Динамическая вязкость жидкости. В чем ее физический и механический смысл?

Жидкость определяют как физическое тело, способное менять свою форму при сколь угодно малом воздействии на него. Обычно различают два основных вида жидкостей: капельные и газообразные. Капельные жидкости – это жидкости в обычном понимании: вода, керосин, нефть, масло и так далее. Газообразные жидкости – это газы, которые в обычных условиях являются, например, такими газообразными веществами, как воздух, азот, пропан, кислород.

Данные вещества различаются по молекулярной структуре и виду взаимодействия молекул между собой. Однако, с точки зрения механики, они являются сплошными средами. И в силу этого, для них определены некоторые общие механические характеристики: плотность и удельный вес; а также основные физические свойства: сжимаемость, температурное расширение, сопротивление растяжению, силы поверхностного натяжения и вязкость.


Под вязкостью понимают свойство жидкого вещества оказывать сопротивление скольжению или сдвигу его слоев друг относительно друга. Суть этого понятия заключается в появлении силы трения между различными слоями внутри жидкости при их относительном движении. Различают понятия «динамическая вязкость жидкости» и ее «кинетическая вязкость». Далее рассмотрим подробнее, в чем состоит отличие этих понятий.

Основные понятия и размерность

Сила внутреннего трения F, возникающая между движущимися друг относительно друга соседними слоями обобщенной жидкости, прямо пропорциональна скорости движения слоев и площади их соприкосновения S. Эта сила действует в направлении, перпендикулярном движению, и аналитически выражается уравнением Ньютона


F=μS (∆V)/ (∆n),

где (∆V)/ (∆n)=GV — градиент скорости в направлении нормали к движущимся слоям.

Коэффициент пропорциональности μ – есть динамическая вязкость или просто вязкость обобщенной жидкости. Из уравнения Ньютона он равен

μ=F/(S∙GV).

В физической системе измерения единицу вязкости определяют как вязкость среды, в которой при единичном градиенте скорости GV = 1 см/сек на каждый квадратный сантиметр слоя действует сила трения в 1 дин. Соответственно и размерность единицы в данной системе выражается в дин∙сек∙см^(-2) = г∙см^(-1)∙сек^(-1).

Эта единица измерения динамической вязкости называется пуазом (П).

1 П = 0,1 Па∙с = 0,0102 кгс∙с∙м^(-2) .

Применяются и более мелкие единицы, именно: 1 П = 100 сП (сантипуаз) = 1000 мП (миллипуаз) = 1000000 мкП (микропуаз). В технической системе за единицу вязкости принимают величину кгс∙с∙м^(-2) .

В международной системе единицу вязкости определяют как вязкость среды, в которой при единичном градиенте скорости GV = 1 м/с на 1 м на каждый квадратный метр слоя жидкости действует сила трения в 1 Н (ньютон). Размерность величины μ в системе СИ выражается в кг∙м^(-1)∙с^(-1).

Кроме такой характеристики, как динамическая вязкость, для жидкостей вводится понятие кинематической вязкости как отношение коэффициента μ к плотности жидкости. Величина коэффициента кинематической вязкости измеряется в стоксах (1ст = 1 см^(2)/с).

Коэффициент вязкости численно равен количеству движения, переносимому в движущемся газе за единицу времени в направлении, перпендикулярном движению, через единицу площади, когда скорость движения отличается на единицу скорости в слоях газа, отстоящих на единицу длины. Коэффициент вязкости зависит от рода и состояния вещества (температуры и давления).

Динамическая вязкость и кинематическая вязкость жидкостей и газов в большой степени зависят от температуры. При этом отмечено, что оба этих коэффициента убывают с возрастанием температуры для капельных жидкостей и, наоборот, возрастают при повышении температуры – для газов. Отличие этой зависимости можно объяснить физической природой взаимодействия молекул в капельных жидкостях и газах.

