371 2005 cicata-legaria maestria cabajal valdez rigoberto

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ___________________________________

CENTRO DE INVESTIGACION EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGIA AVANZADA

MEDICIN DE LOS PARMETROS FOTOTRMICOS DE ACEITES VEGETALES CON LA TCNICA DE LA LENTE TRMICA

TESIS

Para obtener el grado de

Maestro en Ciencias

Especialidad en Tecnologa Avanzada

Presenta

Ing. Rigoberto Carbajal Valdez

Director

Dr. Jos Luis Jimnez Prez Mxico D.F., Octubre del 2005

Agradecimientos

En primer lugar y de una manera muy especial agradezco al Dr. Jos Luis Jimnez Prez,

Profesor e investigador del CICATA-IPN, por su apoyo y paciencia en la direccin y

realizacin de este proyecto de tesis.

Al Dr. Alfredo Cruz Orea, Profesor e investigador del CINVESTA-IPN por el apoyo

brindado en la realizacin de los experimentos en el laboratorio, y las observaciones

hechas, las cuales fueron de gran valor en la realizacin de esta tesis.

Al Dr. Sergio Tomas, Profesor e investigador del CINVESTA-IPN por sus observaciones

hechas, las cuales fueron de gran valor en la realizacin de esta tesis.

Al Dr. Eduardo San Martn, Profesor e investigador del CICATA-IPN, por su apoyo en la

destilacin de las muestras de aguacate.

Al Dr. Miguel ngel Aguilar Frutis, Profesor e investigador del CICATA-IPN, por su

apoyo en las becas, siempre oportuno.

Al Dr. Jos Luis Herrera, Profesor e investigador del CICATA-IPN, por su amistad y apoyo

en la realizacin de esta tesis.

Al Dr. Francisco Snchez, Profesor e investigador del CICATA-IPN, por su amistad y

apoyo en la realizacin de esta tesis.

Al Dr. Jos Antonio Das Gngora, Director del CICATA-IPN, Director del CICATA-

Legaria.

4

Al Ana Leticia Cardona del CICATA-IPN, que siempre estuvo dispuesta y atenta

incondicionalmente en cada una de las necesidades para la realizacin de esta tesis.

Al Rubn del CICATA-IPN, por su apoyo en la realizacin de esta tesis.

Agradezco a los profesores del CICATA-IPN, Dr. Jos Antonio Caldern Arenas quien me

han mostrado siempre una buena disposicin para los asuntos administrativos.

Agradezco a Esther del CINVESTAV-IPN por su apoyo en la y mediciones experimentales

para realizar esta tesis.

Agradezco a, al M en C. Pedro Lomel Mejia del Centro Nacional de Rehabilitacin (CNR)

y al Dr. Narciso del Instituto Mexicano del Petrleo (IMP), por su apoyo en la discusin y

mediciones experimentales para realizar esta tesis.

5

Dedicatoria

A Dios que siempre esta presente en todo, pero en este caso se mostr de una manera

poderosa, al permitirme terminar la maestra que es uno de mis sueos mas grandes,

despus de muchas cadas estuve a punto de desistir, pero no lo hice, por que mi fe estaba

puesta en Dios, a l le doy el honor y la gloria por permitirme terminar esta meta.

De una manera muy especial agradezco a mis padres Humberto Carbajal de Labra y

Consuelo Valdez Hernndez, que me dieron la vida y que en situaciones econmicas

difciles en mi vida siempre me apoyaron y me tuvieron paciencia.

A mis amigos, de la iglesia, del CICATA y del CINVESTAV.

6

Pensamiento

De mis ltimos aos

Pero la ciencia solamente puede ser creada por los que estn imbuidos hasta lo mas hondo

de la inspiracin hacia la verdad y la comprensin. Sin embargo esta fuente de sentimiento

brota de la esfera de la religin. Tambin a esta pertenece la fe en la posibilidad de que las

reglas validas para el mundo de la existencia son racionales, esto es comprensible para la

razn. No puedo concebir un autentico hombre de ciencia sin esta profunda fe. La situacin

puede ser expresada por una imagen:

LA CIENCIA SIN LA RELIGIN ES COJA, LA RELIGIN SIN LA CIENCIA ES

CIEGA.

Albert Einstein

7

GLOSARIO DE TRMINOS

Calor Q: Es la energa en trnsito debido a una diferencia de temperatura "siempre que

exista una diferencia de temperatura entre dos puntos, debe ocurrir una transferencia de

calor del punto de menor al de mayor temperatura".

Calor por conduccin: Cuando existe un gradiente de temperatura en un material

estacionario, que puede ser un slido o un fluido. Usamos este termino para referimos a la

transferencia de calor que se producir a travs del material, el cual fluir en ngulos rectos

a la pared del material, si las superficies de las paredes son isotrmicas y el cuerpo es

homogneo e isotropico.

Calor por conveccin: Se refiere a la transferencia de calor que ocurrir entre dos

superficies de un fluido en movimiento cuando las superficies estn a diferentes

temperaturas, por medio de una mezcla.

Calor por radiacin trmica: Todas las superficies con temperatura finita emiten energa

en forma de ondas electromagnticas. Por tanto, en ausencia de un medio, existe una

transferencia neta por radiacin entre una superficie fuente y una superficie recibidor a

diferentes temperaturas, parte de la energa se absorbe por el recibidor y parte es reflejada

por l.

Calor especifico c: Mide la cantidad de calor que requiere suministrar a un material por

cada grado kelvin de elevacin de temperatura. Mide la cantidad de calor por cm3 que

puede almacenar o liberar por cada grado kelvin la variacin de temperatura.

Coeficiente de absorcin ptica A: Es la razn de absorcin de radiacin de calor a

medida que penetra en un material, y es una propiedad caracterstica del material, que

depende del material, y varia con la longitud de onda.

8

Coherencia: Propiedad de las ondas electromagnticas de estar en la misma longitud de

onda y en fase unas con otras, es decir, que los mximos y mnimos ocurren al mismo

tiempo.

Conductividad trmica k: Velocidad de flujo de transferencia de calor entre dos puntos

bajo condiciones estacionarias por unidad de tiempo, por unidad de rea de seccin normal

del material, por unidad de gradiente de temperatura a lo largo del material, entre los dos

puntos. Es directamente proporcional a la velocidad de difusin del calor y a la cantidad de

calor que puede almacenar o liberar el material.

Densidad del material : La masa de una sustancia por unidad de volumen.

Difusividad trmica D: Cantidad de calor por unidad de rea por unidad de tiempo

dividido por el producto del calor especifico, densidad y gradiente de temperatura. Mide la

capacidad de un material para conducir energa trmica en relacin con su capacidad para

almacenar energa trmica. La razn de flujo de calor a travs de un material, y la

importancia de esta cantidad fsica se debe a que al igual que el coeficiente de absorcin

ptica, es nica para cada material.

Direcionalidad: Es la propiedad de un lser de tener un ngulo de difraccin muy pequeo

provocando una divergencia intrnseca del haz, la cual solo depende de la abertura de la

cavidad del lser por donde sale el haz.

Dispersin: Colisin u otra interaccin que provoca el cambio en la energa

electromagntica de una partcula en su direccin.

Emisin: Energa electromagntica que se propaga a partir de una fuente de radiacin.

9

Excitacin: Adicin de energa a un sistema, atmico o molecular que transfiere esta

energa a otros estados de energa.

Fase : Variable dependiente en una funcin peridica, etapa de un ciclo que una onda ha alcanzado en un momento dado (tomado a partir de cierto punto de referencia), parte

fraccional de un periodo que vara con el tiempo. Es un parmetro adimensional que

permite caracterizar el adelanto o atraso de las oscilaciones de una onda respecto de a otra.

Frecuencia f: Numero de ciclos completos, periodos totales, de vibraciones por unidad de

tiempo causados y mantenidos por una excitacin peridica, usualmente sinusoidal.

Longitud de onda : Distancia de cualquier punto de una onda a un punto que tenga la misma fase en el subsiguiente ciclo. La longitud de onda , es igual a la velocidad de la fase v, dividida entre la frecuencia, f.

Monocromaticidad: Propiedad de una fuente de flujo de ondas electromagnticas las

cuales tienen la misma frecuencia y la misma longitud de onda, un ejemplo caracterstico es

el lser.

Onda trmica: Propagacin peridica de calor a travs de un material.

Radiacin: Proceso de emisin de energa electromagntica.

Temperatura T: La temperatura es la medida de la energa cintica de un sistema y una

propiedad que determina si un sistema se halla o no en equilibrio trmico con otro sistema.

Transferencia de calor. Flujo de calor por unidad de tiempo por unidad de rea debido a la

diferencia de temperatura entre dos puntos especficos.

10

GLOSARIO DE SMBOLOS

Smbolo Nombre Unidades

A Coeficiente de absorcin ptica cm-1

c Calor especifico J g-1 K-1

Densidad de masa del material g cm-3

k=Dc Conductividad trmica del material J s-1 cm-1 K-1D=k/c=e2/4tc Coeficiente de difusividad trmica cm2 s-1

ngulo usado en la funcin Bessel adimensional E Componente elctrica del haz haz lser V cm-1, N C-1

0 Amplitud de la componente elctrica V cm-1, N C-1 ngulo usado en la funcin de Green adimensional ngulo de difraccin del haz gausiano adimensional I Intensidad del lser W cm-2

I0 Amplitud de la intensidad del lser W cm-2

l Espesor de la celda cm

e Longitud de onda del lser de excitacin cm e Longitud de onda del lser de prueba cm e Radio de la cintura del lser de excitacin cm 1p Radio del lser de prueba en la muestra cm

m=1p/e Parmetro de ajuste adimensional n ndice de refraccin adimensional

P0 Amplitud de la potencia del lser W

Pe Potencia del lser de excitacin W

11

Smbolo Nombre Unidades Pp Potencia del lser de prueba W

Q(r) Calor generado debido a la absorcin ptica J s-1 cm-3

Valor medido del ajuste adimensional s(t) Camino ptico del lser de prueba adimensional

t tiempo s

tc=e2/4D Valor medido del ajuste (tiempo de relajacin

caracterstico o tiempo critico)

s

Up Intensidad compleja (lser de prueba) W/cm2

V=Z1/Zc Parmetro de ajuste adimensional

Radio del lser cm 0 Radio de la cintura del lser cm 0p Radio de la cintura del lser de prueba cm Z Eje de desplazamiento del haz del lser cm

Zc Distancia confocal cm

Z1 Distancia entre las cinturas de los laseres cm

Z2 Distancia de la muestra al plano detector cm

T Gradiente de temperatura K

dn/dT

Coeficiente de variacin del ndice de

refraccin

K-1

ds/dT Coeficiente de variacin del camino ptico K-1

12

NDICE

o Portada o Agradecimientos o Dedicatoria o Pensamiento o Glosario de Trminos o Glosario de Smbolos o ndice de Tablas o ndice de Figuras o ndice de Conceptos o Resumen o Abstract

13

NDICE DE TABLAS

Pgina

Captulo 1

Captulo 2

Captulo 3 Tabla 3.1 65 Captulo 4 Tabla 4.1 77 Anexo 1 Anexo 2 Anexo 3

14

NDICE DE FIGURAS

Pgina

Captulo 1

Figura 1.1 Procesos bsicos de la espectroscopia de lente trmica. 18

Figura 1.2 Diagrama representativo de un montaje de la espectroscopia

de lente trmica. 18

Captulo 2

Figura 2.1 El espejismo, es una ilusin ptica debida a la reflexin total interna 21

en el aire.

