Определение молекулярно-кинетических явлений и свойств дисперсных систем. Исследование реологических и структурно-механических свойств.
Молекулярно-кинетическими называются свойства, которые связаны с хаотическим тепловых движением частиц. К ним относятся - броуновское движение, диффузия, осмотическое давление, седиментация. Эти свойства определяются размерами частиц и их фракционным составом.
Броуновское движение - хаотическое движение частиц дисперсной фазы под действием ударов частиц дисперсионной среды. Этот вид движения характерен для частиц с размерами < 10-6 м. Если размеры частиц дисперсной среды больше, то частицы лишь колеблются. Интенсивность броуновского движения зависит от размера частиц, температуры, вязкости дисперсионной среды.
Диффузия - процесс самопроизвольного переноса вещества за счет теплового движения, который приводит к выравниванию концентраций или к установлению равновесных концентраций. Диффузия имеет определенную скорость, которая определяется законом Фика:
Скорость диффузии прямо пропорциональна разности концентраций и площади поверхности, через которую происходит диффузия.
, где
- скорость диффузии, кг/с
S - площадь поверхности,
- градиент концентраций, кг/м4
D - коэффициент диффузии, м2/с
D - экспериментально определяемая величина.
D= 
где kб – константа Больцмана;
r –радиус частицы;
h - вязкость среды.
Определив D, можно рассчитать размеры коллоидных частиц. Для коллоидных частиц коэффициент диффузии 100 раз меньше, чем для атомов и молекул.
Осмотическое давление подчиняется закону Вант-Гоффа:
, где
Сn - частичная концентрация, м-3 - число частиц в единице объема, определяется отношением массы дисперсной фазы к массе коллоидной частицы.
Осмотическое давление коллоидных растворов в 1000 раз меньше осмотического давления истинных растворов.
Седиментация - процесс оседания частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести или центробежных сил.
Скорость оседания частиц под действием силы тяжести можно оценить по формуле:
, где
u - скорость оседания
r - радиус частицы дисперсной фазы
h - вязкость среды
r, r0 - плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды соотвественно.
Т.о., скорость оседания прямо пропорциональна r2. Частицы грубодисперсных систем оседают с заметной скоростью. Поэтому грубодисперсные системы седиментационно не устойчивы. Частицы коллоидных размеров под действием силы тяжести практически не оседают и являются седиментационно устойчивыми. Например, время, необходимое для оседания в воде частицам кварца с радиусом 10~8 м на расстояние 10~2 м, равняется 359 дням.
Для седиментации коллоидных частиц используют ультрацентрифугирование. Так изучают седиментацию белков, вирусов.
Определение скорости оседания положено в основу седиментационного анализа, с помощью которого можно определить размеры частиц и их фракционный состав — число частиц разного размера. Седиментационный анализ широко используют для качественной оценки функционального состояния эритроцитов. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) значительно изменяется при различных заболеваниях и позволяет врачу делать заключение о состоянии организма пациента.
Реологические методы исследования.
Реология - наука о деформации и течении различных тел, она изучает способы определения структурно-механических свойств (СМС) сырья, п/ф и функциональных продуктов, приборы для регулирования технологических процессов (ТП) и контроля качества на всех стадиях производства.
При помощи инженерной реологии, на основе биохимических, биофизических, физико-химических и органолептических показателей, решают следующие задачи: глубокое изучение сущности процессов, участвующих в структурообразовании функциональных продуктов, определение нормативных СМС, характеризующих качество изделий, для их использования в технологической документации, получение необходимых данных для расчета и создания специализированного технологического оборудования. Реология включает два раздела: первый посвящен изучению реологических или в более общем смысле структурно-механических свойств реальных тел, второй рассматривает движение реальных тел в рабочих органах машин и аппаратов и разрабатывает инженерные способы их расчета.
