Содержание
В быту очень часто понятие "вязкая жидкость" отождествляется с чем-то липучим, скользким, в чём можно испачкаться. Отчасти так оно есть. Давайте подробнее разберемся в ситуации.
Вещества
Где бы мы с вами ни находились, нас всегда окружают вещества и физические тела, находящиеся в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом, жидком и газообразном. Четвертое агрегатное состояние вещества — плазма — неспособно существовать в так называемых нормальных условиях. Для его поддержания необходимы искусственно созданные режимы. Жидкие и газообразные вещества занимают более 85 % объёма нашего жизненного пространства. Достаточно лишь упомянуть воздух, которым мы дышим, и воду, которую мы пьём. И любое из этих веществ можно охарактеризовать с точки зрения их вязкости.
В чём измеряют
По определению вязкость — это свойство текучих тел оказывать сопротивление их перемещению относительно неподвижной системы координат или друг друга. Существует динамическая и кинематическая вязкость. Динамическая вязкость в международной системе СИ измеряется в [Па*с] (Паскаль в секунду). С физической точки зрения эта величина показывает изменение потерь давления в единицу времени. В системе СГС (сантиметр — грамм — секунда) она измеряется в пуазах (1 Па*с = 10 пуаз) и названа в честь знаменитого французского физика и врача Жана Луи Мари Пуазёйля.
Кинематическая вязкость измеряется в м 2 /с (в системе СИ) и в стоксах (чаще в сантистоксах). 1 сСт = 1 мм 2 /с. Это основополагающее значение данного свойства текучих сред. Через специальный прибор, вискозиметр, можно измерить вязкость любой жидкости. Её определённый (тарированный) объём пропускают через калиброванное отверстие без механического побуждения, лишь под действием силы тяжести.
Способ определения
Единица кинематической вязкости была определена ещё в конце сороковых годов двадцатого века советским ученым Я. И. Френкелем. В своих уравнениях он описывал механизм скатывания капель различных жидкостей с различных наклонных поверхностей (формула 2.1, см. рисунок выше), где r и m — радиус и масса капли, α — критический угол скатывания капли, θ — угол отекания капли, σ — коэффициент трения. Из теории о движении молекул и обосновании времени их "осёдлости" Френкелем (и, независимо от него, на два года позже, французским физиком Андраде) было получено соотношение для расчета динамической вязкости (формула 2.2). Такая зависимость носит название "уравнение Френкеля — Андраде", хотя в зарубежной литературе имя советского физика часто опускают, называя её формулой Андраде.
Коэффициенты
В абсолютных величинах единица кинематической вязкости может быть получена из соотношения кинематической к динамической вязкости, через плотность среды (формула 2.3). Следует помнить, что сама вязкая среда не подразделяется на кинетическую или динамическую. Оба значения могут быть рассчитаны для любого вещества. Учитывая тот факт, что при протекании среды создается сопротивление движению, можно построить вектор силы вязкого трения. В абсолютных величинах он прямо пропорционален площади движения среды S и ее скорости v, и обратно пропорционален расстоянию между плоскостями h (формула 2.4). Это значение называют коэффициентом динамической вязкости или коэффициентом пропорциональности. Знак минус указывает на противоположность приложения силы (направления вектора). Коэффициент кинематической вязкости, как правило, не рассчитывают. В редких случаях им называют уравнение соотношения (формула 2.3).
Зависимости
Вязкость играет довольно существенную роль при движении жидкостей. В результате действия сил прилипания (особенно у сильно вязких жидкостей) слой потока жидкости, находящийся непосредственно у твёрдой поверхности, остается неподвижным. Скорость остальных слоёв увеличивается при удалении от плоскости стенки. Кинематическая вязкость и динамическая растут с увеличением давления и уменьшаются с ростом температуры среды.
Газы и неньютоновские жидкости
Вязкость газообразных сред определяется в зависимости от их температуры. Для идеального газа можно воспользоваться формулой Сазерленда (формула 2.5). Эта формула применима в диапазоне температур от абсолютного нуля до 555 К и в диапазоне давлений не более 3,45 МПа.
