Особенности механических свойств структурированных дисперсных систем. Реологические свойства дисперсных систем. Раздел «Структурно

Транскрипт

1 ядерный университет «МИФИ» Утверждаю зав. кафедрой ХиТМСЭ д р. техн. наук, профессор Гузеев В.В г. А.В. Конькова СТРУКТУРНО МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Руководство к лабораторной работе Северск 2010

2 УДК ББК К Конькова А. В. Структурно механические свойства дисперсных систем: руководство к лабораторной работе. / А.В. Конькова Северск: Изд во СТИ НИЯУ МИФИ, с. Руководство содержит план коллоквиума, теоретическую часть, экспериментальную часть и список рекомендуемой литературы. Предназначено для студентов специальности СТИ НИЯУ МИФИ при выполнении лабораторных работ по курсу «Поверхностные явления и дисперсные системы». Руководство одобрено на заседании кафедры ХиТМСЭ (протокол 25 от 22 июня 2009 г.). Печатается в соответствии с планом выпуска учебно методической литературы на 2010 г., утверждённым Ученым советом СТИ НИЯУ МИФИ. Рег. 65/09 от «15» Рецензент О.А. Ожерельев доцент кафедры ХиТМСЭ СТИ НИЯУ МИФИ, канд. техн. наук Редактор Р.В. Фирсова Подписано к печати Формат 60х84/32 Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая 2 Плоская печать. Усл. печ. л. 0,35 Уч. изд. л. 0,63 Тираж 50 экз. Заказ 2 Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ, г. Северск Томской обл., пр. Коммунистический, 65

3 Содержание 1 План коллоквиума Теоретическая часть Экспериментальная часть Рекомендуемая литература

4 4 1 План коллоквиума 1.1 Структурированные системы, причины и условия иx образования. 1.2 Явления тиксотропии, синерезиса и набухания. 1.3 Вязкость истинных и коллоидных растворов. Закон вязкости Ньютона. Размерность вязкости. 1.4 Уравнение Пуазейля, условия его применимости. 1.5 Ньютоновы и неньютоновы жидкости. Структурная или аномальная вязкость, причины ее возникновения. 1.6 Зависимость вязкости от концентрации раствора. 1.7 Капиллярный метод определения вязкости. 2 Теоретическая часть Коллоидные и микрогетерогенные системы с жидкой и твердой дисперсионной средой обладают определенными механическими свойствами вязкостью, пластичностью. Эти свойства связаны со структурой этих систем, поэтому их называют структурно механическими свойствами. По взаимодействию между частицами дисперсные системы разделяются на свободнодисперсные и связнодисперсные. К свободнодисперсным системам относятся бесструктурные системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в одну сплошную сетку и способны независимо перемещаться в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения или силы тяжести. Такие системы не оказывают сопротивления усилию сдвига, обладают текучестью и всеми остальными свойствами, характерными для обычных жидкостей (золи свободнодисперсные системы). В связнодисперсных системах частицы связаны друг с другом межмолекулярными силами, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к свободному перемещению и могут совершать лишь колебательные движения. К таким системам относятся гели (студни), концентрированные суспензии (пасты) и концентрированные эмульсии и пены, а также порошки. Гелями и студнями называют твердообразные нетекучие структурированные системы, образовавшиеся в результате действия молекулярных сил сцепления между коллоидными частицами или макромолекулами полимеров. Ячейки пространственных сеток гелей и студней заполнены растворителем. В зависимости от природы веществ получаются либо хрупкие гели структурированные двухфазные системы, либо эластичные гели, т.е. студни структурированные однофазные системы. Хрупкие гели получаются из жестких коллоидных частиц в результате коагуляции золей. Эластичные гели, называемые студнями, образуются благодаря сцеплению макромолекул органических полимеров (каучука, желатина и др.).

5 Связнодисперсные системы в определенной степени обладают свойствами твердых тел способностью сохранять форму, некоторой прочностью, упругостью, эластичностью. Однако из за непрочных связей сетки структуры сравнительно легко разрушаются и эти системы приобретают способность течь. Промежуточное положение между свободнодисперсными и связнодисперсными системами занимают переходные системы (структурированные жидкости). Частицы этих систем связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры. Такие агрегаты можно рассматривать как обрывки пространственной сетки, которая по тем или иным причинам не получилась сплошной. Структурированные жидкости обладают структурно механическими свойствами, промежуточными между свойствами свободно и связнодисперсных систем. Эти системы способны течь, но они не подчиняются при этом законам течения обычных жидкостей. Примерами структурированной жидкости могут служить разбавленные суспензии глин, плазма крови. Структуры, образующиеся в высокодисперсных системах, делят на коагуляционные и конденсационно кристаллизационные. Первые образуются путем сцепления частиц межмолекулярными силами в звенья, цепочки, пространственные сетки, в петлях которых находится дисперсионная среда. Прослойки дисперсионной среды между частицами в местах их сцепления могут иметь разную толщину или совсем отсутствовать. При отсутствии прослоек образуются наиболее прочные, но и наиболее хрупкие коагуляционные структуры. Наличие тонкой жидкостной прослойки между частицами обусловливает меньшую прочность структуры, но зато придает ей пластичность. Чем толще прослойка среды, тем меньше прочность структуры и тем жидкообразней система. Если коагуляционные структуры образуются под действием межмолекулярных сил, то конденсационно кристаллизационные структуры образуются за счет химических сил. Эти структуры возникают либо в результате образования прочных химических связей между частицами (конденсационные структуры), либо вследствие сращивания кристалликов в процессе кристаллизации новой фазы (кристаллизационные структуры). Структуры с такими прочными связями проявляют упруго хрупкие свойства. Кристаллизационное структурообразование имеет большое значение для твердения минеральных вяжущих средств в строительных материалах на основе цементов, гипса и др. Коагуляционные структуры (гели) способны постепенно упрочняться во времени; они сжимаются, выделяя часть жидкости, заключенной в сетке или каркасе. Это явление называется синерезисом. Причина синерезиса заключается в том, что в результате теплового движения происходит перегруппировка частиц в пространстве. При этом увеличивается число и прочность контактов между частицами, что неизбежно ведет к сжатию геля и вы- 5

