Классификация неньютоновских жидкостей

Общие характеристики

Неньютоновские жидкости — это жидкости, вязкость которых зависит от скорости деформации (скорости сдвига) или от времени, в отличие от ньютоновских жидкостей с постоянной вязкостью.

Вязкость — это мера внутреннего трения, сопротивления жидкости течению. Для неньютоновских жидкостей формула Ньютона $\tau = \eta \frac{du}{dy}$ не выполняется в классическом виде, где τ — напряжение сдвига, η — вязкость, $\frac{du}{dy}$ — градиент скорости.

Основные типы неньютоновских жидкостей

  1. Псевдопластические жидкости (текучие тела с убывающей вязкостью)

    • Вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига.
    • Пример: краски, крови, некоторые растворы полимеров.
    • Поведение: при увеличении скорости сдвига жидкость «разжиживается».

  2. Дилатантные жидкости (текучие тела с возрастающей вязкостью)

    • Вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига.
    • Пример: суспензии, смеси крахмала с водой.
    • При быстром перемешивании жидкость становится более густой.

  3. Пластичные жидкости (включают предел текучести)

    • Для начала течения необходимо превысить определённое напряжение сдвига — предел текучести.
    • Пример: тесто, зубная паста, мыло.
    • При превышении этого напряжения жидкость течет, при меньших — ведет себя как твёрдое тело.

  4. Реологические жидкости с эффектом времени

    • Вязкость зависит не только от скорости сдвига, но и от времени её приложения.
    • Тиксотропные жидкости — вязкость уменьшается с течением времени при постоянной нагрузке (пример: желе, глины).
    • Реопектические жидкости — вязкость увеличивается с течением времени (пример: суспензии некоторых красок).

Математические модели неньютоновских жидкостей

  • Модель Бингама:

    $$ \tau = \tau_0 + \eta_p \frac{du}{dy} $$

    где τ0 — предел текучести, ηp — пластическая вязкость.

  • Пауэлловская модель (Power-law):

    $$ \tau = K \left(\frac{du}{dy}\right)^n $$

    где K — коэффициент консистенции, n — индекс течения. При n < 1 — псевдопластичность, n > 1 — дилатанция.

  • Модель Карроу — учитывает тиксотропные эффекты, включая зависимость вязкости от времени.

Практическое значение и применение

Неньютоновские жидкости широко встречаются в природе и технике:

  • Биологические жидкости (кровь, слизь).
  • Пищевые продукты (майонез, кетчуп).
  • Полимерные растворы и суспензии.
  • Лаки, краски, строительные материалы.

Понимание их свойств важно для правильного проектирования оборудования и технологий обработки.

Методы изучения и измерения свойств

Для исследования неньютоновских жидкостей используют:

  • Ротационные реометры — измеряют зависимость напряжения сдвига от скорости деформации.
  • Капиллярные вискозиметры — позволяют оценить изменение вязкости с изменением градиента скорости.
  • Исследования временной зависимости (тиксотропия и реопексия) — специальные режимы нагружения и измерения.

Кипение и конденсация — фундаментальные фазовые переходы, связанные с тепловыми и механическими процессами жидкости и газа, играющие ключевую роль в теплообменных системах. Неньютоновские жидкости — класс материалов с нестандартным реологическим поведением, требующим специальных моделей и методов анализа для эффективного применения в науке и промышленности.

Оглавление