Реологічні властивості дисперсних систем. В’язкість. Ньютонівські та неньютонівські рідини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

Реферат

Реологічні властивості дисперсних систем. В'язкість. Ньютонівські та неньютонівські рідини

Виконала:

Пономаренко Т.Ю.

Перевірила:

Плясовська Е.А.

Дніпропетровськ 2015

Реологія -- наука про текучість і деформацію суцільних середовищ (наприклад, звичайних в'язких рідин і рідин аномальної в'язкості, гірських порід, суспензій, гідросумішей тощо). Термін «реологія» ввів американський учений Юджин Бінгам, якому належать важливі дослідження реологій рідин і дисперсних систем. Офіційно термін «реологія» прийнятий на 3-му симпозіумі по пластичності (1929, США), однак, окремі положення реології як науки були встановлені задовго до цього. Реологія вивчає розвиток деформаційних процесів у часі, які призводять до практично рівноважних станів або до стаціонарної течії (релаксаційним явищам).

Класична механіка однофазних (суцільних) середовищ виділяє наступні найважливіші властивості фізичних тіл: пружність, в'язкість, пластичність, міцність, повзучість, релаксація та інші, які називаються механічними. Всі різноманітні ДС у різній мірі володіють вищенаведеними параметрами однофазних тіл. Механічні властивості, які характерні для ДС, називаються реологічними. Завдання реології, як науки, полягає у з'ясуванні зв'язків між напруженнями і деформаціями в конкретній точці ДС в певний момент часу при відомих зовнішніх силах, що діють на систему. Під терміном "деформація" розуміють відносне переміщення точок системи під впливом будь-яких сил. Точкою системи називається такий матеріальний об'єм середовища, всі точки якого мають постійну швидкість.

Напруження- це сила, віднесена до площі дії, яка при по­ділі на дві складові - нормальну (розтяг, стиск) і дотичну дає два види напружень - нормальне і дотичне.

Нормальне механічне напруження (напруження розтягу-стиску) -- прикладене на одиничну площинку перерізу зразка, по нормалі до перерізу (позначається \sigma).

Дотичне механічне напруження (напруження зсуву) -- прикладене на одиничну площинку перерізу зразка, у площині перерізу (позначається \tau).

Поняття напруження у вигляді двох складових -- нормальної та дотичної -- допомагають зрозуміти види руйнування тіла. Нормальне напруження зумовлює відрив частинок однієї від іншої в умовах розтягу. Дотичне напруження відповідно зумовлює їх взаємний зсув. Пружні деформації поділяються на об'ємні, зсувні і деформації кручення. Якщо напруження пропорційно деформації , то таке тіло називається ідеально пружнім (описується законом Гука). Величина модулів обумовлюється властивостями матеріалу, зовнішніми навантаженнями і, можливо, часом. Якщо модулі Е та G не залежать від навантаження і часу, то вони рахуються константами для даного матеріалу. Модулі Е та G називається реологічними характеристиками системи.

При постановці реологічних задач, переважно, представляють інтерес деформації формозміни - пружні деформації зсуву. Кожна структурована система підпорядковується закону Гука до певної границі зростання напруження, яка називається границею пружності. Якщо напруження перевищує цю границю, то наступає новий вид деформації - пластичні деформації, які не завершуються повністю після зняття напруження. При певних напруженнях може наступити розрив суцільності тіла. Напруження, яке відповідає цьому моменту називається границею міцності структури. Якщо границя міцності близька до границі пружності, то тіло називається крихким. Якщо ці характеристики сильно відрізняються, тобто в тілі виникають достатньо великі пластичні деформації, то тіло називається пластичним. Великі пластичні деформації називаються ще пластичною течією. Тоді границя міцності називається границею текучості. Пластичні деформації є незворотними.

Структуровані системи характеризуються в'язкістю - коефіцієнт пропорційності між величиною дотичних напружень і швидкістю деформування. Всім структурованим системам в реальних умовах характерні в різній мірі пружні, пластичні і в'язкі властивості. Акцентуючи перевагу одних властивостей над іншими, вводять такі позначення тіл: пружньо-в'язкі, пружньо-крихкі, пружньо-в'язко-пластичні, тощо. Всі реологічні коефіцієнти системи (Е,у G, ) залежать від температури.

В'язкість або внутрішнє тертя -- властивість рідких речовин (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої.

Одиниця вимірювання динамічного коефіцієнта в'язкості -- Пуаз.

