какие жидкости считаются вязкими

Вязкость

Из Википедии — свободной энциклопедии

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате макроскопическая работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла. Твёрдые тела (стекло, металлы, полупроводники, диэлектрики, ферромагнетики) [1] также могут обладать вязкостью, но внутреннее трение в твёрдых телах в силу специфики явления обычно рассматривается отдельно в теории упругости и пластичности.

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 (единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — паскаль-секунда, Па·с, в системе СГС — пуаз, П; 1 Па·с = 10 П, 1 сП = 10 −3 Па·с = 1 мПа·с) и кинематическую вязкость (единица измерения в СИ — м 2 /c, в СГС — стокс, Ст; 1 Ст = см 2 /с = 10 −4 м 2 /с, 1 сСт = 1 мм 2 /с = 10 −6 м 2 /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. Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 10 11 —10 12 Па·с.

Источник

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.

Источник

Вязкость жидкости | Вязкость воды, молока, бензина, нефти, спирта

Кинематический коэффициент вязкости

Единицей кинематического коэффициента вязкости в системе СГС является стокc (Ст), или 1 см 2 /с, а также сантистокс (сСт): 1 сСт=0,01 Ст. В системах МКГСС и СИ единицей кинематического коэффициента вязкости является м 2 /с: 1 м 2 /с=10 4 Ст.

Для смазочных масел и жидкостей, применяемых в машинах и гидросистемах, предложена формула, связывающая кинематический коэффициент вязкости и температуру:

С достаточной точностью n может определяться выражением n=lgν50+2,7. Значения n в зависимости от исходной вязкости ν при 50 0 С приведены далее в таблице

Значения динамического и кинематического коэффициентов вязкости некоторых жидкостей приведены далее в таблице

Значение коэффициентов кинематической и динамической вязкости пресной воды

Вильнер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам.

Источник

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена при покое жидкости, так как она проявляется только при её движении. Для правильной оценки таких гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо прежде всего установить законы внутреннего трения жидкости и составить ясное представление о механизме самого движения.

Содержание статьи

Физический смысл вязкости

Для понятия физической сущности такого понятия как вязкость жидкости рассмотрим пример. Пусть есть две параллельные пластинки А и В. В пространство между ними заключена жидкость: нижняя пластинка неподвижна, а верхняя пластинка движется с некоторой постоянной скоростью υ₁

Как при этом показывает опыт, слои жидкости, непосредственно прилегающие к пластинкам (так называемые прилипшие слои), будут иметь одинаковые с ним скорости, т.е. слой, прилегающий к нижней пластинке А, будет находиться в покое, а слой, примыкающий к верхней пластинке В, будет двигаться со скоростью υ₁.

Промежуточные слои жидкости будут скользить друг по другу, причем их скорости будут пропорциональны расстояниям от нижней пластинки.

Ещё Ньютоном было высказано предположение, которое вскоре подтвердилось опытом, что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. Если взять площадь соприкосновения равной единице, это положение можно записать в виде

где τ – сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения

μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью жидкости.

Величину dυ/dy – изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости, называют скоростью скольжения.

Таким образом вязкость жидкости – это физическое свойство жидкости, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу

Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная

Теперь определимся с различными понятиям вязкости:

Динамическая вязкость. Единицей измерения этой вязкости является паскаль в секунду (Па*с). Физический смысл состоит в снижении давления в единицу времени. Динамическая вязкость характеризует сопротивление жидкости (или газа) смещению одного слоя относительно другого.

Динамическая вязкость зависит от температуры. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.

Кинематическая вязкость. Единицей измерения является Стокс. Кинематическая вязкость получается как отношение динамической вязкости к плотности конкретного вещества.

Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания определенного объема жидкости через калиброванное отверстие при воздействии силы тяжести

Абсолютная вязкость получается при умножении кинематической вязкости на плотность. В международной системе единиц абсолютная вязкость измеряется в Н*с/м2 – эту единицу называют Пуазейлем.

