رئولوژی

دسته: شیمی
بازدید: 361 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 1265 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 112

در اواخر قرن نوزدهم علم مكانیك سیالات شروع به توسعه در دو جهت كاملاً مجزا نمود از یك طرف علم تئوری هیدرودینامیك كه با معادلات حركت اولر4 در مورد سیال ایده‌آل فرضی شروع می ‌شد، تا حد قابل توجهی جلو رفت این سیال ایده‌آل، غیر قابل تراكم و فاقد گرانروی و كشسانی (الاستیسیته) در نظر گرفته شد

قیمت فایل فقط 6,900 تومان

رئولوژی

فصل اوّل: رئولوژی (Rheology)

1-1 تاریخچه پیدایش رئولوژی[1]

نیوتن[2] (1727-1642) اولین فردی بود كه برای مدل كردن سیالات با آنها برخوردی كاملاً علمی نمود. وی در قانون دوم مقاومت خود، كل مقاومت یك سیال را در برابر تغییر شكل (حركت) نتیجه دو عامل زیر دانست:

الف) مقاومت مربوط به اینرسی (ماند) سیال

ب) مقاومت مربوط به اصطكاك (لغزش ملكولها یا لایه‌های سیال بر هم‌دیگر)

و در نهایت قانون مقاومت خود را چنین بیان نمود: «در یك سیال گرانرو[3]، تنش مماسی (برشی) متناسب با مشتق سرعت در جهت عمود بر جهت جریان است.»

در اواخر قرن نوزدهم علم مكانیك سیالات شروع به توسعه در دو جهت كاملاً مجزا نمود.
از یك طرف علم تئوری هیدرودینامیك كه با معادلات حركت اولر[4] در مورد سیال ایده‌آل فرضی شروع می ‌شد، تا حد قابل توجهی جلو رفت. این سیال ایده‌آل، غیر قابل تراكم و فاقد گرانروی و كشسانی (الاستیسیته) در نظر گرفته شد. هنگام حركت این سیال تنشهای برشی وجود نداشته و حركت كاملاً بدون اصطكاك است. روابط ریاضی بسیار دقیقی برای این نوع سیال ایده‌آل در حالتهای فیزیكی مختلف بدست آمده است. باید خاطر نشان نمود كه، نتایج حاصل از علم كلاسیك هیدرودینامیك در تعارض آشكار با نتایج تجربی است (بخصوص در زمینه‌های مهمی چون افت فشار در لوله‌ها و كانالها و یا مقاومت سیال در برابر جسمی كه در آن حركت می‌نماید). لذا این علم از اهمیت عملی زیادی برخوردار نگشت. به دلیل فوق مهندسین كه به علت رشد سریع تكنولوژی نیازمند حل مسائل مهمی بودند، تشویق به توسعه علمی بسیار تجربی، بنام هیدرولیك شدند. علم هیدرولیك بر حجم انبوهی از اطلاعات تجربی متكی بود و از حیث روشها و هدفهایش، با علم هیدرودینامیك اختلاف قابل ملاحظه‌ای داشت.

در شروع قرن بیستم دانشمندی بنام پرانتل[5] نشان داد كه چگونه می‌توان این دو شاخه دینامیك سیالات را به یكدیگر مرتبط نمود و با این كار به شهرت رسید. پرانتل به روابط زیادی بین تجربه و تئوری دست یافت و با این كار توسعة بسیار موفقیت‌آمیز مكانیك سیالات را امكان‌پذیر نمود. البته قبل از پرانتل نیز بعضی از محققین بر این نكته اشاره كرده بودند كه اختلاف بین نتایج
 هیدرو دینامیك كلاسیك و تجربه در بسیاری از موارد به دلیل صرف نظر كردن از اصطكاك سیال است.

