Динамічна в'язкість рідини. У чому її фізичний і механічний зміст?

Рідина визначають як фізичне тіло, здатне змінювати свою форму при як завгодно малому впливі на нього. Зазвичай розрізняють два основних види рідин: краплинні і газоподібні. Краплинні рідини - це рідини в звичайному розумінні: вода, гас, нафта, масло і так далі. Газоподібні рідини - це гази, які в звичайних умовах є, наприклад, такими газоподібними речовинами, як повітря, азот, пропан, кисень.

Дані речовини розрізняються за молекулярною структурою і увазі взаємодії молекул між собою. Однак, з точки зору механіки, вони є суцільними середовищами. І в силу цього, для них визначені деякі загальні механічні характеристики: щільність і питома вага-а також основні фізичні властивості: стисливість, температурне розширення, опір розтягуванню, сили поверхневого натягу і в`язкість.

Під в`язкістю розуміють властивість рідкого речовини чинити опір ковзанню або зрушенню його шарів один щодо одного. Суть цього поняття полягає в появі сили тертя між різними верствами всередині рідини при їх відносному русі. Розрізняють поняття «динамічна в`язкість рідини» та її «кінетична в`язкість». Далі розглянемо докладніше, в чому полягає відмінність цих понять.

Основні поняття і розмірність

Сила внутрішнього тертя F, що виникає між рухомими один щодо одного сусідніми шарами узагальненої рідини, прямо пропорційна швидкості руху шарів і площі їхнього зіткнення S. Ця сила діє в напрямку, перпендикулярному руху, і аналітично виражається рівнянням Ньютона

F = mu-S (? V) / (? N),

де (? V) / (? n) = GV - градієнт швидкості в напрямку нормалі до рухомих верствам.

Коефіцієнт пропорційності mu- - є динамічна в`язкість або просто в`язкість узагальненої рідини. З рівняння Ньютона він дорівнює

mu- = F / (S • GV).

У фізичній системі вимірювання одиницю в`язкості визначають як в`язкість середовища, в якому при одиничному градієнті швидкості GV = 1 см / сек на кожен квадратний сантиметр шару діє сила тертя в 1 дин. Відповідно і розмірність одиниці в даній системі виражається в дин • сек • см ^ (- 2) = г • см ^ (- 1) • сек ^ (- 1).

Ця одиниця виміру динамічної в`язкості називається Пуаз (П).

1 П = 0,1 Па • с = 0,0102 кгс • с • м ^ (- 2).

Застосовуються й більш дрібні одиниці, саме: 1 П = 100 сП (сантіпуаз) = 1000 МП (мілліпуаз) = 1000000 МКП (мікропуаз). У технічній системі за одиницю в`язкості приймають величину кгс • с • м ^ (- 2).

У міжнародній системі одиницю в`язкості визначають як в`язкість середовища, в якому при одиничному градієнті швидкості GV = 1 м / с на 1 м на кожен квадратний метр шару рідини діє сила тертя в 1 Н (ньютон). Розмірність величини mu- в системі СІ виражається в кг • м ^ (- 1) • с ^ (- 1).

Крім такої характеристики, як динамічна в`язкість, для рідин вводиться поняття кінематичної в`язкості як відношення коефіцієнта mu- до щільності рідини. Величина коефіцієнта кінематичної в`язкості вимірюється в Стокс (1ст = 1 см ^ (2) / с).

Коефіцієнт в`язкості чисельно дорівнює кількості руху, переносимого в рухомому газі за одиницю часу в напрямку, перпендикулярному руху, через одиницю площі, коли швидкість руху відрізняється на одиницю швидкості в шарах газу, віддалених на одиницю довжини. Коефіцієнт в`язкості залежить від роду і стану речовини (температури і тиску).

Динамічна в`язкість і кінематична в`язкість рідин і газів у великій мірі залежать від температури. При цьому зазначено, що обидва цих коефіцієнта зменшуються з зростанням температури для крапельних рідин і, навпаки, зростають при підвищенні температури - для газів. Відмінність цієї залежності можна пояснити фізичною природою взаємодії молекул в крапельних рідинах і газах.

Фізичний зміст

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, явище в`язкості для газів полягає в тому, що в рухомому середовищі внаслідок хаотичного руху молекул відбувається вирівнювання швидкостей різних шарів. Так, якщо перший шар рухається в деякому напрямку швидше, ніж сусідній з ним другий шар, то з першого шару в другій переходять більш швидкі молекули, і навпаки.

Тому перший шар прагне прискорити рух другого шару, а другий - уповільнити рух першого. Таким чином, загальна кількість руху першого шару буде зменшуватися, а другий - збільшуватися. Одержуване при цьому зміна кількості руху характеризується коефіцієнтом в`язкості для газів.

У крапельних рідинах, на відміну від газів, внутрішнє тертя в більшій мірі визначається дією міжмолекулярних сил. І, оскільки відстані між молекулами крапельної рідини невеликі в порівнянні з газоподібними середовищами, то сили взаємодії молекул при цьому - значні. Молекули рідини, як і молекули твердих тіл, коливаються поблизу положень рівноваги. Однак в рідинах ці положення не є стаціонарними. Після деякого проміжку часу молекула рідини різко переходить в нове положення. При цьому час, протягом якого положення молекули в рідині не змінюється, називають часом її «осілого життя».

Сили міжмолекулярної взаємодії суттєво залежать від виду рідини. Якщо в`язкість речовини мала, то його називають "текучим", так як коефіцієнт плинності і динамічна в`язкість рідини - обернено пропорційні величини. І навпаки, речовини з великим коефіцієнтом в`язкості можуть володіти механічною твердістю, як, наприклад, смола. В`язкість речовини при цьому істотно залежить як від складу домішок і їх кількості, так і від температури. При збільшенні температури величина часу «осілого життя» зменшується, внаслідок чого зростає рухливість рідини і зменшується в`язкість речовини.

Явище в`язкості, як і інші явища молекулярного переносу (дифузія і теплопровідність), є незворотнім процесом, що призводить до досягнення рівноважного стану, що відповідає максимуму ентропії і мінімуму вільної енергії.