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Introduzione alla reologia e alla reometriaRoberto Mei - 25/10/2016
PRIMA PARTE
Reologia e reometria
• La reologia (dal greco antico reo, "scorrere" e logìa, "teoria") è la scienza chestudia le deformazioni della materia (solidi e fluidi) quando questa èsottoposta a sforzi.
• Con reometria si indicano le tecniche messe in atto per misurare leproprietà reologiche di un materiale.
• Settori in cui la reologia riveste un ruolo molto importante:
• Industria alimentare;
• Biologia;
• Edilizia;
• Prodotti per l’igiene e la cura personale;
• Trattamento fanghi.
Solidi ideali
• I solidi ideali si comportano in maniera totalmente elastica e reagiscono ad uno sforzo di taglio con una deformazione reversibile:
𝜏 = 𝐺 ⋅𝑑𝐿
𝑑𝑦
• 𝜏 → 𝑠𝑓𝑜𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑖 𝑡𝑎𝑔𝑙𝑖𝑜 [𝑃𝑎]• 𝐺 → 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑖 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑡à [𝑃𝑎]
•𝑑𝐿
𝑑𝑦→ 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 [𝑎𝑑]
G rappresenta la resistenza alla deformazione: maggiore èil suo valore e minore sarà la deformazione del solido (aparità di sforzo di taglio)
G dipende principalmente dalla natura chimico-fisica delmateriale (per gomma ~0.01 GPa; per l’acciaio ~200 GPa).
La deformazione è reversibile: rimuovendo lo sforzo, sielimina la deformazione.
y
Solidodeformato
𝜏
SolidoA riposo
Δ𝐿
Fluidi ideali
• I fluidi ideali si comportano in maniera totalmente viscosa e reagiscono ad uno sforzo di taglio con una deformazione irreversibile (scorrono):
𝜏 = 𝜇 ⋅𝑑𝑣
𝑑𝑦
𝝁 rappresenta la resistenza allo scorrimento: maggiore è ilsuo valore e minore sarà la scorrimento del fluido (a paritàdi sforzo di taglio)
La deformazione è irreversibile: l’energia trasmessaattraverso lo sforzo di taglio viene spesa dal fluido perscorrere (e in parte dissipata sotto forma di calore).Rimuovendo lo sforzo non si recupera energia.
• 𝜏 → 𝑠𝑓𝑜𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑖 𝑡𝑎𝑔𝑙𝑖𝑜 [𝑃𝑎]• 𝜇 → 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑡à [𝑃𝑎 ⋅ 𝑠]
•𝑑𝑣
𝑑𝑦= ሶ𝛾 → 𝑣𝑒𝑙. 𝑑𝑖 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒
1
𝑠
y
𝜏
Fluido in moto
Viscosità dinamica e viscosità cinematica
Viscosità dinamica 𝝁 Viscosità cinematica 𝝂
FluidoViscosità [20°C]
[mPa∙s = cP]
Petrolio 0.65
Acqua 1
Mercurio 1.5
Sangue (a 37°C) 4÷25
Olio d’oliva ~102
Miele ~104
L’unita di misura è il Pa∙s:
• 1 𝑃𝑎 ⋅ 𝑠 = 1000 𝑚𝑃𝑎 ⋅ 𝑠
• 1 𝑚𝑃𝑎 ⋅ 𝑠 = 1 cP
𝜈 =𝜇
𝜌
𝑚2
𝑠𝑜 [𝑐𝑆𝑡]
Per gas ~101 𝜇𝑃𝑎 ⋅ 𝑠
FluidoViscosità [20°C]
[μ𝑚2
𝑠= cSt]
Acqua 1
Da cosa dipende la viscosità?
