Прежде чем говорить о характеристиках вязкости следует упомянуть о том, что данными терминами и величинами оперирует целый радел физики, изучающий деформационные свойства и текучесть вещества, наука, именуемая «реологией» (от греч. ρέος «течение, поток» + λόγος «учение, наука»). Опираясь на результаты таких наук, как физическая и коллоидная химия, реология занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой. В качестве своего методологического аппарата реология задействует инструментарий механики сплошных сред, и нередко рассматривается, как её часть.

В данной статье мы рассмотрим некоторые типы жидкостей и некоторые их свойства.

При движении реальных (вязких) жидкостей из-за сил внутреннего трения в них возникают внутренние напряжения. При этом они обусловлены двумя факторами: напряжениями, возникающими при деформации сдвига и напряжениями, возникающими при деформации объёмного сжатия. Природа этих сил довольно сложна.

Напряжения, возникающие при деформации сдвига согласно гипотезе Ньютона пропорциональны градиенту скорости в движущихся слоях жидкости, а сила трения между слоями движущейся жидкости – пропорциональна площади поверхности движущихся слоев жидкости (справедливо для ньютоновских жидкостей).

Во многих отраслях промышленности при получении и переработке различных материалов приходится иметь дело с растворами и расплавами синтетических материалов, суспензиями, эмульсиями, пастами, лакокрасочными материалами, топливами, пищевыми продуктами и другими средами, физические свойства которых существенно отличаются от обычных однофазных[1] низкомолекулярных[2] жидкостей и газов. Эти текучие среды обладают сложной внутренней структурой, и их характерной особенностью является зависимость коэффициентов переноса (вязкости, теплопроводности, диффузии и др.) от кинематических и динамических характеристик. Поэтому законы переноса в таких средах не поддаются обобщенному описанию единой формулой, как, например, законом внутреннего трения Ньютона, в связи с чем они получили название неньютоновских жидкостей. Математическое описание поведения этих жидкостей до сих пор остается полуэмпирическим[3] и выполняется с помощью построения механической модели, свойства которой в известной мере идеализируются и лишь приближенно отражают поведение реального материала.

Как правило, чистые вещества представляют собой ньютоновские жидкости. Смеси двух или более веществ – это почти всегда неньютоновские жидкости.

Некоторые примеры ньютоновских жидкостей: вода, мед, кулинарное масло, мидзуамэ (густой жидкий сахар, превращенный из крахмала), водный раствор сахара, раствор хлорида натрия, спирты, ароматические углеводороды, глицерин и другие.

Некоторые примеры неньютоновских жидкостей: растворы и расплавы полимеров, суспензии, эмульсии, пасты и другие. Из пищевых продуктов – это масло, кетчуп, майонез и йогурт.

Основные разновидности неньютоновских жидкостей

Все реальные тела обладают свойствами, которые являются комбинацией трех фундаментальных свойств: упругостью, вязкостью и пластичностью (внутренним трением). В зависимости от преобладающего влияния тех или иных свойств неньютоновские жидкости делят на группы (классификация приведена в Таблице 1). 

Таблица 1. Основные типы неньютоновских жидкостей

В 1889 году Ф.И. Шведов исследовал поведение разбавленных золей желатина с использованием ротационного соосно-цилиндрического измерительного устройства и впервые установил наличие у этих растворов (наряду с текучестью) «твердообразных», т.е. пластических свойств. Бингам и его коллега Грин в 1919 году обнаружили такое же сочетание пластичности и вязкости у масляных красок, ранее считавшихся ньютоновскими жидкостями. Однако практический опыт работы с масляными красками опровергает возможность описания их кривой течения законом Ньютона. Если бы краски были чисто вязкими ньютоновскими жидкостями, то после нанесения этих красок на вертикальную стену, через какое-то время они обязательно должны были бы стечь с этой стены вниз. Иначе говоря, остающийся на поверхности вертикальной стены слой краски свидетельствует о наличии у краски свойств твердого тела[5].

Неньютоновским поведением обладают жидкости, для которых характерно следующее:

- силы взаимодействия между молекулами достаточно велики;

- заметная часть молекул жидкости сильно вытянута;

- в жидкости присутствуют взвешенные частицы. 

Обычно неньютоновские жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.

❶ Псевдопластичные жидкости – это неньютоновские жидкости, вязкость которых уменьшается при увеличении напряжения сдвига.

До приложения напряжения сдвига эти жидкости имеют высокую вязкость и на первый взгляд схожи с жидкостью Бингама, но у них нет предела текучести. Некоторыми распространенными примерами псевдопластичных жидкостей являются майонез и кетчуп. Почти все продукты, которые могут быть упакованы в мягкие контейнеры, являются псевдопластичными жидкостями. 

❷ Дилатантные жидкости – это неньютоновские жидкости, вязкость которых увеличивается при увеличении напряжения сдвига.

