Какова природа сил вязкости в жидкостях кратко

Обновлено: 05.07.2024

Под вязкостью жидкости понимают внутреннее трение, представлено одним из явлений переноса. Иначе говоря, это особенность текучих тел, жидкостей и газов, которая характеризуется оказанием сопротивления передвижению одной части в отношении к совершенно другой. Результатом такого перемещения стает работа, что сначала затрачивалась на передвижение, а потом рассеялась в виде теплоты.

Принцип работы механизма трения внутреннего в газах и жидкостях заключается непосредственно в переносе молекул импульса, что двигаются хаотически, от одного шара к другому, результатом такого процесса является выравнивание скоростей (сила трения). Исходя из этого, становиться ясно, что вязкость самих твердых тел наделена полным набором уникальных свойств и особенностей.

Виды вязкости

Вязкость классифицируется таким образом:

динамическая;
условная;
кинематическая.

Международная измерительная система предполагает измерение динамической вязкости с помощью паскалей в одну секунду. С физической точки зрения, эта величина характеризует диапазон изменения утраченного давления за это время. Если принять ко вниманию систему СГС, эта величина измеряется в пуазах, название походит от имени известного французского физика Пуазёйля. Динамическая жидкостная вязкость имеет способность к уменьшению при росте температуры и к увеличению - когда растет показатель давления.

Измерить кинематическую вязкость можно в стоксах, которые представляют собой главное свойственное значение текучих сред. Когда задействован специальный прибор вискозиметр, измерять вязкость можно совершенно любой жидкости. Жидкостный тарированный объем проходит через калиброванное отверстие под действием силы тяжести, исключая механическое побуждение.

Под условной вязкостью подразумевают величину, что косвенным образом определяет течению гидравлическое сопротивление. Кроме этого, данная величина измеряется непосредственно временем, за которое истек заданный объем раствора через трубку с конкретным диаметром, что находится в вертикальном положении. В честь немецкого физика условную вязкость измеряют в градусах Энглера.

Методы определения вязкости жидкости

Вискозиметрия - это процесс осуществления измерения жидкостной вязкости. На сегодняшний день определить вязкость жидкости можно благодаря таким методам как:

Капиллярный. Для осуществления данного метода необходимо обзавестись двумя сосудами, соединенными стеклянным каналом между собой, который имеет небольшой диаметр и конкретную длину. Также нужно знать изначальное показание давления в каждом сосуде. Жидкость требуется поместить в стеклянный канал, она, в свою очередь, через некоторое время способна переместиться из одной в другую колбу. Следующие подсчеты можно рассчитать с помощью формулы Пуазейля. Новые капиллярные вискозиметры изготовлены из хорошего и прочного материала, что способен выдержать любые нагрузки температуры.
Медицинский по Гессе. Для того чтобы рассчитать жидкостную вязкость, нужны две одинаковые капиллярные установки. В одну из них необходимо поместить среду, значение внутреннего трения которой нам известно, а во вторую - исследуемую жидкость. Потом требуется осуществить измерение двух временных значений и составить пропорции, чтобы получить в результате необходимое число.
Ротационный. Для этого метода потребуется конструкция из двух непосредственно соосных цилиндров, один из который находится внутри другого. В тот промежуток, что образовался, помещается жидкость, а внутренний цилиндр получает конкретную скорость. Эта угловая скорость сообщается самой жидкости в сосуде. Разница в моментальной силе и определяет вязкость этой среде.
Стокса. Чтобы провести такой опыт, нужно обзавестись вискозиметром Гепплера, что имеет форму цилиндра, заполненного жидкостью. Перед экспериментом требуется поставить на поверхности две отметки и измерить длину между ними. Следом нужно взять шарик конкретного радиуса (R) и опустить его в жидкость. Для того чтобы вычислить скорость падения шара, требуется узнать время перемещения объекта от одной к другой метке. Если мы узнаем скорость движение, узнать вязкость жидкости не составит труда.

Вязкость в практическом применении

На практике известны различные способы применения свойств жидкостной вязкости. В практическом смысле определить данную величину нужно: в работе нефтеперерабатывающей отрасли, деятельности с дисперсными, многофазными средами, ведь данные сферы подразумевают наличие определенных знаний о физических особенностях сред, особенно показателя их внутреннего трения.