В'язкість рідин - це результат взаємодії внутрішньомолекулярних силових полів, що перешкоджають відносному рухові двох шарів рідини. Отже для переміщення шару один відносно одного треба подолати їх взаємне притягання, причому чим воно більше, тим більша потрібна сила зсуву. При відносному зсуві шарів у газовому середовищі, в результаті перенесення молекулами газу кількості руху під час їх переходу з шару в шар, виникає дотична сила між шарами, що протидіє проковзуванню останніх. Таким чином, внутрішнє тертя в рідині, на відміну від газів, зумовлене не обміном молекул, а їх взаємним притяганням. Доказом цього є те, що із збільшенням температури, як відомо, обмін молекул зростає і тертя в газах зростає, а в рідинах спадає у зв'язку із послабленням міжмолекулярного притягання. В'язкість твердих тіл має низку специфічних особливостей і зазвичай розглядається окремо.

Загальна характеристика. Згідно із законом Ньютона для внутрішнього тертя в'язкість характеризується коефіцієнтом пропорційності між напруженням зсуву і градієнтом швидкості руху шарів у перпендикулярному до деформації зсуву напрямку (поверхні шарів):

Коефіцієнт називають динамічний коефіцієнт в'язкості або абсолютною в'язкістю. Одиниця вимірювання динамічного коефіцієнта в'язкості -- Па*c, Пуаз (0,1Па·с). Кількісно динамічний коефіцієнт в'язкості дорівнює силі F, яку треба прикласти до одиниці площі зсувної поверхні шару S, щоб підтримати в цьому шарі ламінарну течію із сталою одиничною швидкістю відносного зсуву.

Типи в'язкості.

Закон Ньютона для в'язкості, наведений вище, є класичною моделлю в'язкості. Це не основний закон природи, а наближення, що має місце для деяких матеріалів і не підтверджується для інших. Неньютонівські рідини мають значно складніший зв'язок між напруженням зсуву і градієнтом швидкості, ніж проста лінійність. Тому, для різних видів рідин застосовують різні моделі в'язкості:

Ньютонівська рідина: рідина, така як вода і більшість газів, що має стале значення динамічної в'язкості.

Дилатантна рідина: рідина, в'язкість якої із зростанням градієнту швидкості зростає (глиняні суспензії, солодкі суміші, гідрозоль кукурудзяного крохмалю, системи пісок/вода).

Псевдопластик: рідина, в'язкість якої із зростанням градієнту швидкості зменшується (фарби, емульсії, деякі суспензії).

Тиксотропна рідина: рідина, в'язкість якої з перебігом часу зменшується (водоносні ґрунти (пливуни), біологічні структури, різні технічні матеріали).

Реопексна рідина: рідина, в'язкість якої з перебігом часу зростає (гіпсові пасти, суспензії оксиду ванадію, бетоніти та окремі види принтерного чорнила).

Бінгамівський пластик: модель Бінгама схожа до моделі сухого тертя. В статичних умовах рідина веде себе як твердий матеріал, а при силовому впливі починає текти.

Магнітореологічна рідина це тип "смарт-рідини", яка, при впливі магнітного поля значно збільшує свою умовну в'язкість і набуває властивостей в'язко-пружного твердого тіла.

В основу методів вимірювання в'язкості та їхньої класифікації покладено математичні залежності, які описують різні види течій середовищ. Вимірювання в'язкості здійснюють віскозиметрами. Виділяють також кінематичний коефіцієнт в'язкості н, що є відношенням динамічного коефіцієнта в'язкості до питомої маси речовини:

Одиниця вимірювання кінематичного коефіцієнта в'язкості -- Стокс, мІ/с. Коефіцієнт н на відміну від з виражається величинами, які не пов'язані з масою рідини, тобто величинами, які носять, так би мовити, кінематичний характер, у той час як з носить динамічний характер. В'язкість технічних продуктів часто характеризують умовними одиницями -- градусами Енглера (°Е) і Барб'є (°В), секундами Сейболта (“S) і Редвуда (“R).

В'язкість залежить від тиску, температури, а також іноді від градієнта зсуву (неньютонівські середовища; їхня в'язкість охоплює і так звану структурну в'язкість). Рідини, в'язкість яких не залежить від градієнту зсуву, називають ідеально в'язкими (ньютонівськими). В'язкість рідин у загальному випадку з підвищенням тиску незначно збільшується, а з підвищенням температури зменшується. З підвищенням температури в'язкість газів збільшується, оскільки вона обумовлена інтенсивністю теплового руху. В'язкість гелію стає надзвичайно малою (т.з. надтекучий стан). В'язкість рідин з підвищенням температури зменшується завдяки зниженню енергії міжмолекулярної взаємодії, що перешкоджають переміщенню молекул.