Кинематическая вязкость неньютоновских жидкостей вычисляется по приведённому закону Навье — Стокса (формула 2.6), где σij — тензор вязких напряжений. К неньютоновским жидкостям относят псевдопластики (кровь, краска, кетчуп, лава и др.), а также дилатантные жидкости (жидкости с плотно перемешанными частичками, у которых вязкость резко возрастает при росте деформации сдвига).
В цифрах
Критический предел перехода в иное агрегатное состояние (твердое тело) у жидкостей достигается при значениях вязкости около 10 11 — 10 12 [Па*с]. При этом жидкость приобретает свойство стеклообразной массы (например, моноэтиленгликоль при концентрациях более 75 % в водном растворе). У чистой воды без примесей кинематическая вязкость при температуре 20 о С и атмосферном давлении составляет 1,006 * 10 6 м 2 /с.
h при 20°С, 10 -3 н · сек/м 2 или спз
Расплавленные металлы имеют В. того же порядка, что и обычные жидкости (рис. 2). Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий. При температуре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором В. равна нулю (см. Гелий, Сверхтекучесть).
В. — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение В. приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). В. расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. В. расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По В. во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку В. тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. В. масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет В. движением и взаимодействием молекул. В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому В. газов определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определённого количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.
В. газа не зависит от его плотности (давления), так как при сжатии газа общее количество молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньшее количество движения (закон Максвелла). Для В. идеальных газов в молекулярно-кинетической теории даётся следующее соотношение:
где m — масса молекулы, n — число молекул в единице объёма, 
— средняя скорость молекул и l — длина свободного пробега молекулы между двумя соударениями её с другими молекулами. Так как 
возрастает с повышением температуры Т (несколько возрастает также и l ), то В. газов увеличивается при нагревании (пропорционально 
). Для очень разреженных газов понятие В. теряет смысл.
В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, В. обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения В. жидкостей с повышением температуры (рис. 3) и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория В. жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул В., достаточно хорошо отражающих зависимость В. отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и химического состава.
В. жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) В. изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая В. смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов (см. Циклические соединения, Нафтены). Две жидкости различной В., которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением В. Если же при смешивании образуется химическое соединение, то В. смеси может быть в десятки раз больше, чем В. исходных жидкостей. На этом основано применение измерений В. в качестве метода физико-химического анализа.
Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение В. При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) В., но и на разрушение структуры (см. Реология).
Для нормальных вязких жидкостей между количеством жидкости Q, протекающей в единицу времени через капилляр, и давлением p существует прямая пропорциональность (см. Пуазёйля закон). Течение структурированных жидкостей не подчиняется этому закону, для них кривые зависимости Q от р выпуклы к оси давления (рис. 4), что объясняется непостоянством h . Аномальной В., характерной для структурированных жидких систем, обладают важнейшие биологические среды — цитоплазма и кровь.
Вязкость биологических сред определяется в большинстве случаев структурной вязкостью. В. жидкого содержимого клетки-цитоплазмы связана со структурой составляющих её биополимеров и субклеточных образований, что вызывает отклонения (характера тиксотропии) вязкого течения от ньютоновского закона нормальных жидкостей. Методы измерения В. биологических сред — наблюдение скорости перемещения гранул при центрифугировании или железных опилок в магнитном поле, измерение среднего смещения броуновских частиц (см. Броуновское движение). Абсолютная вязкость цитоплазмы колеблется от 2 до 50 спз (1 спз = 10 -3 н · сек/м 2 ), она меняется в различных частях клетки и в разные периоды клеточного цикла. С понижением температуры ниже 12—15°С и при повышении её свыше 40—50°С вязкость цитоплазмы увеличивается. При воздействии облучения наблюдается сначала уменьшение вязкости, а затем, при увеличении дозы, — её возрастание.
Вязкость ликвора, лимфы и плазмы крови достаточно точно описывается ньютоновским законом вязкого течения, она исследуется в капиллярных или цилиндрических вискозиметрах. Кровь — неньютоновская жидкость, так как содержит структурированные компоненты — белки и клетки крови, её вязкость у человека в норме 4—5 спз, при патологии колеблется от 1,7 до 22,9 спз, что отражается в реакции оседания эритроцитов (РОЭ).
