Динамическая вязкость жидкости - что это такое?

0
0

Динамическая вязкость - одно из ключевых свойств жидкости, характеризующее ее текучесть и внутреннее трение между слоями при течении. От величины динамической вязкости зависит сопротивление движению в жидкости. Давайте разберемся, что она из себя представляет.

Определение динамической вязкости

Динамическая вязкость - это коэффициент пропорциональности между напряжением сдвига и градиентом скорости сдвигового течения жидкости. Она показывает, какое напряжение нужно приложить к жидкости, чтобы вызвать сдвиг со скоростью 1 с-1. Чем больше динамическая вязкость, тем меньше подвижность молекул жидкости и тем сильнее ее сопротивление деформации. Динамическая вязкость характеризует силу сопротивления при перемещении одного слоя жидкости относительного другого.

В системе СИ динамическая вязкость измеряется в Паскаль-секундах (Па·с). В системе СГС используются пуазы (П; 1 Па·с = 10 П).

Динамическая вязкость = Напряжение сдвига / Градиент скорости

Измерение вязкости на ротационном вискозиметре

Связь с кинематической вязкостью

Кинематическая вязкость - это отношение динамической вязкости к плотности:

Кинематическая вязкость = Динамическая вязкость / Плотность [нм2/с]

Кинематическая вязкость характеризует текучесть жидкости независимо от ее плотности. Это удобный безразмерный показатель для сравнения подвижности разных жидкостей.

Закон Ньютона о внутреннем трении

В 1687 году Исаак Ньютон вывел закон, связывающий скорость течения вязкой жидкости с возникающим напряжением сдвига. Это напряжение пропорционально градиенту скорости и динамической вязкости:

Напряжение сдвига = Динамическая вязкость × Градиент скорости [Па]

Таким образом, динамическая вязкость является коэффициентом пропорциональности в этом уравнении. Это уравнение получило название закона Ньютона о внутреннем трении вязких жидкостей.

Водопад в джунглях

Экспериментальное подтверждение

В начале XIX века закон Ньютона был подтвержден в экспериментах Кулона по измерению крутящего момента для вязких жидкостей. Также его проверили Пуазейль и Хаген в опытах по течению воды в капиллярах. Оказалось, что формула Ньютона очень точно описывает явление внутреннего трения в жидкостях.

В отличие от сухого трения, при вязком трении всегда возникает движение жидкости, даже при малых приложенных силах. Это связано с отсутствием силы статического трения у жидкостей.

Закон Ньютона широко используется при описании движения вязких жидкостей - в гидродинамике, реологии, инженерных расчетах.

Объясните детям, что такое вязкость, на примере движения меда, сиропа или густой нефти. Предложите им сравнить, как текут разные жидкости - вода, молоко, растительное масло. Это наглядно продемонстрирует внутреннее трение жидкости.

Измерение динамической вязкости

Для измерения динамической вязкости жидкостей используются специальные приборы - вискозиметры. Существует несколько разновидностей вискозиметров.

Капиллярные вискозиметры

В капиллярных вискозиметрах измеряют время истечения фиксированного объема жидкости под действием силы тяжести через калиброванное отверстие - капилляр. По известным геометрическим размерам капилляра рассчитывают динамическую вязкость.

Ротационные вискозиметры

В ротационных, или ротационно-цилиндрических вискозиметрах измеряют момент сил, действующих на тело (цилиндр или диск), помещенное в исследуемую жидкость и вращающееся с постоянной угловой скоростью.

Вибрационные вискозиметры

Вибрационные вискозиметры основаны на зависимости частоты и амплитуды вынужденных колебаний погруженного в жидкость тела от вязкости.

Особенности измерения для неньютоновских жидкостей

Для неньютоновских жидкостей, вязкость которых зависит от скорости сдвига, методика измерения имеет принципиальное значение. Например, для тиксотропных жидкостей нужно стандартизировать время отдыха между измерениями.

Единица динамической вязкости

В Международной системе единиц (СИ) за единицу динамической вязкости принят 1 паскаль-секунда (Па·с). В системе СГС используется пуаз (П; 1 Па·с = 10 П).

Иногда в технической литературе можно встретить устаревшие или несистемные единицы динамической вязкости. Например, сантипуаз (сП), равный 1 г/(см·с) = 0,1 Па·с.

Таблица значений динамической вязкости

Жидкость Динамическая вязкость при 20°С, Па·с
Вода 1,002
Ртуть 1,526
Масло минеральное 0,228

Для многих жидкостей значения динамической вязкости tabulated - приведены в справочниках или GOST. Зная температуру, по таблице можно определить вязкость.

Зависимость динамической вязкости от температуры

Динамическая вязкость уменьшается при нагревании для большинства жидкостей. Это связано с ослаблением межмолекулярного взаимодействия и облегчением движения слоев жидкости относительно друг друга с ростом температуры.

Для некоторых аномальных жидкостей зависимость обратная - вязкость возрастает с повышением температуры. Например, для чистой воды наблюдается такое поведение в интервале 0-4°С.

Влияние давления на динамическую вязкость жидкостей

Помимо температуры, на вязкость жидкостей оказывает влияние и давление. С ростом давления подвижность молекул затрудняется, поэтому динамическая вязкость увеличивается.

Это особенно важно учитывать в инженерных расчетах трубопроводов, где перекачиваемая жидкость находится под высоким давлением. Например, для нефтепродуктов изменение вязкости с давлением может достигать нескольких процентов на 100 атмосфер.

Уравнение Баруса

Зависимость динамической вязкости жидкости от давления описывается уравнением Баруса: μ = μ0 · eα·p где μ0 - вязкость при атмосферном давлении; α - коэффициент Баруса, параметр жидкости.

Вязкость полимерных жидкостей

Полимеры в расплаве или растворе образуют высоковязкие неньютоновские жидкости. Их вязкость сильно зависит от молекулярной массы полимера, степени разветвления молекул и температуры.

Например, вязкость полиэтиленового расплава при 160°С составляет 3·103 Па·с, а полистирольного - 104-105 Па·с. Это на много порядков выше вязкости низкомолекулярных органических жидкостей.

Влияние молекулярной массы

С увеличением молекулярной массы полимера его динамическая вязкость возрастает по степенному закону:

η ~ M3,4

Где M - молекулярная масса полимера.

Это связано с усилением межмолекулярного взаимодействия и увеличением размера клубков полимерных цепей с ростом M.

Вязкость растворов полимеров

Вязкость растворов полимеров зависит от их концентрации. С увеличением концентрации растворы становятся более вязкими.

Это используется на практике для регулирования вязкости лакокрасочных материалов, клеев, гелей, добавлением полимеров-загустителей.