Физический смысл

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, явление вязкости для газов заключается в том, что в движущейся среде вследствие хаотического движения молекул происходит выравнивание скоростей различных слоев. Так, если первый слой движется в некотором направлении быстрее, чем соседний с ним второй слой, то из первого слоя во второй переходят более быстрые молекулы, и наоборот.

Поэтому первый слой стремится ускорить движение второго слоя, а второй — замедлить движение первого. Таким образом, общее количество движения первого слоя будет уменьшаться, а второго — увеличиваться. Получаемое при этом изменение количества движения характеризуется коэффициентом вязкости для газов.

В капельных жидкостях, в отличие от газов, внутреннее трение в большей мере определяется действием межмолекулярных сил. И, поскольку расстояния между молекулами капельной жидкости невелики по сравнению с газообразными средами, то силы взаимодействия молекул при этом – значительны. Молекулы жидкости, как и молекулы твердых тел, колеблются вблизи положений равновесия. Однако в жидкостях эти положения не являются стационарными. По прошествии некоторого промежутка времени молекула жидкости резко переходит в новое положение. При этом время, в течение которого положение молекулы в жидкости не изменяется, называют временем ее «оседлой жизни».

Силы межмолекулярного взаимодействия существенно зависят от вида жидкости. Если вязкость вещества мала, то его называют "текучим", так как коэффициент текучести и динамическая вязкость жидкости – обратно пропорциональные величины. И наоборот, вещества с большим коэффициентом вязкости могут обладать механической твердостью, как, например, смола. Вязкость вещества при этом существенно зависит как от состава примесей и их количества, так и от температуры. При увеличении температуры величина времени «оседлой жизни» уменьшается, вследствие чего растет подвижность жидкости и уменьшается вязкость вещества.

Явление вязкости, как и другие явления молекулярного переноса (диффузия и теплопроводность), является необратимым процессом, приводящим к достижению равновесного состояния, отвечающего максимуму энтропии и минимуму свободной энергии.

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический ...
Коэффициент вязкости – это ключевой параметр рабочей жидкости либо газа. В физических терминах вязкость может быть определена как внутреннее трение, вызываемое движением частиц, составляющих массу жидкой (газообразной) среды, или, более просто, ...
далее
Свойства жидкостей. Основные физические свойства жидкости
Свойства жидкостей. Физические, механические свойства веществ в жидком, газообразном состоянии. Неньютоновские жидкости. Общие свойства жидкостей и газов.
далее
Повышенная вязкость спермы: возможные причины и терапия. Нормальная вязкость спермы
Повышенная вязкость спермы - это серьезная проблема для мужчины, желающего стать отцом. Если беременность не наступает продолжительный период, стоит сдать спермограмму для выявления возможных патологий. После установления причин назначается подходящее лечение.
далее
Повышенная вязкость спермы: возможные причины и терапия. Нормальная вязкость спермы
Кинематическая вязкость. Механика жидкостей и газов
Кинематическая вязкость является основополагающей физической характеристикой всех газовых и жидкостных сред. Этот показатель имеет ключевое значение при определении лобового сопротивления движущихся твердых тел и нагрузки, которую они при этом испытывают. Как известно, в нашем мире любое движение происходит в воздушной или водной среде.
далее
Кинематическая вязкость. Механика жидкостей и газов
Масло ВМГЗ: характеристики, преимущества, критерии выбора
В статье приведены рекомендации производителей по применению внесезонного гидравлического загущенного масла и таблица технических характеристик. Описаны последствия использования некачественного продукта и правила выбора ВМГЗ.
далее
Масло ВМГЗ: характеристики, преимущества, критерии выбора
Вязкость моторного масла: таблица. Тест моторных масел
Часто решают, какое моторное масло лучше, исходя из параметра вязкости. Попробуем ответить на вопросы о нем. Почему этот показатель настолько важен? Какая классификация используется, чтобы определить вязкость моторного масла? Таблица, где наглядно представлены разные классы вязкости, приведенная в статье, поможет сделать правильный выбор при покупке смазки.
далее
Вязкость моторного масла: таблица. Тест моторных масел