АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Прочность и вязкость дисперсных систем

Прочитайте:
  1. A) Строение проводящей системы сердца
  2. A. Перекрити систему, покликати лікаря
  3. E Аномалії розвитку нервової системи
  4. II. Средства, влияющие на ренин-ангиотензиновую систему
  5. III. Препараты, действующие на Рении-ангиотензнвную систему.
  6. IV. Патология нейроэндокринной системы.
  7. IV. Система изложения
  8. IV. Средства, понижающие активность глутаматергической системы
  9. IX. Дыхательная система
  10. IX. Система HLA

Свободнодисперсные жидкообразные системы обладают вязкостью и способны течь. Вязкие тела текут при любом напряжении сдвига Pτ, которое выражается уравнением

Pτ= F/B, (11.4)

где F — сила вязкого сопротивления; В — площадь, на которую распространяется действие этой силы.

Течение вязких тел определяется законом Ньютона:

(11.5)

где η — коэффициент вязкости; dy/dt — изменение деформации во времени (скорость деформации).

Если обозначить скорость деформации через g, то в соответствии с формулой (11.5) вязкость системы равна

η = Pτ/ . (11.6)

Вязкость свободнодисперсных систем растет по мере увеличения концентрации дисперсной фазы. Присутствие частиц дисперсной фазы приводит к искажению потока жидкости вблизи этих частиц, что влияет на вязкость дисперсной системы. Если концентрация незначительна, то столкновение частиц исключается, и характер движения жидкости около одной из частиц повлияет на движение жидкости вблизи других. В этих условиях для определения вязкости свободнодисперсных систем можно воспользоваться формулой Эйнштейна

η = η0(1 + к v об); η/η0= 1 + к v об, (11.7)

где η, η0— коэффициент вязкости свободнодисперсной системы и дисперсионной среды; к — коэффициент, зависящий от формы частиц, для сферических частиц к = 2,5; v об— объемная концентрация дисперсной фазы, определяемая по формуле (1.10).

В соответствии с формулой (11.7) вязкость свободнодисперсной системы увеличивается по мере роста объемной концентрации частиц дисперсной фазы. Вязкость золя коллоидов диффузионного сока при производстве сахара в зависимости от массовой концентрации изменяется следующим образом:

 

Массовая концентрация, 10–2г/м3, 0,54 1,31 1,62

Вязкость, 103Па∙с 1,109 1,291 1,150

При увеличении массовой концентрации примерно в 1,5 раза вязкость увеличивается всего в 0,4 раза.

Согласно формуле Эйнштейна вязкость раствора не зависит от размеров частиц сферической формы, если они меньше размеров прибора, определяющего вязкость, и намного больше размеров молекул дисперсионной среды. Впоследствии была показана справедливость этой формулы для частиц, имеющих форму эллипсоида, диска, гантели и других трехмерных частиц; для таких частиц изменяется лишь численное значение коэффициента к.

Формула Эйнштейна справедлива при отсутствии деформации частиц, если концентрация дисперсной фазы не превышает 6%.

При увеличении объемной концентрации сферических частиц до 30% в условиях взаимного столкновения частиц для определения вязкости можно воспользоваться следующей формулой:

η = η0(1 + 2,5 v об+ 14,7 v 2об). (11.8)

Эта формула отличается от формулы Эйнштейна последним членом.

Существует ряд других формул, позволяющих с достаточной степенью точности определить вязкость свободнодисперсных систем в зависимости от концентрации и формы частиц дисперсной фазы.

При сопоставлении формул (11.7) и (11.8) видно, что по мере увеличения концентрации дисперсной фазы линейная зависимость между вязкостью и концентрацией нарушается. Тем не менее, вязкость подобных систем при данной концентрации остается постоянной. Подобные системы называют ньютоновскими (в отличие от неньютоновских).

Течение и вязкость неньютоновских жидкостей, которые называют еще аномальными жидкостями, зависят от внешнего воздействия (напряжения сдвига). Вязкость является величиной переменной для данной концентрации и уже не определяется соотношением (11.5) или (11.6).

Рассмотрим особенности движения структурированных твердообразных систем (рис. 11.5). На этом рисунке показана зависимость вязкости и скорости движения (или скорости деформации) от внешнего напряжения.

Рис. 11.5. Зависимость скорости течения v (а) и коэффициента вязкости h (б) от внешнего усилия Р:

Р r— предел прочности; Р к1— предел упругости; Р к2— условный (бингамовский) предел прочности; Р m— напряжение, соответствующее полному разрушению структуры; hmax— наибольшая вязкость практически неразрушенной структуры; hmin— наименьшая вязкость предельно разрушенной структуры; 1 — для жидкообразных тел

 

Кривые η = f (P) (см. рис. 11.5, б), называют полными реологическими кривыми течения структурированных дисперсных систем. Каждое значение вязкости на этих кривых соответствует равновесному состоянию этих систем (в том числе в случае их разрушения) в стационарном ламинарном потоке.