Коэффициент вязкости жидкости

В гидравлике часто используют величину, получаемую в результате деления абсолютной вязкости на плотность. Эту величину называют коэффициентом кинематической вязкости жидкости или просто кинематической вязкостью и обозначают буквой ν. Таким образом кинематическая вязкость жидкости

где ρ – плотность жидкости.

Единицей измерения кинематической вязкости жидкости в международной и технической системах единиц служит величина м2/с.

В физической системе единиц кинематическая вязкость имеет единицу измерения см 2 /с и называется Стоксом(Ст).

Вязкость некоторых жидкостей

Величину, обратную коэффициенту абсолютной вязкости жидкости, называют текучестью

Как показывают многочисленные эксперименты и наблюдения, вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Для различных жидкостей зависимость вязкости от температуры получается различной.

Поэтому, при практических расчетах к выбору значения коэффициента вязкости следует подходить очень осторожно. В каждом отдельном случае целесообразно брать за основу специальные лабораторные исследования.

Вязкость жидкостей, как установлено из опытов, зависит так же и от давления. Вязкость возрастает при увеличении давления. Исключение в этом случае является вода, для которой при температуре до 32 градусов Цельсия с увеличением давления вязкость уменьшается.

Что касается газов, то зависимость вязкости от давления, так же как и от температуры, очень существенна. С увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры, наоборот, увеличивается.

Методы измерения вязкости. Метод Стокса.

Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а прибор для измерения вязкости называется вискозиметр.

Современные вискозиметры изготавливаются из прочных материалов, а при их производстве используются самые современные технологии, для обеспечение работы с высокой температурой и давлением без вреда для оборудования.

Существует следующие методы определения вязкости жидкости.

Капиллярный метод.

Сущность этого метода заключается в использовании сообщающихся сосудов. Два сосуда соединяются стеклянной трубкой известного диаметра и длины. Жидкость помещается в стеклянный канал и за определенный промежуток времени перетекает из одного сосуда в другой. Далее зная давление в первом сосуде и воспользовавшись для расчетов формулой Пуазейля определяется коэффициент вязкости.

Метод по Гессе.

Этот метод несколько сложнее предыдущего. Для его выполнения необходимо иметь две идентичные капиллярные установки. В первую помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а во вторую – исследуемую жидкость. Затем замеряют время по первому методу на каждой из установок и составляя пропорцию между опытами находят интересующую вязкость.

Ротационный метод.

Для выполнения этого метода необходимо иметь конструкцию из двух цилиндров, причем один из них должен быть расположен внутри другого. В промежуток между сосудами помещают исследуемую жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру.

Жидкость вращается вместе с цилиндром со своей угловой скоростью. Разница в силе момента цилиндра и жидкости позволяет определить вязкость последней.

Метод Стокса

Для выполнения этого опыта потребуется вискозиметр Гепплера, который представляет из себя цилиндр, заполненный жидкостью.

Вначале делаются две пометки по высоте цилиндра и замеряют расстояние между ними. Затем шарик определенного радиуса помещается в жидкость. Шарик начинает погружаться в жидкость и проходит расстояние от одной метки до другой. Это время фиксируется. Определив скорость движения шарика затем вычисляют вязкость жидкости.

Видео по теме вязкости

Определение вязкости играет большую роль в промышленности, поскольку определяет конструкцию оборудования для различных сред. Например, оборудование для добычи, переработки и транспортировки нефти.

Источник

ВЯЗКИЕ ЖИДКОСТИ

Вязкие жидкости по характеру течения, а точнее в зависимости от соотношения напряжения и скорости сдвига, подразделяются на четыре вида: ньютоновские, вязкопластичные, дилатантные и псевдопластичные (псевдовязкие). Для несжимаемых, вязких жидкостей реологическое уравнение состояния имеет вид

где т.. — компонента напряжения сдвига, Па; г — вязкость расплава, Па • с; А у — тензор скорости деформации, определяемый по уравнению

где ) — скорость течения потока по координатам / и j.