Figura 2.2 Primera seal de la lente trmica observada por Gordn. 23

Figura 2.3 Arreglo intracavidad en el cual se observa la celda dentro de la

cavidad resonante junto al material activo del lser. 23

Figura 2.4 Arreglo extracavidad con un solo lser en el cual se observa la muestra

fuera del lser, en este caso se utiliza una lente para enfocar el lser sobre la celda. 24

Figura 2.5 Arreglo experimental con dos lseres al cual se le llama modo acoplado. 25

Figura 2.6 Arreglo experimental con dos lseres al cual se le llama modo

desacoplado. 26

Figura 2.7 Distribucin Gausiana. 26

Figura 2.8 Efecto de la lente trmica en la muestra, iluminada por el haz de

excitacin. 27

Figura 2.9 Efecto de la lente trmica, observado al pasar el haz de prueba. 27

Figura 2.10 Formacin de la lente trmica a) convergente y b) divergente. 28

Figura 2.11 Divergencia de un haz Gausiano. 30

Figura 2.12 Representacin del modelo de la lente trmica para un arreglo

experimental en la configuracin de dos haces desacoplados. 31

15

Figura 2.13 Corrimiento de fase. 37

Figura 2.14 Corrimiento de fase. 39

Figura 2.15 Difraccin de Fresnel. 45

Captulo 3 Figura 3.1 Diagrama del montaje experimental de la lente trmica. 51

Figura 3.2 Fotografa del montaje experimental de la lente trmica. 52





Figura 3.7 Circuito electrnico del controlador del obturador. 55

Figura 3.8 Circuito pulsador para generar el pulso de disparo para el monoestable

y para el osciloscopio. 55

Figura 3.9 Circuito que vara el ancho del pulso de salida. 56

Figura 3.10 Variacin del ancho del pulso de salida. 56

Figura 3.11 Diagrama de tiempos. 57

Figura 3.12 Diagrama del circuito electrnico del amplificador de la seal

del fotodiodo detector. 58

Figura 3.13 Circuito electrnico del controlador del obturador y del

amplificador de la seal del fotodiodo. 59

Figura 3.14 Imagen del osciloscopio. 60

Figura 3.15 Obtencin de los datos en Microcal Origin. 61

Figura 3.16 Seal observada en el osciloscopio para el aceite de oliva. 61

Figura 3.17 Grafica del de la medicin de la cintura del lser. 64

Figura 3.18 Grafica ajuste experimental del desplazamiento a lo largo del

eje Z del pinhole para la medicin de la cintura del lser. 66

Figura 3.19 Fotografa del montaje experimental para la medicin de la

cintura del lser. 67

Figura 3.20 Grafica absorcin de la Rhodamina. 69

16

Figura 3.21 Ajuste experimental de la Rhodamina. 70

Figura 3.22 Fotografa donde se observa la fluorescencia de la Rhodamina. 70

Figura 3.23 Fotografa donde se observa la fluorescencia de la Rhodamina. 71

Figura 3.24 Diseo del detector del haz del lser, con un fototransistor. 72

Figura 3.25 Grafica del ajuste experimental del desplazamiento radial del pinhole. 72

Captulo 4 Resultados Experimentales Figura 4.1 Ajuste experimental del aceite de oliva. 75

Figura 4.2 Grafica absorcin del aceite de oliva por Fotoacstica. 76

Figura 4.3 Ajuste experimental del aceite de aguacate. 76

Figura 4.4 Ajuste experimental del aceite de aguacate refinado

a temperatura ambiente. 78

Figura 4.5 Ajuste experimental del aceite de aguacate a 1600C. 78


Figura 4.7 Ajuste experimental del aceite de maz aguacate a 1600C. 80


Captulo 5 Conclusiones

Apndice 1 Figura 1 Anlisis de la conduccin de calor. a) En coordenadas cartesianas y b) en

coordenadas cilndricas. 39

Apndice 2 Apndice 3

17

NDICE DE CONCEPTOS

Pgina

Resumen 16 Abstract 17 Captulo 1 Introduccin 18

Bibliografa 20

Captulo 2 Efecto de la lente trmica

2.1 Introduccin Histrica 21 2.2 Formacin de la Lente Trmica 26 2.3 Modelo Terico 28

2.3.1 Caractersticas del haz Gausiano 28 2.3.2 Modelo terico de la lente trmica (modo desacoplado) 30 2.3.3 Determinacin del gradiente de temperatura local en la

muestra (r,t) 32 2.3.4 Determinacin del gradiente del ndice de refraccin

(dn/dT) inducido por el gradiente de temperatura y corrimiento de fase del haz de prueba 33

2.3.5 Determinacin de la intensidad del campo elctrico del lser de prueba en el detector 36 2.4 Bibliografa 38

18

Captulo 3 Construccin y Montaje del Sistema de la Lente Trmica

3.1 Descripcin de la construccin 39 3.2 Diseo y construccin de circuitos electrnicos 40 3.3 Hardware y software 49 3.4 Descripcin del experimento de la lente trmica 3.5 Calibracin

Captulo 4 Resultados Experimentales

4.1 Preparacin de muestras 49 4.2 Procesamiento de los aceites Aceite de Oliva extravirgen Aceite de aguacate (refinado y tratado trmicamente, 160 0C y 1800C) Aceite de maz (refinado y tratado trmicamente, 160 0C y 1800C) Aceite de Soya refinado Aceite de Canola (refinado y tratado trmicamente, 160 0C y 1800C) 4.3 Resultados y discusiones

Captulo 5 Conclusiones

Apndice 1 Solucin de la ecuacin de calor por la 49 funcin de Green

19

Resumen

Se diseo y se construy la tcnica de la espectroscopia de lente trmica (L.T.), la cual es

altamente sensible y no-destructiva para el estudio de la difusividad trmica de aceites

vegetales extravrgenes, refinados y tratados trmicamente. Usamos la configuracin

experimental de dos lseres en el modo desacoplado, que mostr ser el montaje ms

sensible para nuestro estudio. Se construyeron circuitos electrnicos para la deteccin

ptica y para controlar un obturador, basado en el proceso de acortar el tiempo de

iluminacin, generando pulsos de 10 a 1000 ms aproximadamente permitiendo la eleccin

de la duracin del pulso dentro de este intervalo de tiempo. Se utilizo tambin un software

para el procesamiento de datos, determinando experimentalmente los tiempos

caractersticos del transiente de la lente trmica, luego de compararlo con las expresiones

tericas de la lente trmica; los resultados mostraron que los aceites de oliva presentan

mayor difusividad trmica que los aceites de maz, canola, y aguacate, refinados y tratados

trmicamente, estos ltimos aceites tratados trmicamente involucran destruccin de

enzimas las cuales tiene como consecuencia una desnaturalizacin irreversible debido a la

ruptura de sus enlaces qumicos, las cuales generan diferentes productos, y por lo tanto un

decrecimiento de la difusividad trmica en las muestras. Estos estudios de las propiedades

trmicas pueden contribuir a entender mejor la degradacin y la calidad de los aceites

comestibles los cuales son muy importantes en la industria de los alimentos.

20

Abstract

The time resolved thermal lens spectrometry is applied to the study of thermal diffusivity of

edible oils as olive, refined and thermally treated avocado oils. The two lasers mismatched

mode experimental configuration was used, with a He-Ne laser, as a probe beam and an Ar+

laser as the excitation one. The characteristic time constant of the transient thermal lens was

obtained by fitting the experimental data to the theoretical expression for transient thermal

lens. The results showed that virgin olive oil present higher thermal diffusivity than refined

and thermally treated avocado oils. This measured thermal property may contribute to a

better understanding of the edible oils quality, which is very important in food industry.

The thermal diffusivity value of extra virgin olive oil, obtained from this technique, agree

with those reported in the literature.

21

Captulo 1 Introduccin____________________ La espectroscopia fototrmica consiste de varias tcnicas y mtodos altamente sensibles

que tienen como base cambiar por fotoinduccin el estado trmico de una muestra. Los

principios bsicos responsables para la generacin de la seal fototrmica se muestran en la

figura 1.1. La radiacin ptica utilizada para excitar la muestra generalmente es un lser. La

muestra absorbe parte de la radiacin, resultando en un incremento en la energa interna.

Como consecuencia ocurre un cambio en la temperatura de la muestra. Si el cambio de

temperatura ocurre en un intervalo de tiempo menor que el mnimo exigido para la muestra

al se expandir o en algunos casos se contrae, el cambio en la temperatura resultara en una

variacin en la presin. Esta perturbacin ser disipada en forma de ondas acsticas [1].

Los tcnicas fototrmicas se basan en la medida de estas propiedades. En particular, estos

mtodos son fundamentados en la medida de un cambio del ndice de refraccin debido a la

variacin de la temperatura y la densidad de la muestra.

Figura 1.1 Procesos bsicos de la espectroscopia de lente trmica.

22

Una fraccin de la radiacin electromagntica absorbida por la muestra da como resultados

los procesos fsicos mostrados en la figura 1.2

Figura 1.2 Diagrama representativo de un montaje de la espectroscopia de lente trmica.

