Universitas Percetakan Negeri Moskow. Viskositas sistem dispersi stabil agregasi cair

Klasifikasi bahan baku	Nama Produk	Sifat reologi yang khas
Keras Rapuh	Cokelat, kue kering, kerupuk, wafel, produk ekstrusi, karamel, kerupuk, pengering, pasta, roti	Kekuatan tarik, modulus elastisitas
Plastik elastis	Roti, adonan gandum, adonan pasta, selai jeruk, marshmallow, marshmallow, permen, lemak keras, roti jahe, gluten, agar-agar	Kekuatan tarik, modulus elastisitas, tegangan geser ultimit, daya rekat
Plastik kental	Adonan gandum hitam, adonan roti pendek, krim asam, mayones, produk pembentuk gel, produk kembang gula setengah jadi	Viskositas, daya rekat, tegangan geser ultimat (kekuatan plastis)
Seperti cairan	Suspensi ragi, larutan garam, larutan gula, margarin cair, susu murni, whey	Viskositas, koefisien tegangan permukaan
Berbedak	Tepung terigu, gula pasir, kanji, garam meja	Sudut istirahat, karakteristik mekanis selama pengepresan

Sifat reologi utama meliputi elastisitas, plastisitas, viskositas dan kekuatan.

Ini berarti bahwa material yang sama, bergantung pada keadaan dan kondisi pembebanannya, mungkin menunjukkan sifat reologi yang sedikit banyak berbeda. Misalnya, bahan plastik kental seperti adonan pasta, ketika terkena beban sesaat, umumnya berperilaku seperti benda elastis, dan deformasi plastis serta aliran kental hampir tidak ada. Dalam kondisi pembebanan lain, sifat plastis dan kental lebih penting. Oleh karena itu, pertama-tama, perlu diketahui sifat-sifat bahan yang diteliti dalam kondisi tertentu yang merupakan sifat utama dan penentu.

Mari kita perhatikan konsep dasar fisika, mekanik dan matematika yang digunakan dalam reologi.

Jenis deformasi. Ketika suatu beban eksternal diterapkan pada suatu material, material tersebut akan mengalami benturan yang mengakibatkan perubahan ukuran dan bentuk. Perubahan yang terjadi pada material ini disebut deformasi. Tergantung pada penerapan beban, deformasi pada dasarnya dibagi menjadi dua jenis: yang pertama - deformasi tegangan-kompresi volumetrik (linier) dan yang kedua - deformasi geser. Dengan yang pertama, hanya volume (ukuran linier) material yang berubah, dan bentuknya tidak mengalami perubahan nyata. Selama deformasi geser, bentuk material berubah, namun volumenya tetap sama. Ada hubungan erat antara jenis deformasi ini, yang ditentukan oleh rasio Punch. Kemampuan untuk berubah bentuk di bawah pengaruh kekuatan eksternal adalah sifat utama bahan dari semua benda nyata.

Deformasi- ini adalah perubahan bentuk atau dimensi linier suatu benda di bawah pengaruh gaya luar, dengan perubahan kelembapan, suhu, dll., di mana partikel atau molekul berpindah relatif satu sama lain tanpa mengganggu kontinuitas benda.

Tergantung pada jenis deformasi benda, mereka dibagi menjadi volumetrik, linier (normal) dan geser. Perubahan dimensi linier suatu benda biasanya dinyatakan dalam satuan deformasi relatif.

Deformasi relatif suatu benda di bawah tegangan-kompresi normal, dilambangkan dengan , menyatakan rasio deformasi absolut terhadap dimensi awal benda, ditentukan dengan rumus: . (2.1)

Deformasi relatif volumetrik suatu benda ditentukan oleh rumus

dimana , , adalah deformasi relatif benda sepanjang sumbu x, kamu, z.

Regangan geser relatif mewakili rasio nilai absolut perpindahan geser suatu lapisan di bawah pengaruh gaya tangensial terhadap ketebalannya H, ditentukan oleh rumus

Deformasi dibagi menjadi elastis, yaitu. menghilang setelah beban dilepas, dan sisa, tidak dapat diubah, tidak hilang setelah beban dilepas. Deformasi sisa yang tidak disertai pemusnahan bahan disebut plastis, dan bahan itu sendiri disebut plastis.

Laju regangan, , s -1 , ini adalah perubahan deformasi terhadap waktu, ditentukan oleh rumus

dalam ketegangan-kompresi: ;

saat berpindah: . (2.4)

Tegangan, , Pa, adalah ukuran gaya dalam, N, yang timbul dalam benda di bawah pengaruh pengaruh luar per satuan luas, m, normal terhadap vektor penerapan gaya, ditentukan oleh rumus

tegangan normal;

tegangan geser (geser). (2.5)

Elastisitas- kemampuan suatu benda setelah deformasi untuk sepenuhnya mengembalikan bentuk aslinya, yaitu. usaha deformasi sama dengan usaha restorasi. Elastisitas suatu benda dicirikan oleh modulus elastisitas:

dalam tegangan-kompresi - modulus elastisitas jenis pertama, Pa;

dalam geser - modulus elastisitas jenis kedua, Pa.

Besarnya tegangan dan regangan dihubungkan dengan hukum Hooke dan mempunyai bentuk persamaan:

Adhesi, Pa, adalah adhesi benda padat atau cair berbeda yang menyentuh permukaannya. Kekuatan rekat benda ditentukan dengan cara merobek, memasukkan indikator kelengketan , N/m, yang dihitung dengan rumus: , (2.7)

dimana gaya tarik keluar, N; - luas geometri pelat, m.

Pemisahan bahan satu sama lain dapat terdiri dari tiga jenis (Gbr. 2.1):

Beras. 2.1. Jenis pemisahan

Gesekan eksternal- interaksi antar benda pada batas kontaknya, mencegah pergerakan relatifnya sepanjang permukaan kontak. Itu tergantung pada gaya normal dan kelengketan, dan dihitung dengan rumus: , (2.8),

Di mana R tr- gesekan luar, N; - koefisien gesekan eksternal yang sebenarnya;

Gaya normal permukaan geser (gaya kontak), N.

Koefisien gesekan luar f. Untuk bahan makanan, tergantung pada sifat reologi, keadaan permukaan gesekan dan kecepatan geser, koefisien gesekan eksternal F ditentukan dengan berbagai cara. Jenis alat klasik untuk mengukur gaya gesekan luar adalah sepasang benda yang bersentuhan dengan permukaan datar, yang luasnya dapat berkisar dari pecahan milimeter persegi hingga puluhan sentimeter persegi. Dalam hal ini, salah satu benda mengalami perpindahan relatif terhadap benda lainnya. Gaya yang diterapkan untuk memindahkan (gesekan) suatu benda relatif terhadap benda lain diukur dengan pengukur regangan, dinamometer, atau beberapa sensor lainnya.

Viskositas, Pa·s, adalah kemampuan suatu benda untuk menahan perpindahan relatif lapisan-lapisannya. Aliran viskos diwujudkan dalam fluida Newtian yang benar-benar kental pada tegangan geser berapa pun, tidak peduli seberapa kecilnya, dan digambarkan dengan persamaan Newton: . (2.9)

Selama aliran fluida non-Newtian (kental anomali), viskositas tidak tetap bernilai konstan; ia bergantung pada tegangan geser dan gradien kecepatan. Dalam hal ini digunakan konsep “viskositas efektif”, Pa s, yang dihitung dengan rumus: (2.10)

Plastik, Pa, adalah kemampuan suatu benda untuk mengalami deformasi permanen di bawah pengaruh gaya luar tanpa merusak kontinuitasnya. Aliran plastis dimulai pada nilai tegangan yang sama dengan tegangan luluh.

5.Proses teknologi yang berhubungan dengan reologi massa makanan. Banyak proses teknologi dalam industri makanan dikaitkan dengan dampak mekanis pada produk yang berada dalam keadaan viskoplastik. Dalam industri pembuatan kue, ini berarti menguleni adonan, membagi adonan, dan mencetak potongan adonan. Dalam produksi produk kembang gula, proses tersebut meliputi pencampuran, plastisisasi massa dan pencetakan dengan pengecoran, pengepresan, pemotongan, dll. Transportasi antar operasional produk setengah jadi melalui pipa dan berbagai konveyor juga sangat penting. Dalam semua kasus di atas, pilihan peralatan teknologi dan penentuan mode operasinya ditentukan oleh sifat fisik-mekanik dan, pertama-tama, sifat reologi dari massa makanan yang diproses atau diangkut, produk setengah jadi dan produk jadi. Saat menciptakan proses teknologi sempurna yang memungkinkan diperolehnya produk jadi berkualitas tinggi, perlu mempelajari seluruh rangkaian sifat fisik dan mekanik di hampir setiap kasus tertentu. Sifat-sifat ini mencirikan perilaku massa makanan di bawah pengaruh beban mekanis dari bagian kerja mesin. Penilaian obyektif terhadap kualitas produk makanan dan produk setengah jadi sangat penting dalam industri makanan. Dalam hal ini, penciptaan dan penerapan metode dan instrumen pengendalian mutu objektif tidak hanya menggantikan pengendalian organoleptik, tetapi juga menciptakan prasyarat bagi pengembangan sistem pengendalian otomatis untuk proses teknologi dalam produksi pangan. Saat ini, industri pangan memiliki gudang sarana teknis yang cukup besar dan beragam untuk menentukan dan mempelajari sifat fisik dan mekanik bahan pangan pada berbagai tahap penyiapan: dari bahan mentah hingga produk jadi. Untuk mempelajari sifat-sifat tersebut digunakan metode mekanika fisika dan kimia produk pangan.

6. Klasifikasi benda nyata. Kepemilikan suatu benda nyata pada satu atau beberapa jenis benda reologi "ideal", yang diidentifikasi berdasarkan percobaan pendahuluan, memungkinkan seseorang untuk memilih perangkat yang tepat untuk penelitian dan menentukan sifat-sifat yang akan dipelajari.

Sifat geser mewakili kelompok sifat utama yang banyak digunakan baik untuk menghitung berbagai proses gerak pada bagian kerja mesin, maupun untuk menilai kualitas produk makanan. Dalam hal ini, metode yang paling luas untuk mengklasifikasikan makanan dan benda reologi lainnya menurut karakteristik gesernya.

Klasifikasi badan reologi yang diusulkan oleh Gorbatov A.V. (Tabel 1.2), menurut rasio tegangan geser ultimit terhadap kepadatannya dan percepatan jatuh bebas [ θ 0 /(ρ ∙G)], yang merupakan ukuran kemampuan suatu zat untuk mempertahankan bentuknya, disajikan di bawah ini.

Tabel 1.2 Klasifikasi benda berdasarkan parameter fisik:

B.A. Nikolaev mengusulkan klasifikasi umum

(dari padat ke keadaan benar-benar kental) menurut besarnya sifat mekanik: modulus elastisitas, viskositas, dll. Kelompok pertama mencakup benda padat dan padat (lemak padat, jaringan daging utuh, kerupuk, kue, dll.), kelompok kedua meliputi padat - cair (daging cincang, keju cottage, jeli, adonan tepung, dll.), hingga kelompok ketiga - cair dan cair (lemak cair, kaldu, susu, madu, air, dll.).

Menarik untuk mengklasifikasikan benda nyata menggunakan persamaan daya Herschel–Bulkley: , (1.7) dimana: adalah koefisien yang sebanding dengan viskositas pada gradien kecepatan yang sama dengan satu, Pa s N; N– indeks saat ini.

Setelah beberapa transformasi kita memperoleh ekspresi berikut:

, (1.8), dimana viskositas efektif pada gradien kecepatan sama dengan satu, Pa s;

– gradien kecepatan tak berdimensi;

M– tingkat kerusakan struktur, indeks aliran.

Dengan metode klasifikasi ini, hubungan dibangun antara tegangan geser dan gradien kecepatan (kurva aliran) dan antara viskositas efektif dan gradien kecepatan geser. Berdasarkan sifat kurva yang dihasilkan, enam jenis benda dibedakan:

1. benda tegar ideal Euclidean
2. tubuh elastis Hooke;
3. Badan plastik Saint-Venant;
4. tubuh reologi
5. benda Newtonian kental sejati;
6. cairan ideal (Pascal).

Sistem yang tercantum di atas tidak mengubah propertinya seiring waktu.

7. Sistem tersebar. Objek klasik teknik mekanika fisika dan kimia adalah sistem tersebar yang terdiri dari dua fase atau lebih. Di dalamnya media pendispersi merupakan fasa kontinyu, fasa pendispersi merupakan fasa hancur yang terdiri dari partikel-partikel yang tidak saling bersentuhan. Dalam hal ini, fase dipahami sebagai sekumpulan bagian sistem yang homogen, dibatasi dari bagian lain oleh antarmuka fisik. Klasifikasi produk makanan terdispersi yang disederhanakan, yang tidak memperhitungkan dispersi dan jenis kontak antar fase, diberikan pada Tabel 1 .

