse elásticamente en respuesta a una fuerza aplicada. La reología es una rama de la física, y es la ciencia que se ocupa de la deformación y el flujo de materiales, tanto sólidos como líquidos.

El término reología fue acuñado por Eugene C. Bingham , profesor de Lafayette College , en 1920, a partir de una sugerencia de un colega, Markus Reiner . El término se inspiró en el aforismo de Simplicius (a menudo atribuido a Heráclito ), panta rhei ( πάντα ῥεῖ , 'todo fluye') y se utilizó por primera vez para describir el flujo de líquidos y la deformación de sólidos. Se aplica a sustancias que tienen una microestructura compleja, como lodos , lodos , suspensiones , polímeros y otros formadores de vidrio (por ejemplo, silicatos), así como a muchos alimentos y aditivos, fluidos corporales (por ejemplo, sangre) y otros materiales biológicos , y a otros materiales que pertenecen a la clase de materia blanda como los alimentos.

Los fluidos newtonianos se pueden caracterizar por un único coeficiente de viscosidad para una temperatura específica. Aunque esta viscosidad cambiará con la temperatura, no cambia con la velocidad de deformación . Solo un pequeño grupo de fluidos exhibe una viscosidad tan constante. La gran clase de fluidos cuya viscosidad cambia con la tasa de deformación (la velocidad de flujo relativa ) se denominan fluidos no newtonianos .

La reología generalmente explica el comportamiento de los fluidos no newtonianos, al caracterizar el número mínimo de funciones que se necesitan para relacionar las tensiones con la tasa de cambio de deformación o velocidades de deformación. Por ejemplo, la salsa de tomate puede reducir su viscosidad mediante agitación (u otras formas de agitación mecánica, donde el movimiento relativo de diferentes capas en el material en realidad causa la reducción de la viscosidad) pero el agua no. El ketchup es un material diluyente, como el yogur y la pintura en emulsión (terminología estadounidense, pintura de látex o pintura acrílica ), que exhibe tixotropía , donde un aumento en la velocidad de flujo relativa provocará una reducción de la viscosidad, por ejemplo, al agitar. Algunos otros materiales no newtonianos muestran el comportamiento opuesto, reopectía : viscosidad que aumenta con la deformación relativa, y se denominan materiales dilatantes o de espesamiento por cizallamiento . Dado que Sir Isaac Newton originó el concepto de viscosidad, el estudio de líquidos con viscosidad dependiente de la velocidad de deformación también se denomina a menudo mecánica de fluidos no newtoniana .

La caracterización experimental del comportamiento reológico de un material se conoce como reometría , aunque el término reología se usa con frecuencia como sinónimo de reometría, particularmente por los experimentadores. Los aspectos teóricos de la reología son la relación del comportamiento de flujo / deformación del material y su estructura interna (por ejemplo, la orientación y elongación de las moléculas de polímero) y el comportamiento de flujo / deformación de los materiales que no pueden describirse mediante la mecánica de fluidos clásica o la elasticidad.

Alcance

En la práctica, la reología se ocupa principalmente de extender la mecánica del continuo para caracterizar el flujo de materiales que exhiben una combinación de comportamiento elástico , viscoso y plástico al combinar adecuadamente la elasticidad y la mecánica de fluidos ( newtoniana ) . También se ocupa de predecir el comportamiento mecánico (en la escala mecánica continua) basándose en la micro o nanoestructura del material, por ejemplo, el tamaño molecular y la arquitectura de los polímeros en solución o la distribución del tamaño de partículas en una suspensión sólida. Los materiales con las características de un fluido fluirán cuando se sometan a una tensión , que se define como la fuerza por área. Existen diferentes tipos de esfuerzos (por ejemplo, cortante, torsión, etc.) y los materiales pueden responder de manera diferente bajo diferentes esfuerzos. Gran parte de la reología teórica se ocupa de asociar fuerzas externas y momentos de torsión con tensiones internas, gradientes de deformación internos y velocidades de flujo.

