1.Структурно-механічні властивості харчових мас. Основні поняття реології. Реологічні моделі та рівняння. Проаналізувати їх використання у харчових технологіях.

Пищевые продукты в основном — это дисперсные системы (суспензии, эмульсии, пористые тела, пены и т. д.). Реологические свойства этих систем обуслов­лены, прежде всего, их структурой, т. е. внутренним строением продукта и характером взаимодействия составляющих ее фаз. Поэтому реологические свойства пищевых продуктов часто называют структурно-меха­ническими.

Реология изучает течение и деформации различных веществ и материа­лов. Реология рассматривает действующее на тело механическое напряжение и вызываемые им деформации, как обратимые так и не обратимые.

Деформация — это изменение формы или линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, темпера­туры и др.. Де­формация называется упругой, если она исчезает после сня­тия нагрузки, и остаточной, если после снятия нагрузки она сохраняется.

При деформировании тела возникают внутренние силы вза­имодействия его отдельных частичек. Меру интенсивности этих внутренних сил Р (в Н) возникающих в теле под влиянием внешних воздействий на единицу площади F (в м²) к вектору приложения силы называют напряжением:

(Па)

Процесс убывания напряжений во времени называется релак­сацией.

Относительная деформация ε при одноосном растяжении — сжатии (свободном или в форме) представляет собой отношение абсолютной Δl (в м) к первоначальным размерам тела l (в м), т. е.

Относительная деформация γ при сдвиге — отношение абсолют­ной величины сдвигового смещения слоя под действием касательных сил к его толщине.

Относительная деформация при объемном сжатии ε_V представляет собой отношение абсолютной ΔV (м³) к первоначальному объему V (м³).

Скорость деформации (градиент скорости) ( , ) учитывают, если деформации изменяются во времени t (в с) при неустановившемся процессе. Все это описы­вается понятием «скорость деформации» — (в с^-1 ) при растяже­нии — сжатии и (в с^-1 ) при сдвиге:

Упругость – способность тела после деформирования полностью восстанавливать свою первоначальную форму или объем. Упругость тел характеризуется модулем нормальной упругости Юнга (Е, Па) при растяжении-сжатии, модулем упругости Гука (G, Па) при сдвиге или модулем упругости (К, Па) при объемном сжатии. Величины деформаций определяются законом Гука:

σ = ε·E ; τ = γ·G σ_V = ε_V· К

Модуль упругости – характеристика сопротивления материала упругой деформации.

Адгезия (липкость) р₀ (в Па) – слипание разнородных твердых или жидких тел, соприкасающихся своими поверхностями:

где Р₀ – сила отрыва, Н; F₀ – геометрическая площадь пластины, м².

Отрыв бывает трех видов:

1. по границе контакта – адгезионный;

2. по слою продукта – когезионный;

3. смешанный – адгезионно-когезионный.

Часто адгезионного отрыва не происходит, поэтому удельную силу при любом виде отрыва называют липкостью, адгезионным давлением или давлением прилипания.

Аутогезия – самопроизвольное слипание однородных тел.

К реологическим свойствам тела относятся вязкость, эластичность и прочность.

Вязкость, или внутреннее трение, — свойство газов, жидкостей и твердых тел, обусловливающее сопротивление от­носительному перемещению слоев (течению под действием вне­шних сил).

Эластичность — способность материала при незначитель­ных усилиях испытывать более или менее значительные упру­гие обратимые деформации без разрушения.

Прочность — способность тела сопротивляться разруше­нию.

Пластич­ность — свойство тел необратимо деформироваться под дейст­вием нагрузки Ползучесть —пластическая деформации под действием постоянной нагрузки.

Модель Максвелла (упруго-вязкое тело) представляет собой комбинацию упругого и вязкого тел, соединенных последовательно. Характерным режимом служит мгновенное деформирование до значения деформации ε₀, а затем сохранение ее на этом уровне, т.е. ε= ε₀ = const. В начальный момент приложения нагрузки t = 0 деформация вязкого элемента равна нулю, так что вся деформация сосредоточена в упругом элементе. Следовательно, начальное напряжение равно: σ₀ = Е • ε₀

Под действием этого напряжения происходит деформирование вязкого элемента. Так как общая деформация постоянна, происходит уменьшение деформации упругого элемента, а, следовательно, и спад напряжения. Реологическое уравнение для такого тела имеет вид:

где τ – напряжение сдвига, Па;

τ₀ - предельное напряжение сдвига, Па;

t - время определения напряжения, сек;

t_Р - период релаксации, сек.

Такой постепенный спад во времени напряжений (период релаксации) характерен для рассматриваемой упруго-вязкой системы. При этом происходит диссипация в вязком элементе той энергии, которая первоначально была запасена в упругом элементе. В итоге поведение системы оказывается механически и термодинамически необратимы.

Модель Кельвина (вязко-упругое тело) — параллельное соединение тех же ли­нейных элементов — упругости и вязкости. В этом слу­чае деформации обоих элементов одинаковы, а напряжения сдвига суммируются: τ= τ_G + τ_η. Наиболее интересным режимом деформирова­ния здесь является приложение постоянного напряжения сдвига τ = τ₀ = const. В отличие от модели Максвелла, вязкий элемент не поз­воляет немедленно реализоваться деформации упругого элемента.

В результате общая деформация лишь постепенно развивается во вре­мени:

Этому соответствует постепенно замедляющееся нарастание деформа­ции вплоть до предела определяемого мо­дулем упругости гуковского элемента. Такой процесс называется упругим последействием; он обнаруживается в твердообразных системах с эластическим поведением. Эластическое поведение механически об­ратимо — снятие напряжения приводит за счет энергии, накопленной упругим элементом, к постепенному уменьшению деформации до ну­ля, т. е. к восстановлению исходной формы тела .