Conoce algunos ejemplos de fluidos no newtonianos en la industria

Una vez hecha la revisión general y técnica, de un fluido newtoniano y sus principios, pasemos a ver la definición de su contraparte, y tema principal de esta entrada, los fluidos no newtonianos.

Definición de fluidos no newtonianos

De manera lógica, podemos adelantar que un fluido no newtoniano no posee las características de la ley anteriormente descrita. Por el contrario, como se explica en Non-Newtonian Flow in the Process Industries un fluido de esta naturaleza muestra una curva de flujo, en donde no pasa por el origen (opuesto a lo que ocurre con uno que sí lo es).

Lo anterior significa que la viscosidad de un fluido no newtoniano no depende de valores constantes y definidos de la temperatura, la presión, pero sí de otros factores como el tipo de flujo, el cizallamiento o, incluso, del tratamiento cinemático del fluido.

En este sentido, para clasificar los tipos de fluidos no newtonianos encontramos dos divisiones generales:

• Independientes del tiempo: La cizalladura en cualquier punto está definida sólo por el valor del esfuerzo cortante y el tiempo no interviene en su nivel de viscosidad. En este caso, dentro de dicha clase existen los plásticos de Bingham, pseudo-plásticos y dilatantes.
• Dependientes del tiempo: Son más complejos porque el esfuerzo cortante y la velocidad depende del tiempo de cizalla y del historial cinemático del fluido. Con ello nos referiremos a los reopécticos y tixotrópicos.

Más adelante describiremos cada una de las categorías y subdivisiones por el momento, veremos las diferencias de los fluidos newtonianos y no newtonianos.

Diferencias entre fluido newtoniano y no newtoniano

Demos un repaso, como vimos en ambas definiciones, el fluido cuya viscosidad no cambia incluso cuando varía la fuerza ejercida sobre él se llama newtoniano, en cambio uno cuya viscosidad modifica la fuerza en éste se denomina fluido no newtoniano, así que la propiedad en común es la viscosidad como lo determina la ley homónima de Newton.

Sin embargo, las diferencias de ambos se centran justo en el comportamiento de ésta, entonces, ¿cómo identificamos un fluido newtoniano de uno que no lo es sin experimentar? Por regla general, las sustancias puras son fluidos newtonianos, aunque las mezclas de dos o más sustancias son casi, en su totalidad, fluidos no newtonianos.

En términos sencillos, la diferencia entre uno y otro es que, para los fluidos no newtonianos, la viscosidad no cambia con una fuerza aplicada.

• Fluidos newtonianos: No se modifican sus propiedades con la fuerza aplicada. Algunos ejemplos de fluidos newtonianos son el agua, la miel, aceite de cocina, soluciones salinas, disolución de azúcar con agua y alcohol.
• Fluidos no newtonianos: La viscosidad cambia con una fuerza aplicada. Se distinguen al ser la mezcla de dos o más componentes.

Una vez que tenemos bien definidos los aspectos que divergen entre cada uno de los tipos, veamos las características de un fluido no newtoniano.

Características de un fluido no newtoniano

En la naturaleza, podemos encontrar una serie de ejemplos de fluidos no newtonianos, como lo son la sangre, las arenas movedizas, entre otros. Sin embargo, ¿cuáles son las características de un fluido no newtoniano o qué los define? Arriba adelantamos un poco, sin embargo, explicaremos de manera simple las constantes en esta clase de fluidos.

Por ejemplo, si agitamos en una cubeta un fluido no newtoniano que se espesa por cizallamiento, la tensión causada por la fuerza aplicada reorganiza los átomos en el fluido.

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Diferente al anterior ejemplo, se encuentran el tipo de fluidos no newtonianos cuya viscosidad disminuye por cizalladura, en este caso, el fluido pierde viscosidad en lugar de espesar cuando se aplica tensión. El efecto no suele durar mucho en los casos anteriores y se mantiene sólo cuando aplicamos la tensión.

Así, podemos decir que los fluidos no newtonianos nos ayudan a comprender la diversidad de fluidos presentes en el mundo físico. Ahora, nos detendremos a explicar los diferentes tipos de fluidos no newtonianos.

Tipos de fluidos no newtonianos

Como explicamos antes, la clasificación de los tipos de fluidos no newtonianos deriva del esfuerzo de corte al que se someten con relación a la independencia o dependencia del tiempo.

Pues bien, mencionamos entre los tipos de fluidos no newtoniano independientes del tiempo encontramos:

• Plásticos de Bingham
• Pseudo-plásticos
• Dilatantes

Con relación a los tipos de fluido no newtoniano dependientes del tiempo podemos destacar:

• Reopécticos
• Tixotrópicos

Ahora, es momento de definir cada uno de los tipos de fluidos no newtonianos.