Mecánica continua
El estudio de la física de materiales continuos.
Mecánica de sólidos
Estudio de la física de materiales continuos con una forma de reposo definida.
Elasticidad
Describe los materiales que vuelven a su forma de reposo después de que se eliminan las tensiones aplicadas .
Plasticidad
Describe materiales que se deforman permanentemente después de una tensión aplicada suficiente.
Reología
El estudio de materiales con características tanto sólidas como fluidas.
Mecánica de fluidos
Estudio de la física de materiales continuos que se deforman cuando se someten a una fuerza.
Fluido no newtoniano
No se somete a velocidades de deformación proporcionales al esfuerzo cortante aplicado.
Los fluidos newtonianos experimentan tasas de deformación proporcionales al esfuerzo cortante aplicado.

La reología une los campos aparentemente no relacionados de la plasticidad y la dinámica de fluidos no newtonianos al reconocer que los materiales que experimentan este tipo de deformación no pueden soportar un esfuerzo (particularmente un esfuerzo cortante , ya que es más fácil analizar la deformación cortante) en equilibrio estático . En este sentido, un sólido que sufre deformación plástica es un fluido , aunque no se asocia ningún coeficiente de viscosidad a este flujo. La reología granular se refiere a la descripción mecánica continua de los materiales granulares .

Una de las principales tareas de la reología es establecer mediante la medición las relaciones entre deformaciones (o tasas de deformación) y tensiones, aunque también se requieren una serie de desarrollos teóricos (como asegurar invariantes de marco) antes de utilizar los datos empíricos. Estas técnicas experimentales se conocen como reometría y se ocupan de la determinación de funciones materiales reológicas bien definidas . Entonces, tales relaciones son susceptibles de tratamiento matemático mediante los métodos establecidos de la mecánica del continuo .

La caracterización del flujo o deformación que se origina en un campo de esfuerzo cortante simple se denomina reometría cortante (o reología cortante). El estudio de los flujos extensionales se denomina reología extensional . Los flujos de corte son mucho más fáciles de estudiar y, por lo tanto, hay muchos más datos experimentales disponibles para los flujos de corte que para los flujos extensionales.

Viscoelasticidad

  • El carácter fluido y sólido es relevante en tiempos prolongados:
    Consideramos la aplicación de una tensión constante (el llamado experimento de fluencia ):
    • Si el material, después de alguna deformación, eventualmente resiste más deformaciones, se considera un sólido.
    • si, por el contrario, el material fluye indefinidamente, se considera un fluido
  • Por el contrario, el comportamiento elástico y viscoso (o intermedio, viscoelástico ) es relevante en tiempos cortos ( comportamiento transitorio ):
    Volvemos a considerar la aplicación de una tensión constante:
    • si la deformación por deformación del material aumenta linealmente con el aumento de la tensión aplicada, entonces el material es elástico lineal dentro del rango que muestra deformaciones recuperables. La elasticidad es esencialmente un proceso independiente del tiempo, ya que las deformaciones aparecen en el momento en que se aplica la tensión, sin ningún retraso de tiempo.
    • si la tasa de deformación por deformación del material aumenta linealmente con el aumento de la tensión aplicada, entonces el material es viscoso en el sentido newtoniano. Estos materiales se caracterizan por el retardo de tiempo entre la tensión constante aplicada y la deformación máxima.
    • si los materiales se comportan como una combinación de componentes viscosos y elásticos, entonces el material es viscoelástico. Teóricamente, tales materiales pueden mostrar tanto una deformación instantánea como material elástico como una deformación retardada dependiente del tiempo como en los fluidos.
  • La plasticidad es el comportamiento observado después de que el material se somete a un límite de fluencia :
    un material que se comporta como un sólido bajo tensiones aplicadas bajas puede comenzar a fluir por encima de un cierto nivel de tensión, llamado límite de fluencia del material. El término sólido plástico se usa a menudo cuando este umbral de plasticidad es bastante alto, mientras que el límite elástico se usa fluido cuando el esfuerzo umbral es bastante bajo. Sin embargo, no existe una diferencia fundamental entre los dos conceptos.

