Структурная вязкость

Во многих дисперсных системах, коллоидных жидкостях и растворах высокополимеров в жидкой фазе присутствуют специфические структуры, влияющие на гидромеханические свойства таких жидкостей, в частности, вязкости. О существовании структурированных жидкостей подобного рода обратил внимание Вольфганг Оствальд в 1925 г. Впоследствии это легло в основу реологии — науки, изучающей механические свойства реальных материалов (в основном, жидкостей) для определения их деформации и течения^[2].

Классическая теория вязкости утверждает, что скорость деформации вязкой жидкости пропорциональна напряжению сдвига, вызывающего её течение. Однако, для многих реальных веществ наблюдаются отклонения от этого закона. Это объясняется наличием в них специфических структур, и при воздействии на такие структурированные жидкости работа внешних сил (насосов, поршней, и т. д.) расходуется не только на преодоление ньютоновской вязкости, но и на разрушение имеющихся в жидкостях структур и переориентацию их в потоке течения жидкостей. Специфические структуры в жидкостях могут формироваться длинными, вытянутыми молекулами (например, полимеров), коллоидными сгустками, и другими факторами. Это вызывает дополнительные затраты энергии при перекачке жидких полимеров, коллоидных жидкостей, большого количества химических веществ в жидкой фазе на химических производствах^[3], пищевой промышленности, медицине^[4], и т. д.^[5].

Вязкость полидисперсных систем (например, таких как коровье молоко) можно представить как сумму ньютоновской вязкости и структурной вязкости (обусловленной наличием жиров, белков, газов, составляющих для коровьего молока величину порядка ${\displaystyle 11-17\,\%}$). Структурную составляющую вязкости коровьего молока можно удалить путём многократного пропускания молока через капиллярную трубку, что приводит к уменьшению вязкости (разрушению имеющихся в молоке молекулярных структур), после чего вязкость коровьего молока приобретает характер классической, ньютоновской вязкости.

Ввиду сложностей аналитического описания вязкости структурированных жидкостей, структурную вязкость определяют как эффективную вязкость, описывая её как отношение напряжения сдвига к градиенту скорости сдвига:

где ${\displaystyle \tau }$ — напряжение сдвига структурированной жидкости, ${\displaystyle \tau ={\Biggl [}{\frac {\text{Н}}{{\text{м}}^{2}}}{\Biggl ]}}$, ${\displaystyle {\text{Г}}}$ — градиент скорости сдвига, ${\displaystyle {\text{Г}}={\Biggl [}{\text{с}}^{-1}{\Biggl ]}}$.

Структурная (эффективная) вязкость имеет размерность ${\displaystyle \eta ={\Biggl [}{\text{Н}}\cdot {\frac {\text{с}}{{\text{м}}^{2}}}{\Biggl ]}}$.

Величину структурной (эффективной) вязкости измеряют с помощью вискозиметров.