Tabel 1

Media terdispersi	Fase tersebar	Contoh sistem
gas	+padat (aerosol) +cair (aerosol kabut) +gas (atmosfer)	Asap rokok, debu Penyebaran darah, susu Suasana bumi
cairan	+padat (suspensi) +cair (emulsi) +gas (busa)	Kaldu, sosis cincang, pate Darah, lemak dalam air, krim susu, putih telur kocok
Padat	+padat (paduan suspensi padat) +cair (sistem kapiler, emulsi padat) +gas (benda berpori, busa padat)	Jaringan otot beku Mentega beku, jaringan otot asli, cairan dalam tubuh berpori Tulang, keju, bahan terisolasi, melange yang dikocok dan dikoagulasi

Saat menentukan perilaku reologi suatu produk, data yang diberikan dalam tabel memungkinkan kita untuk mengklasifikasikannya ke dalam satu kelompok atau lainnya: granular, cair dan padat (tergantung pada konsentrasi fase terdispersi) atau padat. Dalam reologi, produk yang berbentuk cair biasanya disebut sol, dan produk yang berbentuk padat disebut gel. Produk-produk pada Tabel 1 diklasifikasikan ke dalam satu sistem atau sistem lainnya menurut karakteristik yang paling penting. Misalnya sosis cincang setelah dipotong merupakan suspensi yang jenuh dengan gelembung udara, yaitu sistem tiga fasa. Produk yang sama (mentega), bergantung pada suhunya, dapat diklasifikasikan ke dalam sistem yang berbeda. Tindakan mekanis (pemotongan, pemukulan, pengadukan) juga dapat menyebabkan peralihan dari satu jenis dispersi ke jenis dispersi lainnya.

Beras. 2.2. Ketergantungan viskositas pada tegangan geser dalam rezim aliran laminar (a) dan turbulen (b) untuk cairan Newtonian dan sistem terdispersi yang stabil agregasi

1. Sifat reologi sistem dispersi

1.1. Konsep dasar

Rheologi adalah ilmu tentang deformasi dan aliran material.

Sifat reologi meliputi viskositas dan fluiditas.

Viskositas () - gesekan internal antara lapisan suatu zat (cairan atau gas) yang bergerak relatif satu sama lain.

Hal ini disebabkan oleh interaksi antar molekul. Dalam gas, duri bagian dalam bersifat kinetik, oleh karena itu, dengan meningkatnya T, gaya duri meningkat.

Dalam zat cair dan padat, gesekan internal bersifat energik, oleh karena itu, dengan meningkatnya suhu, gaya duri berkurang.

Fluiditas adalah kebalikan dari viskositas - pelepasan">Struktur- kerangka spasial yang terdiri dari partikel fase terdispersi dan diisi dengan media pendispersi.

Dalam sistem yang terdispersi secara kohesif, partikel-partikel fase terdispersi tidak dapat bergerak relatif satu sama lain. Mereka memiliki sifat mekanik tertentu: elastisitas, viskositas, plastisitas. Himpunan sifat mekanik yang ditentukan oleh struktur disebut struktural-mekanis.

Sistem terstruktur mampu mengalami deformasi.

Deformasi adalah perpindahan relatif titik-titik suatu sistem yang kontinuitasnya tidak terganggu.

Ada deformasi elastis (reversibel) dan residu.

Dengan deformasi elastis, struktur tubuh pulih sepenuhnya setelah beban dihilangkan.

Deformasi permanen tidak dapat diubah.

Deformasi sisa yang tidak terjadi patahan disebut plastis.

Di antara deformasi elastis, deformasi volumetrik dibedakan: regangan, kompresi benda, yang disebabkan oleh tegangan geser normal.

Deformasi geser- deformasi puntir, terjadi di bawah pengaruh tegangan geser tangensial, tegangan geser tangensial, ditentukan oleh geser relatif di bawah pengaruh tegangan geser (Gbr. 1.1
).

Cairan dan gas berubah bentuk pada beban minimal dan mengalir di bawah pengaruh perbedaan tekanan. Tetapi cairan praktis tidak terkompresi selama aliran, kepadatannya praktis konstan.

Sifat-sifat seperti elastisitas, plastisitas, viskositas dan kekuatan muncul selama deformasi geser, yang dianggap paling penting dalam penelitian nyata.

Ketergantungan sifat reologi terhadap berbagai faktor dinyatakan secara grafis dalam bentuk kurva reologi (kurva aliran).

Suatu cairan dicirikan oleh dua aliran:

a) laminar berupa lapisan-lapisan sejajar yang tidak bercampur

b) bergejolak.

1.2. Model reologi

Dalam reologi, sifat mekanik material direpresentasikan dalam bentuk model reologi, yang didasarkan pada tiga hukum yang menghubungkan tegangan geser dan deformasi. Mereka sesuai dengan 3 model ideal bahan ideal yang memenuhi sifat-sifat seperti elastisitas, plastisitas, viskositas:

1) Tubuh ideal Hooke yang elastis

Ini dapat direpresentasikan sebagai pegas (Gbr. 1.2)

rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f350.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".

pilihan">Gbr. 1.3 .

2) Benda kental ideal Newton adalah piston berlubang yang ditempatkan pada silinder berisi cairan (Gbr. 1.4 ).

Fluida kental ideal mengalir sesuai dengan hukum Newton.

Fluida Newton adalah sistem yang alirannya mematuhi hukum Newton:

contoh ">P - tegangan geser yang menyebabkan aliran fluida; dU/dx - gradien kecepatan, yaitu perbedaan kecepatan aliran laminar dua lapisan fluida yang berjarak satu sama lain pada jarak x, terkait dengan jarak ini, ditentukan"> viskositas koefisien, yang singkatnya disebut viskositas (viskositas dinamis). Nilainya ditentukan oleh viskositas kinematik, yang ditentukan oleh Tegangan geser pada aliran laminar suatu zat cair dengan kekentalan yang ditentukan ">Arti fisis koefisien kekentalan - kekentalan sama dengan gaya gesek antar lapisan zat cair dengan luas kontak lapisan zat cair sama dengan 1 rumus" src ="http://hi-edu.ru/e-books /xbook839/files/f353.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt="..gif" border="0" align="absmiddle" alt=".

Mari kita pertimbangkan konsepnya gradien kecepatan. Mari kita bayangkan suatu zat cair mengalir secara laminar di bawah pengaruh gravitasi dalam aliran bidang sejajar melalui kapiler silinder dengan kecepatan U. Namun tidak semua zat cair mengalir dengan kecepatan yang sama, kecepatan aliran maksimum di tengah kapiler, dan cairan mengalir menuju dinding kapiler mengalir dengan kecepatan lebih rendah karena adhesi pada dinding pembuluh.

Kecepatan pergerakan lapisan yang berbatasan langsung dengan dinding (lapisan Prandtl) akibat gaya adhesi adalah nol, sedangkan lapisan tengah zat cair bergerak dengan kecepatan maksimum..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" gradiennya sama dengan pilihan">Gbr. 1.5 ).

Jika kecepatan gerak dilambangkan dengan dy/dt, dan y dan t adalah variabel bebas, kita ubah urutan diferensiasinya: rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/ f363.gif" border=" 0" align="absmiddle" alt="

Menurut persamaan aliran, untuk fluida Newton terdapat ketergantungan linier dU/dx pada P. Jadi, viskositas fluida Newton tidak bergantung pada tegangan geser, melainkan sama dengan kotangen sudut kemiringan garis lurus pada koordinat yang ditunjukkan (arti grafis dari koefisien viskositas)..gif" border="0 " align="absmiddle" alt="= f(p) atau dU/dx = f(p) .

Menurut (1.2), untuk cairan Newtonian terdapat ketergantungan linier dU/dx (Gbr. 1.6
).

Artinya viskositas fluida Newton tidak bergantung pada tegangan geser, dan sama dengan kotangen sudut kemiringan (sorot">Gbr. 1.6; untuk aliran laminar, rumusnya" src="http://hi- edu.ru/e-books/xbook839 /files/f365.gif" border="0" align="absmiddle" alt="Fluida Newtonian bergantung secara linier pada waktu pengembangan pada beban konstan: pelepasan">Gbr. 1.7 .

Ukur nilai viskositas dinamis dapat ditentukan dengan berbagai cara, misalnya dengan laju aliran cairan keluar dari kapiler.

Poiseuille memperoleh persamaan empiris yang menyatakan bahwa volume cairan yang mengalir dari kapiler bergantung pada parameter kapiler - panjang l dan diameter r, dan tekanan P di mana ia dipaksa melalui kapiler, viskositas cairan contoh ">t:

contoh">k. Untuk fluida Newton pada volume konstan, viskositasnya

definisi ">3) Model benda plastik ideal Saint-Venant-Coulomb

Modelnya adalah benda padat di atas bidang, yang selama pergerakannya timbul gesekan konstan, tidak bergantung pada tegangan geser normal - hukum "gesekan kering": tidak ada deformasi jika rumusnya" src="http://hi- edu.ru/e-books /xbook839/files/f370.gif" border="0" align="absmiddle" alt="- kekuatan luluh) (Gbr. 1.8 ).

Jadi, dengan rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f371.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=", arus bergerak dengan kecepatan berapa pun.

Beras. 1.9 .

Elemen “gesekan kering” tidak dapat dikenai tegangan yang ditentukan oleh ">4) Model benda nyata. Model Bingham - benda viskoplastik

Saat menghubungkan elemen secara seri

rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f376.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Beras. 1.10
.

Hukum Bingham:

rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f378.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Viskositas Newton memperhitungkan semua hambatan aliran, dan viskositas plastik tidak memperhitungkan kekuatan struktur, tetapi mencerminkan laju kehancuran, terutama oleh viskositas media pendispersi, yang dapat sangat bervariasi..gif" border= "0" align="absmiddle" alt="(! LANG:dan banyak lagi.

Aliran sistem seperti itu dimulai hanya ketika tegangan geser melebihi nilai kritis tertentu yang ditentukan oleh plastis, dan tegangan geser melebihi tegangan luluh. Dari sudut pandang reologi, sistem seperti itu disebut kental plastis, dan pola alirannya dijelaskan oleh persamaan Bingham.

Dengan tidak adanya mesh struktural, nilainya adalah seleksi">Gbr. 1.11
.

Menurut Gambar. 1.11, dengan beban melebihi rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f384.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Contoh sistem yang mematuhi persamaan Bingham dengan baik mencakup pasta tanah liat dan gemuk. Namun, untuk sebagian besar sistem terstruktur, ketergantungan dU/dx pada P dinyatakan bukan dengan garis lurus, tetapi dengan kurva (Gbr. 1.11, b). Alasan terjadinya fenomena ini adalah ketika titik leleh tercapai, struktur tidak langsung runtuh, namun bertahap seiring dengan meningkatnya P dan dU/dx.

Tiga tegangan geser kritis dapat dibedakan pada kurva: 1) rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f386.gif" border="0" align="absmiddle" alt= "- Kekuatan luluh Bingham, sesuai dengan segmen pada sumbu absis, terpotong oleh kelanjutan bagian lurus kurva; 3) rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f388.gif" border="0" align="absmiddle" alt=") Viskositas tidak bernilai konstan dan menurun seiring bertambahnya P. Ketika P >subjudul">

2. Sifat reologi benda nyata

2.1. Klasifikasi benda menurut sifat reologinya

Semua benda nyata sepanjang aliran dibagi menjadi:

Seperti cairan (rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f389.gif" border="0" align="absmiddle" alt="> 0)

Pada gilirannya, benda mirip cair dapat dibagi menjadi:

Newtonian dan non-Newtonian

stasioner: tidak stasioner

pseudoplastik (tiksotropi

reopeksi dilatan)

Studi eksperimental menunjukkan bahwa aliran sistem mirip cairan dapat direpresentasikan dalam bentuk ketergantungan umum. Persamaan ini dikenal sebagai model matematika Ostwald-Weil:

rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f391.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Jadi, deviasi n dari kesatuan mencirikan derajat deviasi sifat-sifat zat cair non-Newtonian dari sifat-sifat zat cair Newton (Gbr. 2.1 ).

Ketika n< 1 вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига и напряжения. Такие жидкости называются pseudoplastik.

Untuk n > 1, viskositas cairan meningkat seiring dengan meningkatnya laju geser dan tegangan. Cairan seperti ini disebut dilatan.

Cairan Newton mencakup semua cairan murni, serta sistem koloid encer dengan bentuk partikel simetris - suspensi, emulsi, sol.

Sistem seperti cairan pseudoplastik mencakup suspensi encer dengan bentuk partikel asimetris dan larutan polimer.

Faktanya adalah makromolekul panjang dan partikel asimetris menunjukkan resistensi aliran yang berbeda tergantung pada orientasinya dalam aliran. Dengan meningkatnya tegangan geser dan kecepatan aliran fluida, partikel secara bertahap mengarahkan sumbu utamanya sepanjang arah aliran. Gerakannya yang kacau berubah menjadi teratur, yang menyebabkan penurunan viskositas.

Jika partikel fase terdispersi berbentuk anisometrik (ellipsoid, batang, pelat) atau mampu mengalami deformasi (tetesan, makromolekul), maka selama aliran media pendispersi, tren yang berbeda dapat muncul tergantung pada sifat dan ukuran partikel.

rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f393.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".

Sistem dilatan atau penyebaran. Dalam aliran menyebar, volume sistem berkurang seiring dengan bertambahnya beban, yang menyebabkan peningkatan viskositasnya.

Dalam kasus ini, khususnya, pada deformasi besar, peningkatan viskositas efektif diamati dengan peningkatan gradien kecepatan (dilatansi - penurunan kepadatan struktur ketika mengalami deformasi di bawah pengaruh tegangan yang diberikan - misalnya, selama tahap awal pencampuran pati dalam air, dalam massa keramik, yaitu dalam bubuk dan bahan terdispersi yang dipadatkan).

Dalam sistem terdispersi dengan kandungan fase padat yang tinggi pada beban rendah, media pendispersi berperan sebagai pelumas, mengurangi gaya gesekan dan viskositas sistem, sebelum partikel mulai bergerak, pengepakannya menjadi lebih longgar, dan sistem volumenya bertambah, viskositasnya berkurang. Ketika tegangan geser meningkat, partikel padat bersentuhan, yang menyebabkan peningkatan gaya gesekan dan viskositas sistem meningkat.