La luz incide inicialmente, de la cual slo una fraccin se absorbe, con lo cual puede

generar cuatro efectos bsicos, ellos son:

1. La Relajacin radiactiva - Es decir, una parte de la radiacin absorbida es reemitida;

2. La relajacin trmica - La fraccin absorbida se transforma en la energa de vibracin;

3. El estado metaestable

4. La reaccin qumica - La fraccin absorbida se usa para lograr reacciones qumicas,

Despus de los pasos 1, 2 y 3 la muestra sufre un calentamiento, en el paso 4 genera un

calentamiento de la muestra, as como un cambio qumico. As, los efectos trmicos pueden

ser descritos por:

5. Cambio en la temperatura de la muestra;

6. Cambio en la densidad;

7. Cambio en la Presin;

8. Cambio qumica.

23

A travs de las medidas de 5, 6, 7 y 8 los mtodos de espectroscopia fototrmica

proporcionan, generalmente de una manera cuantitativa, las propiedades pticas y trmicas

de la muestra estudiada.

Un mtodo fototrmico que mide la variacin del ndice de refraccin es llamada

espectroscopia de lente trmica (T.L.S.) o Lente trmica (T.L.). El principio de esta tcnica

es mostrado en la Figura 3 [ ]. Una luz de un haz de excitacin pasa a travs de la muestra

lquida, la luz es sintonizada a una lnea de absorcin del lquido, y una fraccin de la

energa es absorbida por la muestra. Las molculas son excitadas, por sus estados

vibracionales, rotacionales, o por sus estados electrnicos; las molculas excitadas pierden

energa en forma de calor a travs de procesos de relajacin no-radiactiva, por lo tanto el

calor generado es igual a la energa de excitacin. El calentamiento de la muestra provoca

cambios en el ndice de refraccin, esto se detecta por el hecho de la convergencia o

divergencia de un haz de prueba cuando pasa a travs de la muestra. Bajo condiciones de

equilibrio, el cambio de temperatura est relacionado con el ndice de refraccin. Las

mediciones de la convergencia o divergencia del haz lser despus de la formacin de la

lente trmica nos permite determinar el coeficiente de absorcin ptica de 10-7 a 10-6 cm-1,

la cual corresponde a la concentracin de 10-11 a 10-10 mol*L-1. Por lo que la espectroscopia

de lente trmica es ms sensible que la espectroscopia convencional. La lente trmica fue

reportada por primera vez por Gordon (1965) [2]. Cuando ellos observaron transientes de

potencia y cambios en la divergencia del haz en la salida de un lser de He-Ne despus de

atravesar una muestra transparente en una cavidad lser. El primer experimento con dos

laseres fue conducido por Grabiner (1972) [3] marcando la primera actividad en el anlisis

en gases. La espectroscopia de lente trmica aparece veinticinco aos despus como una

herramienta analtica, y esto debido a algunos problemas que fueron causados por

sofisticados equipos de lser, falta de accesorios seriales, alto requerimiento para el

personal y competicin con otros mtodos altamente sensibles. Sin embargo, a pesar de

estos problemas la espectroscopia de lente trmica ha sido consolidada por su importancia,

comprobacin y su viabilidad. El mtodo es ms sensible que la espectroscopia de

transmisin convencional por que amplifica el efecto fototrmico en la seal ptica medida

(cambio relativo en la intensidad del haz). El mejor desempeo de esta tcnica depende de

24

las propiedades trmicas y pticas de la muestra a estudiar y de las propiedades de bombeo

del lser de prueba. La L.T. tiene numerosas ventajas tales como su alta sensibilidad y es

no-destructiva, por lo que puede ser empleada para anlisis de muestras orgnicas e

inorgnicas, etc., siendo representada como un mtodo analtico con propiedades nicas. En

esta tesis aplicaremos la espectroscopia de lente trmica en una configuracin en modo

desacoplado para el estudio de la difusividad trmica de cuatro muestras de aceite

comestible (oliva, aguacate, maz y canola) refinados y tratados trmicamente. Esta

medicin de la propiedad trmica puede contribuir a entender la degradacin y la calidad de

los aceites comestibles, los cuales son muy importantes en la industria de la medicina,

cosmticos y en la industria de alimentos [4], [5] y [6]. El monitoreo de las propiedades

funcionales y la calidad de los aceites comestibles es un rea de investigacin que involucra

no solamente la cuantificacin de las propiedades fsicas y qumicas de los aceites y sus

cambios durante el proceso industrial, sino tambin otros diversos factores tales como la

degradacin de estos productos expuestos a temperaturas. La sensibilidad de los aceites a

cambios de temperatura permanece an desconocido, y la carencia de datos experimentales

de las propiedades trmicas nos indica que esta es un rea de investigacin prometedora.

En el captulo 2 de esta tesis haremos una revisin del efecto de la lente trmica, y su teora

de L.T en el modo desacoplado. En captulo 3, haremos una descripcin detallada de la

construccin de accesorios mecnicos, pticos, electrnicos, hardware, software, montaje

del sistema de la L.T. y calibracin. En el captulo 4 se describe en detalle los resultados y

discusiones experimentales obtenidas para los diferentes aceites analizados y finalmente en

el captulo 5 daremos nuestras conclusiones y perspectivas futuras de nuestras

investigaciones.

25

Bibliografa

1. Stephen E. Bialkowski, Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical Analysis,

John Wiley & Sons, Inc., New York, U.S.A. 1996.

2. J.P. Gordon, R.C.C. Leite, R.S. Moore, S.P.S. Porto and J.R. Whinnery, J. Appl.

Phys. 36 (1965) 3-8.

3. F.R. Grabiner, D.R. Sieber, G.W. Flynn, Chem. Phys. Lett. 17 189 (1972)

4. Clyde E. Stauffer, Fats & Oils, American Association of Cereal Chemists, Inc, St.

Paul, Minnesota, U.S.A.,1999.

5. Robert D. Reichert, Trends in Food Science & Technology, 13 (2002) 353-360.

6. Ida Soto, J. Ofelia Angulo, Rosa Ma. Oliart, Gerardo Valerio y Hugo S. Garca,

CIENCIA, (enero-marzo 2004) 66-75

26

Capitulo 2 Efecto de la lente trmica

2.1 Introduccin Histrica

Desde la antigedad se han observado efectos fototrmicos, la mayora de nosotros los

hemos observado. Un ejemplo muy peculiar del efecto fototrmico, es el espejismo ptico.

El cual es una ilusin ptica debida a la reflexin total interna de la luz en el aire, es comn

cuando el suelo es calentado por el sol de manera que el aire en contacto con el suelo est

ms caliente que el aire a mayor altura. La luz reflejada por un objeto encima del suelo es

refractada totalmente en forma interna por el aire caliente con lo cual se produce una

imagen. Observado principalmente en las zonas desrticas o calurosas [1]. Como se

muestra en la Figura 2.1.

Figura 1.3 El espejismo, es una ilusin ptica debida a la reflexin total interna en el aire.

27

En estas regiones, en ocasiones las carreteras parecen un espejo que refleja los rayos solares

y dan la impresin de tener charcos de agua. Ahora se sabe que la superficie aparentemente

brillante no se debe a la reflexin, sino que es un espejismo. La radiacin del sol es

absorbida por el asfalto resultando en un calentamiento de la superficie; la cual a su vez

transfiere la energa al aire que esta sobre ella. El aire se expande provocando que la

densidad y el ndice de refraccin disminuyan. Debido a que la velocidad de luz es ms

rpida en materiales con menor ndice de refraccin, la luz que incide en un ngulo rasante

se refracta hacia arriba. Un observador que mira la superficie en un ngulo rasante no ve la

superficie sino la luz reflejada por el objeto que se esta observando. Este efecto es conocido

como Efecto Mirage.

La tcnica fototrmica que estudia el Efecto Mirage es llamada Espectroscopia de

Deflexin Fototrmica (PDS), es decir un haz de prueba que pasa por la regin caliente de

la muestra es desviado a un determinado ngulo. Por otra parte la T.L. mide la variacin de

la intensidad en el tiempo, despus de que un haz lser de prueba pasa a travs de la

muestra.

Con el descubrimiento en la dcada de los 60s [2] del L.A.S.E.R por sus siglas en ingles

Light Amplified for Stimulated Emission of Radiation el cual es hoy conocido como lser,

se hicieron grandes avances en casi todos los campos del conocimiento como son: Fsica,

Qumica, Biologa, Arqueologa, Geologa, Medicina, etc. Este descubrimiento tambin

genero grandes cambios en los procedimientos utilizados para el estudio de la interaccin

de la radiacin con la materia, logrndose grandes avances en las mediciones de las

propiedades fsicas y qumicas de los materiales porque hasta entonces haba fuentes de

radiacin que slo emitan con igual intensidad para todas las direcciones. En cambio el

lser presentaba coherencia y distribucin espacial de la intensidad de la luz, permitiendo la

obtencin de una alta densidad de potencia por unidad de volumen, motivando as, a una

generacin de investigadores que lo empezaron a usar ampliamente en el estudio de los

materiales.

28

Los primeros arreglos con el lser para observar el fenmeno descrito anteriormente, se

hicieron primero con un solo lser, dentro de la cavidad (llamado arreglo intracavidad). En

la figura 2.2 tenemos la representacin del primer experimento realizado.

En esta figura esta representado el experimento de la L.T. observado en 1965 por Gordon et

al., en los laboratorios Bell Telephone de forma accidental. Entre los investigadores estaban

los brasileos R. C. C. Leite y S. P. S. Porto [3]. Al introducir un colorante dentro de la

cavidad de un lser de He-Ne, observaron que la intensidad en el centro del lser, en el

detector, sufra una variacin en la escala de milisegundos esto se deba a que la muestra al

ser calentada por el lser cambiaba la longitud de camino ptico de la luz, en la figura 2.3

se observa la primer seal de la lente trmica. La espectroscopia de lente trmica, es una

tcnica fototrmica de alta sensibilidad, que es utilizada principalmente para determinar los

parmetros pticos y las propiedades trmicas de los materiales.

Figura 1.4 Arreglo intracavidad en el cual se observa la celda dentro de la cavidad resonante junto al material activo del lser.

29

Figura 1.5 Primer seal de la lente trmica observada por Gordn. El efecto extra-cavidad se observ posteriormente por la dcada de los 70s por Whinnery y

Hu [4]. Ellos demostraron que el efecto de lente trmica inducida en la muestra fuera de la

cavidad del lser era ms simple de tratar desde el punto de vista terico, ofreciendo

ventajas con relacin al arreglo intracavidad, por ser ms fcil de construirse. La

configuracin experimental que ellos usaron se representa en la figura 2.4.

