Свойства жидкостей

К жидкостям относятся вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига 6 наблюдается течение (деформация е) с посто­янной или переменной скоростью. Свойства жидкостей могут про­являться и у пластичных тел после превышения предела текучести.

При простом течении ньютоновской жидкости с напряжени­ем 9 возникает деформация с определенной скоростью сдвига у. Отношение напряжения сдвига к скорости деформации сдвига является реологической константой жидкости и называется ньютоновской вязкостью rj:

Для неньютоновских жидкостей вязкость является функцией скорости сдвига, поэтому ее называют «кажущейся» или эффек­тивной вязкостью г]_эф (Па • с), которая достаточно полно харак­теризует поведение текучего материала.

Рис. 13.2. Неполные кривые течения (я) и функции вязкости (б):

1 — ньютоновской жидкости; 2 — дилатантной жидкости; 3 — структурно-вязкой жидкости; 4—г нелинейного пластичного тела; 5— линейного пластичного тела

Определение эффективной вязкости предусматривает изме­рение значений (8, у) в широкой области у для построения кри­вой течения и функции вязкости.

Для характеристики жидкостей используют кривые тече­ния—реограммы, представляющие собой графическую зави­симость напряжения сдвига от скорости деформации в условиях простого сдвига.

Реограмма ньютоновских жидкостей представляет собой пря­мую линию 1 (рис. 13.2), проходящую через начало координат. Все кривые течения 2—5, которые отклоняются от прямой ли­нии, соответствуют неньютоновским жидкостям. При этом кри­вая 2 отражает дилатантное течение, характерное в основном для концентрированных дисперсных систем, при котором с увеличе­нием скорости деформации наступает «затруднение сдвига» (при высокой концентрации дисперсной фазы вследствие образова­ния пространственной структуры возникает предел текучести); кривая 3 — псевдопластичное течение, что характерно для «сдви­гового размягчения» вследствие разрушения структуры с увели­чением скорости деформации; кривая 4 — нелинейное пластич­ное течение, характерное для большинства пластичных тел.

Линейный участок кривой 5 характерен для бингамовских тел и соответствует идеальному пластичному течению.

Таким образом, эффективная вязкость неньютоновских жид­костей состоит из двух компонентов:

1 — неньютоновской вязкости х\ , основанной на внутрен­нем трении жидкости и представляющей собой физическую кон­станту материала;

зависящего от

2 — структурного сопротивления

структурного состояния дисперсных систем и являющегося фун-

кцией скорости сдвига

Свойства твердых тел

Твердые тела в зависимости от упругости бывают гуковскими и негуковскими.

Гуковское тело — это идеально упругое тело, состояние кото­рого описывается уравнением Гука

где и — модуль упругости.

После снятия нагрузки, отдавая накопленную энергию, гуков­ское тело без запаздывания возвращается в исходное состояние.

Однако среди твердых тел встречаются такие, поведение ко­торых не соответствует поведению идеально упругого тела. Такие тела называются негуковскими.

Для негуковского твердого тела с нелинейной упругостью

При этом модуль сдвига является функцией деформации, что характерно, например, для пористых пенообразных пищевых материалов. В связи с этим, как и для неньютоновских жидко­стей, вводят понятие эффективного модуля упругости Gэф. Если напряжение не превышает предела текучести (или прочности) твердого тела, соотношение между напряжением сдвига и дефор­мацией описывается уравнением

На рис. 13.3 приведены графики зависимости деформации е от времени деформирования т при постоянном напряжении для твердых, твердообразных, жидких и жидкообразных структур пищевых продуктов.

Рис. 13.3. Схема зависимости деформации е от времени т при постоянном напряжении

Для идеально твердых тел (рис. 13.3, а) основной характери­стикой является модуль упругости, определяемый по величине упругой, исчезающей после снятия напряжений деформации е . Определить вязкость твердого тела не представляется воз­можным из-за отсутствия у него пластической остаточной дефор­мации (е_ост = 0).

Измерение величины упругих деформаций и модулей у неко­торых твердых (кристаллических) структур также связано со зна­чительными трудностями из-за малой величины этой деформа­ции, хрупкости. Для таких тел определяют прочность или крити­ческое напряжение разрушения структуры. При этом испытуемый образец нагружают постепенно, увеличивая напряжение до кри­тического, соответствующего разрушению структуры. В структуре постепенно развиваются дефекты (например, трещины). Крити­ческое напряжение, или прочность, бывает значительно меньше, чем модуль упругости, определенный по величине мгновенной упругой деформации, протекающей в доли секунды.

У идеальных, или истинных, жидкостей (рис. 13.3, 6) пред­ставляется возможным определить только вязкость, так как вся получаемая деформация является остаточной (е_ост = 0) и после снятия нагрузки не исчезает.

У идеально твердых тел и жидкостей по указанным выше при­чинам нельзя определить период релаксации напряжений.

У большинства продуктов можно определить как упругие, так и остаточные деформации и по ним рассчитать модули упруго­сти, вязкость и период релаксации. На рис. 13.3, в представлен пример для твердообразных, а на рис. 13.3, г — для жидкообраз-ных продуктов.