Sistem yang viskositasnya bergantung pada tegangan geser disebut anomali atau non-Newtonian.

Fluida non-stasioner non-Newtonian yang ditandai dengan ketergantungan sifat reologi terhadap waktu, dicirikan oleh fenomena tiksotropi dan reopeksi. Thixotropy adalah kemampuan sistem terstruktur untuk memulihkan sifat kekuatannya seiring waktu setelah kerusakan mekanisnya. Pemulihan struktur biasanya dideteksi dengan peningkatan viskositas sistem, sehingga fenomena tiksotropi dapat didefinisikan sebagai penurunan viskositas sistem seiring waktu ketika beban diterapkan dan peningkatan viskositas secara bertahap setelah beban. dihapus. Rheopexy adalah fenomena kebalikan dari tiksotropi - kemunculan dan penguatan struktur dari waktu ke waktu sebagai akibat dari tindakan mekanis.

2.2. Viskositas sistem dispersi yang stabil agregasi

Dalam beberapa kasus, viskositas sistem koloid praktis tidak berbeda dengan viskositas sistem terdispersi. Di bawah kecepatan aliran tertentu, aliran laminar diamati dan mematuhi hukum Newton dan Poiseuille.

Misalnya, dengan aliran laminar sol Au, Ag, Pt, rumus" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f395.gif" border="0" align="absmiddle " alt ="

dimana rumusnya" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook839/files/f397.gif" border="0" align="absmiddle" alt="= 2,5, untuk partikel memanjang

Ketika konsentrasi fase terdispersi meningkat, interaksi antar partikel meningkat, dan penyimpangan yang kuat dari persamaan Einstein terdeteksi. Viskositas sistem pekat meningkat dengan meningkatnya j hampir secara eksponensial (baris 2 pada Gambar 2.3 ), bagi mereka ada ketergantungan viskositas pada tegangan geser, yaitu. Hukum Newton tidak berlaku. Penyimpangan dari hukum Newton dan persamaan Einstein ini biasanya disebabkan oleh interaksi partikel dan pembentukan struktur di mana partikel-partikel fase terdispersi diorientasikan dengan cara tertentu relatif satu sama lain (penataan sistem).

Sistem yang tidak dapat dimampatkan

Aliran fluida bersifat laminar,

Tidak ada pergeseran antar partikel.

Sistem dispersi nyata tidak mengikuti persamaan Einstein alasan berikut:

Adanya lapisan adsorpsi dan solvat pada partikel, serta DES

Interaksi partikel fase terdispersi,

Turbulensi aliran,

Anisometri partikel,

Fluktuasi sementara.

Mari kita pertimbangkan sifat reologi yang paling sederhana - elastisitas, plastisitas, dan viskositas dari tiga benda yang disebut benda ideal. Dalam reologi, benda ideal biasanya diberi nama sesuai nama ilmuwan yang pertama kali memperkenalkannya. Untuk fluida non-Newtonian, viskositas efektif terdiri dari dua komponen:

1) Viskositas Newton η , yang didasarkan pada gesekan internal dan mewakili konstanta fisik material;

2) ketahanan struktural, yang bergantung pada keadaan struktural sistem dispersi dan merupakan fungsi dari laju geser .

Viskositas efektif  eff merupakan karakteristik variabel akhir yang menggambarkan keadaan keseimbangan antara proses restorasi dan penghancuran struktur pada aliran tunak dan bergantung pada perubahan gradien kecepatan dan tegangan geser.

Jika, dalam kondisi aliran geser yang stabil, tegangan gesernya τ tidak sebanding dengan laju deformasi , yaitu sikap mereka:
, bervariasi tergantung nilainya τ atau , maka cairan tersebut disebut non-Newtonian. Beberapa persamaan reologi telah diajukan untuk menggambarkan perilaku fluida non-Newtonian (lihat di bawah).

Viskositas cairan dapat bergantung pada getaran (termasuk ultrasonik), pengaruh listrik, magnet, dan cahaya; ini berlaku untuk larutan polimer dan sistem lelehan dan terdispersi.

Dalam reologi, ada dua jenis aliran: 1) aliran kental– diwujudkan dalam fluida Newtonian yang benar-benar kental pada tegangan geser rendah apa pun τ . Aliran ini digambarkan dengan persamaan Newton:

atau
, (1.4)

Di mana η – koefisien viskositas dinamis atau absolut, yang mencirikan besarnya gaya yang timbul antara dua lapisan dasar zat cair selama perpindahan relatifnya, Pa∙s;

^F– gaya hambatan antara dua lapisan dasar, N;

A– luas permukaan resistansi lapisan ini, m2;
2) aliran plastik– mengalir pada nilai tegangan τ , sama dengan kekuatan luluh τ T.

Tegangan– ukuran intensitas kekuatan internal F[H] yang timbul dalam tubuh di bawah pengaruh pengaruh luar per satuan luas S[m 2 ], normal terhadap vektor penerapan gaya:

, Pa. (1.5)
Tegangan pada titik benda yang dibebani:

. (1.6)
Sifat reologi secara kualitatif dan kuantitatif menentukan perilaku suatu produk di bawah pengaruh faktor eksternal dan memungkinkan seseorang untuk menghubungkan tegangan, regangan (atau laju regangan) selama penerapan gaya.

Dalam reologi, ada dua konsep yang saling eksklusif: "benda padat idealnya elastis" dan "cairan tidak kental". Yang pertama dipahami sebagai benda yang bentuk dan tegangan keseimbangannya dicapai secara instan. Cairan tersebut disebut sisa, yaitu. jika fluida tidak mampu menciptakan dan mempertahankan tegangan geser. Di antara keadaan batas benda (padatan elastis dan cairan tak kental) di alam terdapat berbagai macam benda perantara.

Mari kita perhatikan model utama yang mungkin ditemui ketika mempelajari sifat reologi massa makanan. Penting untuk dicatat bahwa hukum matematika eksak hanya diperoleh untuk fluida Newton; untuk semua aliran non-Newtonian, hanya rumus perkiraan yang diperoleh.

Tiga model perantara dari bahan ideal yang diketahui (Tabel 1.1): benda elastis idealnya (Hooke); idealnya cairan kental (Newtonian); idealnya bodi plastik (Saint-Venant).

^ Tubuh Hooke idealnya elastis . Dalam benda elastis ideal (model - pegas), energi yang dikeluarkan untuk deformasi terakumulasi dan dapat dikembalikan selama pembongkaran. Hukum Hooke menggambarkan perilaku padatan kristal dan amorf di bawah deformasi kecil, serta cairan di bawah ekspansi dan kompresi isotropik.

^ Fluida kental ideal Newton . Cairan kental idealnya dicirikan oleh fakta bahwa tegangan di dalamnya sebanding dengan laju regangan. Aliran kental terjadi di bawah pengaruh gaya apa pun, tidak peduli seberapa kecil gaya tersebut; namun, laju regangan berkurang seiring dengan berkurangnya gaya, dan ketika gaya tersebut menghilang, nilainya menjadi nol. Untuk cairan seperti itu, viskositasnya yang konstan sebanding dengan tegangan geser.
Tabel 1.1
Model reologi benda ideal

Model	Tipe model	Grafik Arus	Persamaannya
kait
Newton
Santo Venant			Pada τ < τ T tidak ada deformasi; pada τ = τ T saat ini

Hukum Newton menggambarkan perilaku banyak cairan dengan berat molekul rendah di bawah aliran geser dan memanjang. Model mekanik fluida Newton adalah peredam, terdiri dari piston yang bergerak dalam silinder cairan. Saat piston bergerak, fluida mengalir melalui celah antara piston dan silinder dari satu bagian silinder ke bagian silinder lainnya. Dalam hal ini hambatan terhadap pergerakan piston sebanding dengan kecepatannya (lihat tabel 1.1).

^ Bodi Saint-Venant yang terbuat dari plastik sempurna dapat direpresentasikan dalam bentuk suatu elemen yang terdiri dari dua pelat yang saling menempel. Dengan pergerakan relatif pelat di antara keduanya, timbul gaya gesekan yang konstan, bergantung pada besarnya gaya yang menekannya. Benda Saint-Venant tidak akan mulai berubah bentuk sampai tegangan geser melebihi nilai kritis tertentu - titik luluh τ T (tegangan geser ultimat), setelah itu elemen dapat bergerak dengan kecepatan berapa pun.

Untuk menggambarkan perilaku reologi suatu benda kompleks bergantung pada sifat-sifat komponennya, dimungkinkan untuk menggabungkan dalam berbagai kombinasi model benda ideal paling sederhana yang dibahas di atas, yang masing-masing hanya memiliki satu sifat fisik dan mekanik. Elemen-elemen ini dapat digabungkan secara paralel atau seri.

Dalam reologi, metode model mekanik banyak digunakan. Misalnya, untuk memperoleh gambaran yang jelas tentang perilaku suatu material di bawah tekanan, setiap sifat-sifatnya (elastisitas, plastisitas, dll.) digantikan oleh elemen mekanis (pegas, pasangan gesekan geser, dll.). Reologi juga banyak menggunakan pemodelan geometris, matematika, fisika dan lainnya. Pemodelan fisik efektif untuk memperoleh kesesuaian kualitatif dan kuantitatif dengan objek alam.

Penerapan praktis penelitian reologi dikaitkan, pertama, dengan kemampuan membandingkan bahan yang berbeda menurut bentuk persamaan keadaan reologi dan nilai konstanta yang terkandung di dalamnya; kedua, menggunakan persamaan keadaan reologi untuk memecahkan masalah teknis dalam mekanika kontinum. Arah pertama digunakan untuk membakukan bahan teknologi, mengendalikan dan mengatur proses teknologi di hampir semua bidang teknologi modern. Dalam arah kedua, masalah hidrodinamika terapan dipertimbangkan - pengangkutan cairan non-Newtonian melalui pipa, aliran polimer, produk makanan dalam peralatan pemrosesan, dll. Untuk sistem dispersi terkonsentrasi, tugas-tugas ini mencakup penetapan rezim teknologi optimal untuk pencampuran, pencetakan produk, dll. Untuk padatan, keadaan tegangan-regangan elemen struktur dan produk secara keseluruhan dihitung untuk menentukan kekuatannya, perpanjangan putus dan daya tahannya. .

^ Tempat reologi sebagai salah satu bagian mekanika teknik medium kontinu (di antara bagian mekanika teknik lainnya) terlihat jelas dari klasifikasi berikut:

A) benda tegar ideal (Euclidean) - pada setiap tegangan normal dan tangensial, deformasinya nol (mekanika teoretis);

B) elastistubuh(gukovo) - tegangan sebanding dengan deformasi (ketahanan bahan);

V) plastiktubuh (Saint Venanovo) - ketika tegangan geser maksimum tercapai, deformasi plastis (ketahanan bahan) dimulai;

G) reologitubuh: linier - terdiri dari benda-benda yang termasuk dalam titik-titik A, B, D; nonlinier - empiris;

D) BENARcairan kental (Newtonian) - tegangan sebanding dengan gradien kecepatan pangkat pertama;

e) sempurnacairan(pascal) - viskositas dan kompresibilitasnya nol.

Perkembangan kualitatif reologi yang berperan penting dalam rekayasa mekanika fisika dan kimia terlihat dari tahapan perubahannya sebagai berikut.

^ Reologi klasik sebagai ilmu tentang aliran dan deformasi benda nyata (mekanika teknis benda nyata atau sistem terdispersi) menetapkan tugas mempelajari sifat-sifat produk yang ada dan mengembangkan metode untuk menghitung proses alirannya di bagian-bagian kerja mesin, untuk memperoleh produk jadi dengan kualitas tertentu.

^ Mekanika fisika-kimia bagaimana ilmu tentang metode dan pola pembentukan struktur sistem terdispersi dengan sifat-sifat yang telah ditentukan memecahkan masalah-masalah berikut:

1) menetapkan esensi pembentukan dan penghancuran struktur dalam sistem tersebar dan asli, tergantung pada kombinasi faktor fisikokimia, biokimia, mekanik dan lainnya;

2) penelitian, pembenaran dan optimalisasi cara untuk memperoleh struktur dengan sifat reologi (dalam arti luas) yang telah ditentukan.

3) pengembangan metode penerapan undang-undang yang ditetapkan untuk mesin dan perangkat penghitung dan pemantauan operasional indikator kualitas dasar berdasarkan nilai karakteristik struktural dan mekanik.

^ Kontrol reologi mencakup studi dan pembenaran kombinasi berbagai jenis pengaruh pada bahan mentah yang diproses, yang memastikan tingkat karakteristik reologi tertentu di seluruh proses teknologi dan memperoleh produk jadi dengan sifat konsumen tertentu.

Pelaksanaan penelitian dengan menggunakan metode teknik reologi dan mekanika fisika dan kimia memungkinkan untuk menstabilkan hasil produk, memperoleh produk jadi dengan kualitas yang konstan dan telah ditentukan, secara ilmiah mendukung konsep kualitas produk, menghitung, meningkatkan dan mengintensifkan proses teknologi, “merancang” jenis produk pangan tertentu, dsb. d.

Dengan demikian, reologi mempelajari SMS dari berbagai badan, serta metode dan instrumen untuk penentuan dan pengaturannya, yang perlu diketahui oleh para insinyur produksi pangan.
^ 1.2 Klasifikasi benda reologi, kurva aliran
Objek penelitian dalam reologi pangan adalah bahan pangan. Kami akan melakukan analisis awal kualitatif dan pengelompokan bahan makanan. Jika kita menganggap gas, cairan, dan padatan sebagai bahan dasar yang paling sederhana (dalam hal keadaan agregasinya), maka sebagian besar bahan makanan disebut sistem terdispersi. Yang terakhir inilah yang secara khusus dicirikan oleh penyimpangan signifikan dari hukum klasik deformasi dan aliran.

