4.3: Реологія
- Page ID
- 19970
Вимірювання в'язкості - це сфера науки, яка називається реологією. Реологія - це, в буквальному сенсі, вивчення течії. Ще одне дуже просте визначення, яке приписують інженера-хіміку Крісу Макоско з Університету Міннесоти, - це вивчення «що відбувається, коли ви розчавлюєте речі». Тут теж вступає елемент сили або тиску.
Одним з поширених способів оцінки властивостей в реології є розміщення зразка між двома паралельними пластинами і переміщення однієї пластини щодо іншої. Одна тарілка говорить ще, а інша рухається. Що відбувається з рідиною між пластинами? Між нерухомою пластиною та рідиною повинно бути деяке тертя, яке буде тримати рідину нерухомою. Також має бути деяке тертя між рухомою пластиною і рідиною, яка змусить рідину рухатися вздовж з тією ж швидкістю, що і ця пластина. Так що в одній крайності рідина рухається разом з ковзаючою пластиною, а на іншій крайності рідина ідеально нерухома. Якщо уявити, що рідина між цими двома крайнощами розділена на дуже тонкі шари, то кожен шар повинен рухатися з дещо іншою швидкістю, ніж наступний.
На схемі символ, u, позначає швидкість шару рідини. Стрілка поруч з шаром призначена для передачі його відносної швидкості: верхній шар рухається найшвидше, наступний шар трохи повільніше, і так далі; нижній шар взагалі не рухається. Існує важлива величина, яка називається швидкістю деформації або швидкістю зсуву (дана як символ грецька буква gamma, γ, з крапкою зверху), яка описує, як змінюється швидкість рідини, що рухається вздовж осі x (зліва направо), шар за шаром, у напрямку y.
Яке відношення має ця картина до в'язкості? Ну, для того, щоб змусити цю верхню пластину рухатися, ми повинні застосувати якусь силу до неї. У реології сила задається на одиницю площі (як тиск); ця сила на одиницю площі описується як напруга (дана як символ грецька буква сигма, σ).
Що робити, якщо ми хотіли ковзати пластину ще швидше? Що трапиться з рідиною? Ну, швидкість зсуву підніметься. Верхній шар рухався б ще швидше, а нижній шар все одно був би нерухомим. І що ми повинні зробити, щоб отримати більш швидку швидкість зсуву? Довелося б підсунути верхню пластину трохи сильніше. В результаті виходить графік, який виглядає наступним чином:
Графік говорить, що напруга зсуву і швидкість зсуву безпосередньо пов'язані. Напруга називається «напругою зсуву» через напрямок сили паралельно рідини, викликаючи деформацію зсуву. Коли ми збільшуємо швидкість зсуву, напруга зсуву також пропорційно збільшується. Отже, якби ми провели цей експеримент, використовуючи воду як рідину між пластинами, ми отримали б лінійну залежність між напруженням зсуву та швидкістю зсуву. Ось так описав поведінку рідин сер Ісаак Ньютон, тому коли ми бачимо лінійну залежність між напругою і деформацією, ми описуємо рідину як ньютонівську рідину.
Що станеться, якщо ми проведемо експеримент з медом замість води? Що станеться, наприклад, якби ми надали певний стрес, щоб отримати певну швидкість зсуву з водою, і ми хотіли отримати однакову швидкість зсуву за допомогою меду? Ну а мед густіше води. Він не збирається рухатися так легко. Нам доведеться застосувати більшу напругу, щоб досягти тієї ж швидкості зсуву, яку ми вимірювали водою.
Це було б вірно для всіх можливих швидкостей зсуву. Якби ми графували напругу зсуву проти деформації зсуву з медом, ми б отримали лінійну залежність, як ми робили з водою, але значення напруги зсуву завжди було б вище, ніж для води. Ухил лінії для меду був би більше, ніж ухил лінії для води.
В'язкість формально визначається як нахил цієї лінії. Мед, будучи густішим за воду, вимагає вищих і вищих напружень для досягнення тих самих швидкостей деформації, які ви отримаєте, використовуючи більш низькі напруги з водою. У простому кухонному аналозі експерименту вам доведеться штовхати ложку сильніше, щоб перемішати мед, ніж ви робите, якщо ви просто перемішуєте воду.
Мед і вода - ньютонівські рідини. Зв'язок простий: збільште напругу зсуву, і ви збільшуєте швидкість зсуву. Не всі рідини поводяться саме так. Наприклад, полімерні розчини цього не роблять. Вони відображають нелінійну залежність, в якій напруги зсуву, необхідні для отримання більш високих швидкостей зсуву, просто не такі високі, як ви очікували.
Така поведінка описується як витончення зсуву. Що змушує полімерні розчини робити це? Пам'ятайте, що в розчині окрема молекула полімеру має тенденцію згортатися в кульку. Зазвичай ці кульки сферичні. При високих швидкостях зсуву вони спотворюються на еліпси. Це зменшує кількість перетягування, роблячи розчин трохи менш в'язким, ніж ви очікували. Напруга зсуву все ще збільшується з більш високими швидкостями зсуву, але не настільки, як якщо б це була ньютонівська рідина.
Це ще не все. Пам'ятайте, полімери демонструють заплутування ланцюга, особливо коли вони дуже великі. Обплутування ланцюга збільшує в'язкість розчину. Ці ланцюги рухливі, оскільки полімер постійно зазнає конформаційних змін. Коли розчин стрижеться, деякі полімерні ланцюги можуть відхилятися від сусідів, але випадкові конформаційні зміни завжди призведуть до нових заплутань відразу.
Але що відбувається при дуже високій швидкості деформації зсуву? Полімерні ланцюги все одно розплутуються, але не встигають утворювати нові заплутування, тому що все свистіє занадто швидко. Без цих заплутань в'язкість не збільшується так різко, як можна було б очікувати.
Деякі рідини поводяться так само, як вода, а ось полімерні розчини - ні. Це наслідок надзвичайно довгих ланцюгових структур полімерів. Варто зазначити, що є й інші речі, які не поводяться «нормально». Колоїди часто виявляють зсувне потовщення. Приклади цього можна побачити на відео людей, що бігають по болотних басейнів, наповнених кукурудзяним крохмалем і водою, колоїдної суміші, в якій тверді частинки кукурудзяного крохмалю просто підвішені у воді, а не розчиняються. Якщо ви ходите по басейну, ви тонете. Якщо ви бігаєте, ви залишаєтеся на висоті. Це зсувне потовщення, і це пов'язано з тим, як ці тверді частинки рухаються під час зсуву. Коли ви йдете, вони просто ковзають повз один одного, але коли ви бігаєте, вони всі стикаються, і зупиняються.
Пластик Бінгем, з іншого боку, насправді здається твердим, поки ви не дасте йому хороший поштовх; тоді він тече як рідина. Арахісове масло поводиться саме так.
Вправа Template:index
Мед - ньютонівська рідина, але патока піддається зсувному розрідженню. Що ви можете зробити висновок про склад патоки та меду?