Физикохимия нефтяных дисперсных систем. Нефтяные дисперсные системы. Конспект лекций для студентов бакалавриата по направлению подготовки 18.03.01 «Хи

3. Тепловое броуновское движение

Тепловое движение молекул дисперсионной среды обусловли- вает такое ее свойство, как диффузия. Диффузия представляет собой самопроизвольно протекающий в системе процесс выравнивания концентраций молекул под воздействием теплового хаотического движения. Интенсивность диффузии увеличивается с ростом темпе- ратуры среды и с уменьшением ее вязкости и размеров молекул. Обычно интенсивность процесса диффузии оценивается по коэффи- циенту диффузии D, который измеряется в квадратных метрах в секунду (м2/с):

D = kБT , 6πηlм

где kБ – постоянная Больцмана, Дж/К; Т – температура, К; η – дина- мическая вязкость дисперсионной среды, Па с; lм – линейный размер молекул, м.

Диффузия возникает не только при наличии градиента температу- ры (термодиффузия), но и под действием градиента концентрации, электрических полей (электродиффузия), градиента давления (баро- диффузия). Тепловое движение молекул дисперсионной среды оказыва- ет влияние на мелкие частицы дисперсной фазы, находящейся в ней, поддерживая их во взвешенном состоянии. Видимые только под микро- скопом взвешенные частицы движутся независимо друг от друга и опи- сывают сложные зигзагообразные траектории. Такое движение частиц называется броуновским. Броуновское движение – это беспорядочное движение малых (размером в нескольких микрометров) частиц, взве- шенных в жидкости или газе, происходящее под действием толчков со стороны молекул окружающей среды. Броуновское движение не осла- бевает со временем и не зависит от химических свойств среды.

Объяснение броуновского движения было дано А. Эйнштейном и М. Смолуховским на основе молекулярно-кинетической теории. Согласно этой теории, молекулы жидкости или газа находятся в по- стоянном тепловом движении, причем импульсы различных молекул неодинаковы по величине и направлению. Если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала, как это имеет место для броунов- ской частицы, то удары, испытываемые частицей со стороны окру- жающих ее молекул, не будут точно компенсироваться. Поэтому в результате бомбардировки молекулами броуновская частица прихо- дит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 1 014 раз в секунду.

11

4. Вязкость и текучесть

Одними из основных свойств дисперсионной среды являются вязкость и текучесть.

Вязкость жидкостей проявляется при перемещении в потоке разных ее слоев друг относительно друга с различной скоростью. Основной закон вязкого течения установлен И. Ньютоном. Согласно этому закону сила внутреннего трения, проявляющаяся при переме- щении одного слоя жидкости относительно другого, прямо пропор- циональна градиенту относительной скорости этого перемещения и поверхности слоев.

Текучесть – это величина, обратная динамической вязкости:

F = −η dν S, dl

где F – тангенциальная сила, вызывающая сдвиг слоев относительно друг друга, Н; η – динамическая вязкость, Па с; dν/dl – градиент ско- рости (скорость изменения скорости от слоя к слою), с–1; S – площадь слоя, м2. Знак «минус» показывает, что сила F направлена навстречу слою, движущемуся с большей скоростью.

Зависимость вязкости жидкости от температуры можно пред-

ставить в виде эмпирического уравнения Торпа–Роджера:

С

ηt = 1 + Аt + Bt 2 ,

где ηt – динамический коэффициент вязкости жидкости при температу- ре t °С, Па с; А, В, С – постоянные, характерные для данной жидкости.

Динамический коэффициент вязкости жидкости необходим при расчете процессов, связанных с транспортированием жидкости, теп- лообменом, фильтрацией, седиментацией и пр. Вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры и, за малым исключением, возрастает с повышением давления.

Зависимость между температурой нефтепродукта и его вязко-

стью описывается формулой Вальтера:

lg lg(νT + 0,8) = A – Blg T,

где νT – кинематическая вязкость, мм2/с; А и В – константы, которые определяются, по известным значениям вязкости при двух различных температурах; Т – температура, К.

12

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вяз- кости к плотности жидкости при заданной температуре.