Sistem terdispersi terdiri dari dua atau lebih komponen atau fase. Biasanya salah satu fase dianggap kontinu dan disebut medium pendispersi, fase lainnya yang tidak kontinu disebut fase terdispersi. Pembagian ini bersifat kondisional dan kurang lebih jelas dalam banyak kasus. Secara formal, dan sampai batas tertentu secara kondisional, media tersebar dapat dibagi menjadi delapan jenis:

1) sistem dua fase fase padat dan gas;

2) sistem dua fase yaitu fase padat dan cair;

3) sistem dua fasa yaitu fasa cair dan gas;

4) sistem dua fase dari dua fase padat;

5) sistem dua fase dari dua fase cair;

6) sistem dua fase dari dua fase gas;

7) sistem tiga fasa yaitu fasa padat, cair dan gas;

8) sistem multifase.

Produk pangan, termasuk bahan mentah dan produk setengah jadi, tergantung pada komposisinya, struktur terdispersi dan strukturnya, mempunyai sifat reologi yang berbeda-beda. Sistem dispersi yang sangat terkonsentrasi dengan struktur spasial memiliki sifat reologi yang paling kompleks.

Jika kita mempertimbangkan klasifikasi media terdispersi dalam arti yang lebih luas, sebagai bagian dari klasifikasi keadaan media yang ditemui dalam industri makanan, maka (dalam klasifikasi ini) harus mencakup gagasan tentang medan magnet dan listrik, aliran radiasi elektromagnetik, radiasi radioaktif, USG dan sebagainya.
^ 1.2.1 Klasifikasi struktur sistem tersebar
Struktur, yaitu struktur internal produk dan sifat interaksi antara unsur-unsur individu (partikel) menentukan komposisi kimia, parameter biokimia, suhu, dispersi, keadaan agregasi dan sejumlah faktor teknologi.

Menurut klasifikasi akademisi P.A. Rebinder, struktur produk makanan dapat dibagi menjadi koagulasi dan kristalisasi kondensasi.

^ Struktur koagulasi terbentuk dalam sistem dispersi melalui interaksi antara partikel dan molekul melalui lapisan media pendispersi sebagai akibat dari gaya adhesi van der Waals. Ketebalan interlayer sesuai dengan energi bebas minimum sistem. Sistem yang stabil secara termodinamika adalah sistem yang fragmen molekulnya terikat kuat pada permukaan partikel dan mampu larut dalam media pendispersi tanpa kehilangan ikatan tersebut. Pada gilirannya, media pendispersi berada dalam keadaan terikat. Seringkali struktur ini memiliki kemampuan untuk pulih secara spontan setelah kehancuran (tiksotropi). Peningkatan kekuatan setelah patah terjadi secara bertahap, biasanya sampai dengan kekuatan awal sebagai akibat dari gerak Brown partikel yang sangat terdispersi ketika mengenai kontak koagulasi. Ketebalan lapisan sampai batas tertentu tergantung pada kandungan media pendispersi. Dengan bertambahnya kandungannya, nilai sifat geser biasanya menurun, dan sistem berubah dari padat menjadi cair. Pada saat yang sama, dispersi, mis. ukuran partikel yang berlaku, bahkan pada konsentrasi fase konstan, mempengaruhi keadaan sistem, kekuatan atau viskositasnya.

Ketika struktur koagulasi mengalami dehidrasi (dengan peningkatan kandungan fase terdispersi), kekuatannya meningkat, tetapi setelah batas tertentu struktur tersebut berhenti menjadi tiksotropik yang dapat dibalik. Pemulihan struktur dipertahankan dalam lingkungan plastis kental ketika kerangka spasial dihancurkan tanpa memutus kontinuitasnya. Dengan penurunan lebih lanjut kandungan fase cair, mis. ketika beralih ke pasta plastik, pemulihan kekuatan setelah penghancuran struktur dimungkinkan di bawah pengaruh tegangan yang menyebabkan deformasi plastis, yang memastikan kontak yang sebenarnya di seluruh permukaan retakan. Pada tingkat pemadatan struktur tertinggi dan ketebalan terkecil dari lapisan media cair, pemulihan dan plastisitas menghilang, dan kurva kekuatan tergantung pada kelembaban menunjukkan kekusutan. Dalam hal ini, kontak partikel masih berbentuk titik. Mereka dapat berubah menjadi bentuk fase melalui sintering atau pertambahan dengan peningkatan suhu yang signifikan dan dengan perubahan simultan dalam esensi biokimia objek.

Selama pembentukan struktur koagulasi di banyak produk makanan, peran penting dimainkan oleh surfaktan dan protein yang dilarutkan dalam air, yang bertindak sebagai pengemulsi dan penstabil sistem yang terbentuk dan secara signifikan dapat mengubah karakteristik struktural dan mekaniknya.

^ Struktur kondensasi-kristalisasi melekat pada produk alami. Namun, mereka dapat terbentuk dari struktur koagulasi ketika media pendispersi dihilangkan atau ketika partikel-partikel fase terdispersi tumbuh bersama selama perlakuan panas (koagulasi atau denaturasi protein), selama pendinginan lelehan dan pendinginan atau peningkatan konsentrasi larutan. Selama proses pembentukan, struktur ini dapat memiliki sejumlah keadaan transisi - koagulasi-kristalisasi, koagulasi-kondensasi. Pembentukan mereka ditandai dengan peningkatan kekuatan yang terus menerus. Ciri pembeda utama dari struktur jenis ini adalah sebagai berikut: kekuatan yang lebih besar, dibandingkan dengan struktur koagulasi, karena kekuatan kontak yang tinggi, tidak adanya tiksotropi dan sifat kehancuran yang tidak dapat diubah, kerapuhan dan elastisitas yang tinggi karena kekakuan. kerangka struktur, adanya tekanan internal yang timbul selama pembentukan kontak fasa dan selanjutnya menyebabkan rekristalisasi dan penurunan kekuatan secara spontan hingga hilangnya kontinuitas, misalnya retak selama pengeringan.

Dengan demikian, jenis struktur produk menentukan kualitas dan indikator teknologi serta perilakunya selama proses deformasi.
^ 1.2.2 Klasifikasi benda reologi
Kepemilikan produk nyata pada satu atau beberapa jenis benda reologi "ideal", yang diidentifikasi berdasarkan percobaan pendahuluan, memungkinkan untuk membenarkan pilihan perangkat untuk penelitian dan menentukan sifat-sifatnya dengan benar.

Sifat geser mewakili kelompok sifat utama yang banyak digunakan baik untuk menghitung berbagai proses gerak pada bagian kerja mesin maupun untuk menilai kualitas produk makanan. Dalam hal ini, metode yang paling luas untuk mengklasifikasikan makanan dan benda reologi lainnya menurut karakteristik gesernya.

Jika kita mengambil benda elastis dan benar-benar kental sebagai benda batas, maka semua benda lain akan terletak di antara benda tersebut. Klasifikasi paling sederhana (Tabel 1.2) diusulkan berdasarkan rasio tegangan geser ultimit terhadap kepadatan dan percepatan gravitasi (
), mencirikan ukuran kemampuan suatu zat untuk mempertahankan bentuknya.
Tabel 1.2
Klasifikasi benda berdasarkan parameter fisik

B.A. Nikolaev mengusulkan klasifikasi umum (dari padat ke keadaan benar-benar kental) berdasarkan besarnya sifat mekanik. Kelompok pertama mencakup benda padat dan padat, kelompok kedua meliputi benda padat-cair, dan kelompok ketiga meliputi benda cair dan cair. Indikator minimum yang cukup mencirikan sifat reologi produk akan berbeda untuk setiap kelompok.

Produk padat dan padat dari kelompok pertama (lemak padat, jaringan daging utuh, kerupuk, kue kering, dll.) dicirikan terutama oleh modulus elastis, viskositas dan rasio viskositas terhadap modulus elastis, serta tegangan geser ultimat, yang menentukan permulaan aliran struktur.

Produk padat-cair dari kelompok kedua (daging cincang, keju cottage, jeli, adonan tepung, dll.), yang memiliki berbagai sifat mekanik, dicirikan oleh jumlah indikator terbesar: modulus elastisitas, elastisitas, rasio viskositas terhadap modulus elastisitas, tegangan geser ultimit, plastisitas, serta koefisien elastisitas dan pencairan (pengerasan).

Produk cair dan cair dari kelompok ketiga (lemak cair, kaldu, susu, madu, air, dll.) dicirikan oleh nilai tegangan geser ultimatnya, ketergantungan viskositas struktural pada tegangan, kehilangan tekanan saat mengalir melalui pipa , kecepatan aliran maksimum dan, terutama, viskositas .

Diusulkan oleh Prof. V.D. Kosym dan M.Yu. Klasifikasi media bioteknologi Merkulov menurut karakteristik geser reologi membagi bahan menjadi beberapa kelompok berikut:

Menarik untuk mengklasifikasikan benda nyata menggunakan persamaan daya Herschel – Bulkley:

, (1.7)

Di mana: – tegangan antar lapisan produk, Pa;

– tegangan geser ultimat, Pa;

– koefisien konsistensi sebanding dengan viskositas, Pa s n;

N–indeks saat ini.
Dengan metode klasifikasi ini, hubungan dibangun antara tegangan geser dan gradien kecepatan (kurva aliran, lihat di bawah) dan antara viskositas efektif dan gradien kecepatan geser. Berdasarkan sifat kurva yang dihasilkan, jenis benda berikut dibedakan, disajikan pada Tabel 1.3.

Sistem yang tercantum pada Tabel 1.3 tidak mengubah propertinya seiring waktu. Ada juga sekelompok sistem dengan properti variabel waktu: tiksotropik, yang dicirikan oleh restorasi isotermal struktur setelah kehancuran, serta kehancuran terus menerus (sampai batas tertentu) selama deformasi, dan ulang, yang mampu terstruktur, yaitu. membentuk kontak antar partikel sebagai akibat dari orientasi atau turbulensi lemah di bawah aksi mekanis dengan gradien kecepatan kecil.

P.A. Rebinder dan N.V. Mikhailov mengusulkan pembagian badan reologi menjadi seperti cairan Dan seperti padat tergantung pada sifat kurvanya η ef ( τ ) beras. 1.3 dan dari periode relaksasi (periode relaksasi adalah waktu dimana tegangan pada benda yang dibebani berkurang e= 2,7 kali).

Tabel 1.3
Nilai konstanta pada persamaan (1.7).

TIDAK.	Tegangan geser ultimat	Indeks Arus	Viskositas	Nama tubuh
1	0	∞	∞	Tubuh elastis Hooke
2	> 0	0	> 0	Tubuh plastik Saint-Venant
3	> 0	1	> 0	tubuh kental plastik Shvedova-Binghama
4	0	< 1	> 0	tubuh pseudoplastik
5	0	> 1	> 0	tubuh dilatan
6	> 0	< 1	> 0	badan plastik nonlinier
7	> 0	> 1	> 0	benda dilatan nonlinier
8	0	1	> 0	benda Newtonian kental sejati
9	0	0	0	cairan ideal

Benda mirip fluida mencakup fluida Newton dan sistem terstruktur yang tidak memiliki tegangan geser pembatas statis ( τ 0 st = 0), yaitu Sistem seperti itu mengalir ketika pengaruh eksternal yang sangat kecil diterapkan. Benda padat termasuk benda elastis-plastik dan benda lain yang mempunyai tegangan geser ultimat statis dan dinamis.

Untuk mempertimbangkan secara sistematis tren pembentukan rangkaian produk susu, perlu menggunakan klasifikasi berbasis ilmiah sebagai prasyarat awal, yang akan menyederhanakan desain produk susu dengan konsistensi dan komposisi kimia tertentu.

Dasar klasifikasi ini adalah konsistensi produk, yang merupakan seperangkat sifat reologi cairan berstruktur lemah, produk visko-plastik dan elastis-elastis.

P Kelompok pertama mencakup cairan berstruktur lemah (bersyarat Newtonian dan Newtonian), yang meliputi: susu, krim, susu pekat tanpa gula, dll. Cairan berstruktur lemah praktis tidak menunjukkan anomali viskositas dan dapat diklasifikasikan sebagai cairan Newtonian, yang alirannya adalah dijelaskan dengan persamaan:

. (1.8)
Kelompok kedua mencakup produk susu yang mengalir dalam bentuk cairan plastik kental (susu panggang fermentasi, krim asam, yogurt, dll.). Benda visko-plastik tidak berubah bentuk pada tegangan yang kurang dari nilai kritisnya, dan pada tegangan yang lebih besar ia mengalir sebagai fluida kental (fluida Bingham):

. (1.9)
Kelompok ketiga meliputi produk elastis-elastis (olahan, rennet, sosis keju, mentega).
^ 1.2.3 Kurva aliran
Perilaku deformasi sistem dispersi nyata, yang mencakup massa makanan, dapat dicirikan oleh apa yang disebut kurva aliran. Kurva ini diplot berdasarkan data eksperimen dalam koordinat: tegangan geser – laju geser. Secara umum ketergantungan ini dapat dituliskan sebagai:

, atau
. (1.10)
Persamaan ini berlaku untuk sistem nyata, yang dapat berupa zat cair atau padat. Cairan, pada gilirannya, dibagi menjadi Newtonian dan non-Newtonian. Bahan padat mempunyai tegangan geser yang ekstrim τ 0 biasanya merupakan media non-Newtonian.

