ВЯ́ЗКОСТЬ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВЯ́ЗКОСТЬ, свойство жидкости (или газа) оказывать сопротивление течению. В. рассматривают также как одно из переноса явлений, определяющее диссипацию энергии при деформации среды. В. твёрдых тел обладает рядом особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. Внутреннее трение).
При ламинарном движении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинами, одна из которых неподвижна, а другая движется со скоростью $v$, молекулярный слой, непосредственно примыкающий к нижней пластине, остаётся неподвижным, а слой, примыкающий к верхней пластине, будет двигаться с макс. скоростью (рис.). Течение жидкости характеризуется градиентом скорости $γ̇=dv/dz$, указывающим на быстроту изменения скорости от слоя к слою в направлении, перпендикулярном движению жидкости. Если скорость изменяется линейно, то $ẏ=v/d$, где $d$ – расстояние между пластинами. Величину $γ̇$ называют также скоростью сдвига.
Согласно осн. закону вязкого течения, установленному И. Ньютоном (опубл. в 1687), напряжение сдвига $τ=F/S$, вызывающего течение жидкости, пропорционально градиенту скорости течения: $τ=ηγ̇$. Коэф. пропорциональности $η $называется коэф. динамической В., или просто В. Он характеризует сопротивление жидкости течению. В. также можно рассматривать как меру энергии, рассеиваемой в форме теплоты в процессе течения жидкости. Рассеяние энергии происходит вследствие переноса количества движения. Величины коэффициента В. и мощности $W$, рассеиваемой в единице объёма за счёт В., связаны соотношением: $W=ηγ̇^2$.
Соотношение, установленное Ньютоном, справедливо только в том случае, когда $η$ не зависит от скорости сдвига. Среды, в которых выполняется это условие, называются ньютоновскими (см. Ньютоновская жидкость).
Единицей измерения динамич. В. в СИ является Па·с [в СГС – пуаз (дин·с/см2): 1 пуаз=0,1 Па·с]. Величина $φ=1/η$, обратная В., называется текучестью. Также часто рассматривают кинематическую В. $ν=η/ρ$ (где $ρ$ – плотность вещества), измеряемую в м2/с (СИ) и стоксах (СГС). В. жидкостей и газов измеряется при помощи вискозиметров (см. Вискозиметрия).
В. идеальных газов определяется соотношением: $η=(1/3)mn\bar{u}\bar{l}$, где $m $– масса молекулы, $n$ – число молекул в единице объёма, $\bar{u}$ – ср. скорость молекул, $\bar{l}$ – длина свободного пробега молекулы.
В. газов увеличивается при нагревании, а В. жидкостей, наоборот, уменьшается. Это связано с разл. молекулярными механизмами В. в этих системах. Различают два механизма переноса количества движения: кинетический (не предполагающий столкновений между молекулами) и столкновительный. Первый является преобладающим в разреженном газе, второй – в плотном газе и жидкости.
В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому В. газов – следствие хаотич. (теплового) движения молекул, в результате которого молекулы переходят из слоя в слой, замедляя течение. Поскольку ср. скорость молекул $ū$ возрастает с повышением темп-ры, В. газов увеличивается при нагревании.
В. жидкостей, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, обусловлена в первую очередь межмолекулярными взаимодействиями, ограничивающими подвижность молекул. С повышением темп-ры облегчается взаимное перемещение молекул, ослабевают межмолекулярные взаимодействия и, следовательно, уменьшается внутр. трение жидкости.
В. жидкости определяется размерами и формой молекул, их взаимным расположением и силой межмолекулярных взаимодействий. В. зависит от химич. структуры молекул жидкости. Так, В. органич. веществ возрастает с введением в молекулу полярных групп и циклов. В гомологич. рядах (насыщенные углеводороды, спирты, органич. кислоты и т. п.) В. соединений возрастает с ростом молекулярной массы.
В. растворов зависит от их концентрации и может быть как больше, так и меньше В. чистого растворителя. В. предельно разбавленных суспензий линейно зависит от объёмной доли $φ$ взвешенных частиц: $ η=η_0(1+αφ)$ (формула Эйнштейна), где $η_0$ – В. дисперсионной среды. Коэф. $α $ зависит от формы частиц; в частности, для сферич. частиц $α=2,5$. Аналогичная зависимость В. от объёмной доли наблюдается в растворах глобулярных белков.
В. может изменяться в широких пределах. Далее приведены значения В. некоторых жидкостей и газов при темп-ре 20 °С (в 10–3 Па·с): газы – водород 0,0088, азот 0,0175, кислород 0,0202; жидкости – вода 1,002, этиловый спирт 1,200, ртуть 1,554, нитробензол 2,030, глицерин 1,485.
Наиболее низкой В. обладает жидкий гелий. При темп-ре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором В. равна нулю (см. Сверхтекучесть). В. газов в сотни раз меньше, чем В. обычных жидкостей. В. расплавленных металлов по порядку величины близка к В. обычных жидкостей.
Высокой В. обладают растворы и расплавы полимеров. В. даже разбавленных растворов полимеров существенно выше, чем В. низкомолекулярных соединений. Это связано с тем, что размеры полимерных макромолекул настолько велики, что разные участки одной и той же макромолекулы оказываются в слоях, движущихся с разными скоростями, что вызывает дополнит. сопротивление течению. В. более концентрированных растворов полимеров становится ещё выше из-за перепутанности макромолекул между собой. На измерении В. растворов основан один из способов оценки молекулярной массы полимеров.
Наличие в растворах полимеров пространственных структур, образуемых сцеплением макромолекул, приводит к возникновению т. н. структурной В., которая (в отличие от В. ньютоновских жидкостей) зависит от напряжения (или скорости) сдвига (см. Реология). При течении структурированной жидкости работа внешних сил затрачивается не только на преодоление внутр. трения, но и на разрушение структуры.