Для проведения реологических исследований свойства тел выражают в виде математических (идеализированных) моделей или уравнений, которые с той или иной степенью точности характеризуют поведение реального тела в процессе деформирования. Недостаток теоретической реологии заключается в том, что простые и понятные модели не пригодны для практического использования, а приемлемые для практики модели – чрезвычайно сложны. Это положение относится к белковым пищевым продуктам, которые имеют сложное физико-химическое строение и чувствительны к изменению внешних факторов. Для точного описания процессов течения и деформирования этих продуктов необходимы составные комплексные модели теоретической реологии и соответствующие дифференциальные уравнения, что неприемлемо для практических целей. Поэтому приходится находить приближенные решения на основе различных гипотез и соображений. В инженерной реологии обычно ориентируются на отыскание возможно простых зависимостей, так как для практики требуются только некоторые средние, суммарные характеристики. С этой целью в теоретических и экспериментальных исследованиях используются различные реологические методы: дифференциальный и интегральный, методы анализа закономерностей и подобия. Разработка и проведение экспериментов, и их обобщение в таком направлении позволяют получить физически обоснованные решения, применимые для практических целей.
Реологические или структурно-механические свойства характеризуют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения деформации и скорости деформации в процессе приложения усилий. По виду приложения усилия или напряжения к продукту эти свойства можно разделить на три группы: сдвиговые, объемные и поверхностные.
Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений.
Объемные свойства определяют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между двумя пластинами.
Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим, твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешние трение) напряжений.
Структуры пищевых продуктов по характеру связей между их элементами подразделяют на два основных класса: коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные. Коагуляционные структуры образуются в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через прослойки дисперсионной среды. Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты молекул, способные без утраты этой связи растворяться в дисперсионной среде. Эти структуры обычно обладают способностью к самопроизвольному восстановлению после разрушения (тиксотропия). Нарастание прочности после разрушения происходит постепенно и имеет определенный предел. Коагуляционные структуры могут находиться в твердом и жидком состоянии
Конденсационно-кристаллизационные структуры характерны для натуральных продуктов, однако, могут образовываться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или при срастании частиц дисперсной фазы в расплавах или растворах. В процессе образования их прочность увеличивается, после разрушения эти структуры не восстанавливаются.
СМС реальных объектов проявляются при механическом воздействии на них касательными или нормальными напряжениями. Протекание разнородных процессов: механических, тепловых, диффузионных, электрических—в значительной степени определяется структурно-механическими свойствами. Они зависит от внутреннего строения и состава продукта, характера взаимодействия частиц или молекул между собой, физико-химического состояние влаги в материале, т. е. от типа структуры.
Для вычисления величин структурно-механических свойств и обобщения данных наблюдений важен выбор исходной математической модели (теоретической или эмпирической), которая с наибольшим приближением описывает поведение продукта в реальном процессе. Для расчета рабочих органов машин и аппаратов следует пользоваться теоретическими или критериальными уравнениями с обязательной проверкой их при испытаниях на пилотных или натурных установках.
Деформация - изменение линейных размеров тела, при котором частицы или молекулы смещаются относительно друг друга без нарушения сплошности.
Напряжение - сила, действующая на единицу площади;
Упругость - способность тела после деформации полностью восстановить свою первоначальную форму, т.е. работа деформации равна работе восстановления.
Адгезия - удельная сила нормального отрыва от продукта (по адгезии определяют липкость продукта). Если отрыв произошел на границе контакта, то отрыв адгезионный, если по слою продукта - кагезионный, а также смешанный или адгезионно-кагезионный.
Пищевые продукты характеризуются многокомпонентностью состава. Каждому из компонентов присуще свое значение времени релаксации (это промежуток времени, за который напряжение в материале уменьшится в L раз). Таким образом, функциональным продуктам свойственна как упругая деформация, исчезающая мгновенно после снятия сдвигающегося усилия, так и запаздывающая упругая деформация, для исчезновения которой требуется некоторое время, а также пластическая деформация. Полная деформация будет являться суммой этих деформаций.
Таким образом реология изучает СМС различных тел, а так же способы и приборы для их определения и регулирования, что необходимо знать инженерам пищевых производств.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 212; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!