Figura 1.6 Arreglo extracavidad con un solo lser en el cual se observa la muestra fuera del lser, en este caso se utiliza una lente para enfocar el lser sobre la celda.

30

Las configuraciones experimentales han ido transformndose, desde que se utilizo un slo

lser, se investigaron varias formas de lograr una mxima sensibilidad en la seal, para ello

se hicieron arreglos con dos laseres, uno de los arreglos al cual le llamaron modo acoplado

[5]; es una configuracin experimental de la L.T., donde la celda se localiza en la posicin

confocal del haz de excitacin y del haz de prueba, y los radios de los dos haces son casi

iguales. Los cambios observados en el haz de prueba son exclusivamente debidos a la

refraccin por la TL. En esta configuracin el radio de curvatura del haz de prueba en la

posicin confocal es pequeo, y un cambio grande en el radio de curvatura puede

observarse la divergencia del haz de prueba. Sin embargo, la densidad de potencia del haz

de excitacin en la posicin confocal es pequea por un factor de dos con respecto al valor

de la densidad de potencia en la cintura del haz, debido al ensanchamiento del haz,

reducindose por lo tanto el gradiente de temperatura. Este arreglo se observa en la figura

2.5.

Figura 1.7 Arreglo experimental con dos laseres al cual se le llama modo acoplado.

Otro arreglo de los haces es el llamado modo desacoplado, en este arreglo la celda de la

muestra se pone en la cintura del haz de excitacin dnde la densidad de potencia y el

gradiente trmico del ndice de refraccin producido permiten observar una mejor seal [5]

El haz de prueba es enfocado fuera de la muestra, en esta configuracin el haz de prueba es

mas ancho que el de excitacin. El gradiente de temperatura y el ndice de refraccin varan

fuera del radio e del haz de excitacin afectando la propagacin del haz de prueba, debe

31

considerarse por lo tanto la naturaleza aberrante de la LT. Este arreglo se observa en la

figura 2.6. Esta configuracin del tipo desacoplado, fue usada en nuestros experimentos a

lo largo de la tesis.

Figura 1.8 Arreglo experimental con dos laseres al cual se le llama modo desacoplado.

2.2 Formacin de la Lente Trmica El principio fsico de la lente trmica consiste en que la luz incidente sufre un desvi en

la regin de mayor ndice de refraccin. Si tenemos el haz de excitacin con un perfil de

distribucin de intensidad del tipo Gausiano [6], como el mostrado la figura 2.7.

32

Figura 1.9 Distribucin Gausiana. Cuando una parte de su radiacin electromagntica es absorbida por la muestra y

convertida en calor, una variacin radial de la temperatura es inducida en la muestra, lo que

produce una variacin del ndice de refraccin de la muestra, iluminando en forma espacial

por una lente, como mostramos en la figura 2.8.

Figura 1.10 Efecto de la lente trmica en la muestra, iluminada por el haz de excitacin.

As, cuando pasamos otro haz lser, al cual lo llamaremos haz de prueba, sufre una

convergencia o divergencia, dependiendo de la naturaleza de la muestra utilizada, como se

muestra en la figura 2.9.

Figura 1.11 Efecto de la lente trmica, observado al pasar el haz de prueba.

Este efecto puede observarse en los slidos, lquidos y en los gases, cuando estos materiales

son muy transparentes. Cuando la variacin del ndice de refraccin (dn/dT) es negativo

33

tenemos una lente divergente y cuando es positivo tenemos una lente convergente como se

ilustra en la figura 2.10. Con esa variacin, ocurre un desvi en el haz del lser de prueba

cuando incide en la muestra, en este proceso de interaccin de la luz con la muestra, las

propiedades pticas y trmicas son perturbadas y por lo tanto pueden ser estudiadas [1].

Figura 1.12 Formacin de la lente trmica a) convergente y b) divergente.

2.3 Modelo Terico El modelo de lente trmica fue desarrollado considerando que los dos haces de lser tienen

un perfil de intensidad Gausiano. Por lo tanto, iniciaremos con la descripcin de la

intensidad de un lser en el modo transversal TEM00 o modo fundamental.

El modelo que describiremos enseguida ser desarrollado en el siguiente orden:

1).- Estudiaremos las caractersticas principales del haz Gausiano.

2).- Se desarrollara el modelo terico en sus condiciones de frontera

3).- Determinaremos su ndice de refraccin con la temperatura

4).- Determinremos la intensidad final del lser de prueba en le detector

2.3.1 Caractersticas del Haz Gausiano La disminucin de la amplitud del campo elctrico con la distancia radial al eje de un haz

Gausiano se describe por la ecuacin [7]:

34

( ) )zrexp(EE 2

2

0 = (1.1) La intensidad del haz esta dada por:

)2rexp(II(r) 2

2

0 = (1.2) Donde

20

0 2PI = (1.3)

Donde es la distancia radial en la cual la amplitud del campo elctrico decae a l/e y la intensidad I(r) disminuye en l/e2 del valor axial. El parmetro se llama radio del haz y P es la potencia del haz. Las fracciones de la potencia total del haz Gausiano que estn

contenidas en la apertura radial de r = r = 1.5, y r = 2 son respectivamente de 86.5%, 98.9% y 99.9%. Cuando un haz Gausiano incide por una apertura radial de 3, slo 10-6% de la potencia del haz es perdida por la obstruccin.

Considerado la propagacin de un haz Gausiano, podemos observar que tiene una

distribucin de intensidad a lo largo del eje de propagacin del haz, cambiando la anchura

del perfil de intensidad. El haz Gausiano se reduce a un dimetro mnimo de 20 en la cintura del haz, donde la fase del frente de la onda es plana. Si medimos la anchura del haz

a una distancia z de esta cintura, la ley de la dispersin para el haz asume una forma simple.

El rayo del haz a una distancia Z de la cintura se dispersa como una hiprbola que tiene la

forma:

21

2

cZz1e

21

2

2z1e(z)

+=+=e

(1.4)

Siendo una asntota inclinada con un ngulo /2 con respecto al eje, segn se muestra en la figura 2.11. El ngulo de total de divergencia para el modo fundamental esta dado por:

( )2e2

21.272e

2z

z2limz

=== (1.5)

35

De estas consideraciones, para puntos muy distantes, el radio del haz aumenta linealmente

con z, y el haz diverge en un cono de ngulo constante . Un punto ms interesante aqu es que, cuanto ms pequeo es el radio del haz e en la cintura, mayor ser su divergencia [7].

Figura 1.13 Divergencia de un haz Gausiano. Cuando la onda propagndose esta suficientemente alejada de la cintura del lser, tiene el

frente onda esfrica, pareciendo salir de un punto en la cintura del eje del haz. Si R(z) es el

radio de curvatura del frente de onda que intercepta el eje en z, entonces:

+=+=2

zcZ1z

2

z

21zR(z)

e (1.6)

Es importante notar que en el frente del haz Gausiano la onda tiene la misma fase en toda la

superficie.

Es conveniente especificar el parmetro confocal como:

2e

2b

cZ == (1.7)

En donde b es la distancia entre los puntos de cada lado de la cintura del haz para la cual

(z) = 2 e, y Zc es la distancia confocal del haz lser, como se observa en la figura 2.11.

36

2.3.2 Modelo Terico de la lente trmica (modo desacoplado)

En la configuracin en el modo desacoplado, la muestra se ilumina por dos haces de lser,

figura 2.12. Para obtener la mayor densidad de potencia en la muestra, el haz de excitacin

es enfocado en la muestra a travs de una lente. El aumento de temperatura es producido a

travs de la conversin de la energa absorbida en calor. La variacin del ndice de

refraccin con la temperatura presenta un perfil radial similar a una lente, llamada la "lente

trmica". El lser de prueba tiene la cintura en el origen del eje Z.

En este arreglo la sensibilidad del experimento aumenta en funcin del incremento de la

razn entre los dimetros de los lseres de prueba y de excitacin en la muestra.

Figura 1.14 Representacin del modelo de la lente trmica para un arreglo experimental en la configuracin de dos haces desacoplados.

La posicin de la cintura del haz de prueba es tomada como el origen a lo largo del eje Z.

37

Una muestra de longitud l es colocada en Z1. El plano del detector es posicionado en Z1+ Z2. La cintura del haz de prueba es 0p, los radios de los haces de prueba y de excitacin en la muestra son 1p y e respectivamente.

En la espectroscopia de L.T el aumento de temperatura es una de las variables ms

importantes, sin embargo el valor absoluto es difcil de calcular usando tanto el modelo

terico de la lente trmica aberrante o por el modelo terico parablico, una vez que en

ambos se considera la muestra con dimensiones infinitas, en donde el equilibrio de la lente

trmica no pueda ser alcanzado. Esta dificultad est relacionado con la solucin de la

ecuacin de difusin de calor que exige que la variacin de temperatura inducida por la

lente sea finita y por lo tanto nula en la interfase muestra-aire o muestra-soporte [1].

Para el desarrollo del modelo terico de la lente trmica en el modo de configuracin desacoplada se deben considerar las siguientes suposiciones.

El espesor de la muestra debe ser menor que la distancia confocal Zc del lser de

prueba, esto asegura que los radios de los haces sea constante a travs de la celda.

Las dimensiones de la muestra deben ser mayores que el radio del haz de

excitacin e para evitar efectos en la frontera. La potencia absorbida por la muestra debe ser baja a fin de evitar corrientes de

conveccin en la muestra (en caso de que la muestra sea un liquido).

dn/dT que es el coeficiente de variacin del ndice de refraccin con la temperatura,

no debe variar en el interior de la muestra.

Para el desarrollo del modelo terico de lente trmica seguiremos los siguientes pasos:

Determinacin del gradiente de temperatura local en la muestra (r,t). Determinacin del ndice de refraccin (dn/dT) inducido por el gradiente de

temperatura.

38

Determinacin de la intensidad del campo elctrico del lser de prueba en el detector I(t). Utilizaremos la teoria de la difraccin de Fresnel para

propagacin del lser de prueba de la muestra hasta el plano detector.

2.3.3 Determinacin del gradiente de temperatura local

en la muestra (r,t) El calor inducido por la absorcin parcial del lser de excitacin por la muestra en el

intervalo entre r y r +dr, se representa por Q(r).

Donde Q(r) depende radialmente de la ecuacin [5]:

Q(r) = 2AI(r)dr (1.8) Donde A es el coeficiente de absorcin de la muestra en cm-1.

