Анализ теоретических методов интерпретации экспериментальных данных по вязкости неньютоновских жидкостей

Об авторах:

Семихина Людмила Петровна , доктор физико-математических наук, директор центра «БИО и ПАВ», Тюменский государственный университет; semihina@mail.ru

Коровин Даниил Дмитриевич, инженер-исследователь кафедры прикладной и технической физики, Тюменский государственный университет; danil7b@mail.ru

Семихин Дмитрий Витальевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры информационных систем, Тюменский государственный университет; assist@inbox.ru

Аннотация:

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.

Список литературы:

1. Бойцова А. А. Анализ и сравнение структурно-механических свойств и термодинамических характеристик активации вязкого течения нефтяных дисперсных систем различной природы / А. А. Бойцова, Н. К. Кондрашева, М. Амро // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2018. № 44 (70). С. 45-51. DOI: 10.15217/issn1998984-9.2018.44.45
2. Бойцова А. А. Исследование динамической вязкости и компенсационного эффекта в углеводородных средах с высоким содержанием смол и парафинов / А. А. Бойцова, Н. К. Кондрашева, М. Ю. Доломатов // Инженерно-физический журнал. 2017. Том 90. № 6. С. 1581-1587.
3. Ганеева Ю. М. Асфальтеновые наноагрегаты: структура, фазовые превращения, влияние на свойства нефтяных систем / Ю. М. Ганеева, Т. Н. Юсупова, Г. В. Романов // Успехи химии. 2011. Том 80. № 10. С. 1034-1050.
4. Глесстон С. Теория абсолютных скоростей реакций. Кинетика химических реакций, вязкость, диффузия и электрохимические явления / С. Глесстон, К. Лейдлер, Г. Эйринг. М.: Иностранная литература, 1946. С. 461-471.
5. Доломатов М. Ю. Исследование взаимосвязи реологических, квантовых и структурно-химических характеристик жидких ароматических углеводородов / М. Ю. Доломатов, Э. А. Ковалева // Бутлеровские сообщения. 2017. Том 52. № 11. С. 35-41. DOI: 10.37952/ROI-jbc-01/17-52-11-35
6. Задымова Н. М. Тяжелая нефть как эмульсия: состав, структура и реологические свойства / Н. М. Задымова, З. Н. Скворцова, В. Ю. Траскин и др. // Коллоидный журнал. 2016. Том 78. № 6. С. 675-687.
7. Ишкинин А. А. Получение углеродных связующих материалов с заданными физико-химическими свойствами: автореф. канд. техн. наук / А. А. Ишкинин.
   Уфа. 2012. 24 с.
8. Кирсанов Е. А. Неньютоновское поведение структурированных систем / Е. А. Кирсанов, В. Н. Матвеенко. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 384 с.
9. Кондрашева Н. К. Исследование квазитермодинамических параметров активации вязкого течения многокомпонентных углеводородных систем / Н. К. Кондрашева, А. А. Бойцова // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Том 31. № 4. С. 16-18.
10. Кондрашева Н. К. Сравнительная оценка структурно-механических свойств тяжелых нефтей Тимано-Печорской провинции / Н. К. Кондрашева, Ф. Д. Байталов, А. А. Бойцова // Записки Горного института. 2017. Том 225. С. 320-329.
11. Рудяк В. Я. Современное состояние исследований вязкости наножидкостей / В. Я. Рудяк // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2015. Том 10. № 1. С. 5-22.
12. Семихина Л. П. Влияние температуры и напряжения сдвига на реологические свойства нефтяных и мицеллярных дисперсных систем / Л. П. Семихина, И. В. Ковалева // Известия Уфимского научного центра РАН. 2019. № 2. С. 5-14. DOI: 10.31040/2222-8349-2019-0-2-5-14
13. Семихина Л. П. Влияние энтропии на зависимость вязкости наножидкостей от температуры и скорости сдвига / Л. П. Семихина, Д. Д. Коровин //
    Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2021. Том 7. № 3 (27). С. 89-105. DOI: 10.21684/2411-7978-2021-7-3-89-105
14. Семихина Л. П. Изменения энтропии при вязком течении дисперсных систем с фазовым переходом в их частицах / Л. П. Семихина, С. В. Штыков // Письма в Журнал технической физики. 2022. Том 48. № 3. DOI: 10.21883/PJTF.2022.17.53277.19213
15. Семихина Л. П. Низкочастотные диэлектрические параметры водных объектов в электрических полях различной напряженности / Л. П. Семихина, Д. Д. Коровин // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2021. Том 7. № 4 (28). С. 79-92. DOI: 10.21684/2411-7978-2021-7-4-79-92
16. Семихина Л. П. Подобие реологических свойств и фазовых переходов в нефтяных и мицеллярных дисперсных системах / Л. П. Семихина, И. В. Ковалева, Е. С. Демин, Д. В. Семихин // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 1. С. 10-26. DOI: 10.21684/2411-7978-2019-5-1-10-26
17. Сюняев З. И. Нефтяные дисперсные системы / З. И. Сюняев, Р. З. Сюняев, Р. З. Сафиева. М.: Химия, 1990. 226 с.
18. Тагер А. А. Активационные параметры вязкого течения и структура концентрированных растворов полимеров / А. А. Тагер, Г. О. Ботвинник // Высокомолекулярные соединения. 1974. Том 16. № 6. С. 1284-1288.
19. Унгер Ф. Г. Фундаментальные и прикладные результаты исследования нефтяных дисперсных систем / Ф. Г. Унгер. Уфа: Изд-во ГУП ИНХБ РБ, 2011. 264 с.
20. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей / Я. И. Френкель. Л.: Наука,
    1975. 227 с.
21. Malkin A. Ya. Rheology: Concepts, Methods and Applications / Ya. A. Malkin // Toronto: ChemTec, 2012. 510 p.
22. Moosavi M. Rheological properties of {[bmim]PF6 + methanol} mixtures at different temperatures, shear rates and compositions / M. Moosavi, A. Daneshvar, E. Sedghamiz // Journal of Molecular Liquids. 2015. Vol. 209. No. 1. Pp. 693-705.
    DOI: 10.1016/j.molliq.2015.05.029
23. Rubio-Hernández F. J. An activation energy approach for viscous flow: A complementary tool for the study of microstructural evolutions in sheared suspensions / F. J. Rubio-Hernández, A. I. Gómez-Merino, R. Delgado-García, N. M. Páez-Flor // Powder Technology. 2017. Vol. 308. Pp. 318-323. DOI: 10.1016/j.powtec.2016.11.071
24. Uriev N. B. Technology of Dispersed Systems and Materials: Physicochemical Dynamics of Structure Formation and Rheology / N. B. Uriev. Weinheim: Wiley-VCH, 2016. XIV, 178 p.
25. Yapici K. Dependency of nanofluid rheology on particle size and concentration of various metal oxide nanoparticles / K. Yapici, O. Osturk, Yu. Uludag // Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2018. Vol. 35. No. 2. Pp. 575-586.
    DOI: 10.1590/0104-6632.20180352s20160172