علاوه بر این، از شناخت معادلات حركت سیالات با در نظر گرفتن اصطكاك )معادلات ناویر- استوكس[6]( مدت زمانی سپری می‌‌شد. اما به دلیل مشكلات حل ریاضی این معادلات در آن زمان (باستثنای موارد خاص)،در برخورد تئوریك با حركت سیالات گرانرو عقیم مانده بود. در مورد دو سیال بسیار مهم یعنی آب و هوا، نیروی ناشی از لغزش لایه‌های سیال بر یكدیگر (گرانروی آب
 N.S/_m^{2 3-}10×1 و گرانروی هوا N.S/_m^{2 3-}10×5/2) در مقایسه با سایر نیروها (نیروی ثقل و فشار، N/_m² 10⁵) قابل اغماض می‌باشد. بنابراین می‌توان پی برد كه چرا درك تأثیر عامل مهمی همچون نیروی اصطكاك بر حركت سیال در تئوری كلاسیك تا این حد مشكل بوده است. در مقاله‌ای تحت عنوان سیالات با اصطكاك بسیار كم كه قبل از كنگره ریاضیات در هیدلبرگ[7] در 1904 قرائت گردید، پرانتل نشان داد كه می‌توان جریانات گرانرو را با شیوه‌ای كه دارای اهمیت عملی زیادی است به دقت تجزیه و تحلیل نمود. با استفاده از اصول تئوریك و برخی آزمایشهای ساده پرانتل اثبات نمود كه جریان سیال اطراف یك جسم جامد را می‌توان به دو ناحیه تفكیك نمود:

1-   لایه بسیار نازك در مجاورت جسم (لایه مرزی) كه در آن اصطكاك نقش مهمی را بازی می‌كند.

2-   ناحیه دورتر از سطح جسم كه در آن اصطكاك قابل اغماض است.

بر مبنای این فرضیه (Prandtl) موفق به ارائه برداشت فیزیكی قابل قبول از اهمیت جریانات گرانرو گردید، كه در زمان خود موجب ساده شدن قابل توجه حل ریاضی معادلات گردید. آزمایشهای ساده‌ای كه توسط پرانتل در یك تونل آب كوچك انجام شد بر تئوریهای موجود صحه گذاشت. بدین ترتیب او اولین قدم را جهت ارتباط تئوری و نتایج تجربی برداشت. در این رابطه تئوری لایه مرزی بسیار مفید واقع شد، زیرا عامل مؤثری در توسعه دینامیك سیالات بود و بدین ترتیب در مدت زمان كوتاهی به یكی از پایه‌های اساسی این علم مدرن تبدیل شد. پس از شروع مطالعات در زمینه سیالات دارای اصطكاك یك تئوری دینامیكی برای ساده‌ترین گروه سیالات واقعی (سیالات نیوتنی)[8] توسعه یافت. البته این تئوری در مقایسه با تئوری سیالات ایده‌آل از دقت كمتری برخوردار بود.

با رشد صنعت تعداد سیالاتی كه رفتار برشی آنها با استفاده از روابط سیالات نیوتنی قابل توجیه نبود، رو به افزایش گذاشت. از جمله این سیالات می‌توان محلولها و مذابهای پلیمری، جامدات معلق در مایعات، امولسیونها و موادی كه دو خاصیت گرانروی و كشسانی را تواماً دارا می‌باشند (ویسكوالاستیكها) اشاره نمود. بررسی رفتار این سیالات مهم موجب پیدایش علم جدیدی بنام «رئولوژی[9] » شد.