Новые вискозиметры изготовляются из качественных материалов с использованием исключительно передовых технологий. В совокупности это дает возможность осуществлять деятельность с большой температурой и показателем давления без негативного влияния на оборудование. Жидкостная вязкость огромное значение имеет в промышленности, так как переработка, транспортировка, добыча зависимы напрямую от того значения внутреннего трения, что характерен для жидкостной смеси.

Вязкость жидкости также достаточно важна для медицинского оборудования. Поступление смеси газа с помощью эндотрахеальной трубки зависимо от внутреннего трения этого газа. В этом случае, будет наблюдаться изменение показателей вязкости конкретной среды на проникновение воздуха непосредственно через аппарат.

Когда вводятся лекарственные препараты и вакцины через шприц, наблюдается реальный пример действия вышеуказанного процесса. Несмотря на начальное пренебрежение исследователями этого физического явления, в такой момент просматривается перепад давления на кончике иголки, когда впрыскивается жидкость. Высокое давление возникает на наконечнике и является результатом процесса внутреннего трения.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что вязкость среды - это определенная физическая величина, что характеризуется широким применением на практике. В промышленности, медицине, лаборатории достаточно часто наблюдается внутреннее трение. Осуществление работы самого простого лабораторного оборудования зависит напрямую от уровня вязкости среды, что используется в экспериментах.

Под вязкостью понимают свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц. Физической причиной вязкости является молекулярное взаимодействие. Вследствие различия в молекулярной структуре капельных жидкостей и газов различна и природа их вязкостей. В жидкостях вязкость есть проявление сил сцепления между молекулами, в газах она результат взаимодействия, обусловленный хаотическим движением молекул. Поэтому при повышении температуры в газах вязкость увеличивается за счет более интенсивного движения молекул. Наоборот, в капельных жидкостях повышение температуры приводит к снижению вязкости, т.к. происходит увеличение среднего расстояния между молекулами.

Равновесное состояние вещества характеризуется распределением его параметров в пространстве. Если за счет какого-либо воздействия окажется, что в каком-то месте пространства возникла неравновесность, то в веществе начинает происходить механический или тепловой обмен, который стремится сгладить неравномерность. В общем случае этот обмен называют процессом переноса. В различных явлениях можно наблюдать процессы переноса энергии, массы (вещества) и количества движения. Как будет показано ниже, вязкость обусловлена процессом переноса количества движения.

Для уяснения того, как проявляются силы вязкости, рассмотрим течение жидкости в круглой трубе. Будем считать, что векторы скоростей частиц параллельны оси x. Забегая вперед, отметим, что такое течение существует в природе и носит название ламинарного.

Пользуясь чисто интуитивными представлениями, установим вид распределения скоростей в поперечном сечении потока. Сразу же отметим, что графическое изображение

распределения скоростей в поперечном сечении называют эпюрой скоростей (либо полем скоростей). Очевидно, что скорости частиц, находящихся на стенках трубы, равны нулю и возрастают по мере приближения к оси (на оси ) как это показано на рис. 2.1.

Рассмотрим два слоя жидкости (a-a и b-b), расположенные на расстоянии dy. Пусть слой a-a движется со скоростью u, тогда, как следует из эпюры, слой b-b имеет скорость u+du. Таким образом, на верхней и нижней гранях прямоугольной жидкой частицы, расположенной между слоями, скорости различны, что в соответствии с законами механики должно привести к ее деформации. Заметим, что такое движение в гидромеханике называют простым сдвигом, либо течением чистого сдвига.

Взаимодействие молекул через этот элемент приводит к появлению касательной составляющей напряжения. При этом знак этой составляющей, т.е. ее направление, таково, что оно соответствует уменьшению разности скоростей по обе стороны рассматриваемого элемента. Величина силы трения, возникающая между слоями движущейся жидкости, определяется по формуле, предложенной Ньютоном и подтвержденной многочисленными и тщательно поставленными опытами нашего соотечественника профессора Н.П.Петрова. Эта формула имеет вид:

где S - площадь поверхности соприкасающихся слоев;

- динамическая вязкость, зависящая от физической природы жидкости, ее агрегатного состояния и температуры, и практически не зависящая от давления. Динамическая вязкость выражается в Пас.