6 теснению из него дисперсионной среды. Синерезису способствуют все факторы, вызывающие коагуляцию (добавление электролита, изменение температуры и др.). Системы с коагуляционной структурой, из которых высушиванием удалена жидкость, способны поглощать эту жидкость вновь. При соприкосновении с жидкостью элементы структуры сухого геля раздвигаются и образовавшиеся промежутки снова заполняются дисперсионной средой. Это явление называется набуханием. Набухание приводит к резкому снижению прочности структуры и к возрастанию пластических и эластических свойств данного тела. Многие гели и студни под влиянием механических воздействий при перемешивании, встряхивании и т. д., способны разжижаться и переходить в золи и растворы полимеров, а затем, при хранении в покое, вновь застудневать. Способность структур самопроизвольно восстанавливаться во времени после их разрушения в результате механического воздействия называется тиксотропией. Тиксотропию можно рассматривать как обратимый изотермический процесс гель золь; студень раствор. Явление тиксотропии объясняется тем, что нарушенные связи со временем восстанавливаются в результате случайных удачных соударений частиц, находящихся в броуновском движений. Коагуляционные структуры тиксотропны, т.е. способны обратимо восстанавливаться после механического разрушения; структуры же конденсационно кристаллизационные при механическом воздействии разрушаются необратимо. Многие структурированные системы, характеризующиеся малой прочностью, обладают вязкостью, близкой к вязкости чистых жидкостей. Вязкость жидкостей, называемая иногда внутренним трением, представляет собой сопротивляемость жидкости ее движению под действием внешних сил. Внутреннее трение в жидкостях обусловлено силами сцепления между молекулами. Ярче всего внутреннее трение проявляется в жидкости, текущей под действием внешней силы по трубке. 6

7 Постулат Ньютона: сила F, дин, вязкого сопротивления жидкости, равная по величине и обратная по направлению внешней силе, равна: dυ F = η S, (1) dx где η (эта) коэффициент вязкости или вязкость жидкости, П; S площадь контакта движущихся слоев жидкости, см 2 ; dυ градиент скорости. dx Когда по трубке течет жидкость, ее масса разделяется на параллельные слои. Слой жидкости, прилигающий к стенкам, прилипает к ним и остается неподвижным, следующие же слои перемещаются с тем большей скоростью, чем ближе они к оси трубки. Каждый слой, таким образом, движется со своей скоростью υ, причем скорость слоев уменьшается от оси трубки к её краям. Если обозначить разность скоростей между двумя соседними слоями через υ, а расстояние между слоями через x, то υ/ x (или при очень малой разности скоростей и тонких слоях жидкости dυ/dx) будет называться градиентом скорости. [ η ] = [ F] [ x] [ S υ]. Единицу вязкости в честь французского ученого Пуазейля называют пуазом (П). 1 пуаз соответствует вязкости жидкости при которой сила в 1 дину, действующая на площадь в 1 см 2 в направлении движения жидкости, вызывает течение с градиентом скорости, равным единице. Вязкость в 1 пуаз очень большая величина, поэтому чаще пользуются величиной в 100 раз меньшей сантипуазом. Величина 1/η обратная вязкости, называется текучестью. Она характеризует подвижность жидкости под влиянием внешних воздействий. Постулат Ньютона справедлив, и вязкость является константой вещества лишь в том случае, когда жидкость течет послойно. Такой поток называется ламинарным. Но ламинарный поток с повышением скорости может перейти в турбулентный слои начнут перемешиваться и образуют завихрения. В этих условиях постулат Ньютона уже не применим. 7

8 Ламинарное течение по трубкам описывается также вторым законом вязкого течения уравнением Пуазейля: 4 π r P τ V =, (2) 8η l где V объем жидкости, протекающей через трубку за время τ; r и l радиус и длина трубки; P разность давлений на rонцах трубки; η вязкость жидкости. Уравнение Пуазейля используется в капиллярном методе определения вязкости. Метод основан на измерении времени вытекания определенного объема жидкости V через капилляр, радиус и длина которого постоянны. В обычном капиллярном вискозиметре постоянен и объем V. Поэтому вязкость пропорциональна произведению Рτ, где τ время, за которое жидкость объемом V протекла через капилляр. Постулат Ньютона и уравнение Пуазейля применимы лишь для чистых жидкостей, растворов низкомолекулярных веществ и некоторых коллоидов. В условиях капиллярного потока вязкость сохраняет постоянное значение, т.е. не зависит от внешней силы или давления, под действием которого происходит течение, как показано на рисунке 1. Однако при некотором давлении скорость течения приобретает величину, превышающую критическое значение, и поток становится турбулентным. В этих условиях вязкость уже не является константой вещества и начинает увеличиваться с ростом давления, так как в условиях турбулентности законы вязкого течения (Ньютона и Пуазейля) неприменимы. Такой характер зависимости изображен кривой 1 (см. рисунок 1). 1 истинная жидкость; 2 аномальная жидкость Рисунок 1 Зависимость вязкости от давления 8

9 Чистые жидкости, растворы низкомолекулярных веществ и коллоиды, для которых применимы законы Ньютона и Пуазейля, называются ньютоновыми (истинными) жидкостями. Растворы высокомолекулярных веществ и коллоиды с анизодиаметрическими частицами (несферическими, палочкообразными, игольчатыми или листочкоподобными), а также структурированные коллоидные системы не подчиняются основным законам вязкости, обнаруживая так называемую аномальную вязкость. Прежде всего, вязкость таких систем (даже весьма разбавленных) всегда очень велика и зависит от давления (см. рисунок 1, кривая 2). В области ламинарного потока вязкость аномальных (неньютоновых) жидкостей сначала падает с ростом давления, затем, достигнув некоторого значения, остается постоянной и, наконец, в области турбулентного потока снова увеличивается. Для разбавленных систем это связано с формой частиц. Палочкообразные частицы по мере увеличения давления ориентируются длинной осью по направлению потока, оказывают меньшее сопротивление; вязкость раствора уменьшается. Аналогичная зависимость наблюдается у систем с деформирующимися частицами (например, у эмульсий). Капельки дисперсной фазы при увеличении давления и скорости течения удлиняются, превращаясь из шариков в эллипсоиды, что, конечно, увеличивает текучесть и понижает вязкость. То же самое происходит и при течении растворов высокомолекулярных веществ с гибкими, свернутыми в клубок макромолекулами. Здесь падение вязкости обусловлено распрямлением молекул и их ориентацией в направлении потока. В концентрированных системах растворы сильно загущаются из за образования структур (сеток, каркасов). При течении под давлением такие структуры разрушаются тем сильнее, чем выше давление. Высвобождающийся растворитель разжижает раствор, вязкость уменьшается. После полного разрушения структуры раствор течет, подчиняясь законам Ньютона и Пуазейля. Аномальную вязкость растворов в таких случаях называют структурной. Вязкость растворов и коллоидных систем зависит от концентрации растворенного или диспергированного вещества, так как молекулы растворенного вещества или частицы дисперсной фазы оказывают дополнительное сопротивление течению. С ростом концентрации вязкость линейно растет, если частицы дисперсной фазы удалены друг от друга на достаточно большие расстояния, исключающие межмолекулярное взаимодействие, и представляют собой жесткие недеформируемые шарики. Для растворов высокомолекулярных соединений такая зависимость не наблюдается, так как макромолекулы имеют не шарообразную форму, и даже в разбавленных растворах взаимодействуют, образуя агрегаты, захватывающие жидкость. 9