Таким образом, многочисленные реальные твердые тела об­ладают мгновенной обратимой упругостью и запаздывающей уп­ругостью, а после превышения предела текучести возникает пла­стичное течение.

Пищевые продукты и полуфабрикаты, такие, как тесто, тво­рожные массы, мясные и рыбные фарши, мясо, шпик, фруктовые и овощные пюре, джемы, повидло, сливочное масло и маргари­ны, кремы, относятся к пластично-вязким твердообразным структурами, и их деформационное поведение, или течение, от­личается от поведения ньютоновских жидкостей или твердых тел.

Для неразрушенных структур существует два основных типа кривых кинетики деформации.

В первом случае (рис. 13.4, а) приложенное напряжение меньше предела текучести (Р < Р_г). Этот тип встречается очень редко, например, при действии малых напряжений на пищевые студни деформация может быть полностью обратимой.

При мгновенном действии напряжения возникает упругая де­формация е₀ как мгновенная реакция тела на внешнее воздейст­вие О А. Ее величина определяется силами первичных химиче­ских связей. Вслед за мгновенной, упругой развивается уже во времени высокоэластичная деформация, также обратимая по ве­личине А С. Ее величина характеризует силу связи между отдель­ными макромолекулами и их звеньями. Деформация достигает некоторого максимального значения s_max и далее не меняется,

Рис. 13.4. Кривые кинетики деформации материала

так как действующее напряжение уравновешивается силами внутреннего сопротивления тела, конечный участок кривой яв­ляется линейным. В точке С напряжение снимают (Р = 0), де-_ формация спадает до нуля по кривой CDF, система полностью восстанавливает свою форму.

В большинстве случаев для реальных пищевых систем прило­женное напряжение превышает предел текучести (Р > Р_т) и полу­чается кривая, изображенная на рис. 13.4, б.

При мгновенном действии напряжения возникает упругая деформация е₀ как мгновенная реакция тела на внешнее воздей­ствие.

После возникновения мгновенной упругой деформации об­наруживается непрерывное нарастание остаточной деформации, переходящее в пластическое течение. Остаточная деформация нарастает с постоянной скоростью, которую можно охарактери­зовать tg a, a максимальная деформация s_max за время действия нагрузки т определяется отрезком, отсекаемым на оси ординат касательной к конечному участку кривой.

В точке С напряжение снимают, происходит своеобразный «отдых» образца, при этом упругая деформация исчезает.

г₀ = ОА = CD, и идет восстановление эластической деформа­ции. С увеличением времени кривая DF будет приближаться к некоторому конечному значению остаточной деформации s_0CT.

По кривой кинетики деформации кроме предела упругости можно найти модули мгновенной упругости сдвига, эластично­сти и другие характеристики.

ПРЕДЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА

Реограммы пластично-вязких твердообразных материалов имеют сложный характер с несколькими характерными участка­ми (рис. 13.5).

С увеличением напряжения сдвига до точки 1 происходит только упругая деформация, слои друг относительно друга не пе­ремещаются, материал ведет себя как твердое тело, вязкость сис­темы бесконечно велика.

Величина 9_СТ (статическое предельное напряжение сдвига) ха­рактеризует переход системы из состояния покоя в состояние медленного перемещения одного слоя относительно другого (ползучесть) без заметного разрушения структуры. Деформация становится высокоэластичной, вязкость принимает максималь­ное значение Сп_тах) ^и называется пластической или шведовской.

Величина 8_СТ, или более распространенное на практике обоз­начение 9₀ — предельное напряжение сдвига неразрушенной структуры, является одной из основных реологических характе­ристик пластично-вязких материалов. Под предельным на­пряжением сдвига понимают напряжение, по достижении которого материал начинает необратимо деформироваться (течь).

Рис. 13.5. Реологические кривые для твердообразных систем:

а — зависимость градиента скорости

от напряжения сдвига; б — зависимость

логарифма эффективной вязкости

от напряжения сдвига;

0—1 — зона упругих деформаций;

1-2 — зона начала течения

с наибольшей эффективной

и пластической вязкостью;

2—3 — начало зоны лавинного

разрушения структуры;

3—4— зона лавинного разрушения

структуры (течение с наименьшей

пластической вязкостью);

5 и выше — зона ньютоновского

течения с постоянной вязкостью

предельно разрушенной структуры

Рис. 13.6. Деформация сдвига

Для большей наглядности представим себе кубик (рис. 13.6), который нижним основанием приклеен к неподвижной плоско­сти, а к верхнему основанию приложено напряжение 9. В резуль­тате кубик превратится в ромбоэдр, так как его боковые стороны сдвинутся на угол е. Этот угол называется углом сдвига. Он зави­сит от приложенного напряжения и свойств материала.

