Вязкость это какое свойство

(внутреннее трение), свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно Другой. В. тв. тел обладает рядом специфич. особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ). Осн. закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга, S — площадь слоя, по к-рому происходит сдвиг, (v2-v1)/(z2-z1) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (рис. 1).

Рис. 1. Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключённого между двумя тв. пластинками, из к-рых нижняя (A) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с пост. скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от расстояния z до-неподвижной пластинки.

Коэфф. пропорциональности h называется коэфф. динамической вязкости или просто В. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоев. Величина j=1/h) наз. текучестью.

Согласно ф-ле (1), В. численно равна тангенциальной силе, приходящейся на ед. площади, необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости (газа), расстояние между к-рыми равно единице. В системе СИ ед. динамич. В.— Па•с (в СГС — пуаз). Наряду с динамической часто рассматривают т. н. кинематическую В. v=h/r (где r — плотность в-ва), к-рая измеряется в м2/с (в СИ; в СГС — в стоксах). В. жидкостей и газов определяют вискозиметрами.

В условиях установившегося ламинарного течения при пост. темп-ре T В. газов и норм. жидкостей (т. н. ньютоновских жидкостей) пост. величина, не зависящая от градиента скорости. Ниже приведены значения В. нек-рых жидкостей и газов при :20°С (в 10-3 Па•с).

Расплавленные металлы имеют В. того же порядка, что и обычные жидкости (рис. 2). Особыми вязкостными св-вами обладает жидкий гелий. При темп-ре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в к-ром В. равна нулю (см. ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ, СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ). Молекулярно-кинетич. теория объясняет В. движением и вз-ствием молекул.

Рис. 2. Вязкость нек-рых расплавленных металлов (в сП) в зависимости от темп-ры.

В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия мол. сил, поэтому В. газов — следствие хаотич. (теплового) движения молекул, в результате к-рого происходит пост. обмен молекулами между движущимися друг относительно друга слоями газа. Это приводит к переносу от слоя к слою определ. кол-ва движения, в результате чего медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внеш. силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.

В. газа не зависит от его плотности (давления р), т. к. при сжатии газа общее кол-во молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньшее кол-во движения (закон Максвелла). В. идеальных газов определяется соотношением:

где т — масса молекулы, n — число молекул в ед. объёма, u — ср. скорость молекул и l — длина свободного пробега молекулы.

Т. к. u возрастает с повышением Т (несколько возрастает также и l), В. газов увеличивается при нагревании (пропорционально ?Т). Для очень разрешенных газов понятие В. теряет смысл.

В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, В. обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется т. энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом Т и понижением р. В этом состоит одна из причин резкого снижения В. жидкостей с повышением Т и роста её при высоких р. При повышении р до неск. тыс. атм. h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгой теории В. жидкостей ещё нет, на практике широко применяют ряд эмпирич. и полуэмпирич. ф-л, достаточно хорошо отражающих зависимость В. отд. классов жидкостей и р-ров от T, р и хим. состава.

В. жидкости зависит от хим. структуры молекул. В. сходных хим. соединений (насыщ. углеводороды, спирты, органич. к-ты и т. д.) возрастает с возрастанием мол. массы. Высокая В. смазочных масел объясняется наличием циклич. молекул. Смесь не реагирующих друг с другом жидкостей с различными В. имеет ср. значение В. Если же при смешивании образуется новое хим. соединение, то В. смеси может быть в десятки раз больше, чем В. исходных жидкостей (на измерении В. жидких в-в основан один из методов физ.-хим. анализа).

Возникновение в дисперсных системах или р-рах полимеров пространств. структур, образуемых сцеплением ч-ц или макромолекул, вызывает резкое повышение В. При течении «структурированной» жидкости работа внеш. силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) В., но и на разрушение структуры.

Для нормальных вязких жидкостей кол-во жидкости Q, протекающей в ед. времени через капилляр, прямо пропорционально р . (см. ПУАЗЁЙЛЯ ЗАКОН).

Материал из ТеплоВики – энциклопедия отоплении

Вязкость (внутреннее трение) (англ. viscosity) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно. Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):
В применении к жидкостям различают вязкость:

• Динамическая (абсолютная) вязкость µ – сила, действующая на единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии. В системе СИ динамическая вязкость выражается в Па×с (паскаль-секунда), внесистемная единица П (пуаз).
• Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ.

ν= µ/ρ,

где:

• ν, м2/с – кинематическая вязкость;
• μ, Па×с – динамическая вязкость;
• ρ, кг/м3 – плотность жидкости.

В системе СИ кинематическая вязкость выражается в м2/с (квадратный метр на секунду), внесистемная единица Ст(стокс).