Влияние давления на вязкость тем больше, чем сложнее строение молекул. Ориентировочно можно принять, что повышение давления на 33 МПа вызывает такое же увеличение вязкости жидкости, как при понижении температуры на 1 К. В области давлений до 4 МПа влия- ние давления на вязкость жидкости не фиксируется. Однако при больших удельных нагрузках и давлениях, возникающих в узлах тре- ния, вязкость масла и смазок может существенно увеличиться, что скажется на их смазывающих свойствах.

При высоком давлении вязкость может возрасти настолько, что масло потеряет свойства жидкости и превратится в квазипластичное тело. При снятии нагрузки первоначальная вязкость восстанавливается. Вязкость масел при всех температурах с увеличением давления растет неодинаково и тем значительнее, чем выше давление и ниже темпера- тура. Зависимость вязкости масел от давления выражается уравнением

ηp = η0 exp(αt p/105),

где ηp и η0 – динамическая вязкость при давлении p и атмосферном давлении, Па с; αt – коэффициент, зависящий от температуры, Па–1,

для нефтяных масел α20 °C = 0,002 4, α50 °C = 0,002 05, α100 °C = 0,001 47; p –

давление, Па.

Такие свойства твердых тел, как упругость и хрупкость, начи- нают проявляться у жидкостей при больших скоростях сдвига. Ско- рость сдвига – это производная по времени от усилия, вызванного напряжением сдвига, действующим на слой жидкости. Например, обычная вода, если по ней быстро ударить с большой силой, не успеет отреагировать на воздействие и будет сопротивляться ему, как твер- дое тело. Если по вытекающей из трубки струе вязкой жидкости сильно ударить палкой, то струя поведет себя как хрупкое тело и разо- бьется на осколки с острыми краями (что можно зафиксировать с по- мощью скоростной кинокамеры или фотоаппарата с малым временем выдержки). Это явление объясняется соотношением между временем воздействия на вещество и временем, которое требуется молекулам, чтобы отреагировать на внешнее воздействие. Среднее время, необхо- димое молекуле жидкости для перемещения под внешней нагрузкой, называется временем релаксации. Когда время воздействия значительно меньше времени релаксации и частицы не успевают должным образом перестроиться, поддаваясь внешней силе, происходит разрыв связей

13

между молекулами вплоть до разрыва самих молекул. Время релакса- ции может изменяться в очень широких пределах – от тысячных долей секунды до многих веков и даже тысячелетий.

Исследование механических свойств твердых тел и жидкостей показывает, что существует общность законов, описывающих меха- ническое поведение тел различной природы. Наука, формулирующая правила и законы обобщенного рассмотрения механического поведе- ния твердо- и жидкообразных тел, называется реологией (от греч. rheo – течение, logos – учение), или учением о течении сред, являю- щимся теоретической основой физикохимии механических дисперс- ных систем (ФХМДС).

Контрольные вопросы и задания

1.Дайте определение понятия «дисперсионная среда».

2.Охарактеризуйте три основные теоретические модели строения жидкости.

3.Приведите примеры пространственных диссипативных структур.

4.Какие факторы обусловливают тепловое движение молекул дисперсионной среды?

5.Сформулируйте основной закон вязкого течения.

6.Какое время называют временем релаксации?

14

Лекция 2

СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. ОСНОВЫ РЕОЛОГИИ

План

1.Основной метод реологии.

2.Упругое поведение.

3.Вязкое поведение.

4.Пластичность.

1. Основной метод реологии

Основным методом реологии является рассмотрение механиче- ских свойств на определенных идеализированных моделях, поведение которых описывается небольшим числом параметров. Обычно огра- ничиваются простым напряженным состоянием чистого однородного сдвига и малыми скоростями деформации. Такие условия проведения исследований называются квазистационарными.

Выделим в рассматриваемом физическом теле кубик с единич- ным ребром. Пусть к противоположным сторонам этого кубика при- ложена касательная сила F, которая создает численно равное ей напряжение сдвига τ (рис. 2).

Рис. 2. Возникновение деформации γ под действием напряжения сдвига τ

Под действием напряжения сдвига происходит деформация кубика, т. е. смещение его верхней грани по отношению к нижней на величину γ. Это смещение численно равно тангенсу угла отклонения боковой грани, т. е. относительной деформации сдвига γ.

15

Связь между величинами напряжения τ, деформации γ и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, составляющего предмет реологии. Рассмотрим три простейшие модели механического поведения тел: упругого, вязкого и пластического.

