Реология как наука

1. Реология (от греч. ρέος, «течение, поток» и -логия) — раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. Изучая деформационные свойства реальных тел, реология занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой.

Исходные понятия реологии — ньютоновская жидкость, вязкость которой не зависит от режима деформирований, и идеально упругое тело, в котором в каждый момент времени величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. Эти понятия были обобщены для тел проявляющих одновременно пластичные (вязкостные) и упругие свойства. Практические приложения реологии описывают поведение конкретных материалов при нагрузках и при течении.

Любой кристалл или агрегат кристаллов, при определённых условиях, может быть пластически деформирован. Пластическая деформация кристаллов реализуется посредством направленного движения в нём дислокаций и вакансий. Под действием на кристалл внешней силы в объёме кристалла появляются напряжения, которые снимаются дефектами. Если сила превышает некий порог, то происходит хрупкое разрушение объекта.

2. Диспе́рсная систе́ма — это система, образованная из двух или более фаз (тел), которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т. д.).

Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы, золи. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза.

Наиболее общая классификация  дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.

3. Классическая реология - наука о течении и деформации реальных тел, в задачу которой входит изучение свойств существующих продуктов и разра-ботка методов расчета процессов течения их в рабочих органах машин. Основными задачами инженерной реологии пищевых производств являются:

• определение основных реологических характеристик пищевых материалов и установление их изменения от различных технологических факторов (длительности механической обработки; температуры, влажности и др.);

• разработка методов и приборов для измерения реологических (структурно-механических) характеристик пищевых продуктов;
• разработка механических моделей для реальных пищевых продуктов;
• определение эталонных показателей реологических характеристик, установление связи реологических характеристик сырья и готовых продуктов;
• управление структурой и качеством продуктов; 
• комплексное исследование различных физических характеристик для установления аналогии их изменения, для моделирования, прогнозирования, расчета и конструирования продуктов с заранее заданными технологическими показателями;
• разработка научно-обоснованных методов расчета оборудования.

4. Пищевые продукты (материалы), как и другие, обладают комплексом различных свойств, среди которых группа физических свойств дает наиболее полное представление о структуре продукта. Структура продукта, ее изменение определяются структурно-механическими свойствами, которые принято выражать такими характеристиками (показателями) как упругость, вязкость, пластичность, липкость и др. Если предположить, что материал обладает только одним из этих свойств, например упругостью, вязкостью или пластичностью, то изучением таких материалов занимаются теоретическая механика, сопротивление материалов, гидравлика. Поведение таких материалов при воздействии внешних сил описываются уравнениями Ньютона, Гука, Сен-Венана и имеют линейную зависимость.

На  основании проведенных исследований установлено, что большинство пищевых  материалов при воздействии внешних  нагрузок имеют несколько иной характер поведения. Причем характер изменения  упругости, вязкости и пластичности имеет не линейную зависимость. При  этом пищевые материалы одновременно могут обладать упругостью, вязкостью  и пластичностью. Изучением такого типа материалов занимается инженерная реология, поэтому пищевые продукты (материалы) являются предметом изучения инженерной реологии.

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

6. Коагуляционные структуры образуются в дисперсных системах путем взаимодействия между частицами и молекулами через прослойки дисперсионной среды. Термодинамически стабильны системы, у которых с поверхностью частиц прочно связаны фрагменты молекул, способные без утраты этой связи растворяться в дисперсионной среде. Эти структуры обычно обладают способностью к самопроизвольному восстановлению после разрушения (тиксотропия). Нарастание прочности после разрушения происходит постепенно и имеет определенный предел. Коагуляционные структуры могут находиться в твердом и жидком состоянии

7. Вода – основной компонент растительных клеток, на ее долю приходится от 75 до 90 %. Различают свободную и связанную влагу. 
    
   Свободная влага – не связана с молекулами вещества, может свободно перемещаться из клетки в клетку. Она используется для питания и поддержания жизнедеятельности клетки. Это основное количество влаги. 
    
   Связанная влага – образуется в результате взаимодействия с молекулами вещества и характеризуется следующими физико-химическими свойствами: 
   •    слабо, либо совсем не растворяет вещества, которые растворимы в свободной воде; 
   •    имеет удельную теплоемкость ниже обычной и примерно равной теплоемкости льда; 
   •   замерзает при низких отрицательных температурах; 
   •   обладает повышенной плотностью по сравнению со свободной влагой; 
   •   не электропроводна, в отличие от чистой воды, так как не содержит растворимых веществ. 
   По своим свойствам связанная влага приближается к упругому твердому телу.
8. Основные структурно-механические свойства пищевых материалов. Структурно-механические свойства по виду приложения силы (нагрузки, напряжения) к продукту, разделяют на три связанные между собой группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

К основным сдвиговым реологическим  свойствам материалов относятся -предельное напряжение сдвига , Па·с, эффективная вязкость , Па·с, пластическая вязкость , Па·с, период релаксации , с.

