Дослідження реологічних властивостей рідких

ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ ЗА ДОПОМОГОЮ КАПІЛЯРНИХ

ВІСКОЗИМЕТРІВ

Мета роботи: знайомство з структурно-механічними властивостями рідких харчових систем, приладами та методами, які застосовуються для визначення їх реологічних властивостей. Вміти визначити і оцінити вплив технологічних факторів на в’язкість рідких харчових систем.

 

Матеріали і обладнання: капілярний віскозиметр Освальда, плодово-ягідні соки без м’якоті, цукор, скляний циліндр на 250 см³, скляні стакани на 250 см³, набір ареометрів, секундомір.

 

Загальні теоретичні положення:

Структурно-механічні властивості харчової сировини, напівфабрикатів і продуктів дуже різняться і залежать від багатьох технологічних факторів: температури, вологості, тривалості та інтенсивності механічної і теплової обробки, тривалості зберігання тощо.

Реологія – наука о деформації і течії різних тіл. Предметом реології є дослідження різних видів деформації тіла в залежності від напружень, внаслідок яких виникає деформація.

Деформація – це відносне зміщення часточок матеріального тіла, при якому не порушується безперервність самого тіла. Деформація супроводжується виникненням внутрішніх сил взаємодії між часточками тіла. Величина і характер деформації залежать від властивостей і матеріалу тіла, його форми і способу прикладення зовнішніх сил.

Напруження є мірою інтенсивності внутрішніх сил пружності. Повне напруження складається з нормального і дотичного напруження.

Під напруженням зсуву в реології розуміють опір тіла дії дотичної складової прикладеної сили.

До рідин відносяться такі речовини, в яких при постійному напруженні зсуву спостерігається течія, тобто відбувається деформація з постійною або змінною швидкістю. Наприклад, при постійному зсуві ньютонівської рідини з напруженням τ виникає деформація з певною швидкістю γ. Відношення напруження зсуву до швидкості деформації τ / γ є реологічною константою рідини і називається ньютонівською в’язкістю η:

η = τ / γ (1)

Реологічне рівняння стану ньютонівської рідини має вигляд:

τ = η· γ (2)

Основною властивістю рідин є в’язкість.

В’язкість або внутрішнє тертя – це міра опору течії тобто зміщенню шарів матеріального тіла. Для ньютонівських рідин в’язкість – функція швидкості зсуву, тому її називають ефективною в’язкістю η_еф (Па·с), яка досить повно характеризує поведінку текучого матеріалу, якщо відома швидкість зсуву.

Для характеристики рідин використовують реограми, тобто криві течії, які представляють собою залежність напруження зсуву від швидкості зсувної деформації в умовах простого зсуву. Реограми ньютонівських рідин представляють собою пряму лінію, яка проходить через початок координат. Якщо криві відхиляються від прямої лінії, це свідчить що рідини відносяться до неньютонівських рідин. У деяких неньютонівських рідин ефективна в’язкість залежить від тривалості зсуву t:

τ / γ = η (γ, t) = η _еф (t) (3)

Режим руху характеризується критерієм Рейнольдса Re, який представляє собою безрозмірне числове значення, яке пропорційне відношенню кінетичної енергії потоку m ω²/2 (де m – маса;ω – середнєоб’ємна швидкість) до роботи сил в’язкого опору Pl (де Р – сила опору; l – довжина):

Re = ρdω / η (4)

де ρ – густина рідини, кг/м³;

d – діаметр трубки, м;

η – в’язкість рідини, Па·с, або її еквівалент.

У загальному випадку теорія віскозиметрії розглядає рівномірний (сили інерції дорівнюють нулю) прямолінійний (відцентрові сили дорівнюють нулю) рух в горизонтальній трубці (сила тяжіння проектується на вісь, яка співпадає з напрямком руху, і дорівнює нулю).

Дотичне напруження θ на боковій поверхні виділеного циліндра

θ = (ρ/2 l)·r(5)

Для лінійної ньютонівської рідини γ( θ) = θ /η використовують рівняння Пуазейля, який представляє собою основний теоретичний закон капілярної віскозиметрії ньютонівської рідини

η = (6)

Віскозиметри капілярного типу використовуються для визначення в’язкості матеріалів, які мають відносно невелику її величину: соків без м’якоті, сиропів, концентратів, розчинів цукру, кухарської солі, тощо.

В капілярних віскозиметрах задаються постійною у всіх дослідах витратою дослідної рідини, або постійним перепадом тиску у капілярах. У віскозиметрах з постійною витратою рідини вимірюється перепад тиску між кінцями капіляру, у приладах з постійним тиском – витрати рідини.

Принцип дії капілярних віскозиметрів заснований на безперервному зсуві в капілярі рідини, яка постійно надходить, і постійному виносі теплоти з матеріалом, який витікає з капіляру.

В дослідах на капілярних віскозиметрах отримують залежність витрати маси Q від перепаду тиску Δ p.

Віскозиметри Освальда, Уббелоде, Освальда-Фенске, Канон-Фенске та ін. відносяться до скляних капілярних віскозиметрів, які представляють собою
U-образні трубки, в одному з колін яких міститься капіляр.