2. Упругое поведение

Упругое поведение характеризуется прямой пропорционально- стью напряжений и деформаций и описывается законом Гука:

τ = G γ,

где τ – напряжение сдвига Па; G – модуль сдвига, Па; γ – относитель- ная деформация сдвига.

Графически закону Гука отвечает прямая линия, проходящая через начало координат, котангенс угла наклона которой относительно оси абсцисс равен модулю G.

Характерной особенностью идеализированного упругого пове- дения является его полная механическая и термодинамическая обра- тимость, т. е. при снятии нагрузки сразу происходит восстановление первоначальной формы тела и не наблюдается никакой диссипации (рассеяния) энергии в процессах нагружения и разгружения тела. Энергия, запасаемая единицей объема упруго деформируемого тела, определяется выражением

Wупр = τ2 .

2G

Моделью упругого поведения служит пружина, жесткость кото- рой, т. е. отношение силы к вызванному этой силой удлинению пру- жины F/∆l, эквивалентна модулю упругости данного тела.

Упругое поведение при сдвиге свойственно прежде всего твер- дым телам. Природа упругости заключается в обратимости малых деформаций межатомных (межмолекулярных) связей. При этом модуль упругости слабо зависит или практически не зависит от тем- пературы, не в значительной мере зависит от характера взаимодействий в твердом теле и для молекулярных кристаллов составляет примерно 109 Па, для металлов и ковалентных кристаллов – 1 011 Па и более. Например, модуль упругости алмаза равен 880 ГПа, углеродных нанотрубок – около 600 ГПа, стали – 200 ГПа, меди – 100 ГПа, алю- миния – 70 ГПа, дерева – 10 ГПа, резины – 0,01 ГПа.

16

Вместе с тем упругость может иметь и совершенно иную, эн- тропийную природу. Так, под действием приложенного напряжения происходит ориентация макромолекул или частиц в суспензии, сопро- вождающаяся уменьшением энтропии. В этом случае стремление тела к восстановлению первоначальной формы связано с тепловым движе- нием, нарушающим такую ориентацию. При этом модуль упругости (здесь он является модулем энтропийной эластичности) мал и существенно зависит от температуры.

Модуль упругости выражается в ньютонах на квадратный метр (Н/м2) или паскалях (Па), что эквивалентно джоулям на кубический метр (Дж/м3). Это означает, что формально модуль упругости может рассматриваться как удвоенная упругая энергия, запасаемая единицей объема при единичной деформации (если бы такая стопроцентная деформация была возможна). Важно подчеркнуть, что при данном напряжении τ тело накапливает тем большую плотность упругой энергии, чем ниже его модуль сдвига G.

Реально упругая деформация твердых тел наблюдается лишь до некоторого предельного значения напряжения, выше которого проис- ходит разрушение (в случае хрупкого тела, для которого предел упру- гости отвечает его прочности) или обнаруживается остаточная деформация (проявление пластичности).

Упругие деформации НДС, например кокса, связаны с измене- нием расстояния между его атомами. Упругие свойства кокса после снятия нагрузки характеризует коэффициент упругого расширения, ко- торый определяется следующим образом. Некоторое количество кокса после измельчения насыпают в специальную форму и прессуют. При достижении требуемого удельного давления замеряют высоту h1 спрессованного столбика кокса. Испытание при этом давлении про- должается 5 мин. Затем давление полностью снимают и вновь замеряют высоту столбика кокса h2. Коэффициент упругого расширения, %, рас- считывают по формуле

Kу.р = h2 − h1 100. h1

Коэффициент упругого расширения находит и практическое применение. Например, этот показатель характеризует растрескивае- мость углеродных электродов. При Ку.р не более 7…8 % прессованные изделия не растрескиваются. При больших значениях этого коэффи- циента происходит расслоение изделия с образованием трещин.

17

3. Вязкое поведение

Вязкое поведение (вязкое течение) характеризуется пропорцио- нальностью напряжений и скоростей деформаций, т. е. зависимостью между напряжением сдвига τ и его скоростью Dγ, и описывается зако- ном Ньютона:

τ = η dγ = ηDγ , dt

где η – динамическая вязкость, Па. с; Dγ = dγ/dt – скорость сдвига как производная по времени от усилия, вызванного напряжением сдвига, действующим на слой жидкости, с–1.

