Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow КОЛОЇДНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

СТРУКТУРНО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

Реологія як наука про деформації і перебігу дисперсних систем

У вільнодисперсні системах частинки дисперсної фази нс пов'язані між собою і можуть вільно переміщатися незалежно один від одного. У связнодісперсних системах частинки між собою пов'язані і утворюють структурну сітку з фіксованим взаємним розташуванням складових частин тіла (атомів і молекул) в просторі. Вони не можуть переміщатися вільно і роблять тільки коливальні рухи біля положення рівноваги. Структурні сітки утворюються під дією сил Ван-дер-Ваальса і бліжнедействующіх хімічних сил в концентрованих суспензіях, емульсіях, ластах. Структура розбавлених агрегативно стійких дисперсних систем по ряду властивостей дуже схожа на структуру справжніх розчинів, відмінність полягає тільки в розмірах частинок. Збільшення концентрації дисперсної фази призводить до взаємодії її частинок, подібно асоціації молекул і іонів в істинних розчинах. Ця взаємодія супроводжується зміною властивостей дисперсних систем, яке відбувається поступово до тих пір, поки в системі не відбудеться коагуляція.

У колоїдної хімії поняття структури прийнято пов'язувати саме з коагуляцією. В процесі коагуляції відбувається утворення просторової структурної сітки з частинок дисперсної фази, що різко збільшує міцність системи. Структуроутворення в вільно-дисперсних системах безпосередньо пов'язано з втратою їх агрегативной стійкості. У міру збільшення міцності вільнодисперсні переходить в связнодісперснимі систему.

У связнодісперсних системах поява і характер утворюються структур визначають за механічними властивостями системи: в'язкості, пружності, міцності та пластичності. Ці властивості називаються структурномеханіческімі або реологическими, так як їх досліджують методами реологии - науки про деформації і течії матеріальних систем.

Дисперсная система набуває комплекс структурно механічних (реологічних) властивостей, які характеризують се здатність чинити опір деформації і поділу на частини, в результаті радикальної зміни в ході структурування.

Основне з реологічних властивостей - механічна міцність. Ця властивість характерна для всіх твердих тіл і матеріалів, воно визначає їх роль в природі і техніці. Закономірності структуроутворення в дисперсних системах, механічні властивості структурованих систем і одержуваних на їх основі різноманітних матеріалів з особливою увагою до ролі фізико-хімічних явищ на кордоні розділу фаз вивчає реологія - окремий розділ колоїдної хімії. Інакше цей розділ називаються

ється фізико-хімічної механікою. Реологія вивчає механічні властивості систем по прояву деформації під дією зовнішніх напружень.

Відомо, що деформація - це відносне зміщення точок системи, при якому не порушується її суцільність. Деформація ділиться на пружну (оборотну, коли тіло повністю відновлюється після зняття навантаження) і залишкову (необоротну). Пружна деформація, в свою чергу, підрозділяється на об'ємну (розтягнення-стиснення), сдвиговую і деформацію кручення. Залишкова деформація, при якій не відбувається руйнування тіла, називається пластичної.

Важливими при розгляді структурно-механічних властивостей є два види деформацій - розтягування-стиснення і зсув. Кількісно обидва види деформації характеризуються відносними величинами:

- відносним подовженням (тут / Q - первісна

довжина зразка; / - його довжина після прикладеного навантаження; Д / - подовження зразка);

- відносний зсув або (тут у - зміщення верхнього

шару, х - висота, на протязі якої відбувається зміщення).

Ці поняття включені в закони реології, сформульовані у вигляді двох аксіом. За першою аксіомі реологии при всебічному рівномірному (изотропном) стисненні всі матеріальні системи поводяться однаково - як ідеальні пружні тіла, діє тільки пружна деформація. Ізотропне стиск не дозволяє виявити якісні відмінності в структурі тел.

Друга аксіома реологии - це твердження, що будь-яка матеріальна система має всі реологическими властивостями. Ці властивості проявляються при сдвиговой деформації. Характер і величина деформації залежать від властивостей матеріалу, форми тіла і способу застосування зовнішніх сил.

Величина 8 в реології називається пружною деформацією, величина у - сдвиговой деформацією або просто деформацією (рис. 8.1).

Прикладена навантаження (напруга) Р , що викликає деформацію тіла, визначається відношенням зовнішньої сили F до одиниці поверхні тіла s , на яку вона діє: P = F! S. Одиницею вимірювання напруги є Паскаль (Па): [Р] = Па. Один Паскаль дорівнює тиску, що викликається силою 1 Н, рівномірно розподіленим по нормальної до неї поверхні площею 1 м 2 : 1 Па = 1 Н / м ".

Рідини і гази деформуються при накладенні мінімальних навантажень, під дією різниці тисків вони течуть. Перебіг є одним з видів деформації, при якому величина деформації безперервно збільшується під дією постійного тиску (навантаження). На відміну від газів рідини при перебігу не стискуються і їх щільність залишається майже незмінною.

Схема деформації при розтягуванні (і) і зсуві (б)

Мал. 8.1. Схема деформації при розтягуванні (і) і зсуві (б)

У реологии механічні властивості представляються у вигляді моделей, в основі яких лежать закони, що зв'язують напругу з деформацією (рис. 8.2). Трьох ділянках кривої відповідають три елементарні моделі ідеалізованих матеріалів, що відповідають основним реологическим характеристикам (пружність, в'язкість, пластичність): ідеально пружне тіло Гука, ідеально в'язке тіло Ньютона, ідеально пластичне тіло Сен- Венана - Кулона.

Взаємозв'язок деформації і напруги

Мал. 8.2. Взаємозв'язок деформації і напруги

Модель ідеально пружного тіла Гука

Мал. 8.3. Модель ідеально пружного тіла Гука

На ділянці I залежність має прямо пропорційний характер і описується законом Гука для тіл з пружною деформацією. Ідеально пружне тіло Гука представляють у вигляді спіральної пружини (рис. 8.3).

Відповідно до закону Гука деформація у в пружному тілі пропорційна напрузі зсуву Р :

де Е - модуль пружності (модуль Юнга), який є характеристикою матеріалу і його структури. Для молекулярних кристалів модуль пружності складає ~ 10 9 Па, для ковалентних кристалів і металів ~ 10 "Па і більше. Після зняття навантаження ідеально пружне тіло Гука миттєво приймає первісну форму = 0; / = 0). Енергія, витрачена на деформацію ідеально пружного тіла, повертається після припинення дії напруги, тому тіло Гука належить до консервативних структур.

На ділянці II по рис. 8.2 при значенні напруги, що перевищує деяку величину Р ^, звану межею пружності, тобто Р> Р до

може відбутися руйнування тіла або з'явитися залишкова деформація (Р = 0; у Ф 0). Це область ідеально в'язкого тіла Ньютона, яке представляється у вигляді поршня з отворами, поміщеного в циліндр з рідиною (рис. 8.4).

При перебігу ідеально в'язкої рідини відбувається зсув одного шару рідини щодо іншого при їх плоскопаралельному русі. Ця течія описує закон Ньютона, за яким при ламінарному русі рідини напруга зсуву Р пропорційно градієнту швидкості рідини або швидкості деформації:

du

де і - швидкість течії рідини; л; - координата; -

ах

градієнт швидкості, пов'язаний зі швидкістю ; dr - час,

за яке відбувається зміна при деформації dy , що супроводжує плоскопараллельное рух двох шарів рідини: ; /

- швидкість деформації Модель ідеально пластичного тіла Сен-Венана - Кулона

Мал. 8.5. Модель ідеально пластичного тіла Сен-Венана - Кулона

Модель ідеально в'язкого тіла Ньютона

Мал. 8.4. Модель ідеально в'язкого тіла Ньютона

З наведених співвідношень слід зв'язок між швидкістю потоку і швидкістю деформації:

У рівняннях (8.1) коефіцієнт пропорційності /; називається коефіцієнтом внутрішнього тертя, але частіше - ньютонівської в'язкістю, динамічною в'язкістю або просто в'язкістю. Це найважливіша властивість, що характеризує структуру будь-якої дисперсної системи. В'язкість є реологічні константою і визначає здатність рідини чинити опір течією.

Величина, зворотна в'язкості I / 77, називається плинністю.

Динамічна в'язкість в системі СІ має розмірність Н-с / м 2 . Ця розмірність називається паскаль - секунда (Пас): [//] = Па с. Пас- кальсскунда дорівнює в'язкості середовища, дотичне напруження в якій при ламінарному плині і при різниці швидкостей шарів, що знаходяться на відстані 1 м але нормалі до напрямку швидкості, що дорівнює 1 м / с, дорівнює 1 Па:

. Наприклад, в'язкість води при 20,5 ° С дорівнює 1,005 мПас.

В літературі зустрічається ще одна одиниця виміру в'язкості - пуаз (П): 1 П = 0,1 Па-с. В'язкість газів приблизно в 50 разів менше, у високов'язких рідин значення в'язкості можуть досягати в тисячу і мільйони разів більше значення, у твердих тіл в'язкість більш ніж 10 15 - Ю 20 Па с.

Рідини, протягом яких описують зазначені вище рівняння, називаються ньютоновскими. Величина деформації ньютонівської рідини залежить від часу дії напруги. Так як або ,

то , тобто при постійній напрузі Р деформація пропорційна часу дії цієї напруги.

Ньютонівські рідини здатні текти (деформуватися) під дією дуже малих зовнішніх навантажень доти, поки вони діють. Енергія, витрачена на деформацію ідеально в'язкого тіла (ньютонівської рідини), перетворюється в теплоту, тому тіло Ниотоіа належить до дисипативних структурам.

Ідеально пластичне тіло Сен-Венана - Кулона представляється розташованим на площині твердим тілом, при русі якого гре- ня постійно і не залежить від нормальної, тобто перпендикулярної поверхні сили (рис. 8.5). В основі цієї моделі лежить закон зовнішнього тертя, відповідно до якого деформація відсутня, якщо напруга зсуву менше деякої величини Pj , званої межею плинності, тобто при Р <Р т деформація відсутня: у = 0 і у = 0. На рис. 8.2

це III ділянку, що показує можливість переходу пружною деформації в пластичну.

Якщо напруга досягне межі текучості, то розвивається деформація ідеально пластичного тіла нс має межі, протягом відбувається з будь-якою швидкістю, тобто при Р = Pj деформація позитивна:

у> 0 і у> 0.

Межа плинності Р ^ відображає міцність структури тіла. За умови Р = Р т структура ідеального пластичного тіла руйнується, після

чого опір напрузі повністю відсутня. Енергія, витрачена на деформацію ідеально пластичного тіла Сен-Венана - Кулона, перетворюється в теплоту, тому воно належить до дисипативних структурам.

 
<<   ЗМІСТ   >>