Rheology and Viscosity

7/26/2019 Rheology and Viscosity

http://slidepdf.com/reader/full/rheology-and-viscosity 1/37

Adhitya Pitara Sanjaya, S.T.P., M.Sc.



Have we found “rheology ” in daily life?

We eat breakfast, perhaps using a range of

spreads for toast, or perhaps we eat yoghurt

with pieces of fruit suspended in it.

We all have squeezed toothpaste tubes,

kneaded bread dough or tried to rub skin

lotion on our leg.

Rheology is simply one

way of describing those

sensations!!



What is…err…Rheology?

In particular, rheology scienceaddresses fluid and structuralproperties of raw materials,intermediate products, ingredients,and final products of the food andpharmaceutical industries.

Consumers use subjective tests to

ascertain the perceived texture of

a product. Rheology is usefully used

to objectify these perceptions



How do you like the sauce to flow? Liquid food productsshould be formulated to display desired rheological behaviour,

e.g., easy to pour from the bottle, but flow in controlled

manner and recover the viscosity upon pouring on the plate



What happens when the

products are notcorrectly formulated

“rheologically”?



But…Do I Really Need to Learn

Rheology?

“Rheological measurements can provide a rapid determination of product

quality and may serve as a tool for quality control”

For food technologists, knowledge of

rheology is important for a better

understanding of how process variables

influence specific textural characteristics,

such as pourability and mouthfeel.

Rheological measurements can aid in the

understanding of how the viscosity and

elasticity of foods are influenced by changes

in composition, processing, and storageparameters



Definition of Rheology

“Rheology” comes from Greek rheos, meaning „to

flow

The Greek philosopher Heraclitus described rheology as

panta rei —

everything flows (if you wait long enough!) Rheology aims at measuring those properties of materials

that control their deformation and flow behaviour when

subjected to external forces



Definition of Rheology

The subject of rheology is concerned with the study ofdeformation and flow of matter.

When subjected to external forces, solids (or truly elastic

materials) will deform, whereas liquids (or truly viscous

materials) will flow.



FLOW OF MATERIAL

Newton’s Law of Viscosity Viscous Fluids

Newtonian Fluids

If a fluid's internal flow resistance is independent of the

external force – i.e. the shear rate - acting upon the fluid, it isideally viscous.

Typical Newtonian liquids are water or salad oil

Non-Newtonian Fluids

If a substance is not ideally viscous, its viscosity changes withthe shear rate.

For example yoghurt and shower gel show shear-thinning

behavior, while starch solutions show shear-thickening behavior.



= rate of shear

= perbedaan kecepatan antara 2 bidang cairan yang

dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil.

= shearing stress

=gaya per satuan luas yang diperlukan untuk menyebabkanaliran.

dr

dv

G

A

F F

'



SISTEM NEWTON

Mengikuti hukum aliran Newton Makin besar viskositas suatu cairan, makin besar gaya per

satuan luas yang diperlukan untuk menghasilkan suatu rate

of shear tertentu.

Di mana : = koefisien viskositas ~ viskositas

G

F

dr

dv.

A

'F



Viscosity

Viscosity is defined as the resistance of a fluid to flow. Theunit of dynamic viscosity is (Pa · s) in the SI system and

poise (g/cm · s) in the CGS system.

Satuan viskositas : poise = dyne detik cm-2

Cps (centipoise) = 0,01 poise

Fluiditas, , didefinisikan kebalikan dari viskositas

22

det

det

'

cm

dyne

cmcm

cmdyne

Adv

dr F

1



Types of Viscosity (Dynamic viscosity)

Dynamic viscosity is known by the Greek symbolη, eta.

It is sometimes also referred to as shear viscosity. Dynamic

viscosity is obtained by reformulating Newton's Law.