La ecuacin de transferencia de calor es la siguiente.

( )[ ] ( )[ ] ( )krQtr,T2tr,TtD1 = (1.9) Considerando las condiciones de frontera:

(r,0) = 0, esto significa que, para un tiempo igual a cero no hay ninguna variacin de temperatura en la muestra, el lser esta apagado.

Una vez que el lser de excitacin es encendido, ( , t) = 0 en (t > 0), esto significa que, la variacin de temperatura tiende a cero cuando el radio tiende a

infinito [10].

Donde c, , y k se definen como: calor especifico (J g-1 k-1), densidad (g cm-3) y la conductividad trmica (J s-1 cm-1 k-1) de muestra respectivamente. En el anexo 1 estn los detalles para obtener la ecuacin de transferencia de calor.

Para resolver la ecuacin de transferencia de calor utilizamos la funcin de Green.

( )

+= 2Dt

rr0I

4Dt2r2r

ekt 41t,rr,G (1.10)

Con la cual obtenemos la distribucin de temperatura. [5],

39

( ) ( ) ( ) =0

t

0dtdrt,rr,GrrQ 2tr,T (1.11)

Sustituyendo la ecuacin 2.10 en la ecuacin 2.11

( ) drt2Drr

0It

0 0

4Dt1

2e22r

redtt4Dt

2re

2ek

AePtr,T

+

=

(1.12)

La segunda integral es una integral de Watson [8]

( ) )r(a0J)ria(0I donde,24p

2a

e22p1

0rdr

2rpear0J =

= (1.13)

Donde a y p2 son las siguientes.

+== 4Dt1

2e

22p ,t2Djra (1.14)

Sustituyendo la ecuacin 2.13 en la ecuacin 2.12 obtenemos.

( ) dtt0 t8D2e

22rexpt8D2e

1k

ADe2Ptr,T ++=

(1.15)

Usando la sustitucin.

4D2ect = (1.16)

Donde tc es llamado el tiempo critico.

Finalmente se obtiene la variacin T(r,t) de la temperatura en la muestra, inducida por el lser de excitacin, la cual puede ser expresada como.

( ) dtt0 c/tt21

2e/

22rc/tt21

12ec

Ae2Ptr,T ++=

(1.17)

40

2.3.4 Determinacin del gradiente del ndice de refraccin (dn/dT) inducido por el gradiente de temperatura y corrimiento de fase del haz de prueba

La variacin del ndice de refraccin de la muestra con la temperatura se describe como.

t)T(r,dTdn

0nt)n(r, += (1.18) Para una muestra homognea la longitud del camino ptico s(r,t) es funcin de la

temperatura T.

s(T)=n(T)l(T) (1.19) La variacin de la longitud del camino ptico en la muestra se observa en la siguiente

figura.

Figura 1.15 Corrimiento de fase

La variacin relativa del camino ptico entre los planos de incidencia y de salida despus

de la absorcin de la energa del lser de excitacin con respecto a los ejes.

41

[ ] t)(r,t)n(r,t)(r,t)(0,t)(r,t)n(r,t)s(r, llll += (1.20) Donde l(0,t)- l(r,t) es el camino ptico a travs del aire en (r,t), tambin tememos la siguiente ecuacin.

t)T(r,0T

Tt)(r,

= ll (1.21)

Expandiendo en serie de Taylor tenemos.

[ t)T(0,t)T(r,0T

Tn

0TT0

10n0t)s(r,

+=

lll ] (1.22)

Donde l0 es el espesor de la muestra y n0 es el ndice de refraccin a la temperatura inicial T0, de esta ecuacin se obtiene.

0TTn

0TT0

10ndTds

+

= ll (1.23)

Donde ds/dt es el coeficiente de temperatura de la longitud del camino ptico.

Al propagarse el haz de prueba a travs de la lente trmica se produce una distorsin en el

frente de onda.

Esta distorsin puede ser expresada como un corrimiento de fase adicional , la cual tambin puede ser asociada con la variacin en la longitud del camino ptico con respecto a

los ejes.

Sustituyendo la ecuacin (2.23) en la ecuacin (2.22) tenemos.

[ t)T(0,t)T(r,dTds0t)s(r,2p ] == l (1.24) Despejando tenemos.

[ t)T(0,t)T(r,dTds0p2 = l ] (1.25)

Sustituyendo la ecuacin (2.17) en la ecuacin anterior tenemos

42

++=

t0

dtc/tt21

2e/

22rexp1

c/tt211

ct (1.26)

Donde.

dTds

pk0eAeP

l= (1.27) La amplitud compleja de la componente elctrica de la onda electromagntica del haz de

prueba en el frente de la muestra se expresa como [5].

( )

+= 2

1p

2r

1pR2r

12Zpjexp

1p1

p2P

1Zr,pU (1.28)

Donde 1p es el radio del haz de prueba en medio de la muestra tomado a la distancia Z1 del origen ubicado en la cintura de dicho haz, como se observa en la figura 2.12.

R1p es el radio de curvatura del haz de prueba en medio de la muestra cuando Z = Z1, como

se observa en la figura 2.11.

El haz de prueba saliendo de la muestra tiene un corrimiento de fase adicional .

( )

+= 2

1p

2r1pR2r

pjBexp1Zr,pU (1.29)

Donde.

= 1Zp

2jexp1p1

p2PB (1.30)

En la siguiente figura se observa este corrimiento de fase.

43

Figura 1.16 Corrimiento de fase.

2.3.5 Determinacin de la intensidad del campo elctrico del lser de prueba en el detector

Cuando el haz de prueba sale de la muestra se propaga en direccin al detector y puede ser

tratado utilizando la teora de difraccin de Fresnel.

Considerando el centro del haz de prueba en le detector, la amplitud compleja, y usando

coordenadas cilndricas, tenemos [5]. Anexo (Teora de Fresnell)

( ) ( ) rdr2Z2r

pjexp

0 1Zr,pU2Zp

2jexp2Zp

j2t,2Z1ZpU

=+ (1.31)

Haciendo

2Zp2jexp

2Zpj2BCy 2

1prg

== (1.32)

Obtenemos.

44

( ) dg 0

g2Z

21p

1pR

21p

pjgexpCt,2Z1ZpU

++=+

(1.33)

En la siguiente figura se observa el comportamiento del haz de prueba al llegar al detector.

Figura 1.17 Difraccin de Fresnel. De las ecuaciones (2.4 y 2.6) obtenemos 1p y R1p

1/Z2cZ1Z1pRy

2

cZz120p

21p

+=+= (1.34)

Donde:

p

20p

cZ = (1.35) Por lo tanto obtenemos:

V12V2ZcZV

2

2Z1Z1

2ZcZ

cZ1Z

2Z1

1pR12

1pp =++=++=+

(1.36)

45

Donde:

VV entonces ,cZ2 Zcuando ,cZ1ZV = (1.37)

Sustituyendo la ecuacin (2.36) en la ecuacin (2.33).

( )[ ] dgje0

gjV1expCt),2Z1(ZpU

+=+ (1.38) Donde:

( ) j1j-exp tantolopor 1, >> (1.39) La ecuacin (2.38) nos queda:

( )[ dg0

gjV1)expj(1Ct),2Z1(Z1U +=+ ] (1.40)

Haciendo

2

e1pm

= (1.41)

Sustituyendo la ecuacin (2.41) en la ecuacin (2.26).

++=

t

0dt

c/tt212mgexp1

c/tt211

ct (1.42)

Sustituyendo la ecuacin 2.42 dentro de la 2.40 e integrando sobre g y luego el resultado

obtenido lo integramos sobre t, posteriormente de este resultado se obtiene la intensidad

del lser. I(t)=|U1(Z1+Z2,t)|2.

Falta ver las notas de portugus a Shen

46

( ) ( )( )[ ]

( )( ) 210I donde

2V22m1

2V2c2t/t12m/1ln4

2

2V2m1/2tct2V22m1

2mV1tan21

I(0)tI

jVc

+=

++

++++

+++

++

=

(1.43)

Donde tenemos que:

2

e1pm

= ; cZ2 Zcuando ,cZ1ZV = ; 4D

2ect = y dT

dspk

0eAePl=

Esta ecuacin se aproxima a:

( ) ( )

2

2V2m1/2tct2V22m12mV1tan2

1I(0)tI

+++++= (1.44)

47

2.4 Bibliografa



2. (laser)

3. J.P. Gordon, R.C.C. Leite, R.S. Moore, S.P.S. Porto, and J.R. Whinnery, J. Appl.

Phys. 36 (1965) 3-8.

4. C. Hu, and J.R. Whinnery, Appl. Opt. 12 (1973) 72.

5. J. Shen, R.D. Lowe, and R.D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1991).

6. Scott Christensen, Henry C. Kapteyn, Margaret M. Mumane, and Sterling Backus,

Review of Scientific Instruments, 73(2002) No.5

7. (intensidad y geometria del laser)

8. (Watson)

48

Capitulo 3 Construccin y Montaje del Sistema de la Lente Trmica

3.1 Descripcin de la construccin Para disear y construir el sistema del conjunto experimental de la L.T. se llev a cabo el

siguiente orden:

1.- Montaje Mecnico a) Se disearon y se construyeron los siguientes accesorios:

Bases.- consisten en placas planas construidas de latn y pintadas con un bao

trmico, para evitar reflexiones de la luz lser.

b) Mesas: mesas pequeas de aluminio y acero inoxidable para sustentar los laseres.

c) Sujetadores: estos sujetadores fueron de latn pintados con un bao trmico, estos

sirven para fijar las bases planas del inciso a).

d) Porta bases de aluminio para soportar los espejos y lentes de nuestro sistema.

2.-Montaje ptico a) Se hicieron espejos de alta reflexin para el visible. Pelculas finas de aluminio

crecidas en substratos de vidrio por evaporacin. La planicidad de tales filmes fue

de /4. b) A travs de los espejos se llev a cabo el alineamiento del conjunto de los laseres y

lentes.

Mejorarla

49

El alineamiento ptico ver figura 3.1 se hizo utilizando una regla, escuadras y

transportador, primero se hizo un alineamiento y fijacin del lser de prueba de He-Ne, este

haz se alineo a una determinada altura fija con respecto al haz del lser de excitacin (Ar+),

posteriormente se hicieron coincidir los dos haces colinealmente ensentidos opuestos en

una placa de vidrio (el ngulo entre los dos haces fue 1.5o ); finalmente se uso un espejo de

ajuste x,y para hacer ajustes finos y correcciones de alineamiento, posteriormente se

colocaron una lente de 25 cm de foco para el lser de prueba y enseguida se enfoco, una

segunda lente de 10 cm para el lser de excitacin; para lograr el alineamiento colineal

perfecto para nuestros experimentos.

