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.