Kurva aliran fluida berasal dari titik asal (Gbr. 1.4). Oleh karena itu, cairan adalah media yang dapat berubah bentuk (mengalir) berapa pun nilai viskositasnya dengan gaya eksternal yang diterapkan secara sewenang-wenang. Sistem padat dapat mengalir, menunjukkan sifat-sifat cairan hanya setelah tegangan geser melebihi nilai kritis tertentu - tegangan geser pembatas τ 0, yang menentukan sifat plastis material.

Gambar 1.4. Kurva saat ini:

1 – Cairan Newton; 2 – cairan dilatan;

3 – cairan kental secara struktural; 4 – badan plastik nonlinier;

5 – badan plastik linier
Kurva aliran (rheogram) Newton zat cair merupakan garis lurus 1 , melewati titik asal koordinat (Gbr. 1.4). Untuk cairan seperti itu, persamaan reologi Newton berlaku:

. (1.11)
Semua kurva aliran ( 2 – 5 ), yang menyimpang dari garis lurus, disebut cairan non-Newtonian (kental anomali). Perilaku cairan non-Newtonian dapat disebabkan oleh berbagai alasan: dalam sistem dispersi cair, peran yang menentukan dimainkan oleh orientasi partikel fase terdispersi, perubahan bentuk dan derajat agregasinya; dalam cairan koloid, penghancuran (atau perubahan ) struktur internal secara bertahap semakin dalam seiring dengan meningkatnya tekanan; dalam polimer – efek relaksasi mekanis, mis. redistribusi stres. Dalam kasus tertentu, mungkin terdapat mekanisme yang tumpang tindih; misalnya, perilaku non-Newtonian dari polimer terisi dikaitkan dengan penataan ulang struktural dan fenomena relaksasi. Kasus khusus dari perilaku cairan non-Newtonian adalah perubahan viskositas seiring waktu karena reaksi kimia yang terjadi dalam medium. Jika reaksi terjadi dalam medium homogen, perubahan viskositas medium mencerminkan perubahan komposisinya; dalam hal ini, deformasi biasanya tidak mempengaruhi hukum kinetik reaksi. Namun, untuk reaksi heterogen, seperti polimerisasi heterogen atau pemadatan oligomer, deformasi mempengaruhi kinetika reaksi (misalnya, aliran geser dalam reaktor atau paparan getaran ultrasonik).

Di antara bahan makanan, ada bahan yang viskositasnya bervariasi sesuai dengan laju deformasi. Cairan tersebut dijelaskan oleh persamaan reologi Ostwald-de-Ville:

, (1.12)

Di mana KE– koefisien konsistensi, bergantung pada sifat bahan dan jenis serta geometri elemen pengukur perangkat;

N– indeks saat ini.

.
Pada saat yang sama, kurva ^ 2 mencirikan dilatan aliran (pada N> 1), karakteristik terutama dari sistem dispersi terkonsentrasi, di mana, dengan peningkatan laju deformasi, terjadi “kesulitan geser”, yaitu. viskositas meningkat; melengkung 3 menjelaskan pseudoplastik aliran (pada 0< N < 1), что характерно для «сдвигового размягчения» вследствие разрушения структуры с увеличением скорости деформации;

Melengkung ^ 4 menunjukkan plastik nonlinier karakteristik aliran sebagian besar benda plastis setelah mencapai tegangan geser pembatas τ 0, persamaan reologi Herschel – Bulkley menggambarkan perilakunya:

. (1.13)
Ketergantungan linier ^ 5 khas untuk milik Bingham benda dan sesuai dengan aliran plastis ideal, di mana, setelah mencapai tegangan geser maksimum τ 0 ada proporsionalitas antara kecepatan dan tegangan geser. Materi tersebut dijelaskan dengan persamaan Bingham:

, (1.14)

Di mana η pl – viskositas plastik, Pa s.
Dengan demikian, nilai viskositas efektif dapat dijadikan parameter terkontrol untuk semua produk susu η efektif (pada
). Untuk produk susu yang memiliki pola aliran visko-plastik, perlu dilakukan pengendalian tegangan geser ultimat τ 0 dan viskositas plastik η hal.

Banyak cairan non-Newtonian yang dicirikan oleh fenomena seperti tiksotropi– penurunan viskositas (“pencairan”) cairan atau struktur sistem yang dapat dibalik seiring waktu (Gbr. 1.5, A), Dan reopeksi– peningkatan viskositas sistem dispersi yang sangat terisi dengan media dispersi kental (Gbr. 1.5, B).

Beras. 1.5. Kurva aliran mencirikan:

A) sistem tiksotropik; B) sistem reopex
Dalam banyak proses, produk mengalami tekanan mekanis yang kuat (pompa, mixer, dll.), mis. strukturnya mencapai kehancuran sebagian atau hampir seluruhnya. Oleh karena itu, ketika menggunakan hasil studi reologi untuk perhitungan praktis, setidaknya kita harus memilih kira-kira kurva aliran yang sesuai dengan tingkat kehancuran tertentu. Sehubungan dengan ini, ketika menghitung berbagai proses, perlu menggunakan karakteristik yang ditentukan dalam kisaran tegangan dan regangan yang sesuai. Penilaian kualitatif terhadap produk juga harus dilakukan sesuai dengan karakteristik yang paling signifikan untuk suatu proses tertentu.
^ 1.3 Geser, permukaan dan kompresi

sifat bahan
Sifat reologi bahan muncul ketika terkena kekuatan atau faktor eksternal. Paparan ini terjadi selama pemrosesan, transportasi atau penyimpanan bahan. Berdasarkan jenis penerapan gaya luar pada produk, sifat-sifat ini dapat dibagi menjadi tiga kelompok: geser, volumetrik, dan permukaan (Gambar 1.6).

Sifat geser mencirikan perilaku volume produk ketika terkena tegangan geser dan tangensial, Gambar. 1.6, A.

Sifat permukaan mencirikan perilaku suatu produk pada antarmuka dengan bahan padat lain ketika terkena kondisi normal (adhesi, Gambar 1.6, B) dan tegangan tangensial (gesekan eksternal).

Sifat kompresi (volumetrik) menentukan perilaku volume produk ketika terkena tegangan normal dalam bentuk tertutup atau antara dua pelat, Gambar. 1.6, V.
^ 1.3.1 Sifat geser
Seperti disebutkan di atas, sifat geser mewakili kelompok sifat utama. Karakteristik yang menentukan sifat-sifat ini dapat digunakan untuk berbagai tujuan - mulai dari menilai kualitas suatu produk hingga menghitung jaringan pipa, mesin, dan peralatan. Sifat-sifat ini muncul ketika produk terkena tekanan (gaya) tangensial.

Untuk sifat geser utama terstruktur lemah Dan sistem visco-plastik, Kapan τ > τ 0 , rujuk statis Dan tegangan geser ultimat dinamis, efektif Dan viskositas plastik, plastisitas struktur untuk sistem visco-plastik dan viskositas dinamis untuk sistem semi terstruktur.

^ Tegangan geser statis (τ 0 , Pa) adalah gaya per satuan permukaan produk, di atasnya produk mulai mengalir, mis. tegangan, setelah mencapai deformasi ireversibel yang mulai berkembang dalam sistem.

^ Tegangan geser ultimat dinamis (τ 0d, Pa) – tegangan sama dengan segmen yang terpotong pada sumbu absis zona lurus aliran visko-plastik pada koordinat gradien kecepatan – tegangan geser.

^ Viskositas efektif – inilah yang disebut viskositas “semu”, yang merupakan nilai variabel dan bergantung pada gradien kecepatan produk ( , s –1).

Viskositas efektif merupakan karakteristik variabel akhir yang menggambarkan keadaan keseimbangan antara proses restorasi dan penghancuran struktur pada aliran tunak. Hal ini ditandai dengan sudut kemiringan suatu garis lurus yang menghubungkan titik asal koordinat ke titik yang nilainya ditentukan. Dengan meningkatnya tegangan geser, viskositas efektif menurun, yaitu. sudut kemiringan meningkat pada kurva aliran di zona kehancuran struktur seperti longsoran (zona 3 – 4, Gambar 1.7). Poin A, V, Dengan– sesuai dengan nilai tertentu τ (τ A, τ V, τ c), sambungkan ke titik 0, maka viskositas efektif pada setiap titik ditandai dengan sudut kemiringan garis lurus:
;
;
. Ketergantungan viskositas efektif pada laju geser pada skala logaritmik (Gbr. 1.8) mengikuti hubungan berikut:

(1.15)

Di mana: – viskositas efektif pada nilai satuan gradien kecepatan relatif (tanpa dimensi):
(
s –1);

M– tingkat kehancuran struktur, mis. tg kemiringan garis logaritmik.

^ Viskositas plastik – nilai konstan, tidak bergantung pada tegangan geser dan gradien kecepatan pada sumbu koordinat – tegangan geser adalah ctg α garis lurus yang tidak memanjang dari titik asal koordinat dan memotong pada sumbunya τ segmen yang sama dengan segmen statis (sesuai η 0) atau dinamis (sesuai η m) tegangan geser ultimat:

Viskositas plastik tertinggi (Swedia):

, Pa ∙ s; (1.16)
viskositas plastik terendah (Bingham):

, Pa ∙ s; (1.17)

Plastisitas struktur adalah rasio tegangan geser ultimit statis terhadap viskositas plastik:

, s –1 (1,18)
Viskositas dinamis Fluida Newtonian atau terstruktur dicirikan oleh sudut kemiringan garis lurus
, keluar dari asal, yaitu. τ 0 = 0.

Sifat struktural dan mekanik di area struktur yang praktis utuh, Kapan τ < τ 0 dapat dicirikan oleh hukum Hooke. Ini termasuk: modulus elastisitas sesaat bersyarat, modulus elastisitas dan keseimbangan, periode relaksasi. Sifat-sifat ini ditentukan dari diagram kinetika deformasi relatif γ di bawah tegangan geser konstan τ ketika mulur terjadi (Gbr. 1.9).

D Diagram kinetika deformasi terdiri dari dua kurva: OABC - beban (aksi tegangan geser konstan τ ) dan CDF – pembongkaran (deformasi setelah pelepasan beban). Momen pelepasan beban diatur setelah munculnya bagian yang hampir lurus pada kurva ABC.

Setelah beban dihilangkan, deformasi elastis sejati seketika bersyarat menghilang dalam waktu 0,5–1,0 detik γ 0 . Diagram menunjukkan perkembangan deformasi secara lengkap γ m pada saat beban dilepas, dinyatakan dengan persamaan:
γ m = γ 0 + γ e+ γ η, (1.19)

Di mana: ( γ 0 + γ e = γ y) – deformasi elastis yang mereda secara spontan setelah beban dihilangkan;

γ η – sisa deformasi;

γ e – deformasi akibat efek elastis (elastis).

Deformasi permanen γ η, yang terbentuk setelah pembongkaran, tidak hilang seiring waktu. Setelah mencapai bagian lurus dari kurva bongkar muat, kurva tersebut hampir tetap konstan. Hal ini dinyatakan dalam aliran sistem, dan kecepatannya bergantung pada viskositasnya.

Efek samping elastis atau deformasi (elastis) yang berkembang perlahan bersifat reversibel. Hal ini disebabkan oleh struktur benda nyata, di mana, seiring dengan relaksasi, reversibilitas tegangan menghasilkan redistribusi deformasi elastis dari waktu ke waktu di berbagai bagian struktur.

^ τ terhadap komponen elastis sesaat dari deformasi geser γ 0 . Elastisitas benda di bawah geser dicirikan oleh modulus elastisitas jenis kedua G pikiran:
G pikiran = τ / γ 0 . (1.20)
Modul elastis G uh - ini sebuah sikap τ menjadi elastis γ y deformasi, dikurangi komponen elastis sesaat γ 0, yaitu terhadap deformasi elastis γ e:
G e = τ / (γ kamu – γ 0) = τ / γ e. (1.21)
Modul keseimbangan adalah rasio tegangan τ untuk deformasi umum γ m, di mana tidak mungkin membedakan antara deformasi elastis dan elastis:
G = τ / γ M. (1.22)
Masa relaksasi adalah durasi relaksasi tegangan (restorasi) pada deformasi konstan atau deformasi setelah penghilangan tegangan ( T r, s).

Untuk mengukur karakteristik yang menentukan sifat geser produk, digunakan viskometer dengan berbagai desain dan prinsip operasi. Pilihan satuan pengukuran untuk produk tertentu menentukan perolehan hasil yang dapat diandalkan, yang menjamin penerimaan data perhitungan yang benar.

^ 1.3.2 Sifat permukaan
Tempat khusus di antara sifat struktural dan mekanik ditempati oleh sifat permukaan(adhesi, kohesi, koefisien gesekan). Mereka mencirikan kekuatan interaksi antara permukaan kerja peralatan dan produk yang diproses selama robekan atau geser.

Selama pemrosesan teknologi, bahan makanan (perekat) bersentuhan dengan permukaan berbagai bagian kerja mesin (substrat), alat pengangkut, dll. Sifat aliran massa melalui saluran mesin pembentuk dari berbagai jenis (sekrup, gulungan, roda gigi, dll.), serta melalui pipa proses, ditentukan baik oleh sifat struktural dan mekaniknya, serta oleh gaya adhesi dengan kontak. permukaan.

^ Adhesi adalah adhesi permukaan dua bahan yang berbeda. Fenomena ini sering terjadi di alam dan banyak digunakan dalam bidang teknologi. Di bawah kohesi memahami kohesi partikel di dalam tubuh yang bersangkutan. Bahan makanan dicirikan oleh berbagai jenis robekan (Gbr. 1.10): A) perekat; B) kompak; V) campuran – perekat-kohesif.

