Реологические свойства дисперсных систем

Основные понятия и определения реологии

Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела: атомов, молекул, частиц дисперсной фазы. В коллоидной химии понятия структуры и структурообразования принято связывать с коагуляцией свободнодисперсных систем, в процессе которой происходят образование пространственной сетки из частиц дисперсной фазы и увеличение прочности системы. В результате такая система может перейти в связнодисперсную. Появление и характер структур, как правило, определяют, исследуя механические свойства систем, важнейшими из которых являются вязкость, упругость, пластичность, прочность, — их принято называть структурно-механическими. Изучать эти свойства позволяют методы реологии — науки о закономерностях развития деформаций в материальных системах.

Для характеристики свойств дисперсных систем из всех видов деформаций в данном учебнике будем использовать только деформацию течения. При течении величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянной силы F, обусловливающей напряжение сдвига Р. Напряжение сдвига равно силе F, отнесенной к поверхно;

F.

сти, к которой она приложена Р = —. Сила F действует по касательной.

S

к поверхности тела, вызывая смещение одних его слоев относительно других. По этой причине Р еще называют тангенциальным напряжением (рис. 11.1).

Рис. 71.7. Действие тангенциального напряжения (напряжения сдвига) и развитие деформации сдвига Напряжение, действующее перпендикулярно поверхности тела называют нормальным.

Если напряжение сдвига приложить к какой-то части жидкости (газа), то жидкость будет перемещаться и в ней возникнет градиент скорости, максимум которой будет приходиться на точку приложения силы. Так, если жидкость, протекающую по капилляру, условно разделить на концентрические слои, то окажется, что они движутся с разными скоростями. Скорость движения слоя, непосредственно прилегающего к стенке (слой Прандтля), за счет сил адгезии равна нулю, тогда как центральный слой жидкости движется с максимальной скоростью.

Возникает градиент скорости — в направлении, перпендикулярном Ах dU

направлению движения жидкости (при Ах —> О градиент равен —).

dx

Градиент скорости возникает из-за того, что между слоями жидкости действуют силы внутреннего трения, противодействующие перемещению молекул друг относительно друга (один слой тормозит движение соседних и т. д.). Если течение жидкости таково, что градиент скорости прямо пропорционален напряжению сдвига, то такие жидкости называют ньютоновскими жидкостями. Для них выполняется закон течения Ньютона:

Здесь Р — напряжение сдвига, вызывающее течение жидкости; dU/dbc — градиент скорости, ц — коэффициент вязкости, который для краткости называют вязкостью (динамической вязкостью). Величину ц/р называют кинематической вязкостью, где р — плотность жидкости. Физический смысл г — это сила трения поверхности, равной 1 м², при градиенте скорости, равном единице.

Вязкость, или внутреннее трение, характеризует способность тел оказывать сопротивление внешнему напряжению, вызывающему течение. Чем больше вязкость жидкости, тем «неохотнее», т. е. с меньшей скоростью она течет под действием одного и того же напряжения. Действительно (рис. 11.2):

— = v — относительная деформация течения; v' — скорость развития dx

деформации течения. Тогда закон течения Ньютона можно записать в виде.

В системе СИ значения ц выражают в Па • с. Для газов вязкость изменяется в пределах 1—100 мкПа • с, для воды при 20 °C r = 1 мПа • с. Часто используют и внесистемную единицу измерения вязкости — пуаз — [П] = [г/(см-с)]. Вязкость воды при 20 °C равна 0,01 П, или одному сантипуазу (сП). Зависимость реологических свойств от различных факторов выражают в виде реологических кривых (кривые течения): Л = Д-Р) или dU/dx =/(Р).

Согласно уравнениям (11.1) и (11.2) для ньютоновских жидкостей наблюдается линейная зависимость dU/dx (см. рис. 11.2).

Рис. 11.2. Реологические кривые для ньютоновских жидкостей.

Это означает, что вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от напряжения сдвига и равна котангенсу утла наклона (ctg а) прямой на рис. 11.2; при ламинарном их течении г| зависит лишь от температуры и природы жидкости.