9. 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.
10. 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.
11. 1) Химическая связь.

Химически связанная влага  подразделяется на воду, связанную  в виде гидроксильных ионов и  воду, заключенную в кристаллогидраты. Первая образуется в результате химического  взаимодействия воды с материалом в  определенном соотношении, при котором вода, как таковая, исчезает. Удалить эту влагу можно только в результате химического взаимодействия, реже при прокаливании. 
 
Кристаллогидратная влага входит в структуру кристалла и удаление ее возможно только при прокаливании. Эта влага характеризуется количеством молекул воды, которые  входят в состав  кристалла. 
Химическая связь самая прочная, химически связанная влага при сушке практически не удаляется и на процесс сушки не влияет. Энергия связи химической влаги самая высокая (1-100×10⁵ Дж/моль). 
 
2) Физико-механическая связь.

Эта связь менее прочная. К этой группе относится адсорбционно и осмотически-связанная влага. 
 
Адсорбционно-связанная влага. 

Эта влага удерживается у  поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой, благодаря  молекулярно-силовому взаимодействию поверхности мицелл и гидрофильных центров белков, углеводов и липидов.

Осмотические связанная влага. Эта влага отличается от адсорбционной тем, что соединение с материалом не сопровождается выделением теплоты и связь менее прочная.

3) Механическая связь 
Механически связанная влага самая слабая, удерживается за счет заполнения макро- и микрокапилляров. Растительные ткани имеют в зависимости от размера пор микро- или макрокапиллярное строение. Поэтому эту влагу также называют капиллярно-связанной.

Механически связанная влага  практически не отличается от свойств свободной воды, ее можно рассматривать как свободную влагу, которая при сушке легко удаляется в первую очередь. Свободная влага находится на поверхности продуктов, в крупных порах и макрокапиллярах, она легко удаляется механическим путем (отжатием, прессованием). 

12. Включен в 11 вопрос.
13. По структурным признакам и по преобладанию определенной формы связи влаги продукты можно подразделить на 3 группы:

1. Капилярно – пористые (физико-механические формы связи влаги).
2. Коллоидные (Физико – химические формы связи влаги) – золи, гели.
3. Коллоидно – каппилярно – пористые, имеющие свойства присущие продуктам первой и второй групп.

Перенос влаги в коллоидных продуктах обусловлен градиентом осмотического  давления и связан с ее существенной усадкой. В продуктах третье группы сочетаются оба рассмотренных выше механизма.

14. Хрупкость — свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Является противоположным свойству пластичности. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов удлинение при разрыве не превышает 2…5 %, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др.Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения.
15. Прибор Строганова предназначен для нарастающей нагрузки на продуктовое изделие, до его полного разрушения, и определения нагрузки, при которой произошло разрушение продукта.
16. Деформация - это изменение формы или линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, температуры и пр., при котором частицы или молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела.

В зависимости от вида деформации тела они разделяются на объемные,  линейные (нормальные) и сдвиговые. Изменения линейных размеров тела принято выражать в относительных единицах деформации.

17. Структурно-механические свойства (СМС) по виду приложения усилия или напряжения к продукту делят на три группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

Среди них сдвиговые свойства наиболее полно отражают внутреннюю сущность материала при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений, поэтому их принято считать основными. С их помощью рассчитывают течение продуктов по трубам, в рабочих органах машин и аппаратов, определяют необходимые условия для перемещения продукта. Кроме того, они позволяют судить о качестве продукта и степени его обработки, т.е. дают возможность обосновать оптимальные технологические и механические условия процесса. Оснащение технологического оборудования приборами позволяет их контролировать и регулировать, обеспечивая тем самым постоянное и стабильное качество готовой продукции.

К сдвиговым свойствам продуктов  относятся: предельное напряжение сдвига , Па; эффективная вязкость , Па·с; пластическая вязкость , Па·с; период релаксации , с.

18. Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений. 
     
    Объемные свойства определяют поведение объема продукта при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между двумя пластинами. 
     
    Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим, твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешние трение) напряжений.