Какое свойство веществ характеризует вязкость
Содержание
Вязкость жидкости – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена при покое жидкости, так как она проявляется только при её движении. Для правильной оценки таких гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо прежде всего установить законы внутреннего трения жидкости и составить ясное представление о механизме самого движения.
Физический смысл вязкости
Для понятия физической сущности такого понятия как вязкость жидкости рассмотрим пример. Пусть есть две параллельные пластинки А и В. В пространство между ними заключена жидкость: нижняя пластинка неподвижна, а верхняя пластинка движется с некоторой постоянной скоростью υ1
Как при этом показывает опыт, слои жидкости, непосредственно прилегающие к пластинкам (так называемые прилипшие слои), будут иметь одинаковые с ним скорости, т.е. слой, прилегающий к нижней пластинке А, будет находиться в покое, а слой, примыкающий к верхней пластинке В, будет двигаться со скоростью υ1.
Промежуточные слои жидкости будут скользить друг по другу, причем их скорости будут пропорциональны расстояниям от нижней пластинки.
Ещё Ньютоном было высказано предположение, которое вскоре подтвердилось опытом, что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. Если взять площадь соприкосновения равной единице, это положение можно записать в виде
где τ – сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения
μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью жидкости.
Величину dυ/dy – изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости, называют скоростью скольжения.
Таким образом вязкость жидкости – это физическое свойство жидкости, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу
Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная
Теперь определимся с различными понятиям вязкости:
Динамическая вязкость. Единицей измерения этой вязкости является паскаль в секунду (Па*с). Физический смысл состоит в снижении давления в единицу времени. Динамическая вязкость характеризует сопротивление жидкости (или газа) смещению одного слоя относительно другого.
Динамическая вязкость зависит от температуры. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.
Кинематическая вязкость. Единицей измерения является Стокс. Кинематическая вязкость получается как отношение динамической вязкости к плотности конкретного вещества.
Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания определенного объема жидкости через калиброванное отверстие при воздействии силы тяжести
Абсолютная вязкость получается при умножении кинематической вязкости на плотность. В международной системе единиц абсолютная вязкость измеряется в Н*с/м2 – эту единицу называют Пуазейлем.
Коэффициент вязкости жидкости
В гидравлике часто используют величину, получаемую в результате деления абсолютной вязкости на плотность. Эту величину называют коэффициентом кинематической вязкости жидкости или просто кинематической вязкостью и обозначают буквой ν. Таким образом кинематическая вязкость жидкости
ν = μ / ρ,
где ρ – плотность жидкости.
Единицей измерения кинематической вязкости жидкости в международной и технической системах единиц служит величина м2/с.
В физической системе единиц кинематическая вязкость имеет единицу измерения см2/с и называется Стоксом(Ст).
Вязкость некоторых жидкостей
| Жидкость | t, °С | ν, Ст |
| Вода | 0,0178 | |
| Вода | 20 | 0,0101 |
| Вода | 100 | 0,0028 |
| Бензин | 18 | 0,0065 |
| Спирт винный | 18 | 0,0133 |
| Керосин | 18 | 0,0250 |
| Глицерин | 20 | 8,7 |
| Ртуть | 0,00125 |
Величину, обратную коэффициенту абсолютной вязкости жидкости, называют текучестью
ξ = 1/μ
Как показывают многочисленные эксперименты и наблюдения, вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Для различных жидкостей зависимость вязкости от температуры получается различной.
Поэтому, при практических расчетах к выбору значения коэффициента вязкости следует подходить очень осторожно. В каждом отдельном случае целесообразно брать за основу специальные лабораторные исследования.
Вязкость жидкостей, как установлено из опытов, зависит так же и от давления. Вязкость возрастает при увеличении давления. Исключение в этом случае является вода, для которой при температуре до 32 градусов Цельсия с увеличением давления вязкость уменьшается.
Что касается газов, то зависимость вязкости от давления, так же как и от температуры, очень существенна. С увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры, наоборот, увеличивается.
Методы измерения вязкости. Метод Стокса.
Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а прибор для измерения вязкости называется вискозиметр.
Современные вискозиметры изготавливаются из прочных материалов, а при их производстве используются самые современные технологии, для обеспечение работы с высокой температурой и давлением без вреда для оборудования.
Существует следующие методы определения вязкости жидкости.
Капиллярный метод.