3.2 Diseo y construccin de circuitos electrnicos La generacin y utilizacin de pulsos de luz largos o cortos constituye un campo muy

importante en las tcnicas fototrmicas [1]. Hoy en da existe un gran nmero de

dispositivos para cortar la luz entre ellos estn el obturador, chopper y Q-Switching etc.,

que producen pulsos luminosos del orden de KHz y actualmente con sistemas ms

complejos llegan al orden de 100 fs (femtosegundos) y 1 ps (picosegundos) [2].

Debido a la falta de componentes para recuperar un obturador comercial se ideo un circuito

alternativo con duracin de 10 a 1000 ms. El circuito consiste en crear pulsos cortos

mediante un obturador electromecnico de la marca Oriel modelo 76993. Se hace accionar

este obturador automticamente o manualmente. Una muestra lquida se expone al pulso

generado producindose un gradiente trmico por medio de un lser de excitacin o sea un

lser de Ar+. A travs de un lser de prueba incidiendo en esta regin, es posible obtener el

camino prtico del lser de prueba de He-Ne y por lo tanto detectar este atraso de fase por

medio de un detector, esta seal de voltaje se registra a travs de un osciloscopio y despus

es llevada a una computadora donde se registran y procesan los datos [3,4].

En las siguientes figuras se muestra el montaje experimental de la lente trmica y varias

fotografas en diferentes ngulos del montaje, en estas fotos se observa la mesa ptica, el

control del obturador, el obturador, los dos laseres, el fotodetector, el osciloscopio, la

computadora, las lentes y los espejos para dirigir los haces de los laseres y finalmente se

50

observa la muestra entre las dos lente y los dos laseres, la cual nos permite por medio del

fotodiodo observar la seal en el osciloscopio.

Figura 0.1 Diagrama del montaje experimental de la lente trmica.

En las siguientes figuras se muestran las fotografas del montaje experimental de la

lente trmica.

Figura 0.2 Fotografa del montaje experimental de la lente trmica.

51



52



53

Puesto que la rapidez de la variacin de la seal solo depende del atraso temporal por lo

que tanto el detector como el osciloscopio no necesitan ser particularmente rpidos.

Actualmente existen obturadores comerciales de marca Oriel o Newport, sin embargo estos

obturadores son complejos y caros. Por lo que se propuso hacer un circuito alternativo para

obtener pulsos cortos. Este dispositivo utiliza fotodetectores comerciales, integrados, que

son ms econmicos.

De hecho el detector realiza las funciones de acortar el pulso y llevarlo directamente a la

entrada de disparo del osciloscopio.

En este captulo presentamos el diseo y construccin del circuito controlador del

obturador, basado en el proceso de acortar el tiempo de iluminacin.

La electrnica del circuito nos permite generar pulsos de 10 a 1000 ms permitiendo la

eleccin de la duracin del pulso dentro de este intervalo de tiempo. En seguida

presentaremos una descripcin del diseo electrnico, as como otros circuitos electrnicos

asociados al control de la lnea de retrazo y a la deteccin de la seal ptica.

Figura 0.7 Circuito electrnico del controlador del obturador.

En las siguientes figuras se muestra paso a paso como funciona el controlador del

obturador.

54

Figura 0.8 Circuito pulsador para generar el pulso de disparo para el monoestable y para

el osciloscopio.

.

Figura 0.9 Circuito que vara el ancho del pulso de salida.

55

Figura 0.10 Variacin del ancho del pulso de salida.

Figura 0.11 Diagrama de tiempos.

56

En la figura 3.7 mostramos el circuito electrnico alternativo en detalle para el control del

obturador. El diseo es diferente al circuito del controlador del obturador marca Oriel

modelo 76993 [6]. En cuanto a la electrnica se utiliza un circuito con un integrado modelo

LM 555 (U2), en la configuracin monoestable que se dispara con una espiga de voltaje, la

cual entera a travs de la terminal 2, generada por la resistencia R3 y el capacitor C3 que se

carga cuando se oprime un pulsador como se muestra en la figura 3.8; En la salida del

monoestable obtenemos un pulso que podemos variar por medio de un potencimetro R4 mostrado en la figura 3.9; de esta salida obtenemos un pulso de de 5.5 Volts con un

intervalo temporal que puede variar de 10 a 1000ms. Este pulso se enva a travs de un

optacoplador 4N33 (U3) y un transistor mostrado figura 3.7, lo cual asegura que no halla

interferencia con otros equipos al momento de accionarlo. El temporizador est en una

configuracin monoestable debido al arreglo en serie R4 (potencimetro), R5 y C4 a travs

de las terminales 6 y 7 ver figura 3.9. La salida del temporizador a travs de la terminal 3 es

un pulso cuya duracin la determina el potencimetro R4. Podemos hacer barridos

temporales de 10, 100, 500, 1000 ms como se muestra en la figura 3.10, con frecuencia de 1

Hz o menos, dependiendo del experimento y de la muestra [7-10].

Es importante tener en cuenta que el pulso de salida es cuadrado, con un voltaje de seal de

5.5 V. El pulso de salida invertido que sale del colector del transistor (T) sirve para activar

la bobina del obturador (OB) como se muestra en la figura 3.7. La corriente en la bobina

del obturador es de 380 mA, la cual fue medida con un voltmetro. La funcin del diodo de

emisor de luz (LD2), es mantenido encendido mientras el obturador est abierto, para

indicarnos la duracin del pulso como se muestra en la figura 3.7, los pulsos obtenidos del

lser de Argn, operan a 514 nm y potencia de 40 mW, son producidas con un tiempo de 1s

o menos.

Finalmente en la figura 3.11 se muestra un diagrama de tiempos que nos indica el retrazo

temporal a travs del circuito electrnico para la generacin del pulso, desde que se genera

la espiga hasta que se obtiene el pulso invertido con el que se acciona el obturador.

57

Figura 0.12 Diagrama del circuito electrnico del amplificador de la seal del fotodiodo

detector.

La seal del detector es generalmente muy dbil, por lo que se necesita amplificar para

obtener un buen nivel de salida. Dado que el ruido es tambin un problema, entonces se

dise y construy un circuito amplificador operacional dual LM532 de baja potencia para

amplificar la seal y eliminar ruido. Este dispositivo permite una amplificacin mas elevada

y por tanto una mejor relacin de seal-ruido. Por medio de un interruptor se puede controlar

la salida del pulso a una cierta intensidad y enviar un voltaje proporcional a la foto-corriente

generada que es enviada a un osciloscopio para su visualizacin junto con una seal de

disparo. La Figura 3.12 muestra el diagrama del circuito amplificador empleado. El

fotodiodo es de Si-Ge, dispositivo comercial modelo MRD500, detecta fotones de 632.8 nm

(en el pico de sensibilidad mxima) de luz infrarroja y roja.

En la siguiente figura se muestra la fotografa del circuito electrnico del controlador del

obturador y del amplificador de la seal del fotodiodo.

58

Figura 0.13 Circuito electrnico del controlador del obturador y del amplificador de la

seal del fotodiodo.

3.3 Hardware y Software Automatizacin.

Se hace por medio de una tarjeta que sirve de interfase para conectar el osciloscopio con la

computadora y as capturar los datos por medio de este sistema automatizado de

adquisicin.

Transferencia de imgenes y datos.

En la computadora esta instalado un software que es un paquete llamado Scopelnk.exe que

transforma los datos digitales del osciloscopio en archivos de datos e imgenes.

Los archivos de datos son procesados posteriormente con un paquete llamado Microcal

59

Origin de elaboracin de grficos y estadistas cientficas para ajustar y analizar las medidas

experimentales por medio del modelo terico matemtico de la lente trmica.

Imagen del osciloscopio observada con el paquete Scopelnk Imagen de la pantalla del paquete Scopelnk y descripcin.

Figura 0.14 Imagen del osciloscopio.

Imagen del osciloscopio observada con Microcal Origin

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.120.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Sea

l (V)

Tiempo (s)

Figura 0.15 Obtencin de los datos en Microcal Origin.

60

0.016 0.017 0.018 0.019 0.0200.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Sea

l de

la le

nte

term

ica

(Vol

ts)

Tiempo (s)

Figura 0.16 Seal observada en el osciloscopio para el aceite de oliva.

3.4 Descripcin del experimento de la lente trmica Para la realizacin de los experimentos de la espectroscopia de L.T. utilizamos el arreglo

experimental en el modo desacoplado representado en la figura 3.1.

Los laseres utilizados fueron:

1. Argn; Ion Lser Technology, modelo 5500 ACM-01, utilizado como lser de

excitacin, con una potencia de 40 mW y una longitud de onda de 632.8 nm

2. He-Ne, unifase, como lser de prueba; con una potencia de 4 mW y una longitud de

onda de 514.5 nm.

Utilizamos para los experimentos fotodiodos que poseen respuesta lineal para la variacin

de la intensidad de la luz y con tiempos de respuesta en la escala de ms descritos

anteriormente. El osciloscopio utilizado fue de la marca Hewlett-Packard, modelo 54502A,

400 MHz, equipado con memoria para almacenamiento de datos. El fotodiodo conectado al

61

osciloscopio fue utilizado como mecanismo de disparo para iniciar la adquisicin de los

datos a partir del inicio de la formacin de la L.T. mostrada en la figura 3.1.