• Dalla natura chimico-fisica del fluido;
• dalla pressione: all’aumentare della pressione aumenta la resistenza allo scorrimento.Poiché i liquidi sono molto meno comprimibili dei gas, la viscosità dei liquidi èpraticamente indipendente dalla pressione;
• dalla temperatura: la viscosità varia notevolmente al variare della temperatura.Generalmente: per i liquidi, all’aumentare della temperatura la viscosità decresce; per i gasavviene l’inverso;
• dal gradiente di velocità;
• dal tempo: per alcune sostanze la viscosità dipende dalla «storia reologica».
Viscosità indipendente dal tempo ma dipendente dal gradiente di velocità : Fluidi Newtoniani
𝝉 = 𝝁 ⋅ ሶ𝜸
La dipendenza tra sforzo ditaglio e gradiente di velocitàè lineare.
La viscosità è costante alvariare del gradiente divelocità.
Esempi: acqua, aria, latte, miele, plasma sanguigno, ecc…
Viscosità indipendente dal tempo ma dipendente dal gradiente di velocità: Fluidi non-Newtoniani
𝝉 = 𝝉𝟎 + 𝝁 ⋅ ሶ𝜸𝒏
La dipendenza tra sforzo ditaglio e gradiente di velocitàè non-lineare.
La viscosità varia al variaredel gradiente di velocità.
𝝉𝟎 𝒏 𝑻𝒊𝒑𝒐𝒍𝒐𝒈𝐢𝐚
= 0 = 1 Fluido Newtoniano
= 0 > 1 Fluido dilatante
= 0 0 < 𝑛 < 1 Fluido pseudoplastico
> 0 = 1 Fluido plastico alla Bingham
Fluidi non-Newtoniani pseudoplastici
𝝉 = 𝝁 ⋅ ሶ𝜸𝒏
La viscosità (apparente) diminuisce al crescere dellavelocità di deformazione (essendo 𝑛 < 1 ), per cui laresistenza allo scorrimento è maggiore per piccoli ሶ𝛾.
𝑐𝑜𝑛 0 < 𝑛 < 1
La causa è da ricercare nella struttura microscopica del materiale: prodotti che sembranoomogenei sono in realtà costituiti da particelle di forma irregolare, soluzioni di polimeri amolecole molto lunghe, gocce di un liquido disperse in un altro liquido, ecc…
Esempi: ketchup, vernice acrilica, sangue, ecc…
A riposo In moto
Fluidi non-Newtoniani dilatanti
𝝉 = 𝝁 ⋅ ሶ𝜸𝒏
La viscosità (apparente) aumenta al crescere della velocitàdi deformazione (essendo 𝑛 > 1), per cui la resistenza alloscorrimento è maggiore per ሶ𝛾 elevati.
𝑐𝑜𝑛 𝑛 > 1
Si ha questo comportamento per sospensioni altamente concentrate di materiale solido in unliquido. A riposo dominano le forze intra particellari (Van der Waals).All’aumentare dello sforzo applicato le particelle si aggregano.
Esempi: amido di mais in acqua, sabbie mobili, ecc…
A riposo In moto
Fluidi non-Newtoniani plastici alla Bingham
𝝉 = 𝝉𝟎 + 𝝁𝑷 ⋅ ሶ𝜸
Il fluido non scorre finché lo sforzo di taglio nonraggiunge un valore di soglia pari a 𝝉𝟎. Dopodiché ilfluido si comporta come un fluido Newtoniano.
Si tratta in genere di dispersioni che a riposo costruiscono una fitta rete di forze interparticellari e inter molecolari che forniscono al materiale una viscosità infinita. Quando losforzo di taglio supera lo sforzo di soglia la rete collassa e il fluido può scorrere.
Esempi: maionese, pasta dentifricia, fanghi di fogna, ecc…
Viscosità dipendente dal tempo: fluidi tissotropici
• Sono fluidi che sottoposti a sforzi di taglio vedono diminuire la viscosità alpassare del tempo.
• Se viene applicato uno shear-rate costante occorre un tempo «finito» perraggiungere la viscosità di equilibrio (che risulta essere più bassa di quellainiziale).