Если напряжения сдвига малы, то и углы невелики и исчеза­ют после того, как будут сняты напряжения, в этом случае тело проявляет упругие свойства. Если приложены большие напряже­ния, получаются большие углы е, после снятия напряжений углы сдвига могут частично уменьшаться, но не до нуля, т. е. появятся остающиеся углы сдвига е'. Напряжения, при которых они появ­ляются, называются пределом упругости и характеризуют пре­дельное напряжение сдвига.

Участок 2—3 (см. рис. 13.5) соответствует интенсивному (ла­винному) разрушению структуры в системе. Начало разрушения 9_Т означает переход ползучести в течение с постоянно изменяю­щейся вязкостью, называемой эффективной вязкостью г)_эф-

Эффективная вязкость — это итоговая характеристика для данного напряжения сдвига, характеризующая равновесное со­стояние между процессами восстановления и разрушения струк­туры, а также ориентации частиц в направлении установившего­ся ламинарного потока жидкости.

Участок 3—4 (прямая линия) отвечает течению системы с раз­рушенной структурой. Величина 9₀, отсекаемая на оси абсцисс продолжением прямолинейного участка, называется динамиче­ским или бингамовским предельным напряжением сдвига.

Величина 9_тах соответствует практически полному разруше­нию структурных элементов. Вязкость системы принимает ми­нимально возможное значение.

АДГЕЗИЯ

Адгезия (от лат. adhesio — прилипание) — это сцепление раз­нородных тел, соприкасающихся своими поверхностями. Она относится к поверхностным свойствам пищевых продуктов, иг­рает важную роль в различных технологических процессах, где существует контакт между продуктом и поверхностью обрабаты­вающей машины, и, как правило, нежелательна.

На адгезию пищевых масс оказывают влияние свойства ис­пользуемого сырья и особенности технологии. Например, адге­зия дрожжевого теста зависит от способа приготовления (опар-ное, безопарное, сорт муки, количество дрожжей, добавки ПАВ и др.).

До настоящего времени природа адгезии полностью не выяс­нена и существует несколько теорий ее существования (адсорб­ционная, термодинамическая, диффузионная, электрическая, химическая и др.).

По адсорбционной теории адгезия связана с действи­ем межмолекулярных сил: физических — ван-дер-ваальсовых, ковалентно-ионных. При взаимодействии двух тел вследствие броуновского движения молекул и их перегруппировки на границе контакта устанавливается адсорбционное равно­весие.

Диффузионная теория, развиваемая С. С. Воюцким, объ­ясняет адгезию полимеров диффузией макромолекул в поры и трещины металлической поверхности, а также результатом диф­фузии в аморфный слой гидроксида, образующегося на поверх­ности металла.

Согласно электрической теории Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой адгезия объясняется контактной электризацией на границе разнородных тел, т. е. возникновением в зоне контак­та своеобразного электрического молекулярного конденсатора, обусловленного двойным электрическим слоем.

Химическая теория связывает явление адгезии с хи­мической активностью контактирующих тел. В месте контакта происходит химическое взаимодействие контактирующих ма­териалов, в результате которого на поверхности металла образу­ются мономолекулярный слой продуктов реакции взаимодей­ствия.

Таким образом, хотя механизм адгезии недостаточно изучен и не существует единой теории этого процесса, каждая из вышеприведенных теорий определенным образом объясняет явление адгезии.

С понятием адгезии тесно связано понятие когезии. Коге-зия означает связи внутри данного тела. Соотношение адгезии и когезии в значительной степени определяет условие после удале­ния структурированных пищевых масс (тесто, фарши и др.) при нарушении их контакта с твердой поверхностью.

В большинстве случаев силы адгезии превышают силы коге­зии и отрыв от поверхности субстрата происходит полностью или частично в объеме адгезива. В этом случае отрываемая по­верхность полностью или частично оказывается покрыта адге-зивом, а вид отрыва называют когезионным или смешанным. Например, для мучного теста это означает прилипание части теста к внутренней поверхности различных емкостей, к деталям технологического оборудования. Повышенная по сравнению скогезией адгезия теста приводит к потерям пищевого сырья и снижению производительности оборудования.

На величину адгезии оказывают влияние различные факторы: влажность продукта, площадь, давление и продолжительность контакта с поверхностью, вид поверхности, скорость отрыва и др.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Для определения реологических параметров материала и показателей консистенции применяют множество методов и приборов (реометров), которые различаются по области приме­нения, виду измеряемой величины, принципам нагружения, сте­пени автоматизации и другим признакам (табл. 13.4).

Большинство реологических методов измерения и приборов предназначено для лабораторных исследований. В современных приборах измерения частично или полностью автоматизирова­ны, а результаты обрабатываются с помощью компьютеров.

Для исследования систем с низкой вязкостью (соки, молоко, растительное масло и др.) используют капиллярные и шарико­вые визкозиметры; для систем с высокой вязкостью — ротацион­ные вискозиметры (реотесты, вискозиметры Воларовича, Мачи-хина и др.).

Для определения величины предельного напряжения сдвига также используют различные методы и приборы. К наиболее доступным и простым приборам относятся конические пласто-меры и пенетрометры с различными инденторами (конус, шар,