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

Сила вязкого трения

Это явление возникновения касательных сил, препятствующих перемещению частей жидкости или газа друг по отношению к другу. Смазка между двумя твердыми телами заменяет сухое трение скольжения трением скольжения слоев жидкости или газа по отношению друг к другу. Скорость частиц среды плавно меняется от скорости одного тела до скорости другого тела.

Сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h.

F=-V•S/h,

Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости. Самое важное в характере сил вязкого трения то, что при наличии любой сколь угодно малой силы тела придут в движение, то есть не существует трения покоя.
Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот – под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.

Если движущееся тело полностью погружено в вязкую среду и расстояния от тела до границ среды много больше размеров самого тела, то в этом случае говорят о трении или сопротивлении среды. При этом участки среды (жидкости или газа), непосредственно прилегающие к движущемуся телу, движутся с такой же скоростью, как и само тело, а по мере удаления от тела скорость соответствующих участков среды уменьшается, обращаясь в нуль на бесконечности.

Сила сопротивления среды зависит от:

• ее вязкости
• от формы тела
• от скорости движения тела относительно среды.

Например, при медленном движении шарика в вязкой жидкости силу трения можно найти, используя формулу Стокса:

F=-6•R•V,

Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот – под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.

Вязкость газов

Вязкость газов (явление внутреннего трения) — это появление сил трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями. Вязкость газов увеличивается с ростом температуры

Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в ходе которого от одного слоя к другому передается импульс. Сила трения на единицу площади между двумя слоями газа, равная импульсу, передаваемому за секунду от слоя к слою через единицу площади, определяется законом Ньютона:

τ=-η•dν/dz

где:

dν/dz – градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению движения слоев газа.

Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.

η — динамическая вязкость.

η=1/3•ρ(ν)•λ,

где:

ρ — плотность газа,

(ν) – средняя арифметическая скорость молекул

λ — средняя длина свободного пробега молекул.

Вязкость некоторых газов (при 0°C)

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости – это свойство, проявляющееся только при движении жидкости, и не влияющее на покоящиеся жидкости. Вязкое трение в жидкостях подчиняется закону трения, принципиально отличному от закона трения твёрдых тел, т.к. зависит от площади трения и скорости движения жидкости.

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоёв жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является рисунок, так называемой, струйной модели потока.

Медленно движущийся слой жидкости «тормозит» соседний слой жидкости, движущийся быстрее, и наоборот, слой, движущийся с большей скоростью, увлекает (тянет) за собой слой, движущийся с меньшей скоростью. Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями.
Если между соседними слоями жидкости выделить некоторую площадку S, то согласно гипотезе Ньютона:

F=μ•S•(du/dy),

где:

• μ – коэффициент вязкого трения;
• S – площадь трения;
• du/dy – градиент скорости

Величина μ в этом выражении является динамическим коэффициентом вязкости, равным:

μ=F/S•1/du/dy,

или

μ=τ•1/du/dy,

где:

• τ – касательное напряжение в жидкости (зависит от рода жидкости).

Физический смысл коэффициента вязкого трения

Физический смысл коэффициента вязкого трения – число, равное силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости.

На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости, названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности:

ν=μ/ρ,

Единицы измерения коэффициента вязкого трения:

• Н·с/м2;
• кГс·с/м2
• Пз (Пуазейль) 1(Пз)=0,1(Н·с/м2).

Анализ свойства вязкости жидкости

Для капельных жидкостей вязкость зависит от температуры t и давления Р, однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка нескольких десятков МПа.

Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры выражается формулой вида:

μt=μ0•e-kt(T-T0),

где:

• μt – коэффициент динамической вязкости при заданной температуре;
• μ0 – коэффициент динамической вязкости при известной температуре;
• Т – заданная температура;
• Т0 – температура, при которой измерено значение μ0;
• e – основание натурального логарифма равное 2,718282.

Зависимость относительного коэффициента динамической вязкости от давления описывается формулой:

μр=μ0•e-kр(Р-Р0),

где:

• μР – коэффициент динамической вязкости при заданном давлении,
• μ0 – коэффициент динамической вязкости при известном давлении (чаще всего при нормальных условиях),
• Р – заданное давление,;
• Р0 – давление, при которой измерено значение μ0;
• e – основание натурального логарифма равное 2,718282.

Влияние давления на вязкость жидкости проявляется только при высоких давлениях.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье — Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье):

σij=η•(dvi/dxi+dvj/dxi),

где σij — тензор вязких напряжений.

Среди неньютоновских жидкостей, по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.

С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.

Вязкость жидкостей (при 18°C)

См.также

• Вязкость теплоноситетя

Источники

• Талнахский механический завод
• Вязкость
• Гидравлика
• Википедия