У віскозиметрі Освальда перетікання рідини із одного коліна в друге відбувається під дією гідростатичного тиску. З ємності с рисками (m₁ – m₂) дослідний матеріал протікає через капіляр в ємність з рискою m₃ під дією власної маси. Визначаючи час витікання, знаходять в’язкість за рівнянням Пуазейля.

Для визначення в’язкості молока, непрозорих сиропів та інших рідких харчових продуктів використовується віскозиметр Хеплера з падаючою кулькою. Цей прилад показує час, необхідний для проходження металевим або скляним шариком певного відстані у трубці, яка заповнена дослідною рідиною. Шляхом підбору маси і діаметра кульки по відношенню до діаметра стовпа рідини можна визначати в’язкість різноманітних рідин.

 

Методика виконання роботи:

При роботі на віскозиметрі Освальда підбирають такий об’єм дослідної рідини, щоб після заповнення лівого коліна до верхньої мітки в нижній частині правої ємності ледь виступав меніск рідини. Прибор поміщають у водяний термостат і закріплюють його вертикально. Рідину витримують в термостаті протягом 20-25 хв для надання рідині певної температури, після чого за допомогою гумової трубки рідину засмоктують в ліве коліно до такого положення, щоб меніск був на 2-3 мм вище верхньої мітки, і дають рідині вільно стікати через капіляр. Коли меніск рідини буде на рівні верхньої мітки, включають секундомір і вимірюють час проходження рідини між верхньою і нижньою мітками.

Звичайно в’язкість на приладі Освальда визначають по відношенню до відомої в’язкості стандартної рідини (вода, касторове масло, гліцерин).

В’язкість двох рідин, яка вимірюється при рівних умовах в одному і тому ж капілярі, буде відноситися як

або η = η₀ [ ] (7)

де η₀, η – в’язкість відповідно контрольної (стандартної) і дослідної

рідини, Па·с;

ρ₀, ρ – густина відповідно стандартної і дослідної рідини, кг/м³;

τ₀, τ – час витікання відповідно стандартної і дослідної рідини, с.

Для визначення в’язкості цукрового сиропу з різною концентрацією цукру, в скляних стаканах на 250 см³ готуюсь сиропи з концентрацією цукру 5, 10, 15, 20, 25 і 30 %. В якості контрольної рідини використовується дистильована вода.

В’язкість дистильованої води і розчинів цукру визначається в однакових умовах (температура, ступінь заповнення трубки віскозиметра рідиною).

На початку роботи необхідно визначити густину дистильованої води і дослідних розчинів при температурі проведення дослідів за допомогою набору
ареометрів, які підбирають так, щоб ареометри знаходились у завислому стані.

Необхідно дослідити залежність в’язкості дослідних рідин від концентрації цукру і від температури розчинів: 20 і 25 ^оС.

Густина дослідних розчинів і стандарту, а також час проходження дослідних рідин через капіляр визначається не менше 3-х разів, заноситься в таблицю (табл. 1) і використовується для розрахунку в’язкості дослідних рідин.

За отриманими даними будуються 2 графіки залежності в’язкості від концентрації цукру у розчинах і залежність в’язкості розчинів від температури.

Таблиця 1

Дослідні рідини	Час проходження рідини через капіляр	Густина розчинів	В’язкість розчинів
τ1	τ2	τ3	ρ, кг/м3	η, Па·с
При температурі 20 оС
Вода (контроль)
Розчини цукру:
5 %
10 %
15 %
20 %
30 %
При температурі 25 оС
Вода (контроль)
Розчини цукру:
5 %
10 %
15 %
20 %
30 %

Звіт про лабораторну роботу:

Протокол повинен містити вступ, короткий огляд літератури, мету дослідження, методику проведення роботи, результати дослідів у вигляді таблиць і

графіків. Будуються графіки залежності в’язкості від концентрації цукру у розчинах і залежність в’язкості від концентрації і температури. Наприкінці робиться короткий висновок відносно залежності в’язкості ньютонівських рідин від концентрації цукру і температури розчинів.

Питання для самоконтролю:

1. Що таке в’язкість? Дати визначення.

2. Які рідини відносяться до ньютонівських?

3. Які фактори впливають на в’язкість?

4. Наведіть рівняння Пуазейля?

5. Які прилади можна використовувати для визначення в’язкості ньютонівських рідин?

6. Що таке реологія як наука? Дати визначення.

7. Що таке деформація?

 

Література:

1. Кравченко М.Ф. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб. / М.Ф. Кравченко, А.В. Антоненко. –К.: Київ. нац. торг.-екон. ун-т, 2011. –516 с.

2. Пивоваров П.П. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб./ П.П. Пивоваров. – Х.: ДУХТ, 2010. – 410 с.

3. Плахотін В.Я. Теоретичні основи технологій харчових виробництв: навч. посіб./ В.Я. Плахотін, Г.П. Хоміч. – К.: Центр навч. літ., 2006. – 640 с.

 

Лабораторна робота № 7