10 3 Экспериментальная часть Цель работы: изучение зависимости вязкости растворов глюкозы от концентрации. Заранее готовятся водные растворы глюкозы следующих концентраций: 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %. Определение вязкости проводится с помощью капиллярного стеклянного вискозиметра, установленного вертикально с помощью штатива. Вискозиметр, показанный на рисунке 2, представляет собой U образную трубку, в колено которой впаян капилляр 1. а, b метки Рисунок 2 Капиллярный стеклянный вискозиметр При измерении вязкости жидкость из резервуара 2 течет по капилляру 1 в резервуар 3. Вискозиметр заполняется через трубку 4 исследуемой жидкостью. При работе с одним и тем же вискозиметром объем заливаемой жидкости должен быть постоянным (20 мл). Далее с помощью резиновой груши жидкость засасывается в расширение 5 немного выше метки «а». Затем жидкости дают возможность свободно вытекать и определяют по секундомеру время истечения жидкости между меткими «а» и «b». Опыт повторяется 4 5 раз с каждым раствором. 10

11 Определение вязкости раствора производится путем сравнения с вязкостью чистого растворителя, которая берется из справочника. Измерения следует начинать с чистого растворителя, а далее с растворами от малой концентрации к более высокой. При засасывании раствора необходимо следить за тем, чтобы раствор не пенился и чтобы в капилляре не было пузырьков воздуха. Необходимо также тщательно следить за тем, чтобы в сужении трубки около метки «а» не застаивалась капля раствора, так как это может привести к значительным погрешностям. Время истечения для одной и той же концентрации при многочисленных измерениях не должно различаться более, чем на 0,5 с. Вязкость раствор вычисляется по формуле: τ d η = η0, (3) τ d где η 0 вязкость воды при данной температуре; τ и τ 0 соответственно время истечения раствора и чистой воды; d и d 0 плотность раствора и воды. Плотность раствора определяется с помощью пикнометра. При температуре опыта взвешивается сначала пустой пикнометр, а затем заполненный. Плотность d рассчитывается по уравнению: 0 0 (gi g) (g g), где d 0 плотность воды; g масса пустого пикнометра; g 0 масса пикнометра с водой; g i масса пикнометра с раствором. d = d (4) Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу. 0 Таблица 1 Результаты измерения и расчетов С, % t, сек. g i, г m = (g i g), г d, г/см 3 h, сп Построить график зависимости вязкости раствора от концентрации и сделать соответствующий вывод. 0 11

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский

Тема 5. Основы реологии. Вязкость растворов полимеров. Теоретическая часть. Вязкие жидкости и растворы высокомолекулярных веществ (ВМС) по характеру течения делятся на ньютоновские и неньютоновские. Ньютоновские

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ С ПОМОЩЬЮ КАПИЛЛЯРНОГО ВИСКОЗИМЕТРА Методические

Лабораторная работа по теме «Вязкость» Реологические свойства коллоидных систем. Вязкость Проявление молекулярно-кинетических свойств коллоидных систем неразрывно связано с их реологическими (вязкостными)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет

1 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ НА ШАРИКОВОМ ВИСКОЗИМЕТРЕ Введение Рассмотрим протекание жидкости по трубе. В том случае, когда соседние слои жидкости (или газа)

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Методические указания для выполнения лабораторной работы Томск 2014 Рассмотрено и утверждено

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Кафедра общей физики Лаборатория молекулярной физики Лабораторная работа 8 Определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Методические указания для

4.1. Необходимы математические понятия Опр. Градиентом физической величины называют - вектор, показывающий направление наибольшего возрастания скалярной функции, значение которой изменяется от одной точки

Работа.8 Исследование зависимости вязкости жидкости от температуры и определение энергии активации ее молекул Оборудование: исследуемая жидкость, капиллярный вискозиметр, секундомер, термостат с контрольным

Министерство образования и науки РФ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Утверждаю зав. кафедрой общей и экспериментальной физики В. П. Демкин 2015 г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра физики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ для студентов специальностей 903, 90, 907, 908, 90 Лабораторная работа

Лекция 18. ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ Структурообразование в дисперсных системах Контакты между частицами: Коагуляционные (в первичном и вторичном минимуме) и фазовые контакты (как в поликристаллах).

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

1 Лабораторная работа 61 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ СТОКСА Теоретическое введение Вязкость (внутреннее трение) это свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной части

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА И ЭФФЕКТИВНОГО ДИАМЕТРА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ Прибор для определения средней длины

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра

38 ТЕЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ Задание 1. Выберите правильный ответ: 1. Внутреннее трение является следствием переноса... а) электрического заряда; б) механического импульса; в) массы; г) количества теплоты;

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

1 - МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.5 OПPEДEЛEНИE КOЭФФИЦИEНТA ВЯЗКOCТИ ЖИДКOCТИ МEТOДOМ CТOКCA.5 ФИО студента Выполнил(а) Защитил(а) Шифр группы МОСКВА 0_ г. Лaбopaтopнaя

Методические указания к выполнению лабораторной работы 2.5. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ * * Аникин А.И. Свойства газов. Свойства конденсированных систем: лабораторный

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Методические указания для проведения лабораторных работ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет 14 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ ПАДАЮЩЕГО ШАРИКА Методические указания к лабораторной работе

Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Кафедра общей физики Лаборатория механики Лабораторная работа 11. Определение вязкости жидкости методом Стокса Ярославль 2009

ГОУ ВПО ИГМУ Росздрава Кафедра общей химии Физическая и коллоидная химия ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАБУХАНИЯ ЖЕЛАТИНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ рн СРЕДЫ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Методическое пособие Иркутск, 2008 Пособие подготовлено

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Лабораторная работа 2-5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВОЗДУХА Методические рекомендации

Цель работы: познакомиться с одним из методов определения коэффициента внутреннего трения. Задача: с помощью измерительного микроскопа измерить диаметр шариков, измерить время падения их и высоту падения.