Fluidos pseudoplásticos

A los fluidos que disminuyen su viscosidad cuando se les aplica esfuerzo cortante se les denomina fluidos pseudoplásticos. Antes de que se les aplique la fuerza, estas sustancias tienen una alta viscosidad, por lo que a primera vista parecen fluidos de Bingham, pero no tienen un límite elástico, como veremos más adelante.

Cabe mencionar que casi todos los fluidos no newtonianos entran en este grupo.

Fluidos dilatantes

Los fluidos dilatantes son lo opuesto a los fluidos pseudoplásticos. Cuando se les aplica una fuerza su viscosidad aumenta. Un ejemplo típico de esta clase es, por ejemplo, la mezcla de una parte de agua por una de almidón. Si esta se remueve lentamente, fluye como agua, pero si se agita de manera vertiginosa, se espesa y se vuelve una mezcla densa y difícil de verter.

Fluidos de Bingham o ideales

En este caso, los fluidos de Bingham, también conocidos como ideales, se comportan como un sólido hasta el momento en el que se realiza un esfuerzo de deformación mínimo.

En este caso, usaremos la mantequilla como ejemplo. Este producto se puede untar sobre pan con la fuerza de un cuchillo, pero no se moverá a menos que se aplique un poco de fuerza. Por ello, al aplicar la fuerza necesaria para hacer que la mantequilla se mueva se llama tensión de fluencia y su valor es el punto de fluencia.

Una vez explicados los fluidos no newtonianos independientes del tiempo, pasemos a aquellos que dependen de esta magnitud física.

Fluidos tixotrópicos

En primer lugar, veamos a los fluidos tixotrópicos, los cuales experimentan una disminución de la viscosidad cuando se les aplica una fuerza. En este sentido, a simple vista pueden parecer similares a los fluidos pseudoplásticos, pero una diferencia clave entre los dos tipos de fluidos es que la viscosidad de uno del tipo tixotrópico cambia con el tiempo, al igual que cuando se aplica una fuerza al fluido.

Con base en lo anterior, se somete una fuerza constante a un líquido tixotrópico y la viscosidad disminuye. Sin embargo, cuando se deja reposar uno con viscosidad reducida, el fluido vuelve a su nivel reopéctico original.

Por ejemplo, cuando se agita la pintura, la viscosidad disminuye, lo que facilita su aplicación. En este sentido, el mezclar la pintura antes de aplicarla no es sólo para distribuirla de manera más uniforme, sino también para extraer y mejorar las propiedades tixotrópicas de dicho fluido.

Después de aplicar la pintura, no se le aplica más fuerza, lo cual permite el aumento en su viscosidad y que sea capaz de secar sin gotear. En este caso, una pintura perfecta que se adhiere a la pared y no gotea aprovecha al máximo la tixotropía.

Fluidos reopécticos

Esta clase de fluidos se caracterizan por tener un comportamiento contrario a los tixotrópicos, es decir su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada.

Lo anterior ocurre porque si se aplica una fuerza se produce una formación de enlaces intermoleculares implicando el aumento de la viscosidad, mientras que si se detiene produce una destrucción de los enlaces, los cuales dan lugar a la disminución de la viscosidad.

Una vez que conocemos los diferentes tipos, pasemos a ver una serie de ejemplos de fluidos no newtonianos en la industria.

Ejemplos de fluidos no newtonianos en la industria

Existen un sinfín de aplicaciones típicas en la industria y ejemplos de fluidos no newtonianos. Por tal motivo, a continuación, daremos a conocer un listado de los ejemplos y productos más destacados de acuerdo con el tipo de fluido.

• Fluidos pseudoplásticos: Polímeros, suspensiones coloidales (industria química) y pulpa de papel (industria papelera).
• Fluidos dilatantes: Suspensiones de almidón (industria alimentaria) y arena (construcción y cementos).
• Fluidos de Bingham o ideales: Arcilla, lodos de perforación, pasta de dientes (industria petrolera, construcción y cuidado personal).
• Fluidos tixotrópicos: Pinturas, shampoo, yogurt, resinas de poliéster, tintas, pasta de tomate (industria alimentaria, química, del cuidado personal y pintura).
• Fluidos reopécticos: Algunas sustancias bituminosas como betunes y ceras (industria del cuidado personal y automotriz).

Finalmente, veamos algunas opciones recomendaciones de equipo especializado para llevar a cabo dichos procesos.

Recomendaciones de agitadores industriales para fluidos no newtonianos

Como pudimos ver, los fluidos no newtonianos atienden a necesidades específicas. Por tal motivo, para el diseño de este equipo es necesario tener un amplio conocimiento de la viscosidad e identificar los componentes de agitadores industriales.

Sin embargo, al reconocer los diferentes tipos, las particulares, características y condiciones donde se llevan a cabo, se puede elegir la mejor opción de agitación y mezcla en el mercado, tomando en consideración valores como la velocidad, potencia, nivel de bombeo, cizalladura, entre otros.

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