در مورد كلمه رئولوژی و پیدایش آن بد نیست به صحبتهای تروسدل[10] استاد دانشگاه
جان هاپكینز[11] در هشتمین كنگره بین‌الملی رئولوژی گوش فرا داد:"از من خواسته شد كه درباره رئولوژی سخن بگویم، برای فرار از ادای این وظیفه مشكل فكر می‌كنم هیچ چیز بهتر از نقل قول گفتگوی دلنشینی كه با دوست عزیز و قدیمی‌ام ماركوس رینر[12] پس از صرف شام در چهارمین كنگره بین‌المللی رئولوژی داشتم، نیست". او برای شروع نقل قول داستان چگونگی ساخته شدن نام رئولوژی چنین گفت: "هنگامی كه من وارد شدم (سال 1928 به شهر ایستون در ایالت پنسیلوایای امریكا، محل تولد رئولوژی) بینگهام[13] به من گفت: «در اینجا شما مهندسین ساختمان و بنده شیمیدان نشسته‌ایم و با یكدیگر روی مسئلة مشتركی كار می‌كنیم، با توسعة شیمی كلوئیدها می‌توان به این همكاری وسعت بخشید. بنابراین توسعه شاخه جدیدی از فیزیك كه این قبیل مسائل را در بر گیرد، مفید خواهد بود.» من گفتم چنین شاخه‌ای از فیزیك قبلاً وجود داشته است (مكانیك محیط‌های پیوسته). بینگهام افزود: «نه چنین عنوانی شیمیدانها را جلب نخواهد نمود زیرا برای آنها بیگانه است.» پس از این گفتگوها بینگهام با مشورت یك استاد زبان كلاسیك عنوان رئولوژی را برای این شاخه از علم انتخاب نمود كه از سخن معروف هراكلیتوس[14] اقتباس شده است. هراكلیتوس می‌گفت همه چیز در جریان است. "

رینر[15] خاطر نشان ساخت كه افراد غیر متخصص غالباً رئولوژی را با تئولوژی[16] (الهیات) اشتباه می‌گرفتند. او از این موضوع در تعجب بود و نمی‌توانست ارتباطی بین این دو كلمه پیدا كند. در واقع او فراموش كرده بود كه قهرمان شبه آسمانی رئولوژی، در تاریخ بنام هراكلیتوس مبهم مشهور است كه نظر معروف خود را جهت دنبال كردن الهیات عرضه كرده است. مخالفین این فیلسوف بر او خورده می‌گرفتند كه خواص فقط در حالت سكون قابل تعیین هستند ولی علم رئولوژی آرزوی دیرین او یعنی تعیین خواص ماده در حال جریان را برآورده است.

تعریف دقیق و علمی رئولوژی عبارتست از: رئولوژی علمی است كه تغییر شكل مواد را تحت اعمال نیرو مورد بررسی قرار می‌دهد، این تعریف بیشتر در مورد مایعات و شبه مایعات به كار می‌رود. به عبارتی می‌توان علم رئولوژی را به دو قسمت اصلی تقسیم نمود:

1-   بدست آوردن رابطه‌ای (معادله قانونمندی) ما بین تغییر شكل و نیرو از طریق نتایج تجربی و یا تئوریهای مولكولی

2-   بسط این روابط و ارتباط آنها با ساختمان، تركیب مواد، دما، فشار و غیره

توسعه رئولوژی در سالهای بین دو جنگ جهانی آغاز گردید. بنابراین رئولوژی علمی زاییده نیازهای عملی است و به همین دلیل در ابتدا روشهای تجربی ابداع شد. به موازات پیشرفت تحقیقات و كشف پدیده‌های جدید، علم رئولوژی گسترش یافته و به شاخه‌های تحقیقات فیزیكی، شیمیایی، تحقیقات مهندسی و بالاخره تحقیقات ریاضی تقسیم شد.

بعضی از صنایع كه با علم رئولوژی سر و كار دارند عبارتند از: صنایع لاستیك، پلاستیك، الیاف مصنوعی، نفت، تولید صابون و شوینده‌ها، دارو سازی، بیولوژی، انرژی اتمی، سیمان،
 صنایع غذایی، خمیر كاغذ، مواد شیمیائی سبك و سنگین، فرآیندهای تخمیری (و عملیاتی كه در آنها از روغن استفاه می‌شود) فرآیندهای سنگهای معدنی، چاپ، رنگ و غیره. از گستردگی صنایع درگیر با سیالات غیر نیوتنی مشخص می‌شود كه شناخت علم رئولوژی از ضرورت اجتناب‌ناپذیری برخوردار است هر چند كه این علم هنوز در بسیاری از زمینه‌ها قادر به پاسخگوئی مشكلات عملی نیست.

