VISCOSIDADVISCOSIDAD

ALIMENTOS Y NO ALIMENTOS

Ing. Erick Aldo Auquiñivin Silva

William Thomson Kelvin. James Clerk Maxwell. LEONHARD EULER.

Arrhenius. Bingham.

Poiseuille. Newton

Todos estos autores han realizado estudios sobre la viscosidad.

• Definición de la viscosidad dinámica y cinemática.

• Unidades de ambas magnitudes. . • Variación de la viscosidad en función de la

temperatura y la concentración. • Comportamiento y dinámica de los fluidos. • Métodos de determinación de la viscosidad.

Se define como línea de corriente a toda Se define como línea de corriente a toda aquella trayectoria seguida por una aquella trayectoria seguida por una partícula de un líquido en movimientopartícula de un líquido en movimiento

Definición De La Viscosidad Dinámica

En el estudio de la dinámica de los fluídos que circulan por tubos, es importante conocer el concepto de flujo; llamándose así a todo aquél volumen de fluído que atraviesa una superficie en la unidad de tiempo

La Fuerza La Fuerza FF, que se opone al desplazamiento relativo de las capas contiguas , que se opone al desplazamiento relativo de las capas contiguas es inversamente proporcional a la distancia es inversamente proporcional a la distancia hh que las separa, directamente que las separa, directamente proporcional a la superficie proporcional a la superficie SS de las mismas y a la velocidad de de las mismas y a la velocidad de desplazamiento desplazamiento vv, de una con respecto a la otra (figura 2), es decir:, de una con respecto a la otra (figura 2), es decir:

La mayor o menor facilidad de desplazamiento de una capa sobre otra (para un mismo líquido) determina su viscosidad o frotamiento interno.

: esfuerzo cortante [mPa]. : viscosidad [mPa·s] D:U: velocidad de deformación [s-1]

Donde (eta) es la constante de proporcionalidad, llamada coeficiente de viscosidad, que es la resistencia que los líquidos reales oponen a la deformación de los mismos.

Si tenemos que:

S = 1 cm2 v = 1 cm . seg –1 h = 1cm

Se tiene: F =

En el C.G.S., la unidad de En el C.G.S., la unidad de Viscosidad DinámicaViscosidad Dinámica se deduce de la ecuación (1), en la se deduce de la ecuación (1), en la cual despejando se tiene:cual despejando se tiene: == F . h F . h S . v S . v donde:donde:FF=dinas =g • cm • seg.=dinas =g • cm • seg.-2-2; ; hh= cm;= cm; SS= cm= cm22;; vv= cm • seg.= cm • seg.-1-1))  Luego: Luego:

= = g • cm • segg • cm • seg-2-2 • cm • cm cm cm22 • cm • seg • cm • seg –1–1

y simplificando se obtiene:y simplificando se obtiene: = g • cm = g • cm-1-1 • seg • seg–1–1 = = PoisePoise

Unidades de ambas magnitudes

Nota: centipoise (cp), que es la centésima parte del poise.

Es conocida también como viscosidad dinámica, su símbolo es Expresa la facilidad que tiene un fluido a desplazarse cuando se le aplica

una fuerza externa Es decir, es una medida de su resistencia al desplazamiento o a sufrir

deformaciones internas

• Unidades en el sistema internacional Pa.s = 1 N.s / m2 = 1 kg / ( m.s )

• Unidades en el sistema CGS ( Poise ) cP = 1 Dn.s / cm2 = 1 g / ( cm. s )

• 1 cP = 10-3 Pa.s

V=

unidades unidades = = g • cmg • cm–1–1 • seg • seg –1–1 = = cmcm22 • seg • seg –1–1 = stock = stock g • cm g • cm–3–3 : (nu) Viscosidad Cinemática : (nu) Viscosidad Cinemática

En lo que respecta a la Viscosidad Cinemática de los diferentes líquidos, ésta se obtiene dividiendo la viscosidad dinámica, a una temperatura constante, por la densidad del mismo líquido. Así se obtiene:

(donde: : viscosidad cinemática; : viscosidad dinámica; : densidad)

• Es el cociente entre la viscosidad dinámica de un fluido y su densidad , su simbolo es

• En el sistema internacional su unidad es: m2 / s• En el sistema CGS su unidad es:

stoke = cm2 / s

• ( cSt ) ( cP ) ( gr / cm3 )

Factores que condicionan la viscosidadA) Concentración: a temperatura constante, a medida

que aumenta la concentración del soluto (sustancias disueltas), aumenta la viscosidad.

B) Temperatura: El coeficiente de viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura, lo cual es lógico ya que al modificarse las fuerzas intermoleculares se han de modificar también los efectos de rozamiento entre las partículas líquidas que dan lugar a la viscosidad.