Números adimensionales

Número de Deborah

En un extremo del espectro tenemos un fluido newtoniano no viscoso o simple y en el otro extremo, un sólido rígido; por tanto, el comportamiento de todos los materiales se encuentra en algún punto entre estos dos extremos. La diferencia en el comportamiento del material se caracteriza por el nivel y la naturaleza de la elasticidad presente en el material cuando se deforma, lo que lleva el comportamiento del material al régimen no newtoniano. El número de Deborah adimensional está diseñado para tener en cuenta el grado de comportamiento no newtoniano en un flujo. El número de Deborah se define como la relación entre el tiempo característico de relajación (que depende puramente del material y otras condiciones como la temperatura) y el tiempo característico de experimento u observación. Los números pequeños de Deborah representan el flujo newtoniano, mientras que el comportamiento no newtoniano (con efectos viscosos y elásticos presentes) ocurre para los números de Deborah de rango intermedio, y los números altos de Deborah indican un sólido elástico / rígido. Dado que el número de Débora es una cantidad relativa, el numerador o el denominador pueden alterar el número. Se puede obtener un número de Deborah muy pequeño para un fluido con un tiempo de relajación extremadamente pequeño o un tiempo experimental muy grande, por ejemplo.

Número de Reynolds

En mecánica de fluidos , el número de Reynolds es una medida de la relación entre las fuerzas inerciales ( ) y las fuerzas viscosas ( ) y, en consecuencia, cuantifica la importancia relativa de estos dos tipos de efectos para determinadas condiciones de flujo. Con números de Reynolds bajos, dominan los efectos viscosos y el flujo es laminar , mientras que con números de Reynolds altos predomina la inercia y el flujo puede ser turbulento . Sin embargo, dado que la reología se ocupa de fluidos que no tienen una viscosidad fija, pero que puede variar con el flujo y el tiempo, el cálculo del número de Reynolds puede resultar complicado.

Es uno de los números adimensionales más importantes en la dinámica de fluidos y se usa, generalmente junto con otros números adimensionales, para proporcionar un criterio para determinar la similitud dinámica . Cuando dos patrones de flujo geométricamente similares, quizás en fluidos diferentes con caudales posiblemente diferentes, tienen los mismos valores para los números adimensionales relevantes, se dice que son dinámicamente similares.

Normalmente se da de la siguiente manera:

dónde:

  • u s - velocidad media del flujo , [ms −1 ]
  • L - longitud característica, [m]
  • μ - (absoluta) viscosidad dinámica del fluido , [N sm −2 ] o [Pa s]
  • ν - viscosidad del fluido cinemático:, [m 2 s −1 ]
  • ρ - densidad del fluido , [kg m −3 ].

Medición

Los reómetros son instrumentos que se utilizan para caracterizar las propiedades reológicas de los materiales, típicamente fluidos fundidos o en solución. Estos instrumentos imponen un campo de tensión específico o deformación al fluido y controlan la deformación o tensión resultante. Los instrumentos pueden funcionar en flujo constante o en flujo oscilatorio, tanto en cizallamiento como en extensión.

Aplicaciones

La reología tiene aplicaciones en ciencia de materiales , ingeniería , geofísica , fisiología , biología humana y farmacéutica . La ciencia de los materiales se utiliza en la producción de muchas sustancias de importancia industrial, como cemento , pintura y chocolate , que tienen características de flujo complejas. Además, la teoría de la plasticidad ha sido igualmente importante para el diseño de procesos de conformado de metales. La ciencia de la reología y la caracterización de las propiedades viscoelásticas en la producción y el uso de materiales poliméricos ha sido fundamental para la producción de muchos productos para su uso tanto en el sector industrial como en el militar. El estudio de las propiedades de flujo de los líquidos es importante para los farmacéuticos que trabajan en la fabricación de varias formas farmacéuticas, como líquidos simples, ungüentos, cremas, pastas, etc. El comportamiento de flujo de los líquidos bajo estrés aplicado es de gran relevancia en el campo de la farmacia. Las propiedades de flujo se utilizan como importantes herramientas de control de calidad para mantener la superioridad del producto y reducir las variaciones de lote a lote.