Напряжение сдвига выражается величиной силы, действующей на единицу площади сдвига. Первый индекс у напряжения означает нормаль к площади сдвига, а второй — направление действия силы. Физический смысл скорости сдвига можно понять при рассмотрении простого течения жидкости. Если поместить жидкость между движущейся и неподвижной пластинами, расстояние между которыми равно И, то при течении возникает простой сдвиг (рис. 2.1, в). Скорость сдвига в этом случае будет равна:

Таким образом, скорость сдвига — это интенсивность изменения скорости одного слоя потока относительно второго, расположенного на некотором расстоянии Ду.

При одномерном сдвиге одна из компонент скорости деформации равна нулю, поэтому реологическое уравнение упрощается и его можно записать как

где у — условное обозначение скалярного значения скорости сдвига.

При простом сдвиговом течении (см. рис. 2.1, в) скорость сдвига и напряжение по сечению канала постоянны, поэтому изменяются только в зависимости от скорости движения пластины и расстояния между ними. Совершенно другая картина наблюдается при течении под действием перепада давления в трубе или между пластинами (в канале). В этом случае скорость потока изменяется по сечению канала, на поверхности она равна нулю, а в середине имеет максимальное значение. Напряжение и скорость сдвига около поверхности имеют максимальное значение, а в центре канала равны нулю. Для расплавов полимеров это имеет важное значение, так как влияет на ориентацию макромолекул.

Ньютоновские жидкости характеризуются пропорциональной зависимостью изменения напряжения сдвига т от скорости сдвига у (рис. 2.1, а). Вязкость жидкости на графической зависимости про

Рис. 2.1. Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига (а — кривые течения) и изменение вязкости (б) для различных жидкостей; схема течения и эпюра скорости при течении жидкости за счет движения пластины (простой сдвиг) (в):

порциональна тангенсу угла наклона р = cp Tga_p (oCj = const), а реологические свойства описываются уравнением Ньютона

В последующем вязкость ньютоновских жидкостей будем обозначать буквой р, а неньютоновских — г. К ньютоновским жидкостям относятся низкомолекулярные жидкости, у которых диссипация энергии вязкого течения обусловлена перемещением небольших молекул и не зависит от скорости сдвига.

Вязкость ньютоновских жидкостей изменяется только в зависимости от температуры или строения вещества. Изменение вязкости достаточно хорошо отображается графически: чем выше вязкость, тем больше угол наклона линейной зависимости а.

Вязкопластичные жидкости (тело Шведова—Бингама). Для вязкопластичных жидкостей характерно наличие предельного напряжения сдвига при течении. Течение таких жидкостей происходит лишь в случае, когда напряжение сдвига при приложении силы больше предельного напряжения текучести о_т (см. рис. 2.1, а). Такое поведение жидкостей, вероятно, объясняется тем, что они способны к образованию пространственных структур, которые препятствуют сдвигу слоев, т.е. при определенных напряжениях такие жидкости проявляют свойства упругого тела. После того как под действием внешних сил эти структуры разрушатся, появляется вязкое течение, при этом сдвиг происходит только в тех слоях, где напряжения сдвига больше о_т. Данные структуры являются обратимыми и после снятия деформации в статическом состоянии через некоторое время восстанавливаются. По характеру течения к вязкопластичным жидкостям относятся буровые растворы, шламы, масляные краски. Так, при нанесении краски под действием внешних сил (движение кисти) происходит ее течение и равномерное распределение по поверхности. Если краска нанесена тонким слоем и напряжения, возникающие под действием сил гравитации, меньше, чем напряжение текучести, краска со стены не стекает. При нанесении толстого слоя соотношение напряжений изменяется, появляется течение краски и образуются подтеки. При течении вязкопластичных жидкостей по трубам в центральных слоях, где напряжения сдвига меньше предела текучести, сдвиг слоев жидкости отсутствует. Жидкость течет, как бы имея центральное твердое ядро с прямоугольным профилем скорости. Реологические свойства вязкопластичных жидкостей описываются уравнением

Дилатантные жидкости. Течение дилатантных жидкостей характеризуется увеличением вязкости с ростом скорости сдвига. Это хорошо видно по увеличению угла наклона касательной к кривой на графической зависимости (рис. 2.1, а, кривая 4). При увеличении скорости течения подобных жидкостей напряжение сдвига опережает рост скорости сдвига, т.е. отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, численно характеризующее вязкость, непрерывно увеличивается. Такой тип течения был впервые обнаружен Рейнольдсом в суспензиях при большом содержании твердой фазы. Некоторые исследователи считают, что, когда подобные материалы подвергаются сдвигу с небольшой скоростью деформации, вероятно, жидкость служит как бы смазкой, уменьшающей трение частиц, а при больших скоростях сдвига плотная упаковка частиц нарушается и материал несколько увеличивается в объеме. При новой структуре жидкости уже недостаточно для смазки трущихся друг о друга частиц и напряжения сдвига увеличиваются значительно быстрее, чем градиент скорости, поэтому вязкость возрастает и угол наклона касательной к кривой 0Cj увеличивается.

Псевдопластичные (псевдовязкие) жидкости. Для псевдопластич- ных жидкостей характерно уменьшение вязкости с увеличением скорости сдвига (рис. 2.1, б, кривая 2). В данном случае напряжение сдвига растет медленнее, чем скорость сдвига. Термин «кривые течения» появился из-за геометрической формы реологической зависимости.

Свойствами псевдопластичных жидкостей обладают растворы и расплавы большинства полимеров. В данном случае аномалия вязкости обусловлена специфичным строением макромолекул, в первую очередь наличием межмолекулярных связей и межмолекулярных образований, флуктуационных узлов, возникающих в расплаве. При сдвиговом течении за счет разности скоростей перемещения отдельных слоев жидкости внешнее усилие через проходные участки в виде напряжений сдвига передается от одного слоя к другому, в результате чего макромолекулы начинают ориентироваться. Под действием этих же сил путем последовательного движения звенья цепи выходят из микроблоков, т.е. узлы флуктуационной сетки разрушаются и увеличивается средняя длина проходных участков, которые являются основным источником накопления мгновенной упругой и высокоэластической деформации.

Для расплавов полимеров характерно также изменение степени аномалии вязкости в зависимости от скорости сдвига, т.е. интенсивность изменения вязкости при различных скоростях сдвига неодинакова. При высокой скорости сдвига вязкость уменьшается значительно сильнее, чем при небольших скоростях. Заметить это в обычных координатах т = ср(у) очень сложно, поэтому для анализа кривых течения применяют графическую зависимость, построенную в логарифмических координатах. Как показано на рис. 2.2, для ньютоновской жидкости характерна линейная зависимость lgx от lgy с постоянным наклоном, равным 45° (пунктирные линии). При уменьшении вязкости реологическая зависимость сдвигается вправо и вниз. Вязкость псевдопластичных жидкостей с увеличением скорости сдвига уменьшается, поэтому угол наклона линий меньше чем 45°. Для описания реологической зависимости неньютоновской жидкости применяют степенное уравнение

где п — показатель степени, характеризующий степень отклонения закономерности течения от ньютоновского закона; К — коэффициент, численно равный напряжению или вязкости жидкости при скорости сдвига; у = 1.

С учетом степенной зависимости реологическое уравнение принимает вид

Преимущество степенного уравнения заключается в том, что оно содержит два коэффициента, которые легко определяются графически или аналитически по данным реологических исследований. Реологические свойства можно описать и другим уравнением — у = j/t» однако первичным является все же производительность (объемная скорость), в зависимости от которой изменяется скорость сдвига, поэтому для расчетов удобнее применять уравнение (2.8). Уравнение (2.8) проще анализировать в логарифмическом виде:

Источник