Esempi: yogurt, gomma xanthan, ecc…
𝜇𝜇 𝜏
𝑡ሶ𝛾 ሶ𝛾
I
II
I
II
Applicazione shear-rate costante
Rimozione shear-rate
Viscosità dipendente dal tempo: fluidi reopectici
• Comportamento inverso rispetto ai fluidi tissotropici, per questo sonoanche chiamati anti-tissotropici:
• la viscosità aumenta al trascorrere del tempo;
• la viscosità di equilibrio raggiunta se viene applicato uno shear-rate costante risultaessere più alta di quella iniziale.
Esempi: inchiostro per stampanti, pasta di gesso, ecc…
𝜇𝜇 𝜏
𝑡ሶ𝛾 ሶ𝛾
II
I
II
I
Applicazione shear-rate costante
Rimozione shear-rate
Fluidi viscoelastici
Sono sostanze con caratteristiche sia viscose (tipico dei fluidi) che elastiche(tipico dei solidi): assumono un comportamento intermedio.
Un modello semplice molto semplice (modello di Maxwell) descrive i fluidi viscoelastici sommando i due contributi:
Esempi: panna montata, Silly Putty.
La descrizione matematica di questa tipologia di fluidi è abbastanzacomplessa.
ሶ𝛾 =ሶ𝜏
𝐺+𝜏
𝜇
Viscosimetri
Sono adatti a misure la viscosità dei fluidi a una ben precisa condizione diflusso.
Viscosimetro capillare
(1, 2, 3 e 7: Ubbelohde; 4: Ostwald; 5 e 6: Cannon-Fenske)
LAUDA
Viscosimetro
a sfera cadente
THERMO SCIENTIFIC
Reometri
Sono adatti a misurare viscosità che variano al variare delle condizioni delflusso.
Reometri
Cilindro concentrico
tipo Couette
(cilindro esterno ruotante)
Piatto piano
Piatto conico Cilindro concentrico
tipo Searle
(cilindro interno ruotante)
SECONDA PARTE
Che cosa è il Dottorato di Ricerca
Laurea triennale
Laurea magistrale
Dottorato di ricerca
• Il Dottorato di Ricerca [DdR] (equivalente al Doctor of Philosophy, Ph.D.) è un titolo
accademico che rappresenta il più alto grado di istruzione superiore (universitaria)
previsto in Italia*.
• Il dottorando è uno studente e gode dei medesimi diritti (posti alloggio, contributi allo
studio, ecc…)*
*Fonte informazioni: ADI– Associazione dottorandi e dottori di ricerca italiani
A cosa serve il titolo e come si svolge il DdR
• Il titolo di Dottore di Ricerca certifica che il detentore del medesimo ha le conoscenze e le abilità per
effettuare ricerca in un determinato campo*.
*Fonte informazioni: ADI– Associazione dottorandi e dottori di ricerca italiani
• La durata del DdR è tipicamente di tre anni.
• Durante questo periodo il dottorando:
• Studia e approfondisce il proprio argomento di ricerca consultando la letteratura e la bibliografia esistente;
• Realizza prove sperimentali (nei laboratori e/o simulate al computer);
• Frequenta corsi, seminari e scuole di dottorato;
• Pubblica articoli in riviste scientifiche;
• Partecipa a convegni e conferenze presentando il proprio lavoro.
• Al termine dei tre anni si discute una tesi dove viene presentato tutto il lavoro svolto.
Come si accede al DdR
• In Italia si accede tramite concorso bandito annualmente e indirizzato ai laureati in
possesso di laurea specialistica/magistrale/quinquiennale (o laureandi in procinto di
conseguire il titolo);*
*Fonte informazioni: ADI– Associazione dottorandi e dottori di ricerca italiani
• L’ammissione è a numero chiuso;*
• Le prove concorsuali consistono in una prova scritta e in una prova orale di fronte ad una
commissione; al punteggio finale contribuisce anche la valutazione del curriculum del
candidato (età, voto di laurea, pubblicazioni, ecc…);
• I vincitori, se soddisfano i requisiti di reddito, hanno diritto ad una Borsa di Studio
(regionale o stanziata da altri enti pubblici/privati) di circa 1.000 € netti mensili.