Ciencia de los Materiales

Polímeros

Se pueden dar ejemplos para ilustrar las aplicaciones potenciales de estos principios a problemas prácticos en el procesamiento y uso de cauchos , plásticos y fibras . Los polímeros constituyen los materiales básicos de las industrias del caucho y del plástico y son de vital importancia para las industrias textil, petrolera , automotriz , papelera y farmacéutica . Sus propiedades viscoelásticas determinan el desempeño mecánico de los productos finales de estas industrias, y también el éxito de los métodos de procesamiento en etapas intermedias de producción.

En los materiales viscoelásticos , como la mayoría de los polímeros y plásticos, la presencia de un comportamiento similar a un líquido depende de las propiedades y, por lo tanto, varía con la tasa de carga aplicada, es decir, la rapidez con la que se aplica una fuerza. El juguete de silicona ' Silly Putty ' se comporta de manera bastante diferente dependiendo del tiempo de aplicación de una fuerza. Tira de él lentamente y presenta un flujo continuo, similar al que se evidencia en un líquido muy viscoso. Alternativamente, cuando se golpea fuerte y directamente, se rompe como un vidrio de silicato .

Además, el caucho convencional se somete a una transición vítrea (a menudo denominada transición caucho-vidrio ). Por ejemplo, el desastre del transbordador espacial Challenger fue causado por juntas tóricas de goma que se estaban utilizando muy por debajo de su temperatura de transición vítrea en una mañana inusualmente fría de Florida y, por lo tanto, no pudieron flexionarse adecuadamente para formar sellos adecuados entre las secciones de los dos propulsores de cohetes de combustible sólido. .

Biopolímeros

Estructura lineal de la celulosa  : el componente más común de toda la vida vegetal orgánica en la Tierra. * Tenga en cuenta la evidencia de enlaces de hidrógeno que aumentan la viscosidad a cualquier temperatura y presión. Este es un efecto similar al de la reticulación de polímeros , pero menos pronunciado.

Sol-gel

El proceso de polimerización de tetraetilortosilicato (TEOS) y agua para formar partículas de sílice hidratada amorfa (Si-OH) se puede controlar reológicamente mediante varios métodos diferentes.

Con la viscosidad de un sol ajustada en un rango adecuado, se pueden estirar tanto la fibra de vidrio de calidad óptica como la fibra cerámica refractaria, que se utilizan para sensores de fibra óptica y aislamiento térmico , respectivamente. Los mecanismos de hidrólisis y condensación , y los factores reológicos que sesgan la estructura hacia estructuras lineales o ramificadas son los problemas más críticos de la ciencia y tecnología sol-gel .

Geofísica

La disciplina científica de la geofísica incluye el estudio del flujo de lava fundida y el estudio de los flujos de escombros (deslizamientos de lodo fluidos). Esta rama disciplinaria también se ocupa de los materiales sólidos de la Tierra que solo exhiben flujo durante escalas de tiempo extendidas. Aquellos que muestran un comportamiento viscoso se conocen como reidas . Por ejemplo, el granito puede fluir plásticamente con un límite elástico insignificante a temperatura ambiente (es decir, un flujo viscoso). Los experimentos de fluencia a largo plazo (~ 10 años) indican que la viscosidad del granito y el vidrio en condiciones ambientales es del orden de 10 20 poises.

Fisiología

La fisiología incluye el estudio de muchos fluidos corporales que tienen una estructura y composición complejas y, por lo tanto, exhiben una amplia gama de características de flujo viscoelástico. En particular, existe un estudio especializado del flujo sanguíneo llamado hemorreología . Este es el estudio de las propiedades de flujo de la sangre y sus elementos ( plasma y elementos formados, incluidos glóbulos rojos , glóbulos blancos y plaquetas ). La viscosidad de la sangre está determinada por la viscosidad del plasma, el hematocrito (fracción de volumen de los glóbulos rojos, que constituye el 99,9% de los elementos celulares) y el comportamiento mecánico de los glóbulos rojos. Por lo tanto, la mecánica de los glóbulos rojos es el principal determinante de las propiedades del flujo sanguíneo.

Zoología

Muchos animales hacen uso de fenómenos reológicos, por ejemplo, el pez de arena que explota la reología granular de la arena seca para "nadar" en ella o los gasterópodos terrestres que usan baba de caracol para la locomoción adhesiva . Ciertos animales producen fluidos complejos endógenos especializados , como el limo pegajoso producido por los gusanos de terciopelo para inmovilizar a sus presas o el limo submarino de rápida gelificación secretado por los peces bruja para disuadir a los depredadores.

