Для чего нужна вязкость
Вязкость
Вы можете помочь улучшить эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Не подтверждённая источниками информация может быть поставлена под сомнение и удалена.
 Механика сплошных сред | ||||||||||
 | ||||||||||
| Сплошная среда | ||||||||||
| ||||||||||
| См. также: Портал:Физика |
Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — 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 работы, 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.
Различают динамическую вязкость (единицы измерения: Па·с = 10 пуаз) и кинематическую вязкость (единицы измерения: стокс, м²/с, внесистемная единица — градус Энглера). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.
Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 10 11 −10 12 Па·с
Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.
Содержание
Сила вязкого трения
Сила вязкого трения F пропорциональна скорости относительного движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h:
Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости.
Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот — под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.
Вторая вязкость
Вторая вязкость, или объёмная вязкость — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и/или при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.
Если динамическая (и кинематическая) вязкость характеризует деформацию чистого сдвига, то вторая вязкость характеризует деформацию объёмного сжатия.
Объёмная вязкость играет большую роль в затухании звука и ударных волн, и экспериментально определяется путём измерения этого затухания.
Вязкость газов
В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле
,
где 
— средняя скорость теплового движения молекул, 
− средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность 
прямо пропорциональна давлению, а — обратно пропорциональна. Такой же вывод следует и для других кинетических коэффициентов для газов, например, для коэффициента теплопроводности. Однако этот вывод справедлив только до тех пор, пока разрежение газа не становится столь малым, что отношение длины свободного пробега к линейным размерам сосуда (число Кнудсена) не становится по порядку величины равным единице; в частности, это имеет место в сосудах Дьюара (термосах).
С повышением температуры вязкость большинства газов увеличивается, это объясняется увеличением средней скорости молекул газа 
, растущей с температурой как 
Влияние температуры на вязкость газов
В отличие от жидкостей, вязкость газов увеличивается с увеличением температуры (у жидкостей она уменьшается при увеличении температуры).
Формула Сазерленда может быть использована для определения вязкости идеального газа в зависимости от температуры: [1]
Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 [2]
Вязкость жидкостей
Динамический коэффициент вязкости
Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:
Коэффициент вязкости 
(динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде:
Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества 
. Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение
где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.
Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.
Кинематическая вязкость
В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной
и эта величина получила название кинематической вязкости. Здесь — плотность жидкости; — динамическая вязкость (см. выше).
Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В СИ эта величина переводится следующим образом:
1 сСт = 1мм 2 
1c = 10 −6 м 2 c
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье — Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье):
где 
— тензор вязких напряжений.
Среди неньютоновских жидкостей, по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.
С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.
Вязкость аморфных материалов
Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс [4] :
где 
— энергия активации вязкости (кДж/моль), 
— температура (К), 
— универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К) и 
— некоторая постоянная.
Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости изменяется от большой величины 
при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину 
при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда 
, или ломкие, когда 
. Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса 
: сильные материалы имеют 
, в то время как ломкие материалы имеют 
.
Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:
с постоянными 
, 
, 
, 
и 
, связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.
В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования 
это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.
Если температура существенно ниже температуры стеклования 
, двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса
с высокой энергией активации 
, где 
— энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а 
— энтальпия их движения. Это связано с тем, что при аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.
При 
двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса
но с низкой энергией активации 
. Это связано с тем, что при аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.
Относительная вязкость
В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости, под которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости (см. выше) раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя:
где μ — динамическая вязкость раствора; μ0 — динамическая вязкость растворителя.
Вязкость некоторых веществ
Для авиастроения и судостроения наиболее важно знать вязкости воздуха и воды.
Вязкость воздуха
Вязкость воздуха зависит, в основном, от температуры. При 15.0 °C вязкость воздуха составляет 1.78·10 −5 кг/(м·с), 17.8 мкПа.с или 1.78·10 −5 Па.с.. Можно найти вязкость воздуха как функцию температуры с помощью Программы расчёта вязкостей газов
Вязкость воды
Динамическая вязкость воды составляет 8,90 × 10 −4 Па·с при температуре около 25 °C.
Как функция температуры T (K): (Па·с) = A × 10 B/(T−C)
где A=2.414 × 10 −5 Па·с; B = 247.8 K ; и C = 140 K.
Значения вязкостей жидкой воды при разных температурах вплоть до точки кипения приведена ниже.
Динамическая вязкость разных веществ
Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости некоторых ньютоновских жидкостей:
Вязкость жидкости. Всё ли так просто?
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.
В обыденной жизни слово «вязкость» употребляется очень часто. Мы говорим, например, что мед более вязок, чем подсолнечное масло, а подсолнечное масло, в свою очередь, более вязко, нежели вода.
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.