Работа.5 Определение вязкости газов Введение Газы, как и жидкости, обладают вязкостью, хотя величина коэффициента вязкости в них значительно меньшая, чем в жидкостях. Физические причины возникновения вязкости

Иркутский государственный технический университет Кафедра общеобразовательных дисциплин ФИЗИКА Лабораторная работа.1. «Определение коэффициента динамической вязкости жидкости методом Стокса» доц. Щепин

1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ НОВОСИБИРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

Лекция 2. Структурообразование и размерный эффект Наноструктуры могут быть: Равновесные и неравновесные наноструктуры. Квазиравновесные структуры. Равновесные наноструктуры характеризуются физико-химическими

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ М.А. Бутюгин, Т.М. Ильясова ФИЗИКА Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы М-14 «Определение коэффициента вязкой

Лабораторная работа 16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА Цель работы изучение явления внутреннего трения в газах и жидкостях, экспериментальное определение коэффициента

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ЖЕЛАТИНА ВИСКОЗИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ И.Шиян, Я.Припаньковская Кубанский государственный технологический университет Краснодар, Россия DETERMINATION OF MOLECULAR MASS OF VISKOZIMETRICHESKY

Вязкоупругость полимерных жидкостей. Оснвные свойства полимерных жидкостей. К полимерным жидкостям с сильно переплетенными цепями относятся полимерные расплавы, концентрированные растворы и полуразбавленные

1 Тема 11: Основы гидродинамики Гидростатика. Законы Паскаля и Архимеда Плотностью тела называется величина равная отношению массы этого тела к его объёму: m V Размерность плотности: [ ρ] = кг/м 3. Если

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ВОЗДУХА; ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является экспериментальное

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА: ЧАСТЬ 4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ Практикум для вузов Составители: В.И. Кукуев, В.В. Чернышев, И.А.Попова. ВОРОНЕЖ 009

Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический Университет Кафедра теоретической и экспериментальной физики ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ЗАРЯДА. ОПЫТ МИЛЛИКЕНА Методические указания к

Лекция 7 (9.05.05) ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ГАЗАХ Всякая термодинамическая система, под которой мы понимаем совокупность большого числа молекул, при неизменных внешних условиях приходит в состояние термодинамического

Гидроаэромеханика Составитель асс. каф БНГС СамГТУ, магистр Никитин В.И. Занятие 3. 3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Реология это наука о поведении различных текучих и пластичных тел при механическом нагружении.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра химии и инженерной экологии в строительстве Громаков Н.С. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА 1. Цель и задачи лабораторной работы Цель работы заключается в определении вязкости, или внутреннего трения, различных

М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И Н А У К И Р О С С И Й С К О Й Ф Е Д Е Р А Ц И И ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

222. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ СТОКСА Введение На шарик, падающий в вязкой среде, действует сила тяжести mg, сила Архимеда F A и сила сопротивления среды сила Стокса F C. mg= s Vg, (1) F A

Тест Систему с жидкой дисперсионной средой и дисперсной фазой в виде коллоидных частиц называют: Суспензия.. Эмульсия 3. Пена.Лиозоль 5. Раствор ВМВ. Система гидрозоль As S 3 является: Лиофильной свободнодисперсной.

ЛЕКЦИЯ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГИДРОДИНАМИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПО РАДИУСУ ТРУБЫ УРАВНЕНИЕ ПУАЗЕЙЛЯ Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр При движении жидкостей по каналам произвольной формы, сечение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный исследовательский ядерный университет

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ А.Н. Тимошенко, А.Н. Козлов Ю.В. Тихомиров, А.А. Куколева СЕРТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИЙ ФИЗИКА АВИАТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ Учебно-методическое

Министерство образования Российской Федерации Томский политехнический университет Кафедра теоретической и экспериментальной физики «УТВЕРЖДАЮ» Декан ЕНМФ И.П. Чернов «14» мая 2002 г. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Государственное высшее учебное заведение «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра физики ОТЧЁТ по лабораторной работе 17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ПАДАЮЩЕГО ШАРИКА Выполнил студент

50 А. Механика ни. Исторически они были получены на основе законов динамики Ньютона, но представляют собой значительно более общие принципы, областью применения которых является вся физика в целом, а не

ЛЕКЦИЯ 4 МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ, ОСНОВЫ БИОРЕОЛОГИИ И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ГЕМОДИНАМИКИ I. Идеальная и реальная жидкости II.Ньютоновские и неньютоновские жидкости III.Течение вязкой жидкости по трубам IV.Предмет

Под структурой понимают взаимное расположение частей тела. Структура разбавленных агрегативно устойчивых лиозолей аналогична структуре истинных растворов. Увеличение концентрации частиц приводит к их агрегации, а затем к коагуляции. Возникновение структуры в дисперсных системах всегда связано с понятием коагуляции. Образование структуры проходит следующие стадии:

золь  структурированная жидкость  гель  твердообразные системы.

Структурирование приводит к изменению характера течения или полному отверждению жидкости и изменению всех ее свойств Дисперсные системы приобретают способность сопротивляться нагрузке, изменяется характер их течения и т.д. Особенности поведения различных систем при течение и деформации изучаются реологией – наукой о деформации и течении тел. Структурно-механические свойства дисперсных систем изучает физико-химическая механика, которая является разделом курс поверхностные явления и дисперсные системы. К структурно-механическим свойствам относятся: вязкость, пластичность, упругость и прочность.

Свободнодисперсное состояние лиозолей. Если частицы не взаимодействуют друг с другом и способны свободно перемещаться в дисперсионной среде, то такое состояние лиозолей называется свободнодисперсным. Свободнодисперсные системы текут подобно любой жидкости. Сопротивление внешнему давлению при течении характеризуется вязкостью. Но характер их течения отличается от ньютоновских жидкостей. Ньютоновскими жидкостями называются те, которые подчиняются закону Ньютона. Ньютон установил, что сила внутреннего трения (F) равная по величине, но обратная по направлению силе, приложенной извне, пропорциональна площади слоя (S), к которому приложена эта сила и изменению деформации во времени (скорости деформации dх/dτ):

F = η S(dх/dτ) = ηSγ

Коэффициент пропорциональности η называется коэффициент вязкости или вязкость жидкости. Отношение F/S = Р называется напряжением сдвига. Свободнодисперсные системы и ньютоновские жидкости текут при любом напряжении сдвига.

η = Р/γ. (XIII.1)

Для ньютоновских жидкостей вязкость – это величина постоянная при данной температуре и не зависит от напряжения сдвига (рис. XIII.1).

Лиозоли имеют ряд особенностей. Они не подчиняются закону Ньютона. Вязкость золя всегда больше, чем вязкость дисперсионной среды. Из за наличия частиц дисперсной фазы течение золей характеризуется ранней турбулентностью (т.е. число Рейнольдса Re для них меньше, чем для ньютоновских жидкостей). Вязкость золей зависит от способа измерения и градиента скорости, т.е. не является постоянной величиной. Поэтому коллоидные системы характеризуют эффективной вязкостью η*. Закон Ньютона для них запишется в виде

Р = η*γ. (XIII.2)

Зависимость вязкости свободнодисперсных золей от концентрации дисперсной фазы описывается различными формами уравнения Эйнштейна

(η – η о)/η о = Кφ;

η/ η о = 1+ Кφ ;

η = η о (1+ Кφ),

где η – вязкость золя;

η о – вязкость дисперсионной среды;

η/ η о – относительная вязкость золя; К – коэффициент, зависящий от формы частиц;

φ - объемная доля дисперсной фазы (V дис) в общем объеме системы (V) (φ =V дис /V).

Рисунок XIII.1 - Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига для ньютоновских жидкостей (1) и свободнодисперных лиозолей (2).