Сущность этого метода заключается в использовании сообщающихся сосудов. Два сосуда соединяются стеклянной трубкой известного диаметра и длины. Жидкость помещается в стеклянный канал и за определенный промежуток времени перетекает из одного сосуда в другой. Далее зная давление в первом сосуде и воспользовавшись для расчетов формулой Пуазейля определяется коэффициент вязкости.
Метод по Гессе.
Этот метод несколько сложнее предыдущего. Для его выполнения необходимо иметь две идентичные капиллярные установки. В первую помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а во вторую – исследуемую жидкость. Затем замеряют время по первому методу на каждой из установок и составляя пропорцию между опытами находят интересующую вязкость.
Ротационный метод.
Для выполнения этого метода необходимо иметь конструкцию из двух цилиндров, причем один из них должен быть расположен внутри другого. В промежуток между сосудами помещают исследуемую жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру.
Жидкость вращается вместе с цилиндром со своей угловой скоростью. Разница в силе момента цилиндра и жидкости позволяет определить вязкость последней.
Метод Стокса
Для выполнения этого опыта потребуется вискозиметр Гепплера, который представляет из себя цилиндр, заполненный жидкостью.
Вначале делаются две пометки по высоте цилиндра и замеряют расстояние между ними. Затем шарик определенного радиуса помещается в жидкость. Шарик начинает погружаться в жидкость и проходит расстояние от одной метки до другой. Это время фиксируется. Определив скорость движения шарика затем вычисляют вязкость жидкости.
Видео по теме вязкости
Определение вязкости играет большую роль в промышленности, поскольку определяет конструкцию оборудования для различных сред. Например, оборудование для добычи, переработки и транспортировки нефти.
Определение 1
Вязкость жидкости означает внутреннее трение и представляет собой одно из явлений переноса. Другим словами, это свойство текучих тел (то есть газов и жидкостей), которое заключается в оказании сопротивления перемещению одной их части в отношении другой. Следствием такого перемещения становится работа, которая изначально затрачивалась на данное перемещение, а затем происходит ее рассеивание в виде тепла.
Рисунок 1. Вязкость жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Принцип действия механизма внутреннего трения в жидкостях и газах при этом заключается в переносе хаотически движущихся молекул импульса от одного слоя к другому, что, в свою очередь, способствует выравниванию скоростей (введение такого понятия как сила трения). Таким образом вязкость твёрдых тел обладает целым набором специфических особенностей.
Виды вязкости
Существует несколько разновидностей вязкости:
- динамическая;
- кинематическая;
- условная.
Динамическая вязкость в международной измерительной системе измеряется в паскалях в секунду. С точки зрения физики, данная величина демонстрирует изменение потерь давления за единицу времени. В системе СГС она измерима в пуазах (название дано в честь французского физика Ж. Пуазёйля. Динамическая вязкость жидкостей склонна уменьшаться при увеличении температуры, а ее повышение наблюдается с увеличением показателя давления.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Измерение кинематической вязкости осуществляется в стоксах, что представляет основополагающее значение свойства текучих сред. При задействовании специального прибора вискозиметра становится возможным измерение вязкости любой жидкости. Ее тарированный объем пропускается через калиброванное отверстие (исключая механическое побуждение) и под влиянием одной только силы тяжести.
Рисунок 2. Динамическая вязкость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Условная вязкость представляет величину, косвенным образом характеризующую гидравлическое сопротивление течению. При этом она измеряется временем истечения заданного объема раствора через вертикальную трубку с определенным диаметром. Измерение осуществляется в градусах Энглера (в честь немецкого химика).
Методы определения вязкости жидкости
Рисунок 3. Методы определения вязкости жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Процесс измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. В современных условиях определение вязкости жидкости становится возможным с помощью следующих четырех методов:
- Капиллярный метод. Для проведения этого метода потребуется наличие двух сосудов, которые соединены между собой посредством стеклянного канала с небольшим диаметром и с известной длиной. Также потребуется изначальное знание значения давления в каждом из сосудов. Жидкость помещают в стеклянный канал, а она далее за определенный промежуток времени перетекает из одной колбы в другую. Дальнейшие подсчеты будут производиться благодаря формуле Пуазейля (определение коэффициента вязкости жидкости). Современные капиллярные вискозиметры состоят из качественного и стойкого материала, способного выдерживать большие температурные нагрузки.