Dalam beberapa kasus, sulit untuk menetapkan batas rekahan untuk dua sistem fase atau lebih. Setelah robek, permukaan pelat dapat dibasahi dengan media pendispersi atau ditutup dengan lapisan tipis dari fraksi halus produk yang diteliti.

a B C)

Beras. 1.10. Jenis pemisahan bahan:

A) perekat; B) kompak;

V) campuran – perekat-kohesif
Belum ada teori kuantitatif umum tentang adhesi, meskipun upaya untuk menjelaskan secara komprehensif tentang adhesi berdasarkan berbagai mekanisme interaksi sangat membuahkan hasil. Dalam hal ini, karya-karya fundamental akademisi P.A. menjanjikan bagi pengembangan gagasan teoritis tentang adhesi. Rebinder terhadap adsorpsi dan aktivitas permukaan film tipis. Sebagai hasil dari eksperimen cerdas dan halus oleh V.A. Pchelin menetapkan tegangan permukaan, konstanta dielektrik, potensial permukaan, dll untuk larutan zat protein.Dalam fenomena adhesi zat protein, sebagai berikut dari konsep teoritis B.V. Deryagin, selain gaya tarik-menarik Van der Waals, juga terlibat gaya elektrostatik, yang disebabkan oleh munculnya lapisan listrik ganda di permukaan.

Besarnya daya rekat antara dua benda biasanya ditandai dengan: gaya tarik; pekerjaan pemisahan tertentu per satuan luas; waktu yang diperlukan untuk memutuskan ikatan antara substrat dan perekat di bawah pengaruh beban tertentu. Metode pengujian yang paling umum adalah:

1. 
   detasemen yang tidak merata, yang memungkinkan untuk mengidentifikasi perubahan nilai kekuatan rekat di masing-masing area sampel uji;
2. 
   pemisahan seragam, di mana gaya yang diperlukan untuk memisahkan perekat dari substrat diukur secara bersamaan di seluruh area kontak;
3. 
   pergeseran suatu materi relatif terhadap materi lainnya.

Adhesi sering kali ditandai dengan gaya minimum yang diperlukan untuk menariknya. Nilai ini disebut kekuatan rekat, tekanan rekat (stress), tekanan rekat atau daya rekat spesifik.

Pembentukan ikatan perekat sangat dipengaruhi oleh sifat reologi perekat, kebersihan permukaan substrat dan topografinya, lama kontak antara perekat dengan substrat, tekanan kontak, suhu perekat dan substrat. , dan kecepatan pemisahan dari substrat.

Saat mengoperasikan peralatan, serta saat merancang dan membuat mesin baru, fenomena adhesi harus diperhitungkan untuk memilih bahan bagian atau pelapis yang tepat dan menetapkan mode pengoperasian yang optimal. Misalnya, dalam produksi jenis manisan lunak dari massa praline, fudge krim, dan sejumlah lainnya, tergantung pada tujuan organ mesin tertentu, perlu untuk meningkatkan interaksi perekatnya, atau untuk mencapai daya rekat minimal. Jadi, jika di zona umpan mesin pembentuk, daya rekat massa ke dinding harus paling kecil, maka di ruang sekrup harus paling besar. Permukaan sekrup, berbeda dengan yang disebutkan di atas, harus halus, terbuat dari bahan yang paling tidak lengket pada massa. Supercharger roller ditandai dengan peningkatan maksimum gaya interaksi antara massa dan permukaan gulungan, yang meningkatkan efisiensi mesin.

Meskipun sifat adhesi belum terungkap hingga saat ini, beberapa teori telah diketahui menjelaskan esensi fisikokimia dari fenomena adhesi:

1. 
   Menurut teori adsorpsi DeBroin dan McLaren, adhesi dikaitkan dengan aksi gaya antarmolekul: fisik– van der Waals atau bahan kimia, misalnya ionik kovalen;
2. 
   tentang teori kelistrikan B.V. Deryagin dan N.A. Krotova - dengan perbedaan potensial pada batas benda yang berbeda, mis. dengan munculnya semacam kapasitor molekuler listrik di zona kontak yang disebabkan oleh lapisan listrik ganda;
3. 
   menurut elektromagnetik – dengan interaksi elektromagnetik, mis. emisi dan penyerapan gelombang elektromagnetik oleh atom dan molekul, yang dapat terjadi pada benda yang terkondensasi;
4. 
   menurut teori elektrorelaksasi N.M. Moskvitin - dengan lapisan listrik ganda dan kecepatan pemisahan, yang pengukurannya menyebabkan munculnya komponen deformasi gaya atau kerja penghancuran yang terkait dengan laju proses relaksasi pada sambungan yang hancur;
5. 
   menurut teori difusi S.S. Voyutsky dan B.V. Deryagin - dengan difusi ujung makromolekul melintasi batas kontak awal, akibatnya, dalam kasus terbatas, batas fase dapat hilang; serupa dengan ini adalah teori mekanik, yang menyatakan bahwa kontak perekat terbentuk karena keterlibatan mekanis formasi molekuler atau supramolekul dengan kekasaran mikro pada permukaan;
6. 
   menurut teori termodinamika - dengan tegangan permukaan, yang menurut aturan Dupre menentukan kerja penggantian antarmuka "padat-cair" dengan permukaan "gas padat", yang terjadi ketika disk dipisahkan dari produk.

Secara formal, daya rekat didefinisikan sebagai kekuatan spesifik pemisahan normal pelat dari produk:
R 0 = F 0 / A 0 , (1.23)

Di mana: F 0 – gaya tarik keluar, N;

A 0 – luas geometri pelat, m2.

^ Gesekan eksternal– interaksi antar benda pada batas kontaknya, mencegah pergerakan relatifnya sepanjang permukaan kontak.

Sulit untuk memisahkan gaya gesekan dan adhesi yang timbul selama perpindahan relatif permukaan kontak dua benda. Hubungan antara gaya gesekan dan adhesi ditentukan oleh persamaan Deryagin:

, (1.24)

Di mana: ^F tr – gaya gesekan eksternal, N;

μ – koefisien gesekan sebenarnya;

A 0 – bidang kontak sebenarnya, m2;

R 0 – adhesi spesifik yang bekerja pada area tersebut ^A 0 , Pa.
Gaya gesekan eksternal– gaya yang bekerja secara tangensial terhadap produk dan menyebabkan pergeseran material padat di sepanjang produk. Ini bisa menjadi statis F tr st atau dinamis F tr st.

Statis– nilai maksimum yang dicapai pada saat awal pergeseran suatu permukaan relatif terhadap permukaan lainnya, dan dihabiskan untuk mengatasi gaya gesekan statis (inersia) dan putusnya ikatan antara material dan produk (permukaan) yang terbentuk selama proses. periode kontak awal. Pada momen awal geser terjadi peralihan dari keadaan diam ke gerak beraturan yang disertai deformasi plastis.

Dinamis– memperhitungkan gaya gesekan geser pada kecepatan tetap. Pada kecepatan rendah, dan juga percepatan, gaya gesekan dinamis secara praktis akan sama dengan gaya statis. Perbedaan antara gaya dinamis dan statis adalah kekuatan inersia R di dalam.

Koefisien gesekan eksternal yang sebenarnya μ(statis atau dinamis) – rasio gaya gesekan eksternal yang sesuai ^F tr dengan jumlah gaya kontak normal N dan pemisahan (R 0 ∙ A 0) (1.26).

Dalam beberapa kasus, pengoperasiannya lebih mudah efektif koefisien gesekan eksternal μ efek:
μ ef = F tr/ N. (1.25)
Koefisien ini berhubungan dengan koefisien gesekan sebenarnya sebagai berikut:

. (1.26)
Gesekan eksternal bergantung pada kelengketan dan sejumlah faktor lainnya (tekanan kontak, kecepatan perpindahan, suhu, dll.), dan pengaruh faktor-faktor ini tidak jelas. Untuk mendukung teori gesekan eksternal, teori kinetik molekuler, mekanik, fisika, dan teori lain yang serupa dengan teori yang menjelaskan adhesi telah diajukan.
^ 1.3.3 Sifat kompresi
Properti kompresi digunakan untuk menghitung bagian kerja mesin dan perangkat dan untuk menilai kualitas produk, misalnya dalam tegangan dan kompresi. Ini termasuk koefisien tekanan volumetrik dan lateral, koefisien Punch, modulus elastis dan sebagainya. Selain itu, sejumlah model mekanis (Maxwell, Kelvin, dll.) menggambarkan perilaku produk dalam deformasi aksial atau volumetrik.

Kepadatan, sebagai salah satu sifat kompresi, merupakan karakteristik penting ketika menghitung sejumlah mesin dan perangkat dan ketika menilai kualitas produk. Kepadatan rata-rata ( ρ , kg/m3), untuk volume yang relatif kecil ditentukan dari perbandingan:
ρ = M / V, (1.27)

Di mana: M– massa produk, kg;

V– volume produk, m3.
Kepadatan Sejati sama dengan batas rasio massa terhadap volume ketika rasio massa terhadap volume cenderung nol.

Antara kepadatan ρ dan berat jenis ( γ , N/m 3) ada hubungan sederhana:
γ = ρ ∙ G, (1.28)

Di mana: G– percepatan jatuh bebas, m/s 2 .
Massa jenis campuran beberapa komponen, bila tidak berinteraksi, sehingga komposisi atau volume campuran berubah, dapat dihitung dari ketergantungan:

atau
, (1.29)

Di mana: Dengan Saya– konsentrasi salah satu komponen dalam campuran, kg per 1 kg campuran;

ρ Saya– massa jenis komponen, kg/m3;

Saya– jumlah komponen.

Rasio kompresi volumetrik (β, Pa –1) mencirikan perubahan volume (Δ ^V, m 3) produk ketika tekanan berubah (Δ R, Pa) per satuan ukurannya.

Untuk cairan berstruktur Newtonian, ia hampir tidak bergantung pada tekanan dan durasi kerjanya. Untuk sistem kental plastik, dengan meningkatnya tekanan, koefisiennya menurun dan pada tekanan yang cukup tinggi, misalnya pada tekanan (20 - 30)∙10 5 Pa, mencapai nilai yang melekat pada media pendispersi, khususnya air, karena dalam banyak produk dari industri susu (massa dadih dll.) mengandung hingga 70-75%.

Koefisien kompresi volumetrik untuk cairan berstruktur Newton dan praktis Newton ditentukan oleh ketergantungan:

. (1.30)
Untuk sistem kental plastik, koefisiennya β dapat digunakan sebagai karakteristik integral tergantung pada durasi pemaparan dan tekanan pada produk:

, (1.31)

Di mana: R– tekanan yang bekerja pada produk, Pa –1;

T– durasi tekanan pada produk, s;

ε V – deformasi volumetrik relatif.
Koefisien tekanan lateral ζ adalah rasio tekanan lateral R b ke aksial R o di bawah pengaruh tegangan normal dalam volume tertutup:
ζ = R B/ R HAI. (1.32)
Untuk fluida Newtonian dan terstruktur ζ = 1, dan untuk plastik kental ζ < 1.

Dalam kondisi volume konstan, misalnya, dengan kompresi uniaksial, tinggi benda berkurang dan dimensi transversalnya bertambah, yang ditandai dengan deformasi relatif, yang saling berhubungan melalui rasio Poisson.

^ Rasio Poisson υ adalah rasio deformasi linier relatif, yaitu. melintang hingga memanjang dalam kisaran hukum Hooke, dan mencirikan sifat elastis produk.

Elastisitas– kemampuan suatu benda setelah mengalami deformasi untuk mengembalikan sepenuhnya bentuk aslinya, sedangkan usaha deformasi sama dengan usaha restorasi.

Elastisitas tarik dan tekan dicirikan oleh modulus elastisitas jenis pertama ( E, Pa). Untuk menggambarkan sifat elastis produk di berbagai zona deformasi (Gbr. 1.11), konsep klasik modulus elastis seringkali tidak cukup. Kemudian Anda dapat menerapkan modifikasi modulus elastis: kondisi sesaat, elastis, keseimbangan.

^ Modulus elastisitas sesaat bersyarat mewakili rasio tegangan σ ke komponen deformasi yang benar-benar elastis seketika dan bersyarat ε 0 .

^ Modul elastis adalah rasio tegangan σ terhadap deformasi elastis ε e.

R seimbang (relaksasi)modul ion). adalah rasio tegangan σ terhadap deformasi elastis umum ε perusahaan kesatuan, ketika tidak mungkin untuk membedakan antara deformasi elastis dan elastis sesaat yang bersyarat.

Selama pemrosesan teknologi, bahan makanan terkena beban eksternal yang menyebabkan deformasi, akibatnya timbul tekanan internal pada bahan tersebut. Bahkan pada tegangan rendah, rasio antara komponen deformasi elastis, kental, dan plastis tidak tetap, dan proses yang berkembang seiring waktu terjadi pada material. relaksasi(resorpsi) ketegangan.

Maxwell pertama kali memperkenalkan konsep relaksasi stres pada akhir tahun 70-an abad lalu. Mereka memberikan ekspresi analitis untuk proses relaksasi material, berdasarkan asumsi hubungan berbanding lurus antara laju penurunan tegangan seiring waktu dan besarnya tegangan yang bekerja.