A concentración constante, la viscosidad de un fluído es tanto menor cuanto mayor es la temperatura, es decir que guarda una relación inversa.

TIPOS DE FLUIDOSNEWTONIANOS (proporcionalidad entre el esfuerzo

cortante y la velocidad de deformación).

D D

Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido newtoniano

NO NEWTONIANOS (no hay proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación)

Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estos fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo

a)FLUIDOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO DE APLICACIÓN:Estos fluidos se pueden clasificar dependiendo de si tienen o no esfuerzo umbral, es decir, si necesitan un mínimo valor de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga en movimiento. Fluidos sin esfuerzo umbralFLUIDOS PSEUDOPLÁSTICOS: (SHEAR-THINNING)Este tipo de fluidos se caracterizan por una disminución de su viscosidad, y de su esfuerzo cortante, con la velocidad de deformación. Su comportamiento se puede observar en las siguientes curvas

su esfuerzo cortante, con la velocidad de deformación. Su comportamiento se puede observar en las siguientes curvas (Figura 4):

D D Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido pseudoplástico

FLUIDOS DILATANTES: (SHEAR-THICKENING)Los fluidos dilatantes son suspensiones en las que se produce un aumento de la viscosidad con la velocidad de deformación, es decir, un aumento del esfuerzo cortante con dicha velocidad. La figura representa las curvas de fluidez y viscosidad para este tipo de fluidos:

D D Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido dilatante.

Fluidos con esfuerzo umbral, llamados también plásticos (VISCOPLASTIC)

Este tipo de fluido se comporta como un sólido hasta que sobrepasa un esfuerzo cortante mínimo (esfuerzo umbral) y a partir de dicho valor se comporta como un líquido. Las curvas de fluidez y viscosidad se representan en la figura

D DCurvas de fluidez y de viscosidad para un fluido plástico

b) FLUIDOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO DE APLICACIÓN: Este tipo de fluidos se clasifican en dos tipos: los fluidos tixotrópicos, en

los que su viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicación del esfuerzo cortante, recuperando su estado inicial después de un reposo prolongado, y los fluidos reopécticos, en los cuales su viscosidad aumenta con el tiempo de aplicación de la fuerza y vuelven a su estado anterior tras un tiempo de reposo.

FLUIDOS TIXOTRÓPICOS

D D

Curvas de fluidez y de viscosidad de un fluido tixotropía (hay histéresis)

FLUIDOS REOPÉCTICOSLos fluidos reopécticos, en cambio, se caracterizan por tener un comportamiento contrario a los tixotrópicos, es decir, que su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada y presentan una histéresis inversa a estos últimos

D D

Curvas de comportamiento reopéctico (hay histéresis)

VISCOELÁSTICOS (se comportan como líquidos y sólidos, presentando propiedades de ambos).

Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos.

La ecuación que describe el comportamiento viscoelástico está basada en el modelo de Maxwell:

D···

: esfuerzo cortante aplicado.: tiempo de relajación. :gradiente de esfuerzos cortantes (/G).: viscosidad aparente. D: velocidad de deformación

Ejemplo:Empleamos una bolita de plomo (ρe=11.35 g/cm3) de 3.7 mm de diámetro o R=1.85 mm, y la dejamos caer en una columna de aceite de densidad ρf=0.88 g/cm3). El tiempo que tarda la esfera en desplazarse x=50 cm es de t=4.57 s. Calcular la viscosidad η.

NEWTONIANOS - Aceite de girasol

PSEUDOPLÁSTICOS - Ketchup

- Mezcla ketchup-mostaza al 50 %

- Gel de manos

- Suavizante

DILATANTES - Harina de maíz al 40 %

TIXOTRÓPICOS - Detergente líquido

- Gel de baño

- Yogur

- Pintura

Aplicaciones del estudio de la Reología Control de calidad de los alimentos: este control se realiza en la propia línea de producción. Es determinante para la

aceptación de productos como patatas fritas, cereales, quesos, aperitivos, yogures, dulces, chocolates, cremas, etc. Estudio de la textura y consistencia de productos alimenticios: dichas propiedades son muy importantes a la hora de que un

producto sea del agrado del consumidor. Producción de pegamentos: el estudio de su plasticidad, de la forma de fluir dentro del recipiente que lo contiene, etc. Producción de pinturas: una pintura debe ser esparcida de forma fácil pero sin que escurra. Producción de productos cosméticos y de higiene corporal: la duración de una laca sobre el pelo, la distribución de la pasta de

dientes por toda la boca, la forma de cómo se esparce una crema, etc. Todas estas características se estudian con la reología para obtener la mayor eficacia del producto.

