Контрольная работа по "Физико-химическая механика гетерогенных структур "

    Все коллоидные и микрогетерогенные  дисперсные системы, можно раздёлить  на свободнодисперсные и связнодисперсные системы. Если дисперсионной средой является жидкость, то могут быть и  переходные системы, отдельные частицы  которых связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры (структурированные жидкости). Очевидно, подобные агрегаты можно  рассматривать как обрывки пространственной сетки, которая по тем или иным причинам не получила полного развития.

    На  тип системы весьма существенное влияние оказывает концентрация дисперсной фазы. В свободнодисперсных системах концентрация дисперсной фазы не может быть очень большой, так  как в противном случае неизбежно  возникал бы контакт между отдельными частицами. В результате образовывались бы пространственные сетки или, объем системы заполнялся настолько частицами дисперсной фазы, что свободное перемещение частиц по отношению друг к другу было бы невозможно. Понятно, что при введении в систему стабилизатора, препятствующего сближению частиц, а следовательно, и проявлению молекулярных сил между частицами, можно значительно увеличивать критическую концентрацию, при которой возникают связи между элементами структурной сетки, т. е. концентрацию, отвечающую достаточно высокой прочности или структурной вязкости системы.

    В связнодисперсных системах концентрация дисперсной фазы может достигать  очень больших значений. Однако следует  отметить, что эти системы могут  получаться и при очень малых  концентрациях дисперсной фазы, если только частицы достаточно анизодиаметричны, являясь, например, палочками или пластинками. Так, золь пятиокиси ванадия с палочкообразными частицами образует гель при содержании в нем

    Понятно, что та или иная структура коллоидной системы придает ей определенные реологические свойства.

    Из-за несвязанности друг с другом отдельных частиц в свободнодисперсных системах эти системы проявляют способность к вязкому течению, т. е. к непрерывному изменению своей формы во времени под влиянием даже очень малых напряжений сдвига. При этом течение этих систем качественно обычно подчиняется тем же закономерностям, что и течение чистой дисперсионной среды. Количественные же отклонения сводятся в основном к тому, что вязкость такой системы обычно выше вязкости чистой среды.

    В противоположность этому связнодисперсные системы, вследствие наличия сил  взаимодействия между их частицами, обладают в известной степени  свойствами твердых тел — способностью сохранять форму, некоторой прочностью, упругостью, часто эластичностью. Однако из-за малой прочности связи между  отдельными элементами структуры сетки  структуры в связнодисперсных системах сравнительно легко разрушаются и эти системы приобретают способность течь.

    Структурированные жидкости обычно представляют собой системы с малой концентрацией дисперсной фазы, но с явно выраженной тенденцией частиц к слипанию.

    Структурированные жидкости, очевидно, должны обладать реологическими свойствами, промежуточными между свойствами свободно- и связнодисперсных систем. Эти системы способны течь, но они не подчиняются при этом законам течения обычных неструктурированных жидкостей.

    На  реологические свойства коллоидных систем, помимо концентрации дисперсной фазы в системе, сильно влияют и такие  факторы, как природа дисперсной фазы, дисперсионной среды и присутствующего стабилизатора, поскольку именно от этих факторов зависит эффективность молекулярных сил, действующих, с одной стороны, между частицами дисперсной фазы, а с другой — между частицами и растворителем.

    Изучая  реологические свойства коллоидных систем, можно определить характер образовавшихся в них структур. Значение реологических свойств коллоидных систем важно и с практической стороны. Такие важные системы, как почва, формовочные глины, цементный раствор, краски, лаки, пасты, характеризуются рядом особых структурно-механических свойств.

    Величина  обратная вязкости, называется текучестью. Она характеризуется подвижность жидкости под влиянием внешних воздействий.

    Рейнольдс в 1883 г. показал, что при течении жидкости по трубке с гладкими стенками ламинарное движение переходит в турбулентное, когда число Рейнольдса превысит известное значение. Число или критерий Рейнольдса представляет собой безразмерное отношение:

      

    где — плотность жидкости.

    Как видно из соотношения, ламинарное движение переходит в турбулентное при тем меньших скоростях, чем больше радиус трубки и плотность жидкости и чем меньше ее вязкость. Наличие в жидкости взвешенных частиц, особенно неправильной формы, способствует так называемой ранней турбулентности, т. е. тому, что ламинарное течение переходит в турбулентное при значительно меньших значениях .

    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.

    Все обладающие вязкостью жидкости очень  просто подразделяются на ньютоновские и неньютоновские.

    Ньютоновскими весьма логично называются жидкости, течение которых подчиняется уравнению Ньютона. Не приводя уравнения, можно сказать по-простому, что ньютоновские жидкости имеют вязкость, не зависящую от силы (а точнее, от изменения скорости деформации), которую к ним прикладывают. Следует пояснить, что вязкость – это коэффициент пропорциональности между образующейся в жидкости в ответ на деформацию силой вязкого трения (а точнее, касательного напряжения), и изменением скорости этой деформации. Таким образом, кривая течения ньютоновских жидкостей, то бишь график зависимости касательного напряжения от градиента скорости, представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. Наклон этой прямой (на рисунке линия 4) пропорционален вязкости ньютоновской жидкости, или, как ее еще называют, ньютоновской вязкости

    Ньютоновская вязкость зависит только от температуры и давления и полностью характеризует поведение жидкости. Ньютоновскими является большая часть жидкостей, с которыми мы привыкли иметь дело: вода, водные растворы, нефтепродукты, ацетон и т.п. Неньютоновскими, или аномальными, называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона. Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей и других отраслях промышленности.