В технических приложениях часто используется не динамическая, а кинематическая вязкость, представляющая собой отношение

Кинематическая вязкость выражается в м2/с.

Величина характеризует изменение скорости в направлении нормали к ней, либо, если говорить об эпюре - темп изменения скорости. Иногда эту величину называют поперечным градиентом скорости.

Разделим правую и левую части (2.4) на S. Отношение есть не что иное, как касательное напряжение , т.е.

Таким образом, можно сказать, что вязкость жидкости - это способность ее оказывать сопротивление касательным напряжениям.

Из (2.6) можно сделать еще один важный вывод. Если жидкость находится в состоянии покоя, то и, следовательно, , т.е. в покоящейся жидкости силы вязкости не проявляются. Это согласуется и с обычными житейскими представлениями. Действительно, для того, чтобы ответить на вопрос о том, является ли вязкой среда, налитая в сосуд, например, стакан, стоящий на столе, необходимо либо попытаться перелить ее в другой сосуд, либо, обмакнув в нее какой-то предмет, посмотреть как она стекает с него. Смысл этих действий в том, что мы интуитивно чувствуем, что требуется наблюдать движение этой среды.

Выше было высказано предположение, что вязкость обусловлена переносом количества движения. Для того, чтобы убедиться в этом, рассмотрим формулу Ньютона с позиций физических величин, входящих в нее

В числителе количество движения, т.е. это количество движения, переносимое через единицу поверхности в единицу времени.

И, наконец, установим физический смысл поперечного градиента скорости, для чего рассмотрим жидкую частицу, показанную на рис. 2.2. Вследствие разности скоростей на верхней и нижней гранях, первоначально прямоугольная частица будет деформироваться и превращаться в параллелограмм.

Отрезок dl характеризует величину деформации за время dt, т.е. , тогда , но

, тогда . Следовательно, поперечный градиент скорости представляет собой скорость относительной деформации сдвига. Таким образом, касательное напряжение в жидкости линейно зависит от скорости относительной деформации. В этом принципиальное отличие жидкости от твердого тела, в котором касательные напряжения зависят от величины деформации, а не от ее скорости.

Жидкости, удовлетворяющие (2.6) называются ньютоновскими, а не подчиняющиеся этой формуле неньютоновскими. К числу последних относятся растворы полимеров и др.

где S - площадь поверхности соприкасающихся слоев;

Кинематическая вязкость выражается в м2/с.

Разделим правую и левую части (2.4) на S. Отношение есть не что иное, как касательное напряжение , т.е.

Отрезок dl характеризует величину деформации за время dt, т.е. , тогда , но

Рейтинг: / 0

Вязкость - свойство жидкостей и газов, характеризующих сопротивляемость скольжению или сдвигу одной их части относительно другой.

Коэффициент динамической вязкости m характеризует силы взаимоде йствия между молекулами газа, которые преодолеваются при его движении.

Основной единицей вязкости в системе СИ является паскаль-секунда (Па*с). В нефтепромысловой практике вязкость измеряют в пуазах (П) или сантипуазах (сП). 1сП = 0,01 П= 0,001 Па*с.

Коэффициент кинематической вязкости. В расчетах наряду с абсолютной вязкостью газа применяют кинематическую вязкость n, равную абсолютной вязкости, деленной на плотность газа: n=m/r.

Единицей кинематической вязкости является квадратный метр на секунду (м2/с) или квадратный миллиметр на секунду (мм2/с) 1 мм2/с = 10-6 м2/с.

В нефтепромысловой практике кинематическую вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт) 1 Ст = 10-4 м2/с; 1 сСт = 10-6 м2/с = 1 мм2/с.

При пересчетах абсолютной вязкости газа в кинематическую значения плотности r или удельного веса g берутся при рассматриваемых давлениях и температурах.

Учет влияния на вязкость азота - .

Природа вязкости газов и жидкостей. В газах расстояние между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газов следствие хаотического (теплового) движения молекул, сопровождающее переносом от слоя к слою определённого количества движения, в результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешних сил, уравновешивающих вязкое сопротивление и поддерживающее установившееся течение, полностью переходит в теплоту.

В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена молекулярным 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.

При больших давлениях (больше 10 -15МПА) газы становятся не идеальными, так как средние расстояния между молекулами становятся сравнимыми с радиусом межмолекулярного взаимодействия, и природа вязкости газов становится аналогичной жидкости.

Качественная зависимость вязкости газов и жидкостей от температуры .

В идеальном газе вязкость m не зависит от плотности (давления), а определяется величинами средней скорости и длиной свободного пробега молекул. Так как средняя скорость возрастает с повышением температуры Т (несколько возрастает также и длина свободного пробега), то вязкость газов увеличивается при нагревании (пропорционально корню квадратному от температуры) (рис.1.4).

Присутствие неуглеводородных компонентов в газе повышает вязкость природного газа.

В жидкостях энергия активации уменьшается сростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста её при высоких давлениях.

В силу того, что при больших давлениях газы приобретают свойства жидкости, то при давлениях больших 10-15Мпа вязкость природных газов падает с ростом температуры (рис.1.4), но само значение вязкости повышается с ростом давления.

Твердотопливные котлы в Украине котлы в Украине

Полное описание первых признаков и выраженных симптомов при гепатите В здесь

Успехи достигнуты наукой за последние века, развитие электротехники, поставившее на службу человеку энергию рек и водопадов, завоевание воздуха, изобретение радио, овладение неисчерпаемыми запасами ядерной энергии и многие другие достижения техники, — их все невозможно даже перечислить, — никогда бы не стали реальностью, если бы не опирались на бурное развитие всех отраслей знания. Поэтому неудивительно, если иногда у человека возникает мысль о том, что какое-либо явление природы он изучил полностью и ничего нового в нем уже открыть нельзя.

Эта мысль ошибочна!

Природа бесконечна, и познание ее никогда не остановится. Не составляет исключения и атомное учение. И в этой очень старой области знания имеется еще много неизвестного. За примерами не надо ходить далеко. Достаточно указать, что до сих пор мы не можем удовлетворительно объяснить одно из важнейших свойств жидкости, называемое вязкостью.

Но как определить точно, что такое вязкость, как ее измерить?

В классическом понимании слово вязкость обозначает свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В самом определении нет противоречий. Но, как это обычно и бывает, если мы попытаемся объяснить теорию, то всё окажется сложнее.

Попытаемся присмотреться повнимательнее к поведению какой-либо сильно вязкой жидкости и сравнить ее свойства и свойства жидкости менее вязкой.

Что вы чувствуете при размешивании ложкой густой сметаны?

Правильно, чтобы размешать сметану, надо к ложке приложить определенное усилие. Размешайте той же ложкой чай. Для этого усилие потребуется гораздо меньшее. То есть движение твердых тел в мало вязкой жидкости встречает меньшее сопротивление, чем в жидкости сильно вязкой.

Вот вам и один из способов измерить вязкость жидкости: достаточно определить сопротивление, испытываемое при движении в ней твердым телом правильной формы, например небольшим шариком.

Наряду с этим способом вязкость часто измеряется иначе.

Сравните, как вытекают из одинаковых бутылок такие жидкости, как вода и густой мед. У многих при выливании меда из бутылки невольно возникает желание потрясти ее, для того чтобы мед вытекал скорее. Чем больше вязкость жидкости, тем медленнее она течет.

Сравнив время протекания по узенькой трубочке одного и того же количества двух различных жидкостей, мы узнаем, во сколько раз вязкость одной жидкости больше или меньше вязкости другой.

Приняв условно, что вязкость чистой воды при 20 градусах равна 0,01, мы найдем таким способом, что вязкость касторового масла равна 12, то есть в тысячу двести раз больше, а вязкость эфира — 0,0026, то есть в четыре раза меньше, чем вязкость воды.