Reología alimentaria

La reología alimentaria es importante en la fabricación y procesamiento de productos alimenticios, como el queso y el helado .

Los espesantes , o espesantes , son sustancias que, cuando se añaden a una mezcla acuosa, aumentan su viscosidad sin modificar sustancialmente sus otras propiedades, como el sabor. Proporcionan cuerpo, aumentan la estabilidad y mejoran la suspensión de los ingredientes agregados. Los agentes espesantes se utilizan a menudo como aditivos alimentarios y en cosméticos y productos de higiene personal . Algunos agentes espesantes son agentes gelificantes que forman un gel . Los agentes son materiales utilizados para espesar y estabilizar soluciones, emulsiones y suspensiones líquidas . Se disuelven en la fase líquida como una mezcla coloide que forma una estructura interna débilmente cohesiva. Los espesantes de alimentos con frecuencia se basan en polisacáridos ( almidones , gomas vegetales y pectina ) o proteínas .

Reología del hormigón

La trabajabilidad del hormigón y el mortero está relacionada con las propiedades reológicas de la pasta de cemento fresca . Las propiedades mecánicas del concreto endurecido aumentan si se usa menos agua en el diseño de la mezcla de concreto; sin embargo, la reducción de la relación agua-cemento puede disminuir la facilidad de mezcla y aplicación. Para evitar estos efectos no deseados, típicamente se agregan superplastificantes para disminuir el límite elástico aparente y la viscosidad de la pasta fresca. Su adición mejora en gran medida las propiedades del hormigón y el mortero.

Reología de polímero relleno

La incorporación de varios tipos de cargas en polímeros es un medio común de reducir el costo y de impartir ciertas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y magnéticas deseables al material resultante. Las ventajas que ofrecen los sistemas de polímeros rellenos vienen con una mayor complejidad en el comportamiento reológico.

Por lo general, cuando se considera el uso de cargas, se debe hacer un compromiso entre las propiedades mecánicas mejoradas en el estado sólido en un lado y la mayor dificultad en el procesamiento de la masa fundida, el problema de lograr una dispersión uniforme de la carga en la matriz polimérica y el economía del proceso debido al paso adicional de composición en el otro. Las propiedades reológicas de los polímeros rellenos están determinadas no solo por el tipo y la cantidad de relleno, sino también por la forma, el tamaño y la distribución del tamaño de sus partículas. La viscosidad de los sistemas llenos generalmente aumenta al aumentar la fracción de relleno. Esto se puede mejorar parcialmente a través de amplias distribuciones de tamaño de partículas a través del efecto Farris . Un factor adicional es la transferencia de tensión en la interfase relleno-polímero. La adhesión interfacial se puede mejorar sustancialmente mediante un agente de acoplamiento que se adhiere bien tanto al polímero como a las partículas de carga. Por tanto, el tipo y la cantidad de tratamiento superficial del relleno son parámetros adicionales que afectan las propiedades reológicas y materiales de los sistemas poliméricos con carga.

Es importante tener en cuenta el deslizamiento de la pared al realizar la caracterización reológica de materiales muy llenos, ya que puede haber una gran diferencia entre la deformación real y la deformación medida.

Reólogo

Un reólogo es un científico o ingeniero interdisciplinario que estudia el flujo de líquidos complejos o la deformación de sólidos blandos. No es una asignatura de grado primario; no hay calificación de reólogo como tal. La mayoría de los reólogos tienen una titulación en matemáticas, ciencias físicas (por ejemplo , química , física , geología , biología ), ingeniería (por ejemplo , mecánica , química , ciencia de los materiales, ingeniería e ingeniería de plásticos o ingeniería civil ), medicina o ciertas tecnologías, en particular materiales o comida . Por lo general, se puede estudiar una pequeña cantidad de reología al obtener un título, pero una persona que trabaja en reología ampliará este conocimiento durante la investigación de posgrado o asistiendo a cursos cortos y uniéndose a una asociación profesional.

Ver también

Referencias

enlaces externos

Sociedades
Revistas