Напряжение сдвига τ, Па, также равно силе F, Н, приложенной к площади S, м2, являющейся поверхностью раздела фаз между пла- стиной прибора, передающего усилие, и жидкостью, приводящей к течению в жидком слое:

τ= F .

S

Если для жидкости выполняется закон Ньютона: при увеличе- нии напряжения сдвига скорость сдвига увеличивается пропорцио- нально и наоборот, то такие жидкости называются ньютоновскими. Если же увеличение напряжение сдвига вызывает непропорциональ- ное увеличение скорости сдвига (и наоборот), то такие жидкости называются неньютоновскими.

Графически вязкое течение жидкости, подчиняющейся закону Ньютона, можно представить в виде прямой линии, проходящей через начало координат, котангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен вязкости η (рис. 3).

Такое идеализированное вязкое поведение механически и термо- динамически полностью необратимо, т. е. после прекращения воздейст- вия напряжения сдвига исходная форма тела не восстанавливается.

Вязкое течение сопровождается диссипацией энергии – превра- щением всей совершенной работы в теплоту. Скорость диссипации энергии, т. е. мощность, рассеиваемая в единице объема тела, опреде- ляется зависимостью

Wвяз = τ Dγ = η D2 .

Такая квадратичная зависимость рассеиваемой мощности от скорости характерна для вязкого трения.

18

Моделью вязкого поведения тела может служить цилиндр, заполненный некоторой вязкой средой, с неплотно прилегающим к стенкам цилиндра поршнем. При этом предполагается, что отношение действующей силы к скорости перемещения поршня эквивалентно вяз- кости рассматриваемой жидкости.

Рис. 3. Вязкое течение:

1 – ньютоновская жидкость;

2 – неньютоновская (псевдопластичная) жидкость

Природа вязкого течения связана с самодиффузией – переносом массы вследствие последовательных актов обмена местами между атомами (молекулами) в их тепловом движении. Приложенное напряжение снижает потенциальный барьер такого перемещения в одном направлении и повышает в противоположном. В итоге посте- пенно обнаруживается макроскопическая деформация.

Следует отметить, что закон Ньютона хорошо описывает вязкое поведение только идеальных жидкостей. В реальных же жидкостях благодаря межмолекулярным взаимодействиям различной природы, трению частиц дисперсной фазы, пространственной ориентации мак- ромолекул или частиц наблюдается отклонение от закона Ньютона (кривая 2 на рис. 3). Изменение вязких свойств НДС, связанных с вышеперечисленными факторами, будут рассмотрены нами далее. Однако при очень низких и высоких скоростях сдвига реальные жид- кости могут вести себя как ньютоновские.

В случае очень низких скоростей это объясняется медленным вязкопластичным течением в системе с почти неразрушенной структурой (область ползучести). При этом сдвиг осуществляется

19

за счет флуктуационного процесса разрушения и последующего восстановления коагуляционных контактов. В связи с этим твердые тела также могут обнаруживать жидкоподобное поведение, напри- мер в геологических процессах, при этом вязкость может состав- лять 1 015…1 020 Па · с и более.

При очень высоких скоростях сдвига система приближается к ньютоновской в результате полного разрушения надмолекулярных структур и разрыва межмолекулярных связей. Однако при этом дол- жен сохраняться ламинарный режим течения жидкости.

4. Пластичность

Пластичность (пластическое течение) в отличие от двух преды- дущих случаев характеризуется нелинейным поведением, т. е. отсут- ствием пропорциональности между воздействиями и деформациями. Для пластичных тел при напряжениях, меньших предельного напря- жения сдвига (предела текучести) τ*, скорость деформации равна нулю (Dγ = 0). При достижении напряжения τ = τ* начинается пластическое течение (рис. 4).

Рис. 4. Пластическое течение:

1 – пластичные жидкости (после достижения предела текучести начинается пластическое течение,

не требующее дальнейшего повышения напряжения); 2 – вязкопластичные жидкости (после достижения предела текучести при повышении напряжения они ведут себя как ньютоновские жидкости);

3 – псевдопластичные жидкости (после достижения предела текучести при повышении напряжения они ведут себя как неньютоновские жидкости)

20