Setelah Maxwell, FN mempelajari fenomena plastisitas. Shvedov, yang mengembangkan teori cairan elastis, dengan demikian meletakkan dasar bagi reologi sistem terdispersi. F.N. Shvedov memberikan persamaan relaksasi stres dalam bentuk fungsi

, (1.33)

Di mana σ – tegangan pada waktu T, Pa;

σ 0 , σ k – tegangan awal dan akhir, masing-masing, Pa;

T p – periode relaksasi, s.
Masa relaksasi (T p) – periode waktu selama material berpindah dari kondisi tekanan non-ekuilibrium ke kondisi hampir setimbang dan stabil.

Persamaan ini mewujudkan gagasan yang diungkapkan oleh Maxwell bahwa benda plastis mengalir dalam batas tegangan tertentu. Berbeda dengan Maxwell, yang menerima bahwa ketegangan dalam tubuh mengendur hingga nol, Shvedov menunjukkan bahwa ketegangan apa pun tidak berkurang hingga nol, tetapi hanya sampai batas tertentu. σ k, yang merupakan batas elastis atau kekuatan luluh, di bawah batas tersebut tidak boleh terjadi relaksasi.

Kurva relaksasi memiliki dua bagian yang berbeda, bagian pertama ditandai dengan penurunan stres yang tajam dalam kondisi tingkat relaksasi yang menurun dengan cepat, dan bagian kedua ditentukan oleh penurunan stres secara perlahan dengan tingkat relaksasi yang sangat rendah. Pada bagian kedua, kurva relaksasi secara asimtotik mendekati garis lurus tertentu yang sejajar dengan sumbu absis dan berjarak darinya dengan besar tegangan yang praktis tidak terjadi relaksasi.

Proses relaksasi stres pada bahan makanan disertai dengan suatu proses orang aneh.

Orang aneh–deformasi lambat suatu benda di bawah pengaruh beban konstan.

Proses mulur dibagi menjadi dua tahap: tahap pertama adalah tahap tidak tunak dengan laju regangan yang menurun secara bertahap, tahap kedua adalah tahap tunak dengan laju mulur yang konstan.

Relaksasi tegangan dan mulur yang menyertai proses ini merupakan jenis deformasi plastis. Terjadinya proses deformasi plastis pada kondisi relaksasi tegangan menyebabkan penurunan sifat elastis dan peningkatan sifat plastis. Pada gilirannya, peningkatan plastisitas menyebabkan penurunan energi yang dihabiskan untuk mencetak produk, sekaligus meningkatkan kualitas produk.

Halaman saat ini: 18 (buku memiliki total 19 halaman) [bagian bacaan yang tersedia: 13 halaman]

111. Sifat reologi sistem yang tersebar bebas

Faktor utama yang menentukan struktur dan sifat reologi sistem dispersi adalah konsentrasi partikel φ (fraksi volume) dan potensi interaksi berpasangan partikel. Sistem dispersi stabil agregasi encer, di mana partikel-partikelnya mempertahankan kebebasan penuh untuk bergerak bersama atau tidak ada struktur tertentu, adalah sistem Newton, viskositasnya dihitung dengan Persamaan Einstein:

η = η 0 (1 + αφ ).

Di mana η 0 – viskositas sedang; α – koefisien sama dengan 2,5 untuk partikel bola ketika berputar bebas dalam aliran.

Sifat reologi sistem yang tersebar bebas: viskositas, elastisitas, plastisitas.

Tegangan geser yang ditimbulkan oleh gaya luar F T sepenuhnya mengatasi gesekan antar lapisan zat cair dan sebanding dengan laju geser- Ini adalah hukum Newton:

T = ηγ

Besarnya η = t/γ (viskositas) sepenuhnya mencirikan sifat reologi cairan dalam rezim aliran laminar.

Benda kental berbeda dari benda plastik karena benda tersebut mengalir di bawah tekanan apa pun. Aliran benda kental idealnya dijelaskan persamaan Newton:

Di mana F– kekuatan resistensi kental; H– koefisien gesekan; kamu– kecepatan aliran linier; X– koordinat normal terhadap aliran.

Ekspresi yang lebih umum dari hukum ini adalah melalui deformasi geser. Pada benda elastis, usaha yang dilakukan oleh gaya luar T disimpan dalam bentuk energi potensial deformasi elastis, dan dalam media kental seluruhnya diubah menjadi panas. Sebagian energinya hilang, yaitu material juga menciptakan ketahanan kental terhadap deformasi. Bahan seperti ini disebut viskoelastik. Karakteristik reologi penting dari media viskoelastik adalah waktu relaksasi deformasi elastis (waktu restorasi bentuk). Selain gaya ketahanan kental dan elastis terhadap deformasi, sejumlah material memiliki kemampuan memberikan ketahanan yang serupa dengan gaya gesekan eksternal (statis). Dalam bahan terdispersi dan polimer, gaya serupa timbul bersamaan dengan hambatan kental; hambatan total dijelaskan dengan persamaan:

T = T s+ ηγ .

Besarnya η * = (t – t Dengan) / γ disebut viskositas plastik, dan bahannya disebut plastik. Hal ini sepenuhnya ditandai oleh dua konstanta reologi: T Dengan dan η *. Ukuran T c disebut tegangan geser ultimat (tegangan luluh). Perilaku suatu bahan plastik dapat dijelaskan dengan hukum Newton, dimana η – besaran variabel, atau hukum Shvedov-Bingham dengan dua konstanta ( T Dengan dan η *). Viskositas, menurut Newton, memperhitungkan semua hambatan tergantung pada laju deformasi. Viskositas plastik hanya memperhitungkan sebagian hambatan.

Cairan dan benda kental plastik, yang gaya gesekannya tidak mematuhi hukum Newton, disebut non-Newtonian cairan (tidak normal). Beberapa di antaranya disebut cairan Bingham. Plastisitas adalah manifestasi sifat non-Newtonian yang paling sederhana (secara matematis). Transisi dari mulur ke plastis dan kemudian aliran Newton terjadi secara bertahap. Paling sering, kisaran laju geser terbesar (dari γ 1 sampai γ 2) jatuh pada daerah aliran plastis. Hal ini menentukan signifikansi praktis dari hukum Shvedov-Bingham dan konstanta reologi η * Dan T Dengan.

112. Sifat reologi sistem terdispersi secara koheren. persamaan Bingham

Metode utama reologi adalah pertimbangan zat mekanis pada model tertentu, yang perilakunya dapat dijelaskan dengan sejumlah kecil parameter; dalam kasus paling sederhana, reologi dapat ditentukan hanya dengan satu parameter.

Perilaku elastis- suatu proses yang dapat dicirikan oleh proporsionalitas tegangan dan regangan, yaitu semacam hubungan linier antara τ Dan γ . Ketergantungan ini diungkapkan hukum Hooke :

τ = Gγ,

Di mana G- modulus elastisitas pelayan kamar di kapal.

Jika digambarkan secara grafis, maka menurut hukum Hooke hubungan antara tegangan geser dan perpindahan dapat dinyatakan dengan ketergantungan linier, kotangen sudut kemiringan terhadap garis lurus tersebut adalah modulus elastisitas Young.

Ketika beban dihilangkan, parameter asli tubuh segera dipulihkan, energi tidak hilang selama proses bongkar muat tubuh. Proses perilaku elastis hanya dapat menjadi ciri benda padat.

Sifat dari fenomena ini mungkin terletak pada reversibilitas deformasi kecil. Modulus elastisitas dapat bergantung pada sifat interaksi dalam benda padat dan nilainya sangat besar. Tubuh mungkin berusaha untuk pulih dengan gerakan termal yang mengganggu orientasi ini.

Modulus elastisitas juga bergantung pada suhu dan dapat bernilai kecil. Deformasi elastis pada benda padat dapat ditentukan dan dapat terjadi sampai suatu nilai tertentu, di atasnya terjadi pemusnahan suatu benda. Jenis stres pada tubuh yang rapuh ini menjadi ciri kekuatan.

Perilaku kental(atau aliran kental), yang dicirikan oleh proporsionalitas tegangan dan laju proses deformasi, disebut hukum Newton:

T = ηγ 1 ,

Di mana T– tegangan geser; H– viskositas.

Setelah pengaruh tegangan geser berhenti, bentuk tubuh sebelumnya tidak dapat dikembalikan lagi. Aliran kental seperti itu dapat disertai dengan disipasi energi, yaitu energi yang dihamburkan dalam volume suatu benda. Aliran kental dikaitkan dengan perpindahan massa ketika pertukaran tempat antar atom atau molekul selama gerakan termalnya.

Tegangan potensial yang diterapkan dapat mengurangi penghalang energi bagi suatu partikel untuk bergerak ke satu arah dan menambah atau menguranginya ke arah lain. Dapat diasumsikan bahwa proses aliran kental adalah proses yang diaktifkan oleh suhu dan viskositas akan bergantung secara eksponensial pada suhu.

Plastik mungkin menyajikan perilaku non-linier. Dengan fenomena ini, tidak ada ketergantungan dan proporsionalitas antara berbagai pengaruh dan berbagai jenis deformasi. Plastisitas adalah kombinasi dari proses dislokasi dan pemutusan serta penataan ulang ikatan antar atom. Benda plastik, setelah tegangan dihilangkan, mempertahankan bentuk apa pun yang diberikan padanya dalam proses tersebut.

Persamaan Bingham:

Laju deformasi, yang digambarkan dengan persamaan Bingham, harus sebanding dengan perbedaan antara tegangan efektif dan tegangan geser ultimit. Selain itu, persamaan ini didasarkan pada kombinasi dua elemen reologi yang paling sederhana - hubungan paralel elemen kental dan elemen gesekan kering Coulomb.

113. Metode reologi untuk mempelajari sistem terdispersi. Konsep dasar dan hukum ideal reologi

Kajian perubahan bentuk– pengetahuan dan konsep kompleks yang merumuskan hukum dan aturan yang memungkinkan kita menentukan perilaku benda padat dan cair. Metode utama yang digunakan reologi adalah dengan mempertimbangkan sifat mekanik material pada model tertentu, yang dijelaskan oleh sejumlah kecil parameter.

Deformasi elastis dijelaskan oleh hukum Hooke:

τ = Gγ,

Di mana T– tegangan geser; G– modulus geser (n/m 2); γ – regangan geser relatif.

Sifat elastisitas setiap benda terletak pada reversibilitas deformasi kecil dan ikatan antar atom. Modulus elastisitas dapat ditentukan oleh sifat interaksi dalam benda padat dan praktis tidak bergantung pada kenaikan suhu. Modulus elastisitas dapat dianggap sebagai jumlah energi elastis dua kali lipat yang disimpan per satuan volume dengan satuan deformasi. Deformasi elastis suatu benda dapat terjadi hingga nilai batas tertentu, setelah itu terjadi penghancuran benda yang lebih rapuh.

Kekuatan– sifat suatu material untuk menahan pengaruh eksternal di bawah pengaruh tekanan eksternal.

Viskositas dijelaskan oleh hukum Newton:

T = ηγ ,

Di mana H– viskositas (n/m2) – parameter yang dicirikan oleh laju tegangan dan regangan yang proporsional, dan mungkin juga bergantung pada laju geser.

Viskositas bahan polimer dapat disertai dengan disipasi energi, yaitu keadaan di mana seluruh energi yang dilepaskan dapat diubah menjadi panas. Viskositas adalah proses yang diaktifkan secara termal, dan viskositas memiliki ketergantungan eksponensial pada suhu.

Plastik merupakan elemen nonlinier, tidak adanya tumbukan dan berbagai deformasi. Plastisitas suatu bahan akan ditentukan oleh proses putusnya dan penataan ulang ikatan antar atom, yang dapat menyebabkan dislokasi.

Ketegangan internal– kombinasi paralel elemen elastis dan gesekan kering.

Deformasi– perpindahan relatif terhadap waktu pada beberapa titik sistem yang ditentukan, di mana tidak ada perubahan kontinuitas material.

Deformasi plastis– deformasi dimana kerusakan material tidak terjadi.

Deformasi elastis– deformasi di mana tubuh pulih sepenuhnya setelah beban tertentu dihilangkan.

Simulasi harus dilakukan dengan menggunakan model benda nyata yang berbeda. Saat menggunakan pendekatan model, beban penuh jatuh pada setiap elemen, dan karenanya, deformasi total sistem atau laju deformasi akan menjadi jumlah dari semua jenis deformasi yang bekerja pada benda dan kecepatan semua elemen yang menyebabkan sistem. bergerak. Jika kita mempertimbangkan hubungan paralel elemen regangan dan kecepatan, keduanya akan sama untuk semua elemen, dan seluruh beban yang tersisa pada sistem akan merupakan jumlah beban semua elemen jika digabungkan. Jika Anda menggunakan aturan deformasi serial dan paralel, Anda cukup menggunakan model reologi yang berbeda. Jika kita memperluas kemungkinan mengkarakterisasi sifat kuantitatif benda nyata, kita dapat menggunakan beberapa model ideal. Diakui bahwa tidak ada perbedaan antara sifat reologi cairan nyata dan padatan. Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa sistem ini merupakan wujud materi yang terkondensasi.

114. Model reologi

Ada tiga kasus utama perilaku mekanis:

1) elastisitas;

2) viskositas;

3) plastisitas.

Dengan menggabungkan proses-proses ini dan model proses reologi, dimungkinkan untuk memperoleh model yang lebih kompleks yang akan menggambarkan sifat reologi dari berbagai macam sistem.

Dalam semua kasus, setiap kombinasi akan dipertimbangkan dalam mode deformasi tertentu yang merupakan karakteristik dari fenomena tertentu, di mana sifat-sifat model akan muncul dibandingkan dengan sifat-sifat elemennya.

