Природа внутреннего трения жидкости

Явление внутреннего трения (вязкость)

Идеальная жидкость, т.е. жидкость, движущаяся без трения, является абстрактным понятием. Всем реальным жидкостям и газам в большей или меньшей степени присуща вязкость или внутреннее трение. Вязкость (внутреннее трение) наряду с диффузией и теплопроводностью относится к явлениям переноса и наблюдается только в движущихся жидкостях и газах. Вязкость проявляется в том, что возникающее в жидкости или газе движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается.

Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла энергии, затрачиваемой на это перемещение.

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.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет вязкость движением и взаимодействием молекул.

В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость 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 вязкости жидкостей с повышением температуры и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер вязкость увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория вязкости жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана.

Вязкость отдельных классов жидкостей и растворов зависит от температуры, давления и химического состава.

Вязкость жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) Вязкость изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая вязкость смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов. Две жидкости различной вязкости, которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением вязкости. Если же при смешивании образуется химическое соединение, то вязкость смеси может быть в десятки раз больше, чем вязкость исходных жидкостей.

Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение вязкости. При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление вязкости, но и на разрушение структуры.

В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому Вязкость 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 импульса. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту. Вязкость 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 меньший импульс (закон Максвелла).

Вязкость — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение вязкости приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). Вязкость расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. Вязкость расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. Вязкость масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник

2. Вязкость (внутреннее трение) жидкости. Формула Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Способы измерения вязкости.

В реальных жидкостях всегда существуют силы трения. В отличие от твёрдых тел, где силы трения действуют между двумя разными телами, в жидкостях силы трения возникают внутри жидкости (между разными её слоями). Поэтому трение в жидкостях называют внутренним трением или вязкостью (эти термины являются синонимами).

Рассмотрим два слоя жидкости, движущиеся с разными скоростями (рис. 4). Расстояние между слоями равно х.

S

SSsv ₁

Х v ₂ Рис. 4

Выделим в каждом слое площадку с площадью S. Ньютон показал, что сила трения между этими слоями равна: (знак „минус» показывает, что сила трения направлена навстречу движению). Эта формула носит название формулы Ньютона.

Коэффициент (эта) называетсякоэффициентом вязкости или просто вязкостью (реже говорят „коэффициент внутреннего трения»). Из формулы (6) легко получить, что размерность величины есть Па . с; единица вязкости так и называется „паскаль на секунду». В старой литературе можно встретить внесистемную единицу „пуаз» (П); 1 Па . с = 10 П.

Коэффициент вязкости зависит, прежде всего, от природы жидкости (например, у воды вязкость относительно мала, у масла много больше). Кроме того, он сильно зависит от температуры. С ростом температуры вязкость сильно уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому, например, для машин применяют летнюю (более вязкую) и зимнюю (менее вязкую) смазку. При низкой температуре вязкость летней смазки ещё больше увеличится, возрастут силы трения, и увеличится расход энергии; кроме того, машину трудно будет завести. Если же пользоваться летом зимней, менее вязкой смазкой, она станет слишком текучей и будет вытекать из подшипников.

Для большинства жидкостей коэффициент вязкости припостоянной температуре есть постоянная величина, зависящая только от природы жидкости и не зависящая от её скорости (точнее, от градиента скорости). Такие жидкости принято называть „ньютоновскими», то есть строго подчиняющимися закону Ньютона.

Однако опыт показал, что для ряда жидкостей .При малых градиентах скорости (что чаще всего бывает, когда сама скорость движения жидкости мала) вязкость относительно велика, но с ростом градиента скорости вязкость уменьшается, приближаясь к некоторому, сравнительно малому постоянному значению (см. рисунок 5).

Такие жидкости называются „неньютоновскими». К ним относятся, во-первых, растворы веществ, молекулы которых в растворе образуют достаточно сильные межмолекулярные связи. Эти связи затрудняют перескоки молекул из одного положения в другое и тем самым снижают текучесть раствора, то есть увеличивают его вязкость. При увеличении градиента скорости межмолекулярные связи сначала частично, а в конце концов и полностью разрываются; в результате вязкость раствора падает до некоторой минимальной величины. Примерами неньютоновских жидкостей такого рода являются глицерин и, особенно, растворы белков. Во-вторых, неньютоновскими являются жидкости, содержащие мелкие взвешенные частички (пылинки, песчинки, микроорганизмы), а также коллоидные растворы. Легко видеть, что кровь относится и к первому и ко второму случаям: плазма крови содержит большое количество растворённых белков, и в ней плавает большое число клеток (в основном — эритроцитов); кровь — это типичная неньютоновская жидкость. Поэтому, в частности, в капиллярах, где скорость течения крови мала, вязкость крови заметно больше, чем в крупных сосудах; это необходимо учитывать при расчётах движения крови в системе кровообращения.

Способы измерения вязкости

Для измерения величины в жидкостях с большой вязкостью (глицерин, различные масла) удобно применятьметод Стокса. Он основан на измерении скорости падения шарика в исследуемой жидкости. Эта скорость обратно пропорциональна вязкости жидкости. Измерив скорость падения шарика и зная его радиус и некоторые константы, можно рассчитать величину .

Коэффициент вязкости маловязких жидкостей обычно определяют по скорости протекания жидкости через трубку очень малого диаметра (капилляр). Объёмная скорость жидкости в этом случае обратно пропорциональна вязкости. Обычно сравнивают объёмную скорость течения исследуемой жидкости с объёмной скоростью воды (или другой жидкости с хорошо известной вязкостью). Например, для измерения вязкости крови часто пользуются вискозиметром ВК-4 (вискозимет­рами вообще называются приборы для измерения вязкости). Он состоит из двух одинаковых капиллярных трубок со шкалами. Капилляры через тройник соединены с резиновой трубкой, из которой можно вытягивать воздух. В один капилляр набираем кровь до деления 1; в другой — воду. Предположим, вода дошла до деления 4,5. Значит, объёмная скорость движения крови оказалась в 4,5 раза меньше, чем у воды. Но объёмная скорость обратно пропорциональна вязкости, следовательно — вязкость крови в 4,5 раза больше, чем у воды. В клинических лабораториях обычно указывают значение вязкости не в единицах СИ, а по отношению к воде. В данном примере врач скажет, что вязкость крови равна 4,5. У большинства людей значение вязкости крови лежит в пределах 4-5.Однако, при сильном обезвоживании или при некоторых заболеваниях крови это значение может значительно изменяться.

Источник