Sbocchi lavorativi per l’ingegnere chimico
Lavoratoredipendente
Imprenditore o professionista
Ricerca
Settore pubblico
Settore privato
DdR
Università o altri enti pubblici
Reparti R&D
Apertura di una propria impresa o di una propria attività come libero professionista (consulente)
Produzione energia, raffinerie, industrie metallurgiche, industrie alimentari, aziende di
sviluppo di hardware/software di controllo, ecc…
Cosa vuol dire fare ricerca scientifica
La ricerca scientifica ha l’obiettivo difornire informazioni e teorie per spiegareproprietà e fenomeni in qualunque ambitoscientifico. È basata sul metodo scientifico.
• Ricerca fondamentale (o di base): acquisirenuove conoscenze senza uno scopo praticoimmediato, anche se i risultati potranno averericadute applicative importanti nel futuro.
• Ricerca industriale (o applicata): intrapresaper trovare soluzioni concrete e specifiche.
• Sviluppo sperimentale: sfrutta le conoscenzeacquisite con la ricerca di base e quellaapplicata per realizzare progetti pilota e/oprototipi per immettere sul mercato nuoviprodotti e servizi.
Progetto CONSENS: presentazione
• ACQUA
• Enzimi
• Disinfettanti
• Coloranti
• Tensioattivi
• Strutturante
• Profumi
• Anticorrosivi
• Altro
DETERSIVO
CLASSICO
DETERSIVO
WATER-FREE
Fluidi
Newtoniani
𝑑𝑣
𝑑𝑥= ሶ𝛾
𝜏
Fluidi
Newtoniani
𝜂
𝑑𝑣
𝑑𝑥= ሶ𝛾
Fluidi
plastici
Fluidi
dilatanti
Fluidi
pseudoplastici
𝑑𝑣
𝑑𝑥= ሶ𝛾
𝜏
𝜏0
Fluidi
plastici
Fluidi
dilatanti
Fluidi
pseudoplastici
𝜂
𝑑𝑣
𝑑𝑥= ሶ𝛾
OBIETTIVO: Sviluppo di tecniche innovative di monitoraggio e di controllo di un processo di produzione
continua di un detersivo water-free (collaborazione con .)
?
SENSORI
INNOVATIVI
𝜂
𝑑𝑣
𝑑𝑥= ሶ𝛾
Misure di
viscosità
in-line
Misure di viscosità off-line
Patent N. US20130225468A1 (Corominas et al.) Collaborazione con
Progetto CONSENS: impianto di produzione
Progetto CONSENS: partners coinvolti
Data di inizio: 1 gennaio 2015 - Durata: 36 mesi
Budget: 6 milioni di €
Web-site: www.consens-spire.eu
Horizon 2020*
Orizzonte 2020 è il più grande programma per la ricerca e l'innovazione mai realizzato dall'UnioneEuropea (UE). Condurrà a innovazioni, scoperte e risultati rivoluzionari trasferendo grandi idee dallaboratorio al mercato.
Sono disponibili quasi 80 miliardi di euro di finanziamenti per un periodo di 7 anni (2014 - 2020),oltre agli investimenti nazionali pubblici e privati che questa somma attirerà.
L'UE ha identificato sette sfide prioritarie:• salute, cambiamento demografico e benessere;• sicurezza alimentare, agricoltura e silvicoltura sostenibile, ricerca marina e marittima e delle acque
interne e bioeconomia;• energia sicura, pulita ed efficiente;• trasporto intelligente, verde e integrato;• azione per il clima, ambiente, efficienza delle risorse e materie prime;• l'Europa in un mondo che cambia - società inclusive, innovative e riflessive;• società sicure - proteggere la libertà e la sicurezza dell'Europa e dei suoi cittadini.
*Fonte informazioni: https://ec.europa.eu/
