3. В’язкість дисперсних систем
Всі дисперсні системи володіють певними механічними властивостями, обумовленими їх внутрішньою будовою (структурою) і одержали загальну назву структурно – механічні властивості. До даних властивостей відносяться в’язкість, пластичність, міцність тощо. Для дисперсних систем з рідким дисперсійним середовищем найбільш характерною особливістю є в’язкість – це опір переміщенню одного шару рідини відносно іншого. Всяке тіло при русі зазнає опору середовища, в якому воно рухається. При русі рідини одні її шари рухаються відносно інших і при цьому між ними виникає внутрішнє тертя.
В’язкість вільнодисперсних систем мало відрізняється від в’язкості дисперсійного середовища. Із збільшенням вмісту дисперсійної фази в’язкість їх змінюється дуже незначно. Для золів залежність в’язкості від вмісту дисперсної фази може бути представлена рівнянням:
η = η 0 (1 + kφ),
де η - в’язкість золя, кг/м•с, або Н•с/м2 , або Па•с;
η0 - в’язкість дисперсійного середовища;
φ - об’ємна доля дисперсної фази , тобто об’єм дисперсної фази, що приходиться на одиницю об’єму золя;
k - константа, що визначається формою частинок.
Вміст дисперсної фази в золях дуже не значний, і тому величина φ також дуже мала. Значення k для кулястих частинок дорівнює 2,5; для частинок у формі паличок k >2,5.
В’язкість зв’язанодисперсних систем з досить великим вмістом дисперсної фази значно більша, ніж в’язкість вільнодисперсних систем. Це пояснюється тим, що із збільшенням вмісту дисперсної фази – частинок, що мають форму паличок або пластинок, - спочатку утворюються не зв’язані один з одним фрагменти структури, потім вони з’єднуються в суцільну сітку, що перешкоджає текучості рідини.
При нагріванні рідини їх в’язкість зменшується. В’язкість рідин залежить від їх природи і змінюється в широких межах. В’язкість рідкого середовища суттєво впливає на перебіг важливих процесів життєдіяльності, а також різноманітних технологічних процесів. Зокрема, швидкість транспортування рідин трубопроводами визначається їх в’язкістю.
4. Рівняння н’ютона та шведова-бінгама
Текучість звичайних нормальних рідин (води, бензолу, спирту тощо) підкоряються закону Н’ютона :
Р = η • du/dx,
де Р – напруга зсуву, що підтримує течію рідини;
η - коефіцієнт в’язкості, Па•с;
du/dx - градієнт швидкості руху, що виникає при переміщенні окремих шарів рідини, або швидкість деформації, с-1.
Коефіцієнт в’язкості залежить від природи рідини, напруги зсуву та часу. Згідно закону Н’ютона швидкість течії рідини в ламінарному режимі збільшується пропорційно прикладеній напрузі зсуву і графічна залежність градієнта швидкості течії рідини du/dx від напруги зсуву Р – крива течії – має вигляд прямої, що проходить через початок координат.
Рис. 30. Криві течії: для 1 – нормальних рідин і 2 - для структурованих систем по Шведову – Бінгаму.
Ламіна́рна течія́ — впорядкований рух рідини, при якому рідина рухається шарами, паралельними до напрямку течії.
Для структурованих рідин ця пропорційність порушується, вони не підкоряються закону Н’ютона і тому їх називають аномальними рідинами. Якщо рахувати, що течія структурованої рідини починається тільки після повного руйнування структури, то напруга зсуву Р, що необхідна для течії, повинна бути більшою, ніж напруга зсуву Ө(межі течії), що необхідна для руйнування структури. Для характеристики течії структурованих рідин може застосовуватися рівняння Шведова – Бінгама:
Р - Ө = η• du/dx,
де Ө - межа течії;
η - в’язкість повністю зруйнованої структури – пластична в’язкість.
Для систем, що не мають просторової структури Ө = 0, рівняння Шведова – Бінгама перетворюється в рівняння Н’ютона.
За рівнянням Шведова – Бінгама залежність градієнта швидкості від напруги зсуву повинна виражатися прямою 2. І дійсно, багато структурованих систем добре підкоряються цьому рівнянню. Але для більшості структурованих систем залежність градієнта швидкості від напруги зсуву носить більш складний характер. Це пояснюється тим, що в коагуляційній структурі можуть протікати одночасно два процеси – руйнування структури і процес її відновлення.
При малих швидкостях течії структура руйнується дуже незначно, а зруйновані зв’язки швидко відновлюються. Практично в цьому випадку рідина тече без руйнування структури і в’язкість її постійна і досить велика. Це явище називається повзучістю. При дуже великих швидкостях течії і відповідно великих напругах зсуву структура повністю руйнується. Її відновлення в порівнянні з процесом руйнування йде так повільно, що вже не має впливу на характер течії.
Залежність в’язкості структурованих систем від швидкості деформації широко використовується на практиці. Наприклад, для перекачки соняшникової олії треба вибрати таку швидкість, щоб олія мала мінімальну в’язкість (що відповідає практично зруйнованій структурі) і при цьому будуть найменші витрати енергії при транспортуванні. Але під час перевезення олії в цистернах її в’язкість повинна бути максимальною.