Анализ теоретических методов интерпретации экспериментальных данных по вязкости неньютоновских жидкостей

Abstract

С помощью ротационного вискозиметра Brookfield DV-II+Pro проведено исследование вязкости почти однокомпонентного (1-2% примеси) образца синтанола АЛМ-7. В представленной работе этот реагент используется в качестве образца высоковязкой неньютоновской жидкости и концентрированной мицеллярной дисперсной системы, частицами дисперсной фазы в которой являются мицеллы из молекул данного поверхностно-активного вещества с размерами менее 10 нм. На примере данного реагента показано, что наблюдаемое у него типичное для дисперсных систем снижение вязкости по мере повышения скорости сдвига сопровождается повышением энергии активации вязкого течения, что не согласуется с уравнениями Аррениуса и Френкеля. Причиной является неучет в этих уравнениях изменений энтропии ∆S при вязком течении неньютоновской жидкости, величина которых фактически определяет знак изменения ее вязкости при повышении скорости или напряжения сдвига. Единственный на данный момент способ расчета ∆S основывается на использовании уравнения Эйринга. Однако для корректного расчета ∆S по температурной зависимости динамической вязкости неньютоновской жидкости и по уравнению Эйринга необходим независимый корректный способ нахождения величины предэкспоненты B в этом уравнении. В статье проведен анализ описанных в литературе методов расчета значений B, в том числе и предложенного самим Генри Эйрингом. В результате выявлено, что лишь разработанный нами экспериментальный способ оценки значений B соответствует реальным процессам в неньютоновской жидкости, поскольку лишь при таких расчетах повышение температуры и сдвиговых деформаций приводит к значениям ∆S > 0, указывающим на деструктурирующее действие этих факторов на исследуемую жидкость. Показано, что иные способы расчета B могут приводить к некорректным значениям ∆S < 0 и, как следствие, ошибочным выводам о происходящих внутри неньютоновской жидкости процессах.

Using a rotary viscometer Brookfield DV-II+Pro, the viscosity of an almost one-component (1-2% impurity) sample of synthanol ALM-7 was studied. In the presented work, this reagent is use as a sample of a highly viscous non-Newtonian fluid and a concentrated micellar disperse system, the particles of the dispersed phase in which are micelles from molecules of this surfactant with dimensions less than 10 nm. Using the example of such a fluid, it is shown that the decrease in viscosity observed in it, typical for dispersed systems, as the shear rate increases, is accompanied by an increase in the activation energy of the viscous flow, which is inconsistent with the Arrhenius and Frenkel equation. The reason is that these equations do not take into account the changes in entropy ∆S during the viscous flow of the non-Newtonian fluid, the value of which actually determines the sign of the change in the viscosity of the non-Newtonian fluid with increasing velocity or shear stress. The only way to calculate ∆S now based on the use of the Eyring equation. However, for the correct calculation of ∆S by the temperature dependence of the dynamic viscosity of the non-Newtonian fluid and the Eyring equation, an independent correct way of finding the value of the preexponent B in this equation is necessary. The article analyzes the methods described in the literature for calculating the values of B, including those proposed by Henry Eyring himself. As a result, it was revealed that only the experimental method we developed for estimating the values of B corresponds to real processes in the non-Newtonian fluid, since only with such calculations does an increase in temperature and shear deformations lead to values of ∆S > 0, indicating the destructive effect of these factors on the non-Newtonian fluid. It is shown that other methods of calculating B can lead to incorrect values of ∆S < 0 and, as a consequence, erroneous conclusions about the processes occurring inside the non-Newtonian fluid.