Для сферических частиц при объемной доле дисперсной фазы ≤6 % уравнение Эйнштейна приобретает вид: η = η о (1+ 2,5φ), при объемной доле дисперсной фазы ≤30 % это уравнение записывается в виде

η = η о (1+ 2,5φ +14,7 φ 2). (XIII.3)

Зависимость вязкости золя от концентрации дисперсной фазы представлена на рис.

Структурирование золей . При повышении концентрации или в результате коагуляции в золях образуется пространственная структура. Структура представляет собой пространственный каркас, образованный частицами дисперсной фазы, которые связаны между собой. Такие структурированные дисперсные системы называются связаннодисперсными. Они характеризуются новым комплексом свойств, проявляют прочность, пластичность, эластичность, хрупкость.

Классификация структур по П.А.Ребиндеру . В зависимости от природы действующих в структурированной системе сил П.А Ребиндер предложил различать два основных вида структур: коагуляционные (обратимо разрушающиеся) и конденсационно - кристаллизационные (необратимо разрушающиеся).

Рисунок XIII.2- Зависимость вязкости ньютоновской жидкости (кривая 1), свободнодисперсного лиозоля (кривая 2), структурированного золя (кривая 3) от концентрации дисперсной фазы

Коагуляционные структуры возникают в результате потери агрегативной устойчивости системы и взаимодействия частиц в дальнем энергетическом минимуме энергетической кривой. При этом частицы не слипаются полностью, а только слабо взаимодействуют друг с другом определенными частями, на которых снят фактор устойчивости. Частицы образуют пространственную сетку, в системе происходит гелеобразование. При этом раствор меняет свои механические свойства. Схема полученной структуры показана на рис. XIII.3.

Дисперсные системы, в которых произошло образование коагуляционной структуры, называются гелями. Гелеобразование – обратимый процесс. Ему способствуют повышение концентрации дисперсной фазы, повышение степени дисперсности, добавление электролитов, асимметрия частиц дисперсной фазы, понижение температуры, добавление ПАВ.

Рисунок XIII.3- Схема структуры геля

Гели проявляют ряд характерных свойств. Самопроизвольное восстановление геля после его механического разрушения называется тиксотропией. Различают тиксотропию прочностную, которая связана с разрушением и образованием пространственной сетки и тиксотропию вязкостную, которая связана с разрушением и образованием агрегатов частиц.

Для гелей характерно явление синерезиса. Это самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением из него дисперсионной среды. суть этого явления состоит в том, что при хранении происходит перегруппировка частиц в геле, связи между ними увеличиваются и они сближаются между собой. Это вызывает выдавливание дисперсионной среды.

Гели имеют свойство высыхать с образованием ксерогеля и набухать при добавлении дисперсионной среды.

Гели характеризуются структурной вязкостью. При наличии коагуляционной структуры течение геля начинается только после ее разрушения. При этом напряжение Р превышает критическое напряжение сдвигаΘ , необходимое для разрушения структуры. ВеличинаΘ называется предел текучести, а течение гелей называется пластическим течением. Для описания свойств таких систем используют уравнение Бингама-Шведова:

Р- Θ = η’γ,

где η’ – пластическая вязкость.

Реологическая кривая для геля представлена на рис.

Рисунок XIII.4- Реологическая кривая геля

Конденсационно -кристаллизационные структуры возникают в результате химического взаимодействия между частицами и образования жесткой объемной структуры Этот процесс соответствует коагуляции в ближнем потенциальном минимуме энергетической кривой. Это типичные структуры для связаннодисперсных систем. Их разрушение происходит необратимо. Они не набухают, проявляют упруго-хрупкие свойства.

При изменении температуры, введении электролитов, механическом воздействии, увеличении концентрации дисперсной фазы свойства коллоидного раствора постепенно изменяются до тех пор, пока не наступит коагуляция. В процессе коагуляции в результате взаимодействия коллоидных частиц происходит структурообразование, т.е. образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы. Проблема структурообразования в рамках коллоидной химии и физико- химической механики дисперсных систем, составляющих основу современного материаловедения, является одной из важнейших и требует ее всестороннего решения как на макро-, так и на микроуровнях.

Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела: атомов, молекул, мелких частиц. Таким образом, системы, образующиеся в результате коагуляции коллоидных растворов, а также концентрированные растворы ВМС являются структурированными. К ним относятся почва, глины, цементы, большинство пищевых продуктов, краски, смазки, косметические изделия и т.д. Следует отметить, что многие фармацевтические и биологические препараты, в том числе и кровь, также могут проявлять свойства структурированных жидкостей. Тип и свойства структур, образующихся в коллоидных системах, зависят от характера сил взаимодействия между частицами дисперсной фазы. По П.А. Ребиндеру все структуры подразделяются на два типа: конденсационно- кристаллизационные и коагуляционные.

Конденсационно-кристаллизационные структуры типичны для систем с твердой дисперсионной средой, т.е. для связнодисперсных систем. Их образование, отвечает коагуляции в первичном минимуме потенциальной кривой взаимодействия частиц дисперсной фазы. В конденсационно - кристаллизационных системах частицы связаны химическими силами, действующими на малых расстояниях (единицы А), поэтому происходит их срастание с образованием жесткой объемной структуры. Подобные структуры придают телам такие свойства как прочность, хрупкость и упругость. Для них характерно разрушение без обратимого восстановления структуры

Коагуляционные структуры типичны для свободнодисперсных систем с жидкой дисперсионной средой. Они образуются при коагуляции, соответствующей вторичному минимуму на потенциальной кривой, в результате дальнего межмолекулярного взаимодействия частиц на расстояниях порядка 100 А, т.е. за счет сил Ван-дер-Ваальса. Образованию коагуляционных структур благоприятствует несферическая форма частиц дисперсной фазы и наличие на их поверхности лиофобных участков. Отличительной особенностью подобных систем является существование между частицами дисперсной фазы прослойки дисперсионной среды в виде тонких сольватных оболочек, что обуславливает небольшую прочность и ярко выраженные пластические свойства коагуляционных структур. Такие системы легко разрушаются под воздействием внешних факторов, например под действием ультразвука, при нагревании или при перемешивании.

Некоторые исследователи выделяют промежуточные виды структурной организации твердого вещества, выражающиеся в различном сочетании коагуляционно-кристаллизационных взаимодействий .

Каждому типу структур соответствует свой доминирующий тип контактов срастания (коагуляционный, точечный, фазовый), склонных к взаимным превращениям под действием как внутренних, так и внешних факторов .

Отражением этих взаимодействий являются кинетические кривые структурообразования, характеризующие изменение многочисленных экспериментальных данных как отечественных, так и зарубежных ученых; анализ, проведенный нами в работе , показывает, что многообразие кинетических классов процессов структурообразования может быть сведено к четырем основным типам кинетических кривых (Рис. 2, а, б).

Рис. 2

а - наиболее распространенный вид кривой; б - возможные варианты; 1 - индукционный; 2 - нарастающий; 3 - экстремальный; 4 - волнообразный (колебательный).

Наиболее распространенной из них является сигмоида (а, кривая 1) имеющая, S-образный характер, на которой обычно различают период индукции (А), ускорения (Б) и замедления (В). Такие процессы описываются логической функцией; им, как правило, предшествует индукционный период, в течение которого применяемыми методами не удается обнаружить признаков протекания процесса.

Для коагуляционных структур характерны специфические свойства: тиксотропия и синерезис. Тиксотропия - это способность системы к восстановлению структуры после ее механического разрушения. Разрушение структуры выражается в разрыве контактов между частицами дисперсной среды, а ее тиксотропное восстановление - в возобновлении этих контактов вследствие подвижности среды и броуновского движения частиц. Например, 10%-я суспензия бентонитовой глины представляет собой твердообразное тело, которое не течет под действием силы тяжести. После встряхивания суспензия разжижается и легко вытекает из сосуда. Через определенное время в спокойном состоянии она снова превращается в твердообразную структурированную систему.

Тиксотропия играет большую роль в природе и технике. Присутствие в грунте небольших количеств тиксотропных глин может служить причиной оползней и плывунов. Тиксотропию необходимо учитывать при перекачке суспензий, которые могут затвердевать при возможной остановке насосов. На этом явлении основана также техника применения масляных красок, замазок, пластилина и т.п. Явление противоположное тиксотропии, т.е. возрастание прочности структуры со временем при действии напряжения сдвига, называется реопексией.

Для коагуляционных структур характерно старение во времени, которое проявляется в постепенном упрочнении структуры, ее сжатии и высвобождении части жидкости из структурной сетки, что может привести к своеобразному разделению системы на две фазы: более концентрированный студень и растворитель, содержащий некоторое количество частиц дисперсной фазы. Это явление получило название синерезис.

Наибольший практический интерес представляет изучение зависимости структурно-механических свойств дисперсной системы от концентрации дисперсной фазы. По мере увеличения концентрации системы проходят через ряд состояний - от истинно жидких (золи) через структурированные жидкости, гели, к твердообразным телам. Структурообразование (или старение) в коллоидах происходит вследствие их термодинамической неустойчивости и сопровождается процессом самопроизвольного сцепления частиц и уменьшением поверхности раздела фаз, а, следовательно, снижением свободной поверхностной энергии системы. Протекание этих процессов приводит к потере агрегативной устойчивости и увеличению прочности дисперсной системы.

Рис. 2

Процесс старения коллоидной системы можно представить рисунком 2, согласно которой образование из золя осадка (геля) возможно двумя путями. Первый путь заключается в застудневании - формировании сначала тиксот- ропной, а затем в результате синерезиса, уплотненной структуры. Второй путь приводит к образованию осадка, минуя указанные стадии. Тиксотропная и уплотненная структура, а также осадок являются коагуляционными системами. Гели, образованные из растворов ВМС, называются студнями.

С течением времени сольватные оболочки в местах контакта частиц утончаются и могут совсем исчезнуть. Частицы будут срастаться, образуя конденсационно-кристаллизационные структуры. Возможны случаи, когда подобная структура образуется непосредственно из тиксотропной структуры.

Обычно в коллоидных системах образуются структуры смешанного типа, в которых в первый период преобладают коагуляционные контакты. Постепенно эти связи между частицами упрочняются, и происходит переход к конденсационно-кристаллизационной структуре.

Тела, деформация которых происходит под действием силы тяжести, называются текучими или вязкими. В соответствии с реологическими свойствами все реальные тела принято делить на жидкообразные и твердообраз- ные. Жидкообразные тела текут под воздействием любого внешнего напряжения - необходимое для разрушения структуры напряжение отсутствует, т.е. предел текучести Р Т = 0. Течение - это вид деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления. Для разрушения структуры твердообразных дисперсных систем и их течения необходимо приложить напряжение, превышающее предел текучести, т.е. Р Т > 0 (см. табл. 1). Для типичных твердообразных тел характерен значительный предел текучести.

Характер образующихся структур определяет структурно-механические свойства системы, в том числе ее вязкость. Вязкостью (или динамической вязкостью,) называют внутреннее трение между слоями данного вещества (жидкости или газа), движущимися относительно друг друга. Вязкость характеризует все виды сопротивления течению тела и однозначно определяет реологические свойства идеальных жидкостей. Вязкость воды при 20,5°С составляет 0.001 Пас или 0.01 П (пуаз). Вязкость газов примерно в пятьдесят раз меньше, чем у воды, а у высоковязких жидкостей - в тысячи раз больше. У твердых тел значения? 10 15 ^10 2 ° Пас. Жидкообразные тела, вязкость которых в соответствии с законом Ньютона (см. табл. 1) не зависит от напряжения сдвига, называют ньютоновскими. Течение неньютоновских жидкостей не описывается уравнением Ньютона.

Величина обратная вязкости - текучесть (Т ) характеризует подвижность жидкообразных тел:

В технологических расчетах также встречается понятие кинематической вязкости:

где p - плотность жидкости.

Величину v более удобно использовать при расчетах гидродинамических критериев течения жидкообразных систем, учет которых необходим для рационального выбора конструкций аппаратов и трубопроводов. Кинематическая вязкость в системе «Си» имеет размерность м /с.

В зависимости от того описывается ли поведение реального тела уравнением Бингама (см. табл. 1), твердообразные системы подразделяются на бингамовские и небингамовские . По реологическим свойствам к бингамов- ским системам очень близки пульпы, шламы, консистентные смазки, зубные пасты, масляные краски, пасты из глины.

Возникновение структур и их характер обычно определяют, измеряя механические свойства систем: вязкость, упругость, пластичность, прочность. Поскольку эти свойства связаны со структурой, их называют структурно– механическими.

Структурно– механические свойства систем исследуют методами реологии.

Реология – наука о деформациях и течении материальных систем. Она изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.

Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.

Внешнее напряжение – есть не что иное, как давление Р.

В механике сплошных сред доказывается, что в случае несжимаемых материалов, каковыми являются большинство дисперсных систем, все виды деформации (растяжение, сжатие, кручение и др.) можно свести к основной – деформации сдвига под действием напряжения сдвига Р (Н/м 2 =. Па). Скорость деформации является скоростью сдвига. Деформацию выражают обычно посредством безразмерных величин . Скорость деформации – , где t – время.

Изучая структурно– механические свойства дисперсных систем, можно определить, образуется ли в системе структура и каков ее характер.

СВОБОДНОДИСПЕРСНЫЕ (БЕССТРУКТУРНЫЕ) СИСТЕМЫ

Агрегативно устойчивые золи (бесструктурные системы) подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна.

Закон Ньютона устанавливает связь между скоростью деформации и напряжением сдвига:

Рис.11.2. Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига

Рис.11.3. Зависимость расхода жидкости от давления

Рис. 11.4. Зависимость вязкости дисперсной системы от концентрации

где Р – напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости, Па; – деформация (течение) жидкости; – скорость деформации; – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом вязкости или динамической вязкостью, Па – с; – величина, обратная вязкости, называется текучестью.

Уравнение (11.1) представляет собой уравнение прямой, представленной на рис. 11.2.

Вязкость – величина постоянная, не зависящая от Р.

Закон Пуазейля выражает зависимость объема жидкости, протекающей через трубу или капилляр, от давления:

где Q – расход жидкости в единицу времени; Р - давление в трубе; К – константа, определяемая геометрическими параметрами трубы или капилляра ,(r и l – радиус и длина трубы). Из графика, отвечающего закону Пуазейля (рис. 11.3), видно, что динамическая вязкость не зависит от давления, а скорость течения жидкости прямо пропорциональна давлению.

Закон Эйнштейна устанавливает зависимость вязкости бесструктурной жидкой дисперсной системы от концентрации дисперсной фазы:

где – динамическая вязкость дисперсионной среды; – объемная концентрация дисперсной фазы; – коэффициент, определяемый формой частиц дисперсной фазы. График, отвечающий закону Эйнштейна, дан на рис. 11.4.

Таким образом, относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дисперсной фазы. Чем больше , тем сильнее выражено тормозящее влияние частиц, тем больше вязкость. Расчеты, проведенные Эйнштейном, показали, что для сферических частиц = 2,5, для частиц другой формы > 2,5. Жидкости, подчиняющиеся рассмотренным законам, называются ньютоновыми жидкостями.

ЖИДКООБРАЗНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

При наличии структуры взаимодействием между частицами дисперсной фазы нельзя пренебречь. Прилагаемое напряжение сдвига не только заставляет жидкость течь, но и может разрушать существующую в ней структуру. Это неизбежно должно приводить к нарушению пропорциональности между прилагаемым напряжением Р и скоростью деформации , вязкость системы становится величиной, зависящей от Р. Следовательно, для таких жидкостей законы Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна не выполняются. Такие жидкости называются неньютоновыми жидкостями.

Для описания связи между скоростью деформации и прилагаемым напряжением сдвига Р обычно используют эмпирическое уравнение Оствальда – Вейля:

Или , (11.4)

где k и n – постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.

При n – 1 и k = уравнение (11.4) превратится в уравнение Ньютона. Таким образом, отклонение величины n от единицы характеризует степень отклонения свойств неныотоновых жидкостей от ньютоновых. При n < 1 ньютоновская вязкость уменьшается с увеличением напряжения и скорости сдвига. Такие жидкости называются псевдопластическими.

При n > 1 ньютоновская вязкость жидкости увеличивается при увеличении напряжения и скорости сдвига. Такие жидкости называются дилатантными.

На рис. 11.5 представлена кривая течения псевдопластической жидкости. На кривой имеются три характерных участка. На участке I (OA) система ведет себя подобно ньютоновой жидкости с большой вязкостью .Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая приложенной нагрузкой, успевает восстанавливаться. Такое течение называется ползучестью.

Рис.11.5. Кривая течения псевдопластической структурированной

жидкообразной системы

Ползучесть – это медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры.

Для слабоструктурированных систем участок I обычно небольшой и его практически невозможно обнаружить. Для сильноструктурированных систем область значений Р, при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной. Напряжение Р к соответствует началу разрушения структуры.

На участке II (АВ) зависимость от Р теряет линейный характер, при этом вязкость уменьшается. Это уменьшение связано с разрушением структуры. В точке В структура практически полностью разрушена. Напряжение, отвечающее этой точке, называется предельным напряжением сдвига Р m . При напряжениях Р > Р m , когда структура системы разрушена, система течет подобно ньютоновой жидкости, имеющей вязкость .

Напряжение Р т называется пределом текучести – это минимальное напряжение сдвига, при котором ползучесть системы переходит в течение. Чем прочнее структура, тем выше предел текучести. Расход жидкости в единицу времени Q, протекающей через трубу при Р < Р m можно рассчитать по уравнению Бингама: . Величина PS характеризует прочность сплошной пространственной сетки.

Рис.11.6. Кривая течения твердообразной структурированной системы

При Р > PS кривая течения твердообразной системы аналогична кривой течения жидкообразной системы, рассмотренной выше.

Для твердообразных упругопластичных тел на много порядков больше, чем для жидкообразных и при достижении предела текучести Р Т наступает лавинообразное разрушение структуры с последующим пластическим течением.

В упругохрупких телах течение не наблюдается, так как напряжение, при котором происходит хрупкий разрыв, достигается раньше, чем предел текучести.

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы нс связаны между собой и могут свободно перемещаться независимо друг от друга. В связнодисперсных системах частицы между собой связаны и образуют структурную сетку с фиксированным взаимным расположением составных частей тела (атомов и молекул) в пространстве. Они не могут перемещаться свободно и совершают только колебательные движения около положения равновесия. Структурные сетки образуются под действием сил Ван- дер-Ваальса и ближнедействующих химических сил в концентрированных суспензиях, эмульсиях, ластах. Структура разбавленных агрегативно устойчивых дисперсных систем по ряду свойств очень похожа на структуру истинных растворов, отличие заключается только в размерах частиц. Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к взаимодействию ее частиц, подобно ассоциации молекул и ионов в истинных растворах. Это взаимодействие сопровождается изменением свойств дисперсных систем, которое происходит постепенно до тех пор, пока в системе не произойдет коагуляция.

В коллоидной химии понятие структуры принято связывать именно с коагуляцией. В процессе коагуляции происходит образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы, что резко увеличивает прочность системы. Структурообразование в свободно-дисперсных системах непосредственно связано с потерей их агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности свободнодисперсная переходит в связнодисперсную систему.

В связнодисперсных системах появление и характер образующихся структур определяют по механическим свойствам системы: вязкости, упругости, прочности и пластичности. Эти свойства называются структурномеханическими или реологическими, так как их исследуют методами реологии - науки о деформациях и течении материальных систем.

Дисперсная система приобретает комплекс структурно- механических (реологических) свойств, характеризующих се способность сопротивляться деформации и делению на части, в результате радикального изменения в ходе структурирования.

Основное из реологических свойств - механическая прочность. Это свойство характерно для всех твердых тел и материалов, оно определяет их роль в природе и технике. Закономерности структурообразования в дисперсных системах, механические свойства структурированных систем и получаемых на их основе разнообразных материалов с особым вниманием к роли физико-химических явлений на границе раздела фаз изучает реология - отдельный раздел коллоидной химии. Иначе этот раздел назы-

вается физико-химической механикой. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.