1-2 مواد از دیدگاه رئولوژی

رئولوژی[17]  علمی است كه تغییر شكل و جریان و همچنین قابلیت كیفی تغییر شكل و جریان مواد را بیان می‌كند. دیلی[18] علم رئولوژی را این‌گونه تعریف می‌كند: «رئولوژی علمی است كه تغییر شكل مواد را تحت اعمال تنش خارجی بررسی می‌كند.» لذا ضرورت بررسی مواد موجود در طبیعت از دیدگاه رئولوژی آشكار می‌شود. برای نیل به چنین هدفی ابتدا می‌بایست چند پدیدة رئولوژیكی، بطور دقیق تعریف گردد.

1-2-1 پدیده‌های رئولوژیكی

كشسانی:[19] اگر جسمی در عكس‌العمل به اعمال تنش خارجی تغییر شكل دهد و با حذف تنش شكل اولیه خود را باز یابد، این پاسخ را كشسان[20] می‌نامند. در عكس‌العمل كشسان تحت تنش خارجی پیوندهای بین مولكولی و بین اتمی كشیده می‌شوند و حالتی تعادلی بین تنشهای بین مولكولی و تنش خارجی ایجاد می‌شود. این امر باعث تغییر شكل تعادلی در زمان بی‌نهایت كوتاه شده و انرژی مصرفی جهت تغییر شكل در ماده ذخیره شده و قابل بازیابی است. اگر میزان تغییر شكل متناسب با مقدار تنش خارجی اعمال شده باشد، جسم را كشسان خطی گویند و رفتار رئولوژیكی این مواد بوسیله قانون هوك بیان می‌شود و اگر رابطه‌ای غیر خطی حاكم باشد جسم را كشسان غیر خطی می‌نامند.

گرانروی: مشخصه اصلی سیالات گرانرو[21] اینست كه اگر تنش خارجی (هر قدر كوچك) به آنها اعمال شود تغییر شكل داده و تا زمانی كه تنش وجود دارد تغییر شكل نیز ادامه می‌یابد و با حذف تنش خارجی، تغییر شكل متوقف شده، اما سیال به شكل و حالت اولیه باز نخواهد گشت. در این مورد مولكولها قابلیت حركت زیادی داشته و انرژی مصرف شده جهت ایجاد تغییر شكل را با اصطكاك بین مولكولها تلف می‌كنند، و حالتی تعادلی بین انرژی مصرف شده و تلف شده ایجاد می‌شود. به نحوی كه اعمال تنش ثابت به سیال باعث ایجاد نرخ تغییر شكل ثابت خواهد شد. اگر تنش با شدت برش رابطه‌ای خطی داشته باشد، خاصیت رئولوژیكی سیال با قانون نیوتن بیان می‌شود. ولی اگر تنش با نرخ برش رابطه‌ای خطی نداشته باشد، سیال را سیال غیر نیوتنی (گرانرو كامل) می‌نامند.

دو خاصیت گرانروی و كشسانی دو خاصیتی هستند که حد رفتار مواد را بیان می‌نمایند. تعداد زیادی از مواد خاصیتی ما بین این دو حد را دارا می‌باشند. ساده‌ترین نوع این مواد تا تنش مشخصی مانند یك جامد كشسان تغییر شكل می‌دهند و از آن به بعد مانند سیال گرانرو عمل می‌كنند (پلاستیك بینگهام[22]).

---

قیمت فایل فقط 6,900 تومان

برچسب ها : رئولوژی , طرح توجیهی رئولوژی , دانلود رئولوژی , شیمی , پلیمر , مقاومت مربوط به اصطكاك , مقاومت مربوط به اینرسی , دانلود طرح توجیهی , گرانروی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه