Вязкость и особенности ее молекулярного механизма в жидкостях и газах. Закон трения Ньютона. Вязкость динамическая и кинематическая

Вязкостью называется свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Текучестью называется свойство жидкости принимать форму того сосуда, который они занимают и в целом изменять свою форму под воздействием очень малых сил (для того чтобы принять форму сосуда достаточно собств. массы).

Вязкость твердых тел имеет специфические особенности и, как правило рассматривать отдельно. Основной закон вязкого течения установлен Ньютоном – закон трения Ньютона (1687).

 

; - касательное напряжение

Трение, равное отношению тангенсальной (касательной) силы вызывающей сдвиг слоев жидкости или газа относительно друг друга к площади слоя, по которому происходит сдвиг.

Рис.

;

коэффициент динамической вязкости – Па*с

градиент скорости в направлении координаты X

Коэффициент динамической вязкости для простоты иногда называют просто вязкостью. Величина ей обратная называется текучестью:

Кинематической вязкостью называется величина:

;

 

Молекулярный механизм вязкости обусловлен переходом молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, что приводит к переносу от одного слоя к другому некоторого количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а быстрые замедляются. Работа внешней силы, которая уравновешивает вязкое сопротивление и поддерживает установившееся течение, полностью переходит в теплоту. Вязкость газа не зависит от его плотности, давления т.к. при сжатии газа общее количество молекул переходящих из слоя в слой увеличивается, но каждая молекула проходит меньшее расстояние.

Сростом температуры вязкость газов увеличивается пропорционально µ~Т. Для сильно разряженных газов понятие вязкости теряет смысл.

В жидкостях, где расстояния между молекулами малы, присутствуют силы межмолекулярного взаимодействия. Молекула из одного слоя может проникнуть в соседний слой лишь при условии, что в соседнем слое имеется полость достаточная для проникновения туда молекул. Для создания таких полостей, т.е. для «разрыхления» жидкости, требуется энергия называемая энергией активации вязкого течения. Эта энергия уменьшается с ростом температуры и понижением давления, поэтому вязкость жидкостей резко снижается с повышением температуры и сильно увеличивается при высоких давлениях.

Вязкость жидкости зависит от размера молекул закономерным образом в том случае если речь идет о сходных химических соединениях. Например, в ряду углеводородов, чем больше молекулярная масса, тем больше вязкость. При смешивании двух жидкостей с разной вязкостью результирующая вязкость некая средняя величина, определяемая механическим смешением при отсутствии химического взаимодействия между этими жидкостями. При образовании новых химических соединений вязкость может очень сильно измениться. Жидкости, подчиняющиеся закону трения Ньютона, называют ньютоновскими или капельными жидкостями. Зависимость вязкости этих жидкостей от температуры обычно приводится в справочниках в виде эмпирических данных. Для чистой воды зависимость динамической вязкости от температуры определяется по формуле Пуазейля:

Па*с (t в °С)

 

Среди технических жидкостей вода относится к тем, которые имеют наименьшую вязкость. Несколько меньшую вязкость, чем вода имеют только эфир и спирт. Самую малую вязкость среди капельных жидкостей имеет жидкая углекислота (в 50 раз меньше воды). Такое явление как сверхтекучесть обнаружена у жидкого Не, при температуре больше 2 К вязкость равна 0. Технические масла, как правило, имеют вязкость большую чем у воды.

Для определения динамической вязкости воздуха используется формула Милликена:

Па*с

С ростом температуры динамическая вязкость воздуха растет. Динамическая вязкость других технически важных газов имеет тот же порядок что и у воздуха

СИ: - [Па *с]

-

СГС: 1П= 1

 

1Па*с= 10П; П – пуаз

 

кинематическая вязкость

В СГС 1СТ=1 =

 

1 =1* сСт (Ст- стокс)

Кинематическая вязкость капельных жидкостей от давления практически не зависит (в инженерных расчетах пренебрегают). Кинематическая вязкость газов зависит как от температуры, так и от давления: растет с увеличением температуры и падает с увеличением давления. Кинематическая вязкость воздуха при t=20 °C и при 1 бар= Па в 15 раз больше чем у воды. Часто вязкость оценивают в условных градусах по шкале Энглера (°Э):

- время истечения чистой дистиллированной воды из специального мерного сосуда (200мл) через калиброванное отверстие

- время истечения испытуемой жидкости при тех же условиях

Для перевода условной вязкости в СГС применяется формула Убеллоде:

; (Ст)