Два сосуда нагревают через стенки. В одном вода, в другом густая масса, похожая по поведению на соус. Температуры стенок одинаковы, мешалки делают одинаковое число оборотов. Будет ли содержимое прогреваться с одной скоростью? Слово «густая» подсказывает, что вряд ли всё так просто, но само по себе ещё ничего не объясняет. Проследим, как тепло попадает внутрь и что жидкость должна делать, чтобы разнести его по объёму.
Как тепло попадает в объём
Сначала тепло переходит от более горячей стенки к прилегающей жидкости. Дальше оно распространяется благодаря теплопроводности между соседними слоями и переносится вместе с движущейся жидкостью. Мешалка уносит нагретую порцию и подводит к стенке более холодную. Представьте очередь у небольшого окна выдачи: важно, чтобы к окну добрались и те, кто стоит дальше. Здесь аналогия описывает только смену порций. В жидкости тепло одновременно передаётся между ними, и эту часть процесса очередь уже не изображает.
Если движение у стенки слабое, ближайшая к ней область может заметно отличаться по температуре от остального объёма. Поэтому бурное движение в середине сосуда ещё не доказывает, что тепло хорошо распределяется повсюду. Значение имеют и тепловые свойства вещества, и циркуляция, и условия у самой поверхности. У вязких пищевых продуктов течение и теплообмен поэтому приходится рассматривать вместе. [2]
Вязкость и характер течения
Теперь уточним, что мы назвали густотой. У ньютоновской жидкости вязкость при заданных температуре и давлении не зависит от скорости сдвига. Представьте соседние слои, скользящие относительно друг друга: один движется быстрее другого. Ускорили взаимное скольжение — сопротивление ньютоновской жидкости выросло пропорционально, при этом сама вязкость осталась прежней. Эти две величины легко смешать в бытовом объяснении. Вода даёт знакомый пример такого поведения, однако ньютоновской может быть и гораздо более вязкая жидкость.
У неньютоновских сред зависимость устроена сложнее. Некоторые йогурты при усилении сдвига оказывают относительно меньшее сопротивление: их кажущаяся вязкость снижается. Так проявляется разжижение при сдвиге. У других материалов кажущаяся вязкость с усилением сдвига возрастает; встречаются также зависимость от длительности воздействия и порог, ниже которого течение практически не развивается. Поэтому за словами «паста», «гель» или «суспензия» могут скрываться разные ответы на работу мешалки. Чтобы описать процесс, нужно выяснить, какой именно ответ даёт выбранный продукт. [3] Наглядный пример разжижения при течении дают водные смеси ксантана.
Посмотрим теперь внутрь сосуда. Возле лопасти соседние участки жидкости могут двигаться относительно друг друга гораздо быстрее, чем вдали от неё. У разжижающейся при сдвиге среды там получатся разные местные значения кажущейся вязкости. Какое из них вы укажете в характеристике содержимого? Числу придётся сопутствовать описание условий измерения. Получается взаимосвязанная цепочка: мешалка меняет течение, течение меняет сопротивление среды, оно влияет на дальнейшее движение. Вместе с движением меняется и перенос тепла.
Температура тоже участвует в ней. Вязкость многих жидкостей зависит от нагрева, а состав и структура сложного продукта могут дополнительно меняться. Поэтому измерение в холодном образце не всегда описывает горячую область возле стенки. Здесь полезно отделять два вопроса: насколько быстро нагревается вещество и сохраняет ли оно при этом прежнее поведение. Они могут быть связаны, но один не заменяет другого.
Скребки, стенка и теплоотдача
При расчёте теплоотдачи неньютоновских сред приходится учитывать и устройство мешалки, например зазор между скребком и стенкой. [1] Смысл скребкового устройства можно понять без расчётной формулы: оно меняет состояние пристенного слоя и его обмен с остальной жидкостью. Однако эффект зависит от конструкции и продукта; универсальное правило «достаточно уменьшить зазор» из этого не следует.
Вот почему в расчёт для воды ненадёжно просто подставить другую вязкость и получить расчёт густой смеси. Сначала выясняют характер течения, зависимость свойств от температуры и движения, путь жидкости возле нагревающей поверхности. И измерять результат нужно с пониманием этой картины: хороший термометр в одной точке исправно отвечает за свою точку, но за весь сосуд поручиться не может. Равномерность прогрева зависит от того, как обменивается теплом весь объём.