Producción de medicamentos: se estudia su estabilidad química, su tiempo de caducidad y su facilidad de extrusión, entre otras.

Caracterización de elastómeros y de polímeros tipo PVC. Estabilidad de emulsiones y suspensiones Caracterización de gasolinas y otros tipos de hidrocarburos. Caracterización de metales (en situaciones de elevada temperatura), y de cristales líquidos. Control de sustancias que sean transportadas a lo largo de un recipiente cilíndrico (para evitar la reopexia). Estudio del magma en vulcanología: cuanto más fluido sea el magma más tendencia va a tener el volcán a que provoque una

erupción.

Importancia en los alimentosImportancia en los alimentos

Más allá de la importancia en la nutrición, el almidón es habitualmente utilizado en la industria de alimentos por sus propiedades físicas. La gelificación del almidón es ampliamente usada para mejorar la apariencia, estabilidad, textura y calidad de alimentos.

La quitosana es un producto altamente viscoso similar a las gomas naturales.

Debido a la alta viscosidad de la quitosana en sistemas de pH < 5.5 puede emplearse como espesante, estabilizante o agente de dispersión.

La quitina microcristalina producida por hidrólisis controlada de ácido puede ser conveniente para el uso como estabilizante y espesante en alimentos.

La quitina microcristalina es de 10 a 20 veces mayor que la de la celulosa cristalina lo que lo hace conveniente para los usos en mayonesa, mantequilla de cacahuete y otros alimentos tipo emulsión.

La textura de los alimentos La Textura es un atributo importante que afecta al proceso y manejo, y

determina la vida útil y la aceptación de un producto por parte de los consumidores.

Es claramente un atributo sensorial y sólo puede medirse totalmente con métodos sensoriales.

Es el conjunto de propiedades que se derivan de la especial disposición que tienen entre si las partículas que integran los alimentos.

Para otros, es el conjunto de propiedades de un alimento capaces de ser percibidas por los ojos, el tacto, los músculos de la boca incluyendo sensaciones como aspereza, suavidad, granulosidad.

Básicamente, este proceso incluye: a) la percepción fisiológica del estímulo, b) la elaboración de la sensación c) la comunicación verbal de la sensación.

En función de la textura podemos dividir los En función de la textura podemos dividir los alimentos en siete gruposalimentos en siete grupos

Líquidos: aquellos en que la textura viene definida por la viscosidad

Geles: la textura esta en función de la elasticidad Fibrosos: donde predominan fibras macroscópicas Aglomerados: la textura en función de la forma que presenta

la célula total; turgencia de la célula) Untuosos: la textura en función de las sustancias grasas Frágiles: alimentos con poca resistencia a la masticación Vítreos: presentan estructura pseudo cristalina

NATURALEZA DEL ESTÍMULONATURALEZA DEL ESTÍMULO EJEMPLOSEJEMPLOS

VISUAL Color (frutas y hortalizas) Velocidad de caída (líquidos)

AUDITIVO Intensidad sonido durante la masticación (alimentos crujientes)

TÁCTIL NO ORALResistencia a la deformación (frutas y pan) Resistencia al corte con cuchillo (carne) Resistencia al corte cuchara (postres lácteos) Resistencia a la agitación (líquidos

Otros Aspectos De La Estructura Física De Los Alimentos: Otros Aspectos De La Estructura Física De Los Alimentos: Formación y Estabilización de dispersionesFormación y Estabilización de dispersiones

Dispersiones coloidalesSon dispersiones de partículas sólidas en el seno de un fluido o un sólido. Las dispersiones coloidales son estables al menos en el corto plazo por el pequeño tamaño de sus partículas, lo que causa que el tiempo de separación (decantación o flotación) sea largo.Geles/solesLos geles y soles son básicamente disoluciones de grandes moléculas de polímero orgánico como almidón, colágeno o albúmina de huevo.

EmulsionesSon dispersiones de una fase líquida en otra también líquida e inmiscible con la primera. Ejemplos son la leche, la mantequilla, una emulsión de partículas de agua en grasa estabilizada por proteína y por la elevada viscosidad de la grasa

EspumasSon un grupo muy popular de alimentos que, a diferencia de los otros casos, se originan en operaciones de procesado específicamente designadas para formar estos productos

Principales áreas de AplicaciónPrincipales áreas de Aplicación Relación General de Sectores de Aplicación

Específicos

Panadería y PasteleríaPastaEmbalajes AlimentaciónProductos FarmacéuticosEmbalajes Productos FarmacéuticosProductos CosméticosProductos de Higiene Personal