1. model Maxwell– hubungan berurutan antara elastisitas dan viskositas. Sambungan berurutan dari elemen-elemen tersebut dapat berarti, menurut hukum ketiga Newton, bahwa gaya yang sama (tegangan geser) akan bekerja pada dua komponen model. τ ), dan deformasi elastis ( γ G) dan viskositas ( γ η ) dapat dilipat:

γ = γ G + γ ?,

Di mana G– deformasi umum.

Dalam model ini, dimungkinkan untuk dengan cepat melakukan deformasi ke nilai tertentu dan mempertahankannya pada tingkat yang konstan. Pada nilai waktu yang besar, sistem jenis ini memiliki sifat yang mirip dengan cairan, tetapi ketika tegangan geser diterapkan, sistem dapat berperilaku seperti padatan elastis.

2. Model Kelvin– hubungan paralel elastisitas dan viskositas. Dalam model seperti itu, deformasi kedua elemen bisa sama, dan tegangan geser akan dijumlahkan. Di bawah tegangan konstan, model Kelvin berperilaku berbeda. Elemen kental tidak dapat membiarkan terjadinya deformasi langsung pada elemen elastis. Kemudian deformasi keseluruhan dapat berkembang secara bertahap seiring berjalannya waktu:

Persamaan ini berhubungan dengan deformasi yang melambat secara bertahap. Tegangan umum dihilangkan karena energi yang dikumpulkan oleh elemen elastis, di sini terjadi proses deformasi benda elastis, dan disipasi energi terjadi pada elemen kental. Contoh model tersebut: redaman getaran, terutama getaran mekanis pada karet.

3. Masukan elemen nonlinier ke dalam sistem. Diperoleh suatu model yang menggambarkan terjadinya tegangan internal dengan kombinasi paralel elemen elastis dan gesekan kering. Jika tegangan yang diterapkan pada sistem melebihi kekuatan luluh, maka terjadi deformasi, yang mungkin disebabkan oleh akumulasi energi pada elemen elastis.

4. Model Bingham– sambungan paralel elemen Newtonian kental dan elemen gesekan Coulomb kering. Karena unsur-unsurnya sama, deformasinya juga akan sama, dan tegangannya akan bertambah. Selain itu, tegangan pada elemen Coulomb tidak boleh melebihi nilai batas tegangan geser.

Oleh karena itu, laju deformasi yang digambarkan oleh elemen kental harus sebanding dengan perbedaan antara tegangan efektif dan tegangan geser ultimit.

Ketika model reologi menjadi lebih kompleks, peralatan matematika untuk menggambarkan deformasi menjadi lebih rumit, sehingga mereka mencoba mereduksi semua jenis tegangan menjadi model yang lebih sederhana. Salah satu metode untuk memfasilitasi tugas-tugas tersebut adalah dengan menggunakan apa yang disebut. analogi elektromekanis, yaitu memperoleh model reologi dengan menggunakan rangkaian listrik.

115. Klasifikasi sistem tersebar. Fluida Newtonian dan non-Newtonian. Pseudoplastik, cairan dan padatan dilatan

Diketahui bahwa terdapat banyak jenis sifat struktur dan mekanik yang dapat mencerminkan keanekaragaman benda alam dan sintetik. Banyak sistem merupakan fase terdispersi, yang, pada gilirannya, memiliki banyak kombinasi fase yang berbeda, sifat, keadaan agregasi, dan ukuran partikel yang berbeda. Sifat struktural dan mekanik dari banyak sistem terdispersi adalah deret kontinu dan tak hingga, yang mencakup deret lama dan baru yang muncul ketika mempertimbangkan sistem. Penelitian di bidang sifat struktur dan mekanik telah dilakukan oleh P.A.Rebinder , yang mengusulkan pembagian zat menjadi struktur mengkristal kondensasi dan koagulasi. Pembentukan struktur mengkristal secara kondensasi dapat terjadi melalui interaksi kimia langsung baik antar partikel maupun selama pertambahannya hingga terbentuknya struktur kaku dengan volume yang besar. Jika partikel yang ikut serta dalam proses tersebut bersifat amorf, maka struktur yang terbentuk dalam sistem terdispersi biasanya disebut kondensasi; jika kristal terlibat, maka struktur yang dihasilkan akan mengkristal. Struktur tipe kristal kondensasi dapat menjadi karakteristik sistem terdispersi dari tipe terkait, yaitu sistem dengan media terdispersi padat. Penggunaan struktur seperti itu memberikan kekuatan dan kerapuhan produk, tetapi tidak dapat dipulihkan setelah dihancurkan. Struktur koagulasi dapat berupa struktur yang hanya dapat terbentuk selama koagulasi. Ketika struktur seperti itu terbentuk, interaksi antar struktur dapat terjadi melalui seluruh lapisan fase dispersi, dan merupakan gaya van der Waals; penggunaan struktur tersebut tidak dapat menyebabkan kestabilan struktur. Sifat mekanik struktur tersebut ditentukan tidak hanya oleh sifat partikel penyusun sistem, tetapi juga bergantung pada sifat ikatan dan lapisan antar media. Struktur tipe koagulasi memiliki media cair, untuk sistem seperti itu penting untuk memulihkan sistem setelah kehancurannya. Dalam penggunaan praktisnya, baik bahan yang satu maupun yang lain mempunyai ciri-ciri yang memungkinkan untuk mengatur komposisi dan homogenitas bahan, dan dalam proses teknologi, proses pembentukannya diatur.

Sistem cair dibagi menjadi dua jenis:

1) Newton;

2) non-Newtonian.

Newton disebut sistem yang viskositasnya tidak bergantung pada tegangan yang timbul selama geser dan dapat bernilai konstan. Cairan ini dibagi menjadi dua jenis: tidak bergerak(untuk sistem seperti itu, sifat reologi tidak berubah seiring waktu), non-stasioner, yang sifat reologinya ditentukan oleh jangka waktu.

Non-Newtonian Ini adalah sistem yang tidak tunduk pada hukum Newton, dan viskositas dalam sistem tersebut bergantung pada tegangan geser.

Cairan dilatan– sistem di mana terdapat sejumlah besar fase padat, di mana pergerakan molekul yang kacau menyebabkan penurunan viskositas karena ketidakteraturan. Ketika beban pada sistem tersebut meningkat, kepadatan partikel dapat terganggu dan volume sistem dapat meningkat, yang akan menyebabkan peningkatan viskositas dalam sistem.

Cairan pseudoplastik– sistem yang dicirikan oleh penurunan viskositas Newton dengan peningkatan laju regangan seluruh geser.

116. Viskositas sistem dispersi stabil agregasi cair

Landasan teori ini diletakkan oleh A. Einstein, yang mempelajari suspensi encer. A. Einstein mempelajari persamaan hidrodinamik untuk semua partikel padat yang berbentuk bola, yang dapat memperoleh gerak rotasi tambahan. Disipasi yang terjadi dalam hal ini menjadi penyebab peningkatan viskositas. A. Einstein menurunkan persamaan yang menghubungkan viskositas sistem η dan fraksi volume fase terdispersi φ :

η = η 0 (1+ 2,5φ ).

Saat menurunkan persamaan, asumsi dibuat bahwa sistem tidak boleh dikompresi; tidak ada pergeseran antara partikel dan cairan. Eksperimen yang dilakukan A. Einstein berkali-kali menegaskan asumsinya, ia menetapkan bahwa koefisien yang mewakili parameter fraksi fase terdispersi hanya bergantung pada bentuk partikel.

Dari teori A. Einstein, kita dapat menyimpulkan bahwa sistem encer dan sistem stabil adalah cairan Newton, viskositasnya bergantung secara linier pada fraksi volume fase terdispersi dan tidak bergantung pada dispersi. Parameter 2.5 umumnya lebih besar untuk beberapa partikel. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa rotasi partikel non-bola melebihi volume partikel itu sendiri. Partikel tersebut mempunyai resistansi yang tinggi sehingga dapat meningkatkan viskositas sistem. Jika terjadi penyimpangan yang signifikan dari bentuk bola, sistem dapat berubah menjadi fluida non-Newtonian, yang viskositasnya bergantung pada tegangan geser.

Persamaan Einstein tidak memperhitungkan keberadaan lapisan permukaan (adsorpsi, solvasi) pada partikel. Peningkatan viskositas dapat terjadi karena adanya lapisan tersebut. Lapisan permukaan tidak mengubah bentuk partikel, pengaruhnya diperhitungkan ketika fraksi volume fasa meningkat. Teori ini selanjutnya dilengkapi oleh G. Staudinger, yang menggunakannya untuk menggambarkan viskositas larutan polimer encer. Persamaan Staudinger:

η mengalahkan = KMc,

Di mana KE– karakterisasi polimer secara konstan; M– massa polimer; Dengan– konsentrasi massa polimer.

G. Staudinger mengemukakan bahwa seiring dengan pemanjangan rantai polimer, volume putarannya meningkat dan viskositas larutan meningkat pada konsentrasi yang sama. Viskositas menurut persamaan tidak bergantung pada konsentrasi larutan polimer dan dapat sebanding dengan berat molekulnya. Persamaan yang diturunkan oleh G. Staudinger digunakan untuk menentukan berat molekul suatu polimer. Persamaan ini hanya berlaku untuk larutan polimer dengan rantai pendek dan kaku, dengan tetap mempertahankan bentuknya. Namun persamaan yang paling umum digunakan untuk menentukan massa suatu polimer adalah Persamaan Mark-Kuhn-Houwink:

{η } = K.M. α ,

Di mana α merupakan suatu sifat yang dapat mencerminkan bentuk dan kepadatan suatu makromolekul; nilai besaran ini tidak melebihi satu.

Dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi tegangan dalam sistem, semakin besar pembukaan molekul polimer dan semakin rendah viskositasnya. Hal ini disebabkan oleh peningkatan derajat disosiasi bahan polimer selama pengenceran, yang meningkatkan pertumbuhan muatan molekul dan meningkatkan volumenya. Dalam larutan polimer apa pun, interaksi antarmolekul dapat menyebabkan peningkatan tajam dalam viskositas sistem; pada saat yang sama, viskositas dapat ditentukan oleh volume efektif partikel per satuan massa polimer. Hal ini berlaku untuk semua bahan polimer yang viskositas sistemnya dapat ditentukan.

117. Kurva reologi lengkap sistem dispersi dengan struktur koagulasi

Perubahan viskositas yang tajam terjadi pada sistem terdispersi kohesif dengan struktur koagulasi. Dalam pertimbangan ini, seluruh spektrum nilai antara dua keadaan ekstrim sistem digunakan: dengan sistem yang tidak dapat dihancurkan atau hancur total. Ketika mempertimbangkan tegangan geser yang diterapkan, sifat reologi sistem tersebut bervariasi dalam rentang yang sangat luas, hingga fluida Newton. Ketergantungan sifat reologi pada koagulasi dapat direpresentasikan dalam bentuk kurva reologi.

Kurva reologi mewakili ketergantungan regangan ultimat pada tegangan geser.

Ketika mempelajari sifat relaksasi, ditemukan bahwa pada tegangan geser rendah terjadi efek elastis, yang berhubungan dengan orientasi timbal balik partikel, mereka dicirikan oleh gerakan termal. Nilai viskositas yang tinggi dapat disebabkan oleh aliran media pendispersi dari sel yang mengecil ke sel tetangga melalui saluran sempit dan ketika partikel saling meluncur relatif satu sama lain.

Ketika nilai tertentu dari tegangan geser pembatas tercapai, suatu daerah aliran yang lambat namun bersifat viskoplastik atau biasa disebut mulur dapat muncul.

1. Di daerah ini terjadi pergeseran, yang terjadi selama fluktuasi dan hancur, tetapi dapat dipulihkan di bawah pengaruh tekanan eksternal. Dalam hal ini, semua partikel digabungkan menjadi satu struktur koagulasi, yang mengalami fluktuasi relatif terhadap posisinya dalam kontak.

2. Pada bagian ini terjadi rangkak sistem yang dapat digambarkan dengan model reologi aliran viskoplastik pada tegangan geser ultimat yang rendah dan viskositas yang cukup tinggi.

3. Pada bagian ketiga kurva, terbentuk daerah aliran dari struktur yang hancur secara energi. Wilayah ini dapat digambarkan dengan menggunakan model Bingham.

4. Pada tahap ini muncul sifat-sifat fluida Newton yang viskositasnya meningkat. Dengan peningkatan tegangan lebih lanjut, dapat terjadi penyimpangan dari persamaan Newton yang berhubungan dengan fenomena turbulensi.

Sifat reologi sistem dapat berubah bila terkena getaran. Ketika menganalisis kurva reologi, kita dapat sampai pada kesimpulan bahwa perilaku mekanis sistem yang sangat kompleks dapat dibagi menjadi beberapa bagian sederhana, yang akan ditentukan oleh model sederhana.

Untuk mencapai keseimbangan antara proses penghancuran dan pemulihan kontak, diperlukan deformasi sistem yang cukup lama dengan kecepatan konstan, yang tidak selalu memungkinkan dalam pekerjaan praktis.

Namun pada saat yang sama, fenomena dengan mekanisme molekuler yang berbeda, seperti aliran mulur dan viskoplastik, dapat dijelaskan dengan model yang sama, tetapi dengan parameter yang berbeda. Karakteristik reologi sistem terdispersi dapat berubah secara signifikan bila terkena medan getaran.

Getaran dapat menyebabkan putusnya kontak antar partikel, mengakibatkan pencairan sistem pada tegangan geser yang sangat rendah. Kurva reologi dalam teknologi modern yang menggunakan getaran memungkinkan Anda melihat bagaimana Anda dapat mengontrol berbagai sifat sistem terdispersi, seperti suspensi, berbagai pasta atau bubuk.