Кривые течения

Соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига, характеризующее поведение жидкостей при течении, графически изображается в виде кривой, на которой по оси ординат откладывают значения напряжения сдвига, а по оси абсцисс - скорости сдвига.

Такой график называется кривой течения (реограммой).

Для ньютоновской жидкости график течения представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат (рис. 9). Это наиболее простой вид течения, при котором величина вязкости полагается постоянной и не зависит от скорости сдвига.

Другой широко используемой диаграммой является зависимость вязкости от скорости сдвига. Такая диаграмма называется кривой вязкости.

Деление напряжения на скорость сдвига даёт нам значение величины вязкости. Также оно определяется как тангенс угла наклона прямой или как коэффициент в уравнении прямой.

Построение кривых течения является наиболее простым методом изучения структурно-механических свойств пищевых материалов. По этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала:

- модули мгновенной упругости и упругого последействия;

- вязкость релаксационного (течения) и упругого последействия;

- пределы упругости, текучести и прочности.

Перечисленные константы позволяют объяснить деформационное поведение материала и достаточно полно охарактеризовать его структурно- механические свойства. Получение таких характеристик возможно в процессе изучения реологических свойств пищевых масс, т. е. при изучении процесса их течения под действием постоянного напряжения. Зависимость эффективной вязкости от напряжения или скорости сдвига считают основной характеристикой структурно-механических свойств дисперсных систем, т. к. эффективная вязкость является итоговой характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами разрушения и восстановления структуры в установившемся потоке.

Рассмотрим кривые течения и кривые вязкости различных систем.

На рисунке 9 приведены типичные кривые для ньютоновских (1) и неньютоновских (2 - 4) жидкостей.

Из неньютоновских жидкостей здесь представлены:

2 - псевдопластичная жидкость;

3 - дилатантная жидкость;

4 - вязкопластичная жидкость с пределом текучести (пластичная).

Скорости с л и га

а)

Рисунок 9 - Кривые течения (а) и кривые вязкости (б) ньютоновских

и неньютоновских жидкостей

Кривые течения псевдопластических жидкостей, чьё течение характеризуется «сдвиговым размягчением» вследствие разрушения структуры с увеличением скорости деформации, имеют гиперболический характер.

Дилатантное течение характерно в основном для концентрированных дисперсных систем, при котором с увеличением скорости деформации наступает «затруднение сдвига», т. е. происходит повышение вязкости.

Вязкопластичные жидкости, проявляющие свойства, как твёрдых тел, так и жидкостей, обладают пределом текучести. Кривая течения пластичных жидкостей пересекается с осью ординат не при нулевом напряжении сдвига, а при некотором значении напряжения (00), которое соответствует пределу текучести. Идея предела текучести состоит в том, что существует предельное напряжение, ниже которого образец ведет себя как твёрдое тело: воздействие напряжения вызывает в нем упругую реакцию; а после снятия напряжения деформация образца исчезает мгновенно и полностью. Ниже предела текучести наблюдается линейная пропорциональность между установленным напряжением и деформацией. Элементы объёма временно деформируются, но их необратимого перемещения при этом не происходит. Выше предела текучести образец действительно начинает течь - установленное напряжение приводит к неограниченной деформации, и теперь напряжение связано со скоростью деформации соотношением, в котором вязкость выступает коэффициентом пропорциональности.

Предел текучести - это критическое напряжение (усилие), ниже величины которого в различных дисперсных системах возможно существование временной сетчатой структуры, предотвращающей деструкцию. Образование этой структуры
происходит за счёт межмолекулярных связей и/или межмолекулярного взаимодействия между частицами

Особенностью многих псевдопластичных и пластично-вязких структурированных дисперсных систем является наличие петель гистерезиса при нагрузке и разгрузке (рис. 10).

Тиксотропным системам присуще изотермическое воостановление структуры после её разрушения, а также непрерывное её разрушение - до определённого предела - при деформировании.