Las lentes L1 y L2 son montadas en las bases para permitir un perfecto alineamiento de dos

haces. Todo el sistema fue montado sobre una mesa ptica, tamao aproximado de 1.5 m x

2m. La excitacin del lser de excitacin en la muestra fue controlada por el obturador

descrito anteriormente, accionado por seales digitales provenientes de la puerta de

comunicacin paralela del microcomputador Pentium 133 MHz. El sistema de adquisicin

fue una tarjeta de comunicacin del tipo GPIB (Zianthec patron IEE488) comandada por

instrucciones de cdigo, ejecutada en el ambiente grafico Windows. El lser de prueba,

despus de pasar por la muestra, fue desviado a travs de los espejos M3-M5 para el

fotodiodo conectado al sistema de adquisicin de datos. Un diafragma con abertura de 2

mm fue colocado sobre el fotodiodo posibilitando analizar solamente el centro del has del

lser. El ngulo de inclinacin del lser de prueba en la muestra fue aproximadamente de

1.5 grados con respecto al has de excitacin. Un filtro con banda pasante en 632.8 nm fue

posicionado en la frente del fotodiodo 2, para impedir que la luz ambiente o la del lser de

Argn contribuyan en la seal. Para los experimentos llevados a cabo en este trabajo

seguiremos los siguientes pasos:

Inicialmente la muestra es posicionada en la cintura del lser de excitacin que es de

aproximadamente de 10 cm de la cintura del lser de prueba, conforme se muestra en la

figura 2.12. En seguida a travs del espejo M5 realizaremos el alineamiento del modo que

el centro del lser de prueba pase por el diafragma, que se encuentra en la abertura del

fotodiodo 2. Maximiza entonces la seal del detector, a travs del ajuste del espejo M5.

Durante este proceso del lser de excitacin esta interrumpido a travs de un antepaso

posicionado antes del espejo M1. El prximo paso a seguir es permitir que el lser de

excitacin pase a travs de la muestra. Para que se obtenga un perfecto alineamiento, la

lente 1 es ajustada de modo que lser de excitacin pase por el centro de lser de prueba.

En esta fase pueden ocurrir dos situaciones: la muestra presenta ds/dT negativo, el lser de

prueba se vuelve divergente al pasar por la lente trmica de la muestra y por lo tanto la

seal en el fotodiodo 2 disminuye su seal; caso contrario la seal en este detector

aumentar. Por lo tanto el proceso de alineamiento consiste siempre en minimizar la seal

del lser de prueba despus de pasar por LT. Cuando ds/dT sea negativo a minimizarlo si

62

ds/dT fuera positivo. Una vez obtenido el alineamiento, el experimento en el modo

transitorio puede ser realizado automticamente con el control electrnico del obturador. Al

abrirlo la seal generada en el detector es almacenada en funcin del tiempo como una

curva caracterstica del tiempo de la formacin de la LT es transferida hacia el computador.

Otro procedimiento puede ser adoptado en la realizacin de la medida en el estado

estacionario. Esta condicin es obtenida considerando que t= en la ecuacin (2.10). Experimentalmente la media en el estado estacionario es obtenida aproximadamente 15 ms

despus de la formacin de la LT.

3.5 Calibracin Para determinar los parmetros geomtricos de nuestro sistema se realizaron 3

mtodos descritos a seguir.

1) Determinacin de los parmetros geomtricos del sistema usando un pinhole.

Mejorarla Obtenida la curva experimental para el transiente de la lente trmica, haremos uso ahora de

la ecuacin 2.2, con la finalidad de obtener los parmetros fsicos geomtricos de la

configuracin experimental adoptada. En este procedimiento realizaremos la medicin de

las cinturas de haz y el radio del mismo, determinado a travs de un experimento en el cual

el pinhole (orificio) de aproximadamente 10 m de dimetro es posicionado al frente de un detector. De esta forma monitoreamos la intensidad del centro del haz del lser en

diferentes posiciones a lo largo del eje Z conforme esta representado en al figura 3.17.

63

Figura 0.17 Grfica del de la medicin de la cintura del lser.

La intensidad de un lser Gausiano, TEM00 (modo fundamental) a lo largo del eje Z puede

ser representado como:

=

(z)2

22rexp(z)2

2PI(r) (0.1)

2(z)= o2[1+(Z/Zc)2] (0.2) Para el radio del has de la posicin Z.

La potencia en el detector puede ser descrita como:

=

0det I(r)rdr2P

Las ecuaciones anteriores, de la potencia del haz, o es el radio de la cintura (z=0) y r es la coordenada radial.

Como el pinhole tiene un dimetro mucho menor que el del haz lser, permite pasar

solamente el centro del has, permitiendo as que el detector describa un cambio en la

intensidad en funcin de la posicin a los largo del eje z.

64

Pdet(z)=2P2/2(z) [

0 10 20 30 40 50

0

2

4

Data: Data1_BModel: gaus Chi^2 = 0.06368R^2 = 0.97153 P1 4.5 0P2 22.48186 0.17055P3 7.02356 0.17505

Y A

xis

Title

X Axis Title

B

Figura 0.18 Grafica ajuste experimental del desplazamiento a lo largo del eje Z del

pinhole para la medicin de la cintura del lser.

Figura 0.19 Fotografa del montaje experimental para la medicin de la cintura del lser.

66

Potencia del lser de excitacin (Pe) 40 mW

Potencia del lser de prueba (Pp) 4 mW

Cintura del lser de excitacin (e) 40 4m

Cintura del lser de prueba (0p) 1607 m Cintura del lser de prueba (0p) 1907 m

Distancia confocal del lser de excitacin -------

Distancia confocal del lser de prueba -------

m 22.54

V 0.62

e 514.5 nm p 632.8 nm Tabla 3.1 parmetros geomtricos utilizados en le experimento.

2) Calibracin por muestra conocida Una segunda calibracin para conocer los parmetros termo-pticas de la lente trmica

consiste en usar una solucin conocida, es decir, conociendo todas sus propiedades pticas

y trmicas del lquido conocido, podemos conocer los parmetros ptico-trmicos de otra

muestra conocida. Para esto preparamos una solucin estndar de Rhodamina 6G (3.47 x

10-3 moles) en una mezcla de metanol + etil glicol (8.5 x 10 7) moles. La absorbancia de la

solucin estndar fue medida usando un espectrmetro UV/visible-3101PC (Shimadzu),

con lo cual encontramos una absorbancia de 0.42284 cm-1 en 514.5 nm las constantes

termopticas del etil glicol fueron usadas para determinar los parmetros de ajuste tc, [1], los valores termopticos usados para el etil glicol fueron de dn/dT=2.75x10-4K-1, k=2.7x10-

3 J s-1 cm-1 K-1, Estos valores estn de acuerdo con nuestros resultados experimentales. La difusividad trmica en la literatura para el etil glicol es de 1.04x10-3 cm2/s. Este valor esta

de acuerdo con D=(1.08 0.05)x10-3 cm2/s obtenido de los valores de tc determinado por el ajuste del transiente de la lente trmica. Ya verificado este valor de la difusividad trmica D

67

y conociendo tc del ajuste podemos determinar el parmetro e de 50m que es muy parecido al determinado tericamente. Otro parmetro ptico que podemos determinar por

este mtodo es el coeficiente de absorcin ptica A conociendo , k y dn/dT de la formula 2.27 podemos determinar A. Este valor de A lo podemos verificar del espectro de absorcin

obtenido de la Rhodamina 6G, por lo tanto las dos valores del coeficiente de absorcin

pueden ser comparados. En la figura 3.18 mostramos el espectro de la absorbancia de una

solucin estndar de la Rhodamina 6g usando un espectrmetro 3101PC (Shimadzu). En la

Fig. 3.19 mostramos el diagrama del transiente de la lente trmica obtenido para la mezcla

Rodamina 6g + etil glicol + metanol.

350 400 450 500 550 6000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Coe

ficie

nte

de a

bsor

cin

Longitud de onda (nm)

Expectro de absorbancia de la Rodamina 6G

Figura 0.20 Grafica absorcin de la Rhodamina por espectroscopia de absorcin optica.

Falta el espectro fotoacstico para el coeficiente de absorcin.

68

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.35

0.40

0.45

0.50

Tiempo(s)

In

tens

idad

de

la s

eal

(Vol

ts)

I0 0.47088 0.65046m 22.54215V 0.62057tc 0.00646

Datos experimentales

Ajuste del modelo teoricoa los datos experimentrales

Figura 0.21 Ajuste experimental de la Rhodamina.

Figura 0.22 Fotografa donde se observa la fluorescencia de la Rhodamina.

69

Figura 0.23 Fotografa donde se observa la fluorescencia de la Rhodamina.

3) Calibracin por barrido radial de un pinhole frente a un lser estacionario Mejorarla

Una tercera calibracin empleada fue usando un pinhole de 10 m sujeto a un trasladador tridimensional. Un lser estacionario fue colocado prximo a la abertura de un pinhole este

pinhole fue barrido radialmente aproximadamente con pasos de 1 m de tal forma que la intensidad del lser fue detectada por un fototransistor que fue construido en el laboratorio

vea Fig. 3.24. En la figura 3.25 mostramos el perfil Gausiano obtenido junto con su ajuste

70

terico. Obtuvimos el radio de la cintura del haz con un valor igual a 44.67 m, con error del 1.16 % comparado con el terico.

Figura 0.24 Diseo del detector del haz del lser, con un fototransistor.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

0

5

10

15

20

25Data: Data1_BModel: Gauss Chi^2 = 0.47504R^2 = 0.99049 y0 0.17943 0.16656xc 0.18244 0.00053w 0.04467 0.00117A 1.16097 0.03091

Y A

xis

Title

X Axis Title

B

Figura 0.25 Grafica del ajuste experimental del desplazamiento radial del pinhole.

71

3.6 Bibliografa



2. (laser)

3. J.P. Gordon, R.C.C. Leite, R.S. Moore, S.P.S. Porto, and J.R. Whinnery, J. Appl.

Phys. 36 (1965) 3-8.

4. C. Hu, and J.R. Whinnery, Appl. Opt. 12 (1973) 72.

5. J. Shen, R.D. Lowe, and R.D. Snook, Chem. Phys. 165, 385 (1991).

6. Scott Christensen, Henry C. Kapteyn, Margaret M. Mumane, and Sterling Backus,

Review of Scientific Instruments, 73(2002) No.5

7. (intensidad y geometria del laser)

8. (Watson)

72

Capitulo 4 Resultados Experimentales En este capitulo, el conjunto experimental de la L.T. es usada para investigar la difusividad

trmica de 4 muestras de aceite vegetal las cuales son, aceites de aguacate, maz, canola

refinados y tratados trmicamente y el aceite extravirgen de oliva.

(Aqu faltara procesamiento de los aceites)

INTRODUCCION DE LIPIDOS Y ACEITES.

Los lpidos son caracterizados por su pequea solubilidad en agua y considerable

solubilidad en solventes orgnicos, propiedades fsicas que reflejan la naturaleza hidrofbica

de una estructura hidrocarbonada. Siendo una clase de compuestos heterogneos, los lpidos

se clasifican tradicionalmente en :

a) Acilgliceroles

b) Ceras

c) Fosfolpidos

d) Esfingolpidos

e) Glicolpidos

f) Lpidos terpenoides

Incluyendo los carotenoides y los esteroles . Todos estas clases se encuentran grandemente

distribuidas en la naturaleza.

