Файл: Перегудов, В. В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий учебник.pdf

делена из уравнения dA=PdV. Чтобы определить ее значение, не­ обходимо знать соотношение между Я и V. Для этого интегрируют

расчеты при этом упрощаются, а ошибка незначительна. В резуль­ тате получают расчетное уравнение для работы, затраченной на сжатие полимерного материала, в виде

А = Vol — ( e - P v f t + \) + P2e-Vyp] . (1.21)

Если в системе снизить давление от Pi до Pi, то при этом будет совершаться работа расширения и полезная работа привода, обе с выделением тепла. Если считать, что процесс происходит адиаба­ тически, так как продолжительность снятия давления очень мала, то можно вычислить среднее приращение температуры системы.

Полиое уравнение энергетического баланса для течения распла­ ва полимера из точки А в точку В согласно законам гидродинами­ ки и сохранения энергии можно записать в виде

где АЕ — изменение внутренней энергии при течении из точки А в точку В; КЕ — кинетическая энергия расплава; РЕ — потенциаль-

* Подробнее см. гл. П ..

15

Для равновесного процесса в однофазной и однокомпонентной системе, подверженной только равномерному внешнему давлению,

происходит, а меняется энтальпия от изменения'давления, уравне­ ние (1.27) можно представить в виде

А1 = СРАТ + {1-щТ) j VdP, (1.28)

P i

где Д Г = (Т2 — Ti).

16

Если удельный объем в зависимости от давления выразить по уравнению (1.18) с учетом, что

тогда уравнение (1.28) можно представить в окончательном виде

Уравнение (1.29) представляет значительный интерес, так как позволяет вычислить AT— среднее приращение температуры сис­ тем, подвергаемых деформации, после снятия давления.

§ 3. Основы необратимых деформаций

Материал — полимерные композиции, перерабатывается в стро­ ительные изделия в большинстве случаев в виде расплава. Во вре­ мя переработки расплавы, обладающие высокой вязкостью, подвер­ гаются пластической деформации. При этом выделяется значитель­ ное количество тепла, материал разогревается. -Поэтому при произ­ водстве значительной части полимерных строительных материалов и изделий их тепловая обработка складывается из подвода тепла извне и выделяемого при пластической-деформации. Следователь­ но, изучая тепловую обработку, необходимо рассмотреть тепловую энергию, выделяемую при пластической деформации.

Наука, изучающая ответные внутренние реакции материала на приложенные к нему силы, называется реологией, поэтому, изучая тепловую обработку, необходимо познакомиться с основами рео­ логии полимерных материалов.

Для технологии полимерных строительных материалов ответ­ ные реакции материала на приложенную силу очень важны. Они помогают определить свойства и работу материалов в зданиях и сооружениях.

В природе существуют упругие твердые тела, свойства которых определяются законом Гука, и жидкие, свойства которых для иде­ альных жидкостей описываются законом Ньютона.

Кроме указанных на практике приходится встречаться с тела­ ми, которые обладают свойствами и твердых и жидких тел, т. е. лежат как бы в промежуточной области.

Наибольший интерес для строительной технологии, рассматри­ вающей полимерные детали и изделия, представляют реологиче­ ские свойства материалов, располагающихся именно между свой­

17

пор, пока внутренние напряжения не уравновесят внешние, т. е. пока тело не придет в равновесное состояние.

Большинство твердых тел до некоторых пределов проявляет упругие свойства и поэтому при снятии внешнего напряжения про­ исходит полное восстановление деформации. В жидкости при при­ ложении внешнего напряжения деформации неограниченны. Рав­ новесие между внешним приложенным напряжением и"возникаю-" щим внутренним может установиться за счет скорости дефор'мацип. как это имеет место в ньютоновской жидкости, где скорость дефор­ мации прямо пропорциональна приложенному напряжению.

Деформирование рассматриваемых полимерных материалов в большинстве случаев отлично от деформации упруго-твердого тела и от жидкости, поэтому при изучении процессов технологии поли­ мерных строительных материалов необходимо изучить их реологи­ ческие свойства.

Деформация — это относительное смещение частей или частиц; материального тела при условии непрерывности самого тела. Приснятии нагрузки тело стремится возвратиться к исходному равно­ весному состоянию, что происходит в реальных телах обычно не полностью. Следовательно, часть деформаций является обратимой, которую называют упругой. Обратимость деформации — проявле­ ние свойств упругости. Для аморфных полимерных материалов деформация представляет собой сложный процесс, который делят на три составляющих: упругую, высокоэластическую и пластиче­ скую (течение).

Кристаллические полимеры характеризуются отсутствием высо­ коэластической деформации.

В общем случае мерой деформации является ее относительная величина Д///о, т. е. отношение абсолютной деформации А/ к пер­ воначальному значению /0 , характеризующему размеры или форму тела.

Напряжение. Под термином «напряжение» в реологии понимают сопротивление тела приложенной силе. Следовательно, напряже­ ние характеризуется силами сцепления или силами межмолекуляр­ ного взаимодействия тела, способными противодействовать внешней силе.

Рассмотрим напряжение сдвига как фактор течения материала.

движение слоев жидкости. Благодаря межмолекулярному взаимо­ действию жидкости и ограничивающей ее плоскости верхний слой жидкости будет передвигаться вместе с плоскостью, нижний оста­

18

ривать от верхней плоскости, сдвинулся несколько меньше за счет сопротивления материала.

Размерность величины напряжения сдвига аналогична давле­ нию. Но давление — это сила, приложенная к единице поверхно­ сти, а напряжение сдвига — сопротивление тела приложенной силе. Кроме того, напряжение сдвига действует по касательной к по­ верхности, по которой происходит сдвиг.

Рис. 2. Деформация жидкости под действием на­ пряжения сдвига

Скорость сдвига. При сдвиге отдельные слои жидкости переме­ щаются с различной скоростью. Следовательно, относительная скорость слоев не может определять скорость сдвига, которая, оче­ видно, должна зависеть от расстояния между слоями. Сдвиговые напряжения передаются (см. рис. 2). равномерно через жидкость к нижней плоскости ABCD, равномерность напряжений вызовет рав: номерное изменение движения слоев жидкости при переходе от одного слоя к другому, поэтому приращение (производная) скоро­ сти на единицу длины расстояния в интервале между двумя плос­ костями ABCD и A\BiCiDi, равном у, при нулевой скорости плос­ кости ABCD и при скорости верхней плоскости, равной w, можно выразить в виде dw/dy. Такую производную и называют скоро­ стью сдвига или «градиентом скорости» по нормали.

Вязкость — мера сопротивления жидкости течению, определяет-, ся отношением напряжения сдвига к скорости-сдвига. Вязкость иде­ альной ньютоновской жидкости — величина постоянная и не зави­ сит от скорости и напряжения сдвига.

Вязкость реальных, особенно полимерных материалов, не является постоянной величиной. Известно, что обычно вязкость жидкостей с возрастанием температуры уменьшается, однако для

19