    Все неньютоновские жидкости можно разделить  на три группы:

1. Неньютоновские вязкие жидкости.
2. Неньютоновские нереостабильные жидкости.
3. Неньютоновские вязкоупругие жидкости.

    Неньютоновские  вязкие жидкости характеризуются тем, что их свойства не зависят от времени, а касательное напряжение является простой функцией градиента скорости.

Они подразделяются на:

• вязкопластичные жидкости;
• псевдопластичные жидкости;
• дилатантные жидкости;

Кривые течения жидкостей: 
1 - нелинейновязкопластичная, 2 - вязкопластичная, 3 – псевдопластичная, 4 – ньютоновская, 5 – дилатантная.

    Если  к вязкопластичной жидкости прикладывать напряжение сдвига, меньшим по величине, чем пороговое значение, 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.

    Такое поведение вязкопластиков объясняется тем, что в жидкости, находящейся в покое, образуется жесткая пространственная структура, оказывающая сопротивление любому напряжению, меньшему, чем пороговое. К вязкопластичным жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту – то есть то, что похоже на пасту, главным образом суспензии.

    К псевдопластичным жидкостям относятся жидкости, содержащие несимметричные частицы или молекулы высокополимеров, например, суспензии или растворы полимеров, подобных производным целлюлозы.

    При маленьких изменениях скоростей  деформации молекулы высокополимеров  или несимметричные частицы своими большими осями ориентируются вдоль  направления движения, вследствие чего возрастает напряжение внутри. После завершения ориентирования, а поведение жидкости не отличается от ньютоновского. Иными словами, если нажимать на псевдопластическую жидкость не резко, то ее вязкость будет высока, а если резко – то будет уменьшаться (размешивать сахарный сироп или кисель).

    К дилатантным неньютоновским относятся жидкости с большим содержанием твердых частиц. При движении с небольшим градиентом скорости жидкость играет роль смазки между твердыми частицами и уменьшает трение. При дальнейшем увеличении градиента скорости жидкость ведет себя, как ньютоновская.

    Хорошими  примерами дилатантных жидкостей являются крахмальное молочко (2 части крахмала на одну часть воды), или, особенно, охлажденная карамель. Если резко перевернуть стаканчик с холодной карамелью, она вообще встанет комом и не захочет вытекать; втыкание ложки с размаху тоже будет не самым удобным – не то, что если воткнуть ее мягко и не торопясь.

    Факторы устойчивости золей.

    Фактор  устойчивости, или коэффициент замедления W, показывает, во сколько раз константа  скорости медленной коагуляции меньше константы скорости быстрой коагуляции.

    

    Следует отметить пять факторов устойчивости, которых два первых играют главную  роль.

    1. Электростатический фактор устойчивости.

    Он  обусловлен наличием ДЭС и дзета-потенциала на поверхности частиц дисперсной фазы.

    2. Адсорбционно-сольватный фактор  устойчивости.

    Он  обусловлен снижением поверхностного натяжения в результате взаимодействия дисперсионной среды с частицей дисперсной фазы. Этот фактор играет заметную роль, когда в качестве стабилизаторов используются коллоидные ПАВ, с которыми мы познакомимся позднее.

    Сольватация – взаимодействие растворенного вещества с растворителем. Молекулярные группы, сольваты, образовавшиеся в результате взаимодействия, слой молекул растворителя, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения – сольватная оболочка. Наименьшее число молекул, удерживаемых в непосредственной близости от сольватированной частицы – координационное число сольватации. В зависимости от природы растворенного вещества, сольваты могут образовываться различными путями.

    3. Структурно-механический фактор  устойчивости.

    Он  обусловлен тем, что на поверхности  частиц дисперсной фазы образуются пленки, обладающие упругостью и механической прочностью, разрушение которых требует  времени и затраты энергии. Этот фактор устойчивости реализуется в  тех случаях, когда в качестве стабилизаторов используются высокомолекулярные соединения (ВМС).

    4. Энтропийный фактор устойчивости.

    Коагуляция  приводит к уменьшению числа частиц в системе, следовательно, к уменьшению энтропии а это, как вы помните из термодинамики, приводит к увеличению свободной энергии системы . Поэтому система самопроизвольно стремится оттолкнуть частицы друг от друга и равномерно (хаотично) распределить по объему системы. Этим обусловлен энтропийный фактор устойчивости. Однако мы помним, что число частиц в коллоидном растворе по сравнению с истинным раствором такой же массовой концентрации гораздо меньше, поэтому роль энтропийного фактора невелика. Но если частицы стабилизированы веществами, обладающими длинными гибкими цепями (ВМС) и потому имеющими много конформаций, то при сближении таких частиц их защитные слои вступают во взаимодействие. Это взаимодействие непременно приводит к уменьшению числа возможных конформаций, а значит - к уменьшению энтропии. Поэтому система стремится оттолкнуть частицы друг от друга.

    5. Гидродинамический фактор устойчивости. Ему способствует увеличение  плотности и динамической вязкости  дисперсионной среды.

    В реальных системах действуют, как правило, несколько факторов устойчивости. Каждому  фактору соответствует специфический  способ его нейтрализации. Это затрудняет создание общей теории устойчивости. Пока существуют лишь частные теории.