0 A 'U

Рисунок 10 - Реограммы тиксотропных систем

«Нижняя кривая» течения (II) не совпадает с «верхней кривой»(1). Они образуют так называемую "петлю гистерезиса". Площадь реограммы между кривой течения и осью абсцисс представляет собой (в соответствующем масштабе) удельную мощность на единицу объёма, [Вт/м³]. Она складывается из мощности ньютоновского течения и мощности, требующейся при этом же градиенте скорости для достижения данной степени разрушения структуры. Мощность, пропорциональная площади между двумя кривыми, образующими петли гистерезиса, характеризует степень приближения структуры к равновесному состоянию.

Соответствующая кривая вязкости отражает то, что было сказано ранее: вязкость снижается с увеличением скорости сдвига в результате одновременного разрушения структуры и нарушения молекулярной ориентации. Когда во второй части эксперимента скорость сдвига постоянно снижается - вязкость возрастает в гораздо меньшей степени, чем она падала ранее. Для одной и той же величины скорости сдвига теперь имеются 2 различные точки - I и II. Эти два различных значения вязкости обусловлены разной сдвиговой предысторией образца, которая в точке I была гораздо короче, чем в точке II.

На кривой зависимости вязкости от времени (рис. 11) проявляются две фазы превращения: сначала гель быстро превращается в золь при постоянной скорости

сдвига, а затем - во второй фазе, когда скорость сдвига равна нулю, - золь вновь превращается в гель. Скорость этих превращений может в значительной степени изменяться, главным образом - в зависимости от природы тиксотропной жидкости и температуры. Разрушение тиксотропной структуры может произойти за секунды или за минуты, но для полного восстановления начального состояния геля требуется гораздо больше времени.

Время

Рисунок 11 - Кривая зависимости вязкости от времени для тиксотропных систем

Реопексным системам присуща способность структурироваться, т. е. образовывать контакты между частицами в результате ориентации или слабой турбулизации при механическом воздействии с небольшими градиентами скорости.

Противоположность тиксотропии и реопексии просматривается также по гистерезису кривых течения - то есть по расположению «верхней» кривой к «нижней» (рис. 12). В реопексных жидкостях наблюдается как бы обратное расположение, против часовой стрелки: кривая, снятая при понижении скорости сдвига, находится выше кривой, полученной при повышении скорости сдвига.

У'

Рисунок 12 - Кривая вязкости для реопексной жидкости

Тиксотропия встречается часто, у многих жидкостей; реопексия, несомненно - редкое явление. По одному виду кривых нельзя судить о принадлежности системы к реопексным: далеко не всегда, когда гистерезис кривой течения направлен против часовой стрелки, материал является истинно реопексным. Возрастание вязкости в результате продолжительного сдвига может быть отмечено каждый раз, когда жидкость в течение данного периода времени изменяет свою физическую или химическую природу - она может желировать, химически сшиваться или терять растворитель в результате испарения. Во всех этих случаях изменения в жидкости являются необратимыми, т. е. в состоянии покоя первоначальная низкая вязкость никогда не может быть достигнута вновь.

Для истинно реопексных жидкостей гистерезисы кривых течения несколько циклов будут идентичными, в то время как аналогичные кривые жидкостей, переходящих в гелеобразное или твёрдое состояние, будут изменяться с каждым новым циклом. Причиной ошибки может стать и характер измерения реологических характеристик у высоковязкой жидкости. Быстрое изменение скорости вращения ротора в случае высоковязкой жидкости может «симулировать» реопексный характер течения жидкости, которого на самом деле не существует.

Во многих процессах пищевых производств продукт подвергается интенсивному механическому воздействию (в насосах, мешалках и т. п.). При этом его структура достигает частичного или практически предельного разрушения. Поэтому при использовании результатов реологических исследований для практических расчётов следует хотя бы приближённо выбрать ту кривую течения, которая соответствует данной степени разрушения. В соответствии с этим при расчёте различных процессов необходимо использовать характеристики, определённые в соответствующем интервале напряжений и деформаций. Качественную оценку продукта также необходимо проводить по наиболее существенным для данного процесса характеристикам.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 2409; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!