The SI unit is pascal-second [Pa.s] or millipascal-second [mPa.s]:

1 Pa.s = 1000 mPa.s

Other commonly used units are poise [P] or centipoise [cP]:

1 P = 100 cP

Relation between units: 1 cP = 1 mPa.s

Dynamic viscosity is rather used in life science and research

applications.

http://www.viscopedia.com/basics/defining-viscosity/

http://www.viscopedia.com/basics/defining-viscosity/



Types of Viscosity (Kinematic Viscosity)

a substance's flow behavior under the influence of Earth's gravity. It is

dynamic viscosity divided by density ρ, rho, which is defined as mass per

volume.

Kinematic viscosity is widely established due to historical reasons: Gravityas the driving force does not require any elaborate technical equipment. It

is simply available everywhere on earth.

Kinematic viscosity is mostly used to specify petrochemical fluids such as

fuels or lube oils.

Other commonly used units are stokes [St] or centistokes [cSt] 1 St = 100 cSt

1 cSt = 1 mm2/s

1.0 m2/s = 10000 Stokes = 1000000 Centistokes



Types of Viscosity (Relative Viscosity)

Relative viscosity is an importantparameter when testing polymers in

solutions.

The relative viscosity is calculated by

dividing the viscosity of the polymersolution η by the viscosity of the pure

solvent ηs.



Contoh soal :

Dengan viskometer Ostwald, didapat viskositas aseton

0,313 cp pada 250C. Kerapatan aseton (250C) = 0,788

g/cm3. Berapa viskositas kinematis aseton?

Jika diketahui viskositas air (250C) = 0,8904 cp. Berapa

viskositas aseton relatif terhadap air pada 250C?



Factors Affecting Viscosity

Viskositas gas meningkat dengan naiknya temperatur Viskositas cairan menurun jika temperatur dinaikkan

Fluiditas kebalikan dari viskositas

Fluiditas cairan meningkat jika temperatur dinaikkan



SISTEM NON NEWTON

Aliran plastis Aliran Pseudoplastis

Aliran Dilatan



1. Aliran Plastis

Bingham Plastic Fluids

Kurva plastis tidak melewatititik (0,0), tetapi memotongsumbu shearing stress, dikenaldengan harga yield (yield value).

Toothpaste is a typicalexample of Bingham plasticfluid. It does not flow unlessthe tube is squeezed.

In food systems, mayonnaise,tomato paste, and ketchupare examples of this type offluid.

R a t e

o f s h e a r

Shearing stress

f



Harga stress dibawah yield value, zat bertindak sebagaibahan elastis (seperti zat padat

Kemiringan rheogram disebut mobility ≈ fluiditas pada

sistem Newton.

Kebalikannya adalah viskositas plastis = U

G f F U f= yield value dalamdyne cm-2



Contoh soal :

Suatu bahan plastis diketahui mempunyai yield value 5200dyne cm-2. Pada shearing stress di atas yield value, F

ditemukan meningkat secara linear dengan meningkatnya

G. Jika rate of shear 150 dt-1 pada saat F = 8000 dyne

cm-2, hitung viskositas plastis sampel tsb !



2. Aliran Pseudopastis

Contoh : Na alginat, metilselulosa, CMC Na

Viskositas berkurangdengan meningkatnya rate

of shear (cairan menjadiencer)

Disebut shear thinningsystem ( sistem geser encer )

Contoh kecap atau saus

tomat yang untuk mengeluarkannya daribotol harus mengocoknyakuat-kuat.



G'F N

'logFlog NGlog

• Eksponen N meningkat pada saat aliran

meningkat menjadi non-Newton

• N=1, alirannya adalah Aliran Newton

Persamaan Regresi Linear



3. Aliran Dilatan

Suspensi tertentu (persentase zat padat terdispersi tinggi)

peningkatan daya hambat untuk mengalir dengan meningkatnya

rate of shear.

