Тема 2. Научные основы инженерной реологии

2.1. Общие положения. Понятия и определения. Виды дисперсий. Типы структур и их классификация

2.2. Основные термины и определения реологии: аксиомы реологии, де-

формация, упругость, вязкость, пластичность, адгезия и др.

2.3. Реологические модели простых «идеальных» тел. Основные уравне-ния напряжений и деформаций «идеальных» тел

2.4. Реологические модели сложных реальных тел. Основные уравнения сложных реологических тел

2.5. Основные нелинейные эмпирические уравнения напряжений и де-формаций для реальных пищевых масс (продуктов)

2.6. Применение реологических моделей для описания свойств реальных пищевых масс (продуктов)

2.1. Общие положения. Понятия и определения.

Виды дисперсий. Типы структур и их классификация

Предметом изучения инженерной реологии являются пищевые материалы, которые рассматриваются как реальные тела и занимает конкретное место в разделах технической механике сплошной среды. Общая классификация реальных тел представлена в табл. 2.1.

Согласно классификации, пищевые продукты могут быть представлены в различных сочетаниях основных так называемых «первичных» тел - упругого (тело Гука), идеально-вязкого (тело Ньютона) и идеально-пластичного (тело Сен-Венана) тела, комбинируя которые можно моделировать деформационные характеристики множества реальных пищевых продуктов. При этом поведение реологических тел описываются не простыми, а более сложными - нелинейными и эмпирическими уравнениями, чаще всего степенными, связывающими деформации и скорости деформаций.

С помощью основных «первичных» тел можно в различных сочетаниях и комбинациях моделировать деформационные характеристики любых реальных пищевых продуктов.

Виды дисперсий. В инженерной физико-химической механике, на кото- рую опирается инженерная реология, классическими объектами изучения являются дисперсные системы.

Дисперсная система - система, состоящая из двух и более фаз, в которой условно принято называть: непрерывную (слошную) фазу - дисперсионной средой, а другую, раздробленную, состоящую из частиц, не контактирующих друг с другом - дисперсной фазой. С этой точки зрения, пищевые продукты в большинстве случаев, состоящие из двух и более компонентов, представляют собой дисперсные системы. Отличием дисперсной системы от гомогенной является то, что в первой - частички дисперсной фазы состоят не из отдельных молекул, а из конгломератов, которые обладают термодинамическими свойствами фазы. Основным условием существования дисперсных систем является нерастворимость или малая растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Дисперсные системы с целью их систематизации классифицируют по ряду существенных признаков и для этого используют тот или иной критерий, отражающий одно определенное свойство. Наиболее известной и широко применяемой является классификация дисперсных систем, предложенная В. Освальдом, которая основана на различии агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды, представлена в табл. 2.2. Данная классификация позволяет охватить практически все дисперсные системы мясных продуктов.

Таблица 2.1

Классификация реальных тел

Идеально твердое тело, Эвклидово	Упругое тело, Гуково	Пластичное тело, Сен-Венаново	Реологическое тело	Истинно-вязкая жидкость, ньютоновская	Идеальная жидкость, пасскалевская
1	2	3	4	5	6
При любых нормальных касательных напряжениях деформация равна нулю	Напряжение пропорционально деформации	При достижении предельного напряжения сдвига начинаются пластические деформации	Линейные - сотавные из тел по графам 2, 3, 5 и нелинейные - эмпирические	Напряжение пропорционально градиенту скорости в первой степени	Вязкость и сжимаемость равна нулю
Теоретическая механика	Сопротивление материалов	Сопротивление материалов	Реология	Гидравлика	Гидравлика

Кроме названной выше классификации, дисперсные системы разделяют по структуре: на свободнодисперсные и связнодисперсные системы. К свободнодисперсным относятся дисперсные системы, в которых частицы фазы могут перемещаться свободно в дисперсионной среде (суспензии, эмульсии, золи), а к связнодисперсным - дисперсные системы, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может свободно перемещаться (эмульсии, гели, пасты, студни).