- Медицинский метод по Гессе. С целью расчета вязкости жидкости таким образом, потребуется наличие не одной, а двух идентичных капиллярных установок, в одну из которых помещается среда с предварительно известным значением внутреннего трения, а во второй будет находиться помещенная туда исследуемая жидкость. В дальнейшем выполняется измерение двух значений времени и составление пропорции, по которой можно выйти на нужное число.
- Ротационный метод потребует наличия конструкции из двух соосных цилиндров, что предполагает нахождение одного и них внутри другого. В промежуток между ними заливается жидкость, а далее внутреннему цилиндру придается определенная скорость. данная угловая скорость также сообщается жидкости. Вязкость среды определяется при этом благодаря разнице в силе момента.
- Метод Стокса. Проведение такого опыта требует наличие вискозиметра Гепплера, представляющего собой заполненный жидкостью цилиндр. До начала эксперимента на цилиндре делаются две пометки и затем между ними измеряется длина. Дальше берется шарик определенного радиуса R, который затем опускается в жидкую среду. Для вычисления скорости его падения определяется время передвижения объекта от одной метки к другой. Знание скорости движения шарика позволяет определить вязкость жидкости.
Вязкость в практическом применении
Замечание 1
Известны способы широкого применения свойства вязкости жидкости в практическом смысле. Так, определение вязкости большое практическое значение имеет: в условиях нефтеперерабатывающей промышленности. работа с многофазными, дисперсными средами подразумевает знание их физических свойств, в особенности – внутреннего трения.
Современные вискозиметры делаются из прочных материалов, а их производство требует задействования передовых технологий. В комплексе это позволяет производить работу с высокой температурой и давлением без повреждений оборудования. Вязкость жидкости большую роль играет и в промышленности, поскольку транспортировка, добыча и переработка, например, нефти будут зависеть от значений внутреннего трения у жидкостной смеси.
Также существенную роль свойство вязкости жидкости играет и для медицинского оборудования. Так, поступление газовой смеси посредством эндотрахеальной трубки зависит от внутреннего трения данного газа. Здесь по-разному будет отражаться изменение значений вязкости среды на проникновении воздуха через аппарат (зависимость от состава газовой смеси).
Введение вакцин и лекарственных препаратов, через шприц также представляет яркий пример действия вязкости среды. Здесь имеются в виду перепады давления на конце иголки в момент впрыскивания жидкости, несмотря на факт изначального пренебрежения учеными данным физическим явлением. Возникновение высокого давления на наконечнике представляет собой следствие действия внутреннего трения.
Таким образом, вязкость среды считается одной из физических величин, обладающей широким практическим применением. В лаборатории, промышленности, а также медицине понятие внутреннего трения фигурирует довольно часто. Функционирование простейшего лабораторного оборудования зависимо от степени вязкости среды, используемой в исследованиях.
Вязкость, внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В. твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. Внутреннее трение в твёрдых телах).
Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):
где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друг друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; (v2 — vl)/(z2 — z1) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (см. рис. 1). Коэффициент пропорциональности h называется коэффициентом динамической вязкости или просто В. Он количественно характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв. Величина, обратная В., j =1/h называется текучестью.
Согласно формуле (1), В. численно равна тангенциальной силе PS = F/S (на единицу площади), необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости (газа), расстояние между которыми равно единице. Из этого определения следует, что в Международной системе единиц единица В. имеет размер н·сек/м2, а в СГС системе единиц — г/(см2·сек) (пуаз). 1 пз = 0,1 н·сек/м2. Наряду с динамической В. h часто рассматривают так называемую кинематическую В. n = h/r, где r — плотность жидкости или газа. Единицами кинематической В. служат, соответственно, м2/сек и см2/сек (стокс). В. жидкостей и газов определяют вискозиметрами.
В условиях установившегося слоистого течения (см. Ламинарное течение) при постоянной температуре В. газов и нормальных жидкостей (так называемых ньютоновских жидкостей) — постоянная величина, не зависящая от градиента скорости. В таблице приведены значения В. некоторых жидкостей и газов:
h при 20°С, 10-3 н·сек/м2 или спз | |
Водород . . . . . . . . . . . . | 0,0088 |
Азот . . . . . . . . . . . . . . . | 0,0175 |
Кислород . . . . . . . . . . . | 0,0202 |
Вода . . . . . . . . . . . . . . . | 1,002 |
Этиловый спирт . . . . . . | 1,200 |
Ртуть . . . . . . . . . . . . . . . | 1,554 |
Глицерин . . . . . . . . . . . | ~1500 |
Расплавленные металлы имеют В. того же порядка, что и обычные жидкости (рис. 2). Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий. При температуре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором В. равна нулю (см. Гелий, Сверхтекучесть).
В. — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение В. приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). В. расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. В. расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По В. во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку В. тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. В. масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет В. движением и взаимодействием молекул. В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому В. газов определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определённого количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.
В. газа не зависит от его плотности (давления), так как при сжатии газа общее количество молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньшее количество движения (закон Максвелла). Для В. идеальных газов в молекулярно-кинетической теории даётся следующее соотношение:
где m — масса молекулы, n — число молекул в единице объёма, — средняя скорость молекул и l — длина свободного пробега молекулы между двумя соударениями её с другими молекулами. Так как возрастает с повышением температуры Т (несколько возрастает также и l), то В. газов увеличивается при нагревании (пропорционально ). Для очень разреженных газов понятие В. теряет смысл.
В жидкостях, где расстояния 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 так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения В. жидкостей с повышением температуры (рис. 3) и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория В. жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул В., достаточно хорошо отражающих зависимость В. отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и химического состава.
В. жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) В. изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая В. смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов (см. Циклические соединения, Нафтены). Две жидкости различной В., которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением В. Если же при смешивании образуется химическое соединение, то В. смеси может быть в десятки раз больше, чем В. исходных жидкостей. На этом основано применение измерений В. в качестве метода физико-химического анализа.
Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение В. При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) В., но и на разрушение структуры (см. Реология).
Для нормальных вязких жидкостей между количеством жидкости Q, протекающей в единицу времени через капилляр, и давлением p существует прямая пропорциональность (см. Пуазёйля закон). Течение структурированных жидкостей не подчиняется этому закону, для них кривые зависимости Q от р выпуклы к оси давления (рис. 4), что объясняется непостоянством h. Аномальной В., характерной для структурированных жидких систем, обладают важнейшие биологические среды — цитоплазма и кровь.
М. П. Воларович.
Вязкость биологических сред определяется в большинстве случаев структурной вязкостью. В. жидкого содержимого клетки-цитоплазмы связана со структурой составляющих её биополимеров и субклеточных образований, что вызывает отклонения (характера тиксотропии) вязкого течения от ньютоновского закона нормальных жидкостей. Методы измерения В. биологических сред — наблюдение скорости перемещения гранул при центрифугировании или железных опилок в магнитном поле, измерение среднего смещения броуновских частиц (см. Броуновское движение). Абсолютная вязкость цитоплазмы колеблется от 2 до 50 спз (1 спз = 10-3н·сек/м2), она меняется в различных частях клетки и в разные периоды клеточного цикла. С понижением температуры ниже 12—15°С и при повышении её свыше 40—50°С вязкость цитоплазмы увеличивается. При воздействии облучения наблюдается сначала уменьшение вязкости, а затем, при увеличении дозы, — её возрастание.
Вязкость ликвора, лимфы и плазмы крови достаточно точно описывается ньютоновским законом вязкого течения, она исследуется в капиллярных или цилиндрических вискозиметрах. Кровь — неньютоновская жидкость, так как содержит структурированные компоненты — белки и клетки крови, её вязкость у человека в норме 4—5 спз, при патологии колеблется от 1,7 до 22,9 спз, что отражается в реакции оседания эритроцитов (РОЭ).
Лит.: Гaтчек Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1935; Труды совещания по вязкости жидкостей и коллоидных растворов, т. 1—3, М. — Л., 1941—45; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, М. — Л., 1945; Фукс Г. И., Вязкость и пластичность нефтепродуктов, М., 1956; Голубев И. Ф., Вязкость газов и газовых смесей, М., 1959; Справочник химика, 2 изд., т. 1, Л. — М.,1963; Руководство по цитологии, т. 1—2, М. — Л., 1965—66; Heilbrunn L. V. The viscosity of protoplasm, W., 1958.
Н. Н. Фирсов.
Рис. 4. Зависимость количества жидкости Q, протекающей через капилляр в 1 сек, от давления p для нормальных (ньютоновских) и аномальных (неньютоновских) жидкостей.
Рис. 2. Вязкость некоторых расплавленных металлов в спз.
Рис. 1. Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости, заключенного между двумя твердыми пластинками площадью S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; Dx0 — величина начального сдвига жидкости.
Рис. 3. Измерение вязкости некоторых смазочных масел в зависимости от температуры (h дана в пз).
Оглавление