Возможны четыре состояния структурированных дисперсныхсистем, соответствующие четырем участкам кривых, изображенных на рис. 11.5. Участок I соответствует условию 0 < Р < Рк1к1— предел упругости). В этом состоянии течение отсутствует, и внешнее воздействие не может нарушить прочность системы. При дальнейшем увеличении напряжения, когда Р > Рк1, система начинает течь (участок II). Скорость перемещения в этом случае незначительна, связи между частицами после их разрушения успевают вновь восстановиться. Структура не разрушается, наблюдается лишь перемещение частиц относительно друг друга. Подобное перемещение называют ползучестью. Вязкость системы в условиях ползучести будет наибольшая, практически она будет соответствовать вязкости неразрушенной структуры.

Так, для конфетной массы типа «Батончики» при давлении 105Па (1 атм) и температуре 301 К вязкость равна 800 Па∙с, т.е. она в 8∙105раз превышает вязкость воды.

Скорость движения системы в условиях ползучести определяется по формуле

v = кP/η, (11.9)

где к — коэффициент, характеризующий структурные особенности дисперсной системы.

Третье состояние дисперсной системы характеризуется процессом разрушения структуры при напряжении, равном пределу прочности Рr. Необратимое разрушение структуры начинается на границе участков II и III, а на границе участков III и IV оно заканчивается. В этом состоянии дисперсной системы связи между частицами не восстанавливаются, вязкость снижается, а скорость движения системы увеличивается. Для этого случая скорость движения системы определяется при помощи следующей формулы:

(11.10)

На участке IV структура разрушена полностью (или образуются отдельные агрегаты частиц, ориентированные в потоке). Вязкость в этом состоянии становится постоянной, а ее значение — минимальным (ηmin). Скорость движения системы с разрушенной структурой увеличивается пропорционально внешнему воздействию Р. Напряжение, характеризующее потерю прочности и полное разрушение структуры, обычно обозначают через Рm.

Напряжение Рк2можно определить, если продолжить прямую участка IV (см. рис. 11.5, а) до пересечения с осью абсцисс. Величину Рк2называют условным (бингамовским) пределом, прочности.

Следует подчеркнуть, что на рис. 11.5 приведены реологические кривые течения твердообразных тел, когда соблюдается условие (11.3). Скорость перемещения жидкообразных тел в зависимости от внешнего воздействия показана на рис. 11.5, а [пунктирная кривая 1, проходящая через начало координат в соответствии с условием (11.2)].

При отсутствии структуры скорость была бы пропорциональна внешнему давлению, что соответствует линейной зависимости между v и Р (пунктирная прямая 1 2 на рис. 11.5, а). Такая зависимость характерна для ламинарного течения ньютоновской жидкости.

Вязкость структурированных систем определяется скоростью движения этих систем и тем внешним воздействием, которое заставляет систему течь. Вязкость является величиной переменной и изменяется от максимального ηmaxдо минимального ηminзначения.

С увеличением внешнего воздействия происходит нарушение, а затем полное разрушение структурированной системы, что сопровождается уменьшением вязкости. Минимальная вязкость достигается тогда, когда структура связнодисперсной системы полностью разрушается.

Вязкость свободнодисперсных систем (в отсутствие деформации самих частиц) является величиной постоянной и не зависит от скорости течения и внешнего воздействия. Структурированные связнодисперсные системы обладают аномальной вязкостью, которая определяется внешним воздействием. Если такого воздействия нет или оно незначительно (участок I на рис. 11.5, б), то структура сохраняется и течение отсутствует.

В отличии от истинных ньютоновских жидкостей, течение которых описывается уравнениями (11.4) и (11.5), а их вязкость является величиной постоянной, вязкость структурированных жидкообразных систем зависит от внешнего воздействия в интервале Рm< Р < Рr. Подобные структурированные системы называют неньютоновскими (бингамовскими) жидкостями.

Подсолнечное масло является жидкообразной структурированной системой. Изменение вязкости подсолнечного масла в зависимости от скорости деформации dg/dt [см. формулу (11.5)] характеризуется следующими данными:

 

Скорость деформации, с–1 0,4 10,4 200,4 3255,0

Вязкость, Па∙с 35,6 1,78 0,11 0,03

Из приведенных данных следует, что вязкость подсолнечного масла может изменяться в 104раз.

Изменение вязкости широко используется на практике. Для перекачки связнодисперсных систем необходимо создать такую скорость, которая соответствовала бы минимальной вязкости. Это позволит осуществлять транспортировку продукта по трубопроводу с минимальными затратами внешнего усилия. При перевозке в емкости, наоборот, требуется, чтобы продукт был структурированным и имел максимальную вязкость.


Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 606 | Нарушение авторских прав







При использовании материала ссылка на сайт medlec.org обязательна! (0.01 сек.)