Із збільшенням тиску в'язкість завжди зростає. При перебігу рідини у циліндричному каналі через гальмуючу дію в'язкого опору встановлюється розподіл швидкостей по радіусу каналу: біля стінки каналу вона рівна нулю, а в центрі максимальна. При ламінарному перебігу ньютонівської рідини профіль швидкостей виявляється параболічним і в'язкість виражається через перепад тиску, який потрібний для створення певної об'ємної витрати (формула Гагена-Пуазейля). Для багатьох розплавів і розчинів полімерів і колоїдних систем, на відміну від низькомолекулярних рідин, в'язкість залежить від режиму течії. Тому при характеристиці таких середовищ необхідно указувати умови вимірювання. Значенням в'язкості характеризують перехід рідин, що не кристалізуються (що переохолоджували) з текучого в склоподібний стан при охолоджуванні. Унаслідок високої чутливості в'язкості рідин до молекулярної маси і будови молекул її вимірювання служать основою фізико-хімічних методів аналізу і контролю технологічних процесів. Значення в'язкості середовища обумовлюють потужність мішалок, насосів і т. п., роблячи вплив на швидкість масопереносу. Температурна залежність в'язкості - важлива характеристика нафтопродуктів, особливо змащувальних матеріалів. Здатність твердих тіл необоротно поглинати енергію, що витрачається на їх деформацію без течії (внутрішнє тертя).

Рідина ньютонівська (рос. жидкость ньютоновская; англ. Newtonian (normal) fluid; нім. Newtonsche Flьssigkeit f) - модель рідини, що являє собою суцільне рідке тіло, для якого дотичні напруження внутрішнього тертя, спричиненого відносним проковзуванням (зсувом) шарів рідини прямо пропорційні першому степеню градієнта швидкості у напрямі, перпендикулярному до напрямку проковзування:

,

Де, - дотичне напруження внутрішнього тертя, що виникає в рідині, [Па];

- коефіцієнт пропорційності або динамічний коефіцієнт в'язкості, [Па·с];

- градієнт швидкості у напрямі, перпендикулярному до напряму зсуву, [с?1].

Іншими словами, це означає, що рідина зберігає описану властивість в'язкості незалежно від сил, що діють на неї та швидкостей плину. Наприклад, вода є ньютонівською рідиною, на відміну від неньютонівських рідин, в'язкість яких залежить від швидкості плину а перемішування може призвести до порушення суцільності. Для ньютонівської рідини в'язкість залежить лише від температури і тиску (а також від хімічного складу) і не залежить від сил, що діють на неї. Якщо рідину вважати нестискуваною і в'язкість -- стала по усьому об'єму рідини, то рівнянням, що описує дотичне напруження в прямокутній системй координат у тензорному записі, буде:

,

де, згідно з прийнятими позначеннями тензора,

-- дотичне напруження на -ій грані елемента рідини в -ому напрямку;

-- швидкість в -ому та -ому напрямках;

-- -а та -а координати напрямків.

Неньютонівська рідина - модель рідини, що являє собою суцільне рідке тіло, для якого дотичні напруження внутрішнього тертя, спричиненого відносним проковзуванням (зсувом) шарів рідини описуються нелінійною залежністю від градієнта швидкості у напрямі, перпендикулярному до напрямку проковзування. На відміну від ньютонівських рідин, коли динамічний коефіцієнт в'язкості є константою при заданій температурі і тиску, особливість неньютонівських рідин полягає у залежності параметра в'язкості від градієнту швидкості.

Як синонім до терміну «неньютонівська рідина» вживається, також, термін «аномальна рідина». Неньютонівські рідини у залежності від характеру течії та виду функціонального зв'язку швидкості деформації та швидкості зсуву підрозділяють на три основні категорії:

в'язкі середовища, у яких швидкість зсуву залежить від прикладання напруження зсуву (різні типи нафтопродуктів, консистентні мастила, будівельні розчини та інші дисперсні системи типу суспензій);

середовища, реологічні характеристики яких залежать від часу (в таких рідинах швидкість зсуву визначає не лише величина дотичного напруження, але й тривалість дії);

в'язко-пружні рідини, які мають властивості як рідини, так і твердого тіла та частково виявляють пружне відновлення форми після зняття напруження.

Залежність дотичних напружень неньютонівської рідини описується емпіричною залежністю:

,

де: -- дотичне напруження внутрішнього тертя в рідині, [Па];

-- градієнт швидкості у напрямі, перпендикулярному до напряму зсуву, [с?1];

-- коефіцієнт пропорційності, [Па·с].

Класифікація рідин робиться за значенням показника n та часовою залежністю в'язких характеристик.

текучість ньютонівський рідина тертя

Размещено на Allbest.ru