Когда для определения вязкости жидкости измеряется сопротивление, оказываемое ею движению твердого тела, надо помнить, что сопротивление будет нарастать не только при увеличении вязкости, но и при увеличении размеров тела.

Кроме того, вязкость жидкости — только одна из причин сопротивления движению тела.

Она играет главную роль, когда движение происходит с небольшой скоростью. Движущееся тело как бы раздвигает слои жидкости, которые спокойно соединяются сзади него.

С возрастанием скорости картина движения изменяется. Частицы жидкости приобретают вращательное движение, течение делается пульсирующим, в жидкости возникают вихри, приводящие к перемешиванию жидкости.

Возникновение вихрей требует дополнительного усилия при движении тела в жидкости. Сопротивление движению делается больше. Чем энергичнее вихреобразование, тем больше сопротивление.

Для образования вихрей большое значение имеет форма тела.

Здесь может оказаться более выгодным воспользоваться телом больших размеров, но обладающим формой, ослабляющей образование вихрей. Такая форма называется обтекаемой.

Вязкость газов и, в частности, воздуха ничтожно мала. Вызванным ею сопротивлением можно свободно пренебречь.

Иначе обстоит дело с сопротивлением, вызванным образованием вихрей при быстром движении. В этом случае сопротивление может быть очень большим. Именно поэтому предметам, предназначенным для движения с большой скоростью в воздухе или в жидкости, придают обтекаемую форму.

Как же объясняется вязкость, как она связана с молекулярным строением вещества?

Природа вязкости газов уже давно объяснена. Предположим, что в газе движутся в направлении слева направо расположенные рядом две струйки: одна быстрее, вторая медленнее. Беспорядочное тепловое движение молекул газа заставляет частицы, движущиеся в одной из струек, залетать в другую. Этот залет частиц компенсируется встречным. В результате молекулы, из быстро движущейся струи будут попадать в медленную и будут ускорять ее движение, а молекулы медленной струи будут их тормозить.

Как мы видим, вязкость, или внутреннее трение, газа вызвана переносом разного количества движения. Молекулы, уходящие из быстро движущегося потока, уносят количество движения большее, чем приносят поступающие на их место.

Это объяснение позволило предвидеть некоторые особенности поведения газов. Так, например, удалось подсчитать изменение вязкости газов при изменении температуры. В результате опыта оказалось: если газ нагревается в закрытом объеме, то согласно расчета вязкость его увеличивается. Это довольно неожиданный результат. Многим это казалось невозможным, однако опыт подтвердил предвидение теории: газ, который нагревается без увеличения объема, делается более вязким.

Правильный расчет вязкости газов много способствовал утверждению в науке атомного учения.

Значительно хуже обстоит дело с объяснением вязкости жидкостей. Воспользоваться теми же рассуждениями, которые дали возможность объяснить вязкость газов, нельзя, потому что они приводят к противоречащей опыту зависимости вязкости жидкости от температуры.

Это не означает, что в движущейся жидкости перенос разного количества движения не играет никакой роли. Несомненно, это явление имеет место в жидкости и влияет на ее свойства. Однако при объяснении вязкости необходимо учитывать особенности молекулярного строения жидкости, отличающие ее от газа. Вероятно, решающее значение здесь имеет энергичное молекулярное взаимодействие, отсутствующее в газах.

Как бы там ни было, можно с полным основанием утверждать, что, несмотря на большое количество предложенных теорий, до сих пор не существует исчерпывающего объяснения вязкости жидкости.

Вязкость жидкости быстро возрастает при понижении температуры. Наоборот, при нагревании вязкость жидкости уменьшается.

При перевозке некоторых жидкостей в зимние месяцы их вязкость настолько увеличивается, что для выгрузки загустевшую массу приходится подогревать.

Иногда при понижении температуры вязкость возрастает настолько, что жидкость теряет одно из своих основных свойств — подвижность частиц, она перестает течь.

К такого рода веществам, относятся каменноугольный деготь, различные смолы, стекла, эмали.

Как видите, вопрос вязкости жидкости или газа ещё не описан в полном объеме. Однако, некоторые представления и подтверждения теорий имеются.

Читайте также: