Н. Каразина С. В
ГЛАВА 11. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
жүктеу/скачать 1,02 Mb.
|
Физическая и коллоидная химия. Часть II. Коллоидная химия ( PDFDrive )
ГЛАВА 11. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМВЯЗКОСТЬ. ЗАКОН ВЯЗКОГО ТЕЧЕНИЯ НЬЮТОНА Реология – это наука, теоретически и экспериментально устанавли- вающая основные закономерности деформирования и течения тел. Рео- логия изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений. В коллоидной химии методы реоло- гии используют для исследования структуры и описания вязкотекучих свойств дисперсных систем. Термин деформация означает относительное смещение точек систе- мы, при котором не нарушается ее сплошность. Деформацию делят на упругую и остаточную. При упругой деформации структура тела полно- стью восстанавливается после снятия нагрузки (напряжения); остаточная деформация необратима, изменения в системе остаются и после снятия нагрузки. Остаточная деформация, при которой не происходит разруше- ния тела, называется пластической. Среди упругих деформаций различают объемные (растяжение, сжа- тие), сдвиговые и деформации кручения. Они характеризуются количест- венно относительными (безразмерными) величинами. Например, дефор- мация сдвига определяется относительным сдвигом (рис. 11.1) под дейст- вием напряжения P : y x tg или d y dx , (11.1) где y – смещение верхнего слоя; x – высота, на протяжении которой происходит смещение. Как следует из рис.11.1, относи- тельный сдвиг равен тангенсу угла сдвига . Напряжение, вызывающее де- формацию тела, определяется отно- шением силы к площади, на которую она действует. Действующая сила может быть разложена на две состав- ляющие: нормальную, направленную перпендикулярно к поверхности тела, Рис 11.1. Схематическое изобра- жение деформации сдвига. и тангенциальную (касательную), направленную по касательной к этой поверхности. Соответственно различают два вида напряжений: нормаль- ные и тангенциальные, которым отвечают два основных вида деформа- ции: растяжение (или сжатие) и сдвиг. Единицы измерения напряжения, P – Па. К реологическим свойствам относят вязкость и текучесть. Вязкостью ( ) называют коэффициент внутреннего трения между слоями данного вещества (жидкости или газа), движущимися относительно друг друга. Текучесть обратна величине вязкости: =1 . Если вязкость ха- рактеризует сопротивление жидкости движению, то текучесть – ее подвижность под влиянием внешних воздействий. Реологические свойства вещества зависят от его природы и физиче- ского состояния и проявляются по-разному у веществ в жидком, твердом и промежуточном (переходном) состояниях. Вязкость является результатом межмолекулярного взаимодействия, и она тем выше, чем больше силы молекулярного притяжения. Поэтому вязкость полярных веществ всегда больше, чем неполярных. Зависимость реологических свойств от различных факторов выража- ют графически в виде реологических кривых (кривых течения): f ( p)
Если приложить силу к жидкости, она начинает течь. После прекра- щения действия силы жидкость не возвращается в первоначальное со- стояние. Следовательно, течение жидкостей приводит к необратимой де- формации. Для жидкостей характерны два основных типа течения: ламинарное
и турбулентное.Ламинарным называют течение жидкости в виде параллельных сло- ев, не перемешивающихся между собой. Примером ламинарно текущей жидкости может служить спокойная равнинная река. Турбулентное течение – это бурное течение, сопровождающееся об- разованием завихрений, воронок и взаимным перемешиванием слоев жидкости (подобно горной реке). Рассматриваемые нами закономерности вязкости будут относиться только к ламинарному режиму течения. По реологическим свойствам системы классифицируют на жидкооб- разные и твердообразные. Отличительной особенностью жидкостей явля- ется способность к течению при сколь угодно малых давлениях, предел текучести (критическое (предельное) напряжение сдвига) для них равен
нулю ( Pï ðåä =0). Для твердообразных систем – Pï ðåä 0 . Жидкости подразделяют на ньютоновские и неньютоновские. К нью- тоновским относятся жидкие системы, для которых характерно подчине- ние закону вязкости, установленному И. Ньютоном (1687). Закон Ньютона. Представим себе жидкость, ламинарно текущую через цилиндрический капилляр. Сила F , приложенная к жидкости (например, сила тяжести), заставляет ее двигаться со скоростью . Однако не вся жид- кость, заключенная в капилляре, дви- жется с одинаковой скоростью. Ско- рость изменяется с увеличением рас- стояния от стенок капилляра и имеет максимальное значение в центре ка- пилляра, уменьшаясь до нуля за счет сил адгезии в слое, соприкасающемся со стенками капилляра. Если для каж- дого слоя жидкости, отстоящего от со- седнего на расстояние d x , изобразить направление и скорость течения век- d Рис. 11.2. Параболический про- филь скоростей при течении жидкостей в цилиндрическом капилляре. тором и соединить концы векторов плавной кривой, получим профиль скоростей в капилляре. Для ньютоновских жидкостей профиль скоростей представляет собой параболу (рис. 11.2). Закон Ньютона выражает равновесие между приложенной силой F и силой сопротивления жидкости течению при установившемся равномер- ном ее движении и постулируется так: сила внутреннего трения, прояв- ляющаяся при перемещении одного слоя жидкости относительно другого, прямо пропорциональна градиенту относительной скорости этого пере- мещения и поверхности слоев. Математическая запись закона Ньютона такова F s d , (11.2) d x где F – сила, действующая на поверхность слоя в направлении, проти- воположном его движению; s – площадь соприкасающихся слоев жидко-
нальности, зависящий от природы жидкости и являющийся одной из важ- нейших ее характеристик (его называют коэффициентом вязкости или просто вязкостью). Из уравнения (11.2) легко выяснить физический смысл вязкости , задавшись условиями, что s =1 и d писать
d x =1. Тогда можно за- F . (11.3) Согласно полученному выражению, коэффициент вязкости (или просто вязкость) равен силе сопротивления (трения) между слоями жидкости при площади соприкасающихся слоев жидкости, равной единице, и градиенте скорости течения между слоями, равном единице. Единицей измерения вязкости в СИ является Нс/м2 или Пас. Уравнению Ньютона (11.2) можно придать другой вид, разделив обе части его на s P F s d , (11.4) d x
где сила F / s , приложенная к единице площади s соприкасающихся движущихся слоев жидкости, представляет напряжение сдвига P . При плоскопараллельном движении двух слоев жидкости происходит сдвиг одного слоя относительно другого. Если скорость движения слоев жидкости обозначить через dy d и учесть, что координата x и время являются независимыми переменными, то с помощью изменения порядка дифференцирования можно получить следующее соотношение d u d x d2 y □ (d x d ) d □ d , (11.5) где жүктеу/скачать 1,02 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|