Вязкое течение жидкостей. Уравнение Ньютона и Пуазейля. Причины неподчинения коллоидных растворов этим законам.

При течении реальной жидкости (или газов) отдельные слои воздействуют друг на друга с силами, касательными к слоям. Это явление называется внутренним трением, или вязкостью.

Вязкое течение харак-ся пропорциональностью между напряжением и скоростью деформации и описывается з-ном Ньютона.

Уравнение ньютона P= η ε*

ε-относительная деформация, η-вязкость , P-напряжение деформации

Применение закона Ньютона в ламинарном течении трубки приводит к формуле Пуазейля

Q=US=(K/η)P

U-линейная скорость течения

P-давление

Q-расход жидкости

K-константа,определяемая геометрическими параметрами

Законы Ньютона и Пуазейля применимы для чистых жидкостей в том числе и для коллоидных систем.

Наличие структуры изменяет характер течения жидкости.

Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.  Если на нее воздействовать резко, сильно, быстро - она проявляет свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью.

Если к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значени, то такая жидкость будет оставаться в покое. Как только напряжение сдвига превысит, вязкопластик начнет течь, как обычная ньютоновская жидкость. Иначе говоря, привести в движение вязкопластичную жидкость можно, лишь преодолев её предельное напряжение.

Билет 26 Применительно к каким адсорбентам адсорбция описывается теорией капиллярной конденсации? Каковы исходные положения этой теории? Почему в капиллярах пар конденсируется при давлениях более низких, чем на плоской поверхности?

Удерживание газов и паров пористыми телами и их адсорбционная способность зависят от природы взаимодействующих тел и от структуры пористого тела. Если структурный фактор для макропористых адсорбентов имеет малое значение, то уже для мезапорисгых тел его роль резко возрастает. Это обусловлено проявлением капиллярных сил, действие которых с ростом дисперсности тела непосредственно связано со сродством адсорбата к адсорбенту.

Рассматриваемые закономерности зависят от смачиваемости жидкостью поверхности пористого тела. Сродство будет достаточным при смачиваемости жидкостью поверхности твердого тела и появляющейся конденсации в порах. Только при смачивании капиллярные силы будут втягивать адсорбат в поры и обеспечивать адсорбционную способность пористого тела. Чем меньше размер пор, тем сильнее капиллярное удерживание адсорбата (в обратном случае — капиллярное выталкивание). Адсорбция на несмачиваемых поверхностях минимальна и возможна только на ровной поверхности и в крупных порах.

Адсорбция на мезапористых телах происходит по механизму капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация начинает проявляться при определенной степени заполнения адсорбента или при определенном значении давления пара, характерном для данной системы. К этому моменту поверхностная энергия адсорбента практически полностью скомпенсирована в результате полимолекулярной адсорбции, а микропоры заполнены адсорбатом.

С увеличением давления газа или пара конденсация происходит и в более крупных порах, радиус мениска жидкости r в которых находится в соответствии с уравнением Томсона — Кельвина:

Ps- давление пара над искривл поверхн P – над плоской

Знак минус в уравнении относится к отрицательной кривизне (к вогнутому мениску), когда жидкость смачивает капилляр. В этом случае конденсация паров в капилляре происходит при меньшем давлении, чем

на ровной поверхности, то есть , а уравнение называют уравнением капиллярной конденсации.

Из уравнения Томсона — Кельвина следует, что выражение для адсорбционного потенциала имеет вид: , то есть по теории капиллярной конденсации адсорбционный потенциал принимается равным капиллярному потенциалу.

Изменение реакционной способности системы, определяемое изменением энергии Гиббса при увеличении дисперсности (искривлении поверхности), пропорционально кривизне поверхности. Давление насыщенного пара над искривленной поверхностью будет уменьшаться с уменьшением радиуса кривизны. Конденсация паров будет происходить при меньшем давлении, чем над плоской поверхностью и тем быстрее, чем меньше радиус капилляра (больше радиус кривизны).

Электроосмос. Вывод уравнения Смолуховского для электрокинетического потенциала по скорости электроосмоса.

Электроосмос – явление перемещения жидкой дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием электрического поля.

n -вязкость среды U₀ – скорость электрофореза, ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε₀ — электрическая постоянная,

Роль сольватных оболочек для стабилизации коллоидных систем.

адсорбционно-сольватный фактор связан с существованием особых слоев жидкости (сольватных оболочек) вокруг всякой коллоидной частицы, которые препятствуют сближению частиц. Проявляется этот фактор в основном в лиофильных дисперсных системах. Лиофильные системы тем более устойчивы, чем сильнее развиты сольватные оболочки.

Ориентация молекул в сольватных слоях приводит к свойствам, характерным для квазитвердых тел - высокой вязкости, упругости, сопротивлению сдвигу - и препятствующим взаимопроникновению слоев при сближении частиц. 

Еще большего развития достигают сольватные слои в результате адсорбции длинноцепочечных ПАВ и, в особенности, макромолекул ВМС. Большие размеры молекул, несущих собственные сольватные оболочки, создают на поверхности частиц адсорбционно-сольватные слои значительной протяженности и плотности. Такие слои обладают сопротивлением сдвигу и высокой вязкостью образ-ся структурно-механического барьера.

Т.о. макромолекулярн слои явл-ся весьма сильным фактором стабилизации, обеспечивая устойчивость дисп систем даже при очень высоких конц дисперсной фазы.

Билет 27 Адсорбция. Интегральное и дифференциальное изменение свободной энергии при адсорбции.

Адсорбция – процесс самопроизвольного перераспределения компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой.

Чем отличается процессы гомогенной и гетерогенной конденсации и каковы причины возникновения метастабильного состояния в пересыщенных системах?

Процесс конденсации предполагает образование новой фазы на уже имеющихся поверхностях (стенках сосуда, частицах посторонних веществ-ядрах конденсации)-гетерогенная конденсация, или же на поверхности зародышей, возникающих самопроизвольно в результате флуктуаций плотности и концентрация вещества в системе - гомогенная конденсация. Конденсация происходит на поверхности ядер конденсации или зародышей очень малых размеров, из-за этого реакционная способность сконденсированного вещества больше, чем макрофазы. Поэтому чтобы сконденсированное вещество не возвращалось в первоначальную фазу необходимо наличие пересыщения в системе. Этими же причинами объясняется возможность существования систем в пересыщенных, перегретых, переохлажденных состояниях, которые называются метастабильными. Метастабильные состояния впервые были установлены Ловицем на примере пересыщенных растворов. Необходимость пересыщения для образования гетерогенной системы из гомогенной следует из того, что появление избыточной поверхностной энергии при конденсации должно быть сначала скомпенсировано избытком энергии Гиббса системы, это и обеспечивается пересыщением.