Лит.: Гaтчек Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1935; Труды совещания по вязкости жидкостей и коллоидных растворов, т. 1—3, М. — Л., 1941—45; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, М. — Л., 1945; Фукс Г. И., Вязкость и пластичность нефтепродуктов, М., 1956; Голубев И. Ф., Вязкость газов и газовых смесей, М., 1959; Справочник химика, 2 изд., т. 1, Л. — М.,1963; Руководство по цитологии, т. 1—2, М. — Л., 1965—66; Heilbrunn L. V. The viscosity of protoplasm, W., 1958.
Рис. 4. Зависимость количества жидкости Q, протекающей через капилляр в 1 сек, от давления p для нормальных (ньютоновских) и аномальных (неньютоновских) жидкостей.
Рис. 2. Вязкость некоторых расплавленных металлов в спз.
Рис. 1. Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости, заключенного между двумя твердыми пластинками площадью S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; D x0 — величина начального сдвига жидкости.
Рис. 3. Измерение вязкости некоторых смазочных масел в зависимости от температуры ( h дана в пз).
Кинематическая и динамическая вязкость
Каждый тип жидкости обладает разным количеством сопротивлений деформации. Мера этого сопротивления называется вязкостью. Вязкость выражает устойчивость жидкости к напряжению или напряжению сдвига.
В общем, вязкость — это тонкость или толщина текучей среды. Отличным примером этого является различие вязкости воды и меда. Вода считается «тонкой», поэтому вязкость ниже. С другой стороны, мед значительно «толстый» и представляет собой жидкость с более высокой вязкостью.
Вязкость также может рассматриваться как мера трения жидкостей, так как она также описывает внутреннее сопротивление потока жидкости. Существует два способа отчета или измерения вязкости жидкости. Его можно либо выражать как динамическую вязкость, либо кинематическую вязкость. Многие из них смешиваются между этими двумя типами выражения вязкости, а некоторые даже считают их одними и теми же. На самом деле это два существенно разных выражения.
Динамическая вязкость, которая также называется абсолютной вязкостью или просто вязкостью, представляет собой количественное выражение устойчивости жидкости к потоку (сдвигу). Физические динамисты, инженеры-химики и механики обычно рассматривают использование греческой буквы mu (Âμ) в качестве символа для обозначения динамической вязкости. Химики и физики, с другой стороны, обычно используют «n» в качестве символа.
Его единица СИ находится в pascal-second (Pa.s) или N.m ^ -2.s. Для cgs динамическая вязкость находится в единице, называемой «пуаз», которая взята из названия Жан Луи Мари Пуазейля. Однако наиболее распространенным выражением является сантипуаз (cP), который в основном используется в стандартах ASTM.
С другой стороны, кинематическая вязкость представляет собой отношение вязкой силы к инерционной силе. Инерционная сила характеризуется плотностью жидкости (р). Кинематическая вязкость символизируется греческой буквой nu (v).
Кинематическая вязкость математически определяется как:
Для единиц СИ оно выражается как m ^ 2 / s. Кинематическая вязкость также выражается в стоках (St) или сантистоках (ctsk или cSt) для единиц cgs. Он назван в честь Джорджа Габриэля Стоукса. Следует отметить, что вода (H2O) при 20 градусах Цельсия составляет около 1 сСт.
Кинематическую вязкость иногда называют диффузией импульса, поскольку она имеет ту же единицу по сравнению с коэффициентом диффузии массы и диффузии тепла. Поэтому он используется в безразмерных числах, что сравнивает коэффициент диффузии.
1. Динамическая вязкость — это количественное выражение устойчивости жидкости к потоку, а кинематическая вязкость — отношение вязкой силы жидкости к инерционной силе.
2. Динамическая вязкость символизируется либо «Âμ», либо «n», а кинематическая вязкость математически символизируется «v».
3. В системе единиц cgs динамическая вязкость находится в единице, называемой «пуаз», которая взята из названия Jean Louis Marie Poiseuille, тогда как кинематическая вязкость выражается в «стоках» (St) или сантистоках (ctsk или cSt) , которые названы в честь Джорджа Габриэля Стоукса.
4. Динамическую вязкость иногда называют абсолютной вязкостью или просто вязкостью, а кинематическую вязкость иногда называют диффузией импульса.