Дилатантные жидкости противоположны псевдопластичным жидкостям. Типичным примером дилатантной жидкости является смесь крахмала и воды в соотношении 1:1. Когда смесь аккуратно выливается, она течет, как вода, но при быстром перемешивании палкой превращается в густую смесь, которую становится трудно вылить.

❸ Жидкости Бингама (Бингама-Шведова)

К простейшим неньютоновским жидкостям относятся вязкопластичные жидкости Шведова-Бингама. Они не текут до тех пор, пока приложенное напряжение сдвига не достигнет определенного значения (часто называемого предельным напряжением сдвига или пределом текучести). Бингам установил, что пластичным течением обладают суспензии, в которых частицы, соприкасаясь друг с другом, образуют внутренний каркас. Течение такой системы возникает только после разрушения ее структуры (каркаса), что обусловливает (обеспечивает) подвижность частиц относительно друг друга. В идеальной бингамовской системе течение отсутствует, если напряжение сдвига в рассматриваемой точке ниже предела текучести, т.е. среда деформируется как упругое тело, но не течет.

Сливочное масло можно намазать на тосты, только приложив некоторое усилие, но если этого не сделать – масло не сдвинется с места. Сила, необходимая для движения масла, называется пределом текучести. Когда вещество имеет предел текучести, но сохраняет постоянную вязкость при течении, ведя себя как ньютоновская жидкость, то оно называется «жидкостью Бингама».

Большое внимание специалисты-реологи уделяют жидкостям с нестационарной реологией. Реологические характеристики таких жидкостей существенно зависят от их предыстории, в частности, от продолжительности сдвигового течения. Среди жидкостей с нестационарной реологией различают две их разновидности: тиксотропные и реопектические.

❶ Тиксотропные среды. 

Тиксотропная жидкость ведет себя аналогично псевдопластичной жидкости, но основное различие между этими двумя типами жидкости заключается в том, что вязкость тиксотропной жидкости изменяется с течением времени, а также при приложении напряжения сдвига к жидкости. В состоянии покоя в объеме такой среды происходит образование определенной структуры. Чтобы привести в движение тиксотропную среду, длительно покоившуюся перед этим в трубе, насос первоначально должен развить большую мощность. После того когда течение начнется, то под действием напряжения сдвига происходит постепенное разрушение структуры, имевшейся до начала течения в объеме тиксотропной среды, что приводит к заметному уменьшению нагрузки насоса и снижению потребляемой мощности. В результате продолжительного воздействия сдвиговых напряжений, такая жидкость приобретает реологические свойства, не зависящие от времени. Следовательно, предельные условия течения (в частности, повышенная нагрузка насоса) характерны только для начального промежутка времени. 

Например, если краска перемешивается, ее вязкость уменьшается, что облегчает нанесение краски кистью или валиком. Причина смешивания краски перед нанесением заключается не только в том, чтобы сделать цвет более равномерным, но и в том, чтобы выделить и улучшить тиксотропные свойства краски. После нанесения краски на нее больше не действует сила, поэтому вязкость увеличивается, позволяя краске высохнуть без капель. Идеальная краска, которая прилипает к стене и не капает, в полной мере использует тиксотропность. Примером тиксотропной жидкости также является цитоплазма клеток. 

При стационарном (установившемся во времени) движении тиксотропные и реостабильные (см. п.1. в Таблице 1) жидкости мало отличаются друг от друга. После остановки течения, в объеме неподвижной тиксотропной среды постепенно вновь образуется пространственная структура. 

❷ Реопектические среды. Для реопектических материалов характерно то, что их кажущаяся вязкость (при неизменных условиях деформирования под действием установившегося во времени напряжения сдвига) повышается со временем. Например, при начале течения реопектической среды, до этого покоившейся в трубе, нагрузка насоса в начальный момент времени будет существенно меньше, чем в случае начала движения ранее неподвижной тиксотропной среды. Но после начала движения кажущаяся вязкость реопектической жидкости будет постепенно повышаться, что приведет к росту нагрузки насоса и увеличению потребляемой его электроприводом мощности. На практике иметь дело с реопектическими жидкостями приходится крайне редко.

В рамках данной статьи нет возможности обсудить все виды неньютоновских сред, рассматриваемых в реологии, в частности, вязкоупругие материалы. С особенностями поведения других видов неньютоновских сред можно ознакомиться в книге У.Л.Уилкинсона «Неньютоновские жидкости»[6]. 

[1] Под однофазной жидкостью понимается жидкость, не содержащая газа, твёрдых веществ и других жидкостей в свободном виде.

[2] Низкомолекулярными называют жидкости с малой молекулярной массой

[3] Эмпирический – полученный путем эксперимента или наблюдения. Полуэмпирический - уточняющий теоретический метод (когда наряду с результатами экспериментов используются базовые аксиомы, законы).

[4] Другое название – «аномально вязкие»

[5]  Литературный источник: Теоретические и практические основы теплофизических измерений / Под ред. С.В. Пономарева. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 408 с. – ISBN 978-5-9221-0956-7.

[6] Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. – М.: Мир, 1964. – 216 с.