Известно, что деформация - это относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность. Деформация делится на упругую (обратимую, когда тело полностью восстанавливается после снятия нагрузки) и остаточную (необратимую). Упругая деформация, в свою очередь, подразделяется на объемную (растяжение-сжатие), сдвиговую и деформацию кручения. Остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.

Важными при рассмотрении структурно-механических свойств являются два вида деформаций - растяжение-сжатие и сдвиг. Количественно оба вида деформации характеризуются относительными величинами:

Относительным удлинением (здесь / Q - первоначальная

длина образца; / - его длина после приложенной нагрузки; Д/ - удлинение образца);

Относительный сдвиг или (здесь у - смещение верхнего

слоя, х - высота, на протяжении которой происходит смещение).

Эти понятия включены в законы реологии, сформулированные в виде двух аксиом. По первой аксиоме реологии при всестороннем равномерном (изотропном) сжатии все материальные системы ведут себя одинаково - как идеальные упругие тела, действует только упругая деформация. Изотропное сжатие не позволяет выявить качественные различия в структуре тел.

Вторая аксиома реологии - это утверждение, что любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами. Эти свойства проявляются при сдвиговой деформации. Характер и величина деформации зависят от свойств материала, формы тела и способа приложения внешних сил.

Величина 8 в реологии называется упругой деформацией, величина у - сдвиговой деформацией или просто деформацией (рис. 8.1).

, вызывающая деформацию тела, определяется отношением внешней силы F к единице поверхности тела s , на которую она действует: P = F!s. Единицей измерения напряжения является Паскаль (Па): [Р] = Па. Один Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2: 1 Па = 1 Н/м".

Жидкости и газы деформируются при наложении минимальных нагрузок, под действием разности давлений они текут. Течение является одним из видов деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки). В отличие от газов жидкости при течении не сжимаются и их плотность остается практически постоянной.

Рис. 8.1. Схема деформации при растяжении (и) и сдвиге (б)

В реологии механические свойства представляются в виде моделей, в основе которых лежат законы, связывающие напряжение с деформацией (рис. 8.2). Трем участкам кривой соответствуют три элементарные модели идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, вязкость, пластичность): идеально упругое тело Гука, идеально вязкое тело Ньютона, идеально пластичное тело Сен- Венана - Кулона.

Рис. 8.2.

Рис. 8.3.

На участке I зависимость имеет прямо пропорциональный характер и описывается законом Гука для тел с упругой деформацией. Идеально упругое тело Гука представляют в виде спиральной пружины (рис. 8.3).

В соответствии с законом Гука деформация у в упругом теле пропорциональна напряжению сдвига Р :

где Е - модуль упругости (модуль Юнга), который является характеристикой материала и его структуры. Для молекулярных кристаллов модуль упругости составляет ~ 10 9 Па, для ковалентных кристаллов и металлов ~10" Па и более. После снятия нагрузки идеально упругое тело Гука мгновенно принимает первоначальную форму (Р = 0; / = 0) . Энергия, затраченная на деформацию идеально упругого тела, возвращается после прекращения действия напряжения, поэтому тело Гука принадлежит к консервативным структурам.

На участке II по рис. 8.2 при значении напряжения, превышающего некоторую величину Р^, называемую пределом упругости, то есть Р > Р к

может произойти разрушение тела или появиться остаточная деформация (Р = 0; у Ф 0). Это область идеально вязкого тела Ньютона, которое представляется в виде поршня с отверстиями, помещенного в цилиндр с жидкостью (рис. 8.4).

При течении идеально вязкой жидкости происходит сдвиг одного слоя жидкости относительно другого при их плоскопараллельном движении. Это течение описывает закон Ньютона, по которому при ламинарном движении жидкости напряжение сдвига Р пропорционально градиенту скорости жидкости или скорости деформации:

где и - скорость течения жидкости; л; - координата; -

градиент скорости, связанный со скоростью ; dr - время,

за которое происходит изменение при деформации dy , сопровождающей плоскопараллельное движение двух слоев жидкости: ; /

Скорость деформации

Рис. 8.5.

Рис. 8.4.

Из приведенных соотношений следует связь между скоростью потока и скоростью деформации:

В уравнениях (8.1) коэффициент пропорциональности /; называется коэффициентом внутренного трения, но чаще - ньютоновской вязкостью, динамической вязкостью или просто вязкостью. Это важнейшее свойство, характеризующее структуру любой дисперсной системы. Вязкость является реологической константой и определяет способность жидкости сопротивляться течению.

Величина, обратная вязкости I/77, называется текучестью.

Динамическая вязкость в системе СИ имеет размерность Н-с/м 2 . Эта размерность называется паскаль - секунда (Пас): = Па с. Пас- кальсскунда равна вязкости среды, касательное напряжение в которой при ламинарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м но нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, равно 1 Па:

. Например, вязкость воды при 20,5 °С равна 1,005 мПас.

В литературе встречается еще одна единица измерения вязкости - пуаз (П): 1 П=0,1 Па-с. Вязкость газов примерно в 50 раз меньше, у высоковязких жидкостей значения вязкости могут достигать в тысячу и миллионы раз большее значение, у твердых тел вязкость более чем 10 15 - Ю 20 Па с.

Жидкости, течение которых описывают указанные выше уравнения, называются ньютоновскими. Величина деформации ньютоновской жидкости зависит от времени действия напряжения. Так как или ,

то , то есть при постоянном напряжении Р деформация пропорциональна времени действия этого напряжения.

Ньютоновские жидкости способны течь (деформироваться) под действием очень малых внешних нагрузок до тех пор, пока они действуют. Энергия, затраченная на деформацию идеально вязкого тела (ньютоновской жидкости), превращается в теплоту, поэтому тело Ныотоиа принадлежит к диссипативным структурам.

Идеально пластичное тело Сен-Венана - Кулона представляется расположенным на плоскости твердым телом, при движении которого гре- ние постоянно и не зависит от нормальной, то есть перпендикулярной поверхности силы (рис. 8.5). В основе этой модели лежит закон внешнего трения, в соответствии с которым деформация отсутствует, если напряжение сдвига меньше некоторой величины Pj , называемой пределом текучести, то есть при Р деформация отсутствует: у = 0 и у = 0. На рис. 8.2

это III участок, показывающий возможность перехода упругой деформации в пластическую.

Если напряжение достигнет предела текучести, то развиваемая деформация идеально пластического тела нс имеет предела, течение происходит с любой скоростью, то есть при Р = P.j. деформация положительна:

у > 0 и у > 0.

Предел текучести Р^ отражает прочность структуры тела. При условии Р= Р т структура идеального пластического тела разрушается, после

чего сопротивление напряжению полностью отсутствует. Энергия, затраченная на деформацию идеально пластичного тела Сен-Венана - Кулона, превращается в теплоту, поэтому оно принадлежит к диссипативным структурам.