Таблица 2.2

Классификация дисперсных систем

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Система	Примеры системы
Газ	твердая жидкая газообразная	аэрозоли аэрозоли-туманы атмосфера	Коптильный дым, пыль, дисперсия крови, молока; атмосфера земли
Жидкость	твердая жидкая газообразная	суспензия эмульсия пена	бульон, колбасный фарш, паштеты; кровь, жир в воде, молоко; крем, взбитый белок
Твердое тело	твердая жидкая газообразная	твердая суспензия - сплав капиллярные системы, твердая эмульсия пористые тела, твердые пены	замороженная мышечная ткань; замороженное сливочное масло, нативная мышечная ткань, жидкость в пористых телах; кость, сыр, изоляционный материал, взбитый и коагулированный меланж

Продолжение табл. 2.2

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы, системы подразделяются: на грубодисперсные и высокодисперсные.

Типы структур и их классификация. Для представления материла как такового, а также для проведения схожести или разделения с другими материалами, вводится понятие структура.

Структура - внутреннее строение продукта (материала) и характер взаи-модействия между отдельными ее элементами (частицами), которую определяют: химический состав, биохимические показатели, температура, дисперсность, агрегатное состояние и ряд технологических факторов.

Академик П.А. Ребиндер, применяя к дисперсным системам феноменологический подход, условно разделил все материалы (массы) на два вида, на золи - вещества, ведущие себя как жидкости и гели - вещества, обладающие свойствами твердых тел.

Согласно классификации, предложенной академиком П.А. Ребиндером, структуры пищевых продуктов разделяют: на коагуляционные и конденсационно-кристализационные.

Коакуляционные структуры образуются в дисперсионных системах взаимодействием между частицами и молекулами через прослойки дисперсной среды за счет Ван-дер-Ваальсовых сил сцепления. В таких структурах частицы связаны между собой молекулярными силами сцепления, образуя сплошную сетку или каркас. Прочность каркаса зависит от наличия сольватного (гидратного) слоя на поверхности частиц. Отличительными признаками таких структур являются: сравнительно небольшая прочность связи между частицами; способностью к самопроизвольному восстановлению структуры после разрушения т.е. тиксотропией; обладают упругостью, пластичностью, вязкостью и др. свойствами. При обезвоживании прочность их повышается, и после определенного предела они перестают быть обратимотиксотропными. Типичными представителями систем с коагуляционной структурой являются сырые мясные и ливерные фарши колбас и др.

Конденсационно-кристализационные структуры. Они присущи натуральным продуктам (мясо и мясопродукты с сохраняющимся клеточным строением и др.), но могут образоваться из коагуляционных при удалении дисперсионной среды или срастании частиц дисперсной фазы при термообработке (коакуляции или денатурации белков), а также при охлаждении расплавов или увеличении концентрации растворов. Отличительными признаками такого типа структур являются: большая прочность по сравнению с коагуляционными; отсутствие тиксотропии и необратимый характер разрушения; высокая хрупкость и упругость из-за жесткости скелета структуры; наличие внутренних напряжений, возникающих в процессе образования фазовых контактов и влекущих в последующем перекристаллизацию и самопроизвольное понижение прочности вплоть до нарушения сплошности, например растрескивание при сушке.

В последующем, на основании исследований мясных и молочных продуктов, классификация была дополнена А.В. Горбатовым еще двумя переходными типами структур, которые получили название: коагуляционно-кристал-лизацонные и коагуляционно-конденсационные.

Таким образом, тип структуры продуктов обуславливает его качественные и технологические показатели и поведение в процессах деформирования. Для описания деформационного поведения структур используют кривые течения - реограммы, которые связывают между собой напряжение и скорость деформации (деформацию). Характер реограмм, как правило, дает возможность отнести реальный продукт к тому или иному виду реологических тел.