ACIDOS GRASOS.

Asociado a la mayora de los lpidos, aparece como principal componente, el cidos

graso conteniendo un nmero par de tomos de carbono (de 4 a 30) en cadenas rectas,

generalmente saturadas, pero que pueden contener de uno a seis dobles enlaces, casi siempre

en configuracin cis.

Los acidos grasos de origen animal presentan generalmente una estructura bien simple,

tienen cadena recta, la cual puede contener hasta seis dobles enlaces. Los cidos grasos de

73

bacterias pueden ser saturadas, monoenoicos, de cadena ramificada, o contener un anillo de

ciclopropeno (el A. lactobaclico). Por otro lado, los cidos grasos de vegetales son bastante

variados y pueden contener enlaces acetilnicos, epoxi-hidroxi y cetogrupos o anillos de

ciclopropano.

REACTIVIDAD. La reactividad qumica de los cidos grasos refleja la accin del grupo

carboxlico, de otros grupos funcionales y el grado de insaturacin de la cadena.

cidos grasos libres son poco frecuentes en la clula y aparecen, en su gran mayora

sobre la forma de esteres (triacilgliceroles y fosfolpidos). Los enlaces de estos son sensibles a

hidrlisis cida, que es reversible, o alcalina que es irreversible. La ltima etapa de la

hidrlisis alcalina es irreversible, pues en presencia de exceso de base, el cido esta en la

forma de anin totalmente disociado, el cual no tiene tendencia a reaccionar con alcoholes. En

la hidrlisis cida, el sistema es totalmente reversible en todas las fases alcanzando el

equilibrio. Por lo tanto las bases fuertes en la saponificacin para hidrolizar los enlaces de

ster de los lpidos simples o complejos.

Los acidos grasos libres se disocian en agua.

omo pKa = - log Ka la fuerza del Acido es determinada por la disociacin del protn. El pKa

cos saturados naturales que tienen de 1-8 tomos de carbono, son

quido

+ + HRCOORCOOH[ ][ ]

[ ]RCOOHHRCOOKa

+=

C

de la mayora de los cidos grasos es de orden de 4,76 - 5,0. cidos ms fuertes tienen

valores de pK ms bajas y cidos ms dbiles valores ms altos. La concentracin efectiva de

un cidos es tambin un factor importante. El cidos Actico tiene sus propiedades de ms

fcilmente medidas por ser ms soluble en agua. El cidos palmtico con su cadena carbonada

lateral larga e hidrofbica, es casi insoluble en agua, en consecuencias sus propiedades cidos

no son fcilmente medidas.

Los cidos carboxli

l s, en cuanto que los que tienen ms carbonos son insolubles. El Acido esterico funde a

70 C; la introduccin de un doble enlace, como en el cidos Oleico, causa una baja en el punto de fusin para 14 C y la adicin de ms dobles enlaces disminuye ms todava. Cuando la cadena hidrocarbonada de un Acido Graso contiene un doble enlace, surge el fenmeno de

74

isomera geomtrica. La mayora de los Acido grasos insaturados son encontrados en la forma

de ismeros menos estables cis y no de ismero trans, ms estable.

Estructualmente la cadena carbnica de un cido graso saturado tiene una configuracin de zig

zag como fu indicado con enlaces de C-C formando un ngulo de 109 C.

O

O

TRIACILGLICERIDOS O LIPIDOS.

nombra con el sufijo de inaAbundantes 15% de su composicin. Se tripalmitina, triolena o

triolecilacilglicrido. Mixtos se nombran sn-gliceril 1-linoleato-2 Estearato-3 palmitato o 1-

linolil-2 Estearil -3 palmitina, de cuando se tiene dos iguales 1,2 diestearil -3 lauritina.

CH2-O-C-R1

CH

CH2-O-C-R3

R2-C-O

O

O

O

ANUFACTURA DE GRASA Y ACEITES.

M

ificados, cuyo tejido adiposo se somete a un

roceso

Las grasas provienen de los animales sacr

p trmico para romper las clulas y liberar su contenido; los aceites vegetales se

producen a partir de las semillas oleaginosas, por prensado o con diferentes disolventes como

el hexano.

75

Limpieza

a

cin

bonosas)

n

ional)

a extraccin se obtienen grasas y aceites, llamados crudos, que n as,

d,

ESGOMADO.-

rillado Descasca

cin Tritura

iento Calentam

cin Extrac

Destilacin Harin

tiza Desolven Aceite Crudo Recup. del

rotenicos disolvente Derivados p Desgomado (Lecitina)

zacin (Pastas ja Neutrali

racin Decolo

rizaci Desodo

acin (opc Hibern

finado Aceite Re

En la primer ontiec en una cierta cantidad de impurezas tales como cidos grasos libres, proten

carbohidratos, agua, fosftidos y otros que contribuyen al calor, sabor, olor, inestabilidaespumado y otras caractersticas desables e indeseables (Tocoferoles).

D Retirada de protenas, carbohidratos, fosftidos y el agua. Se aade 2-3%

EUTRALIZACION.-

de agua al lpido y se calienta la mezcla a 60-70 C; la fraccin acuosa se separa por centrifugacin o por decantacin lenta.

N Eliminar los cidos grasos libres que contengan los aceites, pero

tambin reducir los monoglicridos y los fosfolpidos que pudieran hacer quedado. Se

adiciona NaOH al 12-15% en la cantidad precisa, previamente determinado en el laboratorio.

El aceite se mezcla con sosa y se calienta a travs de intercambiador de calor, hasta 60-70 C,

76

producindose una pasta jabonosa que se separa por centrifugacin. Los resduos de jabones se

separan por lavado con agua caliente y separado por centrifugacin.

DECOLORACION.- Se realiza por proceso de absorcin utilizando diversos agentes

absorbentes como Arcillas activas, cidas, neutras, o carbn activado.

El proceso consiste en calentar la mezcla del agente abosrbente y el aceite a 80-90 C durante 15 a 20 minutos para eliminar la humedad y activar el material, posterior o se hace

circular por un filtro prensa; para obtener por un lado el aceite y por el otro el absorbente que

puede regenerarse para volverlo a usar. Los pigmentos que se separan son las xantfilas, los

carotenoides y las clorofilas, gosipol y el beta caroteno que se separan por absorcin.

DESODORIZACION.- Este paso consiste en eliminar sustancias voltiles responsables de

los olores indeseables del aceite que provienen generalmente de las reacciones de oxidacin,

en su mayora son cetonas y aldehdos, de bajo peso molecular. El proceso consiste en calentar

el aceite a 150-160 C y arrastrar con vapor desareado, esto a presiones reducidas (5 mmHg), aunque en ocasiones le aaden antioxidantes o agentes secuestradores, como el cidos Ctrico

para eliminar la accin catalizadora de los metales en los mecanismos de oxidacin.

HIBERNACION.- Las fracciones de cidos Grasos saturados de punto de fusin alto es

separado para evitar que el lpido se enturbie al enfriarse. A travs del enfriamiento rpido

hasta 15 C que va acompaado de una agitacin para favorecer la formacin de cristales pequeos.

DETERIORO DE LOS LIPIDOS.

Las grasas y los aceites pueden sufrir diferentes transformaciones que adems de

reducir el valor nutritivo del alimento producen compuestos voltiles que imparten olores y

sabores desagradables; esto se debe a que el enlace ster de los acilglicridos es susceptible a

la hidrlisis qumica y enzimtica, y a que los cidos grasos insaturados son sensibles a

reacciones de oxidacin. El grado de deterioro depende del tipo de grasa o de aceite; en

trminos generales lo que ms se deterioran son los de origen marino seguido por los aceites

vegetales y por ltimo las grasa animales.

77

LIPOLISIS.

Mediante esta reaccin, catalizada por las enzimas lipolticas llamadas lipasas y en

ciertas condiciones, por efecto de las altas temperaturas, se liberan cidos grasos de los

triglicridos y de los fosfolpidos.

-En semilla cruda se da con mayor intensidad esta liplisis con el objeto de suministrar

nutrimentos y as fortalecer la germinacin.

- Durante la extraccin de aceite se favorece esta liplisis siendo eliminada durante la

refinacin.

- La lipasa en la leche est asociada de manera natural con las miscelas de casena y cuando se efecta su homogenizacin se pone en contacto la enzima con los glbulos de grasa de manera que si no se pasteuriza o esteriliza inmediatamente, se favorece la liplisis. - A diferencia de otras reacciones enzimticas, la liplisis se puede efectuar en condiciones

de actividad acuosa muy baja, como la que prevalece en la harina de trigo; esto se debe a que

los triglicridos estn en estado lquido teniendo una gran movilidad, favoreciendo el contacto

con las lipasas y reaccionando.

AUTOOXIDACION

Consiste principalmente en la oxidacin de los cidos grasos con dobles ligaduras, pero se

llega a efectuar con otras sustancias como la vitamina A. Recibe el nombre de autooxidacin

pues es un mecanismo que genera compuestos que a su vez mantienen y aceleran la reaccin;

entre los productos sintetizados se encuentra algunos de peso molecular bajo que le confiere el

olor caracterstico a las grasas oxidadas y otros cuya toxicidad todava est en estudio. La

autooxidacin se favorece a medida que se incrementa la concentracin de cidos grasos

insaturados (o el ndice de iodo).

Debido a que los fosfolpidos contienen una concentracin alta de cidos grasos

poliinsaturados, la oxidacin de los lpidos se inicia generalmente en esta fraccin, siendo ms

susceptible a esta reaccin que los propios triglicridos. Los cidos grasos libres, junto con el

perxido sirven como catalizadores de las reacciones de autoxidacin; como la luz ultravioleta

que favorece estos cambios.

La aw de 0,4 sirve como filtro de oxgeno evitando la autooxidacin, por ser como

monocamada BET, aw > 0,4 pierde el filtro y acelera la reaccin, aw > 0,4 - 0,8 se favorece la

reaccin por el contacto y movilidad de los reactivos, aw > 0,8 disminuye por tener dilucin de

78

los metales y por precipitarse como hidrxidos. Su mecanismo de reaccin se lleva a cabo en

tres etapas; iniciacin propagacin y terminacin.

Inicio RH

371 2005 cicata-legaria maestria cabajal valdez rigoberto

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