Volume meningkat dengan terjadinya shear disebut dilatan

Sistem disebut geser kental (shear-thickening) system

Suspensi dengan kandungan padatan >40-50%



3. Aliran Dilatan

Istilah dilatan dikaitkan dengan meningkatnya volume Viskositasmeningkatdenganbertambahnyarateofshear

Mekanisme:

Pada keadaan diam partikel- artikel tersusun rapat dengan

volume antar partikel kecil Pada saat shearing stress meningkat bulk dari sistem

memuai meningkatkan volume kosong hambatan

aliran menigkat (tidak dibasahi) terbentuk pasta kaku.



Pemilihan Viskometer

Semua viskometer dapat digunakan untuk menentukanviskositas sistem Newton dan hanya viskometer yang

mempunyai kontrol shear stress yang bervariasi dapat

digunakan untuk bahan-bahan Non Newton.



Macam-macam viskometer

Visk. Kapiler Visk. Bola jatuh

Visk. Cup & bob

Visk. Kerucut dan lempeng

Sistem Newton

Sistem Newton

dan

Non Newton



1. Viskometer kapiler

Disebut sebagai viskometer ostwald

Dasar : Hukum Poiseuille

Vl8

Ptr 4

(a) Viskometer Ostwald, (b) Ubbelohde, (c)

Ostwald-Cannon-Fenske



Karena P tergantung pada kerapatan cairan (), maka :

P t K t K

22

11

2

1

t

t



Contoh soal

Jika waktu yang dibutuhkan aseton untuk mengalir antarakedua tanda pada viskometer Ostwald adalah 45 detik,

untuk air adalah 100 detik (250C).

Diketahui kerapatan aseton 0,788 gram cm-3, kerapatan

air 0,997 gram cm-3 dan viskositas air 0,8904 cps. Berapa viskositas aseton ?



2. Viskometer Bola Jatuh

Disebut viskometer Hoeppler

Prinsip :

Suatu bola gelas/besi jatuh ke bawah dalam suatu tabung

gelas yang hampir vertikal, mengandung cairan uji pada

temperatur konstan. Laju jatuhnya bola dengan dan tertentu adalah kebalikan fungsi viskositas sampel

tersebut.



3. Viskometer ‘Cup’ and ‘Bob’

Prinsip :

Sampel di’shear’ dalam ruangantara dinding luar, ‘bob’ (rotor)dan dinding dalam mangkuk(‘cup’).

Viskometer Couette, mis : visk.Mac Michael

Mangkuk yang berputar

Viskometer Searle, mis : visk.

Rotovisco, visk. StormerRotor yang berputar



Viskometer stormer

v

wK

v

Dimana :

Kv : Konstanta alatW : berat beban

V : rpm

v

wwK U f

v

Untuk aliran plastis

Dimana :

Wf : intersep yieldvalue dalam gram



Yield valuef f wK f

)R

R

(log303,2

1x

60

2xK K

b

c

vf

Dimana :

Rc : jari-jari mangkok

Rb : jari-jari rotor



Contoh soal : Suatu sampel gel dianalisis dengan viskometer Stormer

yang dimodifikasi. Berat w sebesar 450 gram menghasilkankecepatan rotor v 350 rpm. Suatu seri kecepatandiperoleh dengan menggunakan berat pengendali lainnya,diperoleh suatu rheogram aliran plastis. Intersep yieldvalue wf diperoleh dengan mengekstrapolasi kurvatersebut terhadap sumbu shearing stress di mana v = 0,wf = 225 gram. Konstanta alat Kv = 52,0 dan Kf = 20,0.Berapakah vikositas plastis dan yield value sampeltersebut?



4. Viskometer Kerucut dan Lempeng

Contoh : viskometer Ferranti –

Shirley

Prinsip :

Kerucut dikemudikan motor

dengan kecepatan yang berubah-ubah, sampel dishear di antara

lempeng yang diam dan kerucut

yang berputar. Rate of shear : rpm

(dengan dial pemilih). Shearing stress: puntiran (dibaca pada skala

penunjuk).

Rheology and Viscosity

Documents

Transcript of Rheology and Viscosity