Вязкость жидкости

Вязкость. Совершенно та же Википедия. Только лучше.

Факторы, влияющие на динамическую вязкость

Динамическая вязкость η зависит от вещества и температуры и указывается в Паскаль * секунду.

  • У жидкостей при повышении температуры динамическая вязкость η сильно уменьшается
  • У газов при повышении температуры динамическая вязкость η увеличивается

Сила вязкого трения

Сила вязкого трения F, действующая на жидкость, пропорциональна (в простейшем случае сдвигового течения вдоль плоской стенки[2]) скорости относительного движения v тел и площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h:

F→∼−v→⋅Sh.{displaystyle {vec {F}}sim -{frac {{vec {v}}cdot S}{h}}.}{displaystyle {vec {F}}sim -{frac {{vec {v}}cdot S}{h}}.}

Коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости. Этот закон был предложен Исааком Ньютоном в 1687 году и носит его имя (закон вязкости Ньютона). Экспериментальное подтверждение закона было получено в начале XIX века в опытах Кулона с крутильными весами и в экспериментах Хагена и Пуазёйля с течением воды в капиллярах[3].

Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придёт в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот — под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.

Коэффициент динамической вязкости

Численное обозначение абсолютной вязкости является индексом сопротивляемости испытуемых веществ взаимному перемещению или скольжению их слоев. 

Единицей измерения коэффициента в системе СИ приняты паскаль-секунды:

Единица измерения коэффициента вязкости


Физическая основа динамического показателя заключается в его соответствии касательному напряжению, которое происходит между слоями вещества, перемещающимися относительно друг друга, при условии расстояния между ними, равного единице длины, и на скорости, равной единице.

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости определяется формулой, в которой динамический коэффициент определяет пропорциональность скорости движения слоев и расстояния между ними:

Вязкость жидкости

  • τ – касательное напряжение;

  • µ – показатель пропорциональности, который является динамическим индексом вещества.

Закон вязкости жидкости был установлен Ньютоном в конце 17 века. Абсолютный показатель зависит от типа газа или жидкости, температуры веществ.

Конвертер динамической (абсолютной) вязкости

Динамическая вязкость воды при температуре 20 °C приблизительно равна 0,001 Па•с. Водопад Хилтон, юг Онтарио, Канада.

Динамическая вязкость воды при температуре 20 °C приблизительно равна 0,001 Па•с. Водопад Хилтон, юг Онтарио, Канада.

Вторая вязкость

Вторая вязкость, или объёмная вязкость, — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и (или) при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.

Если динамическая (и кинематическая) вязкость характеризует деформацию чистого сдвига, то вторая вязкость характеризует деформацию объёмного сжатия.

Объёмная вязкость играет большую роль в затухании звука и ударных волн и экспериментально определяется путём измерения этого затухания.

Коэффициент динамической вязкости газа

Для основных газов величины коэффициента при температуре 0 – 600 градусов Цельсия представлены в таблице:

Коэффициенты вязкости газов

Вязкость газов

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

η=13⟨u⟩⟨λ⟩ρ,{displaystyle eta ={frac {1}{3}}langle urangle langle lambda rangle rho ,}{displaystyle eta ={frac {1}{3}}langle urangle langle lambda rangle rho ,}

где ⟨u⟩{displaystyle langle urangle }{displaystyle langle urangle } — средняя скорость теплового движения молекул, ⟨λ⟩{displaystyle langle lambda rangle }{displaystyle langle lambda rangle } − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность ρ{displaystyle rho }rho прямо пропорциональна давлению, а длина пробега ⟨λ⟩{displaystyle langle lambda rangle }{displaystyle langle lambda rangle } — обратно пропорциональна. Такой же вывод следует и для других кинетических коэффициентов для газов, например, для коэффициента теплопроводности. Однако этот вывод справедлив только до тех пор, пока разрежение газа не становится столь малым, что отношение длины свободного пробега к линейным размерам сосуда (число Кнудсена) не становится по порядку величины равным единице; в частности, это имеет место в сосудах Дьюара (термосах).

С повышением температуры вязкость большинства газов увеличивается, это объясняется увеличением средней скорости молекул газа u{displaystyle u}u, растущей с температурой как T{displaystyle {sqrt {T}}}{sqrt {T}}.

Влияние температуры на вязкость газов

В отличие от жидкостей, вязкость газов увеличивается с увеличением температуры (у жидкостей она уменьшается при увеличении температуры).

Формула Сазерленда может быть использована для определения вязкости идеального газа в зависимости от температуры:[4]

μ=μ0T0+CT+C(TT0)3/2,{displaystyle mu =mu _{0}{frac {T_{0}+C}{T+C}}left({frac {T}{T_{0}}}right)^{3/2},}{displaystyle mu =mu _{0}{frac {T_{0}+C}{T+C}}left({frac {T}{T_{0}}}right)^{3/2},}

где

μ — динамическая вязкость (в Па·с) при заданной температуре T;μ0 — контрольная вязкость (в Па·с) при некоторой контрольной температуре T0;T — заданная температура в кельвинах;T0 — контрольная температура в кельвинах;C — постоянная Сазерленда для того газа, вязкость которого требуется определить.

Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 < T < 555 K и при давлениях менее 3,45 МПа с ошибкой менее 10 %, обусловленной зависимостью вязкости от давления.

Постоянная Сазерленда и контрольные вязкости газов при различных температурах приведены в таблице ниже:

Газ C, K T0, K μ0, мкПа·с
Воздух 120 291,15 18,27
Азот 111 300,55 17,81
Кислород 127 292,25 20,18
Углекислый газ 240 293,15 14,8
Угарный газ 118 288,15 17,2
Водород 72 293,85 8,76
Аммиак 370 293,15 9,82
Оксид серы(IV) 416 293,65 12,54
Гелий 79,4[5] 273 19[6]

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов), это термически активизируемый процесс[1]:

eta(T)=Acdotexpleft(frac{Q}{R T}right),

где Q — энергия активации вязкости (кДж/моль), T — температура (К), R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль•К) и A — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q изменяется от большой величины QH при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину QL при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда left(Q_H - Q_Lright)&amp;amp;lt;Q_L, или ломкие, когда left(Q_H - Q_Lright)geq Q_L. Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса R_D=frac{Q_H}{Q_L}: сильные материалы имеют RD < 2, в то время как ломкие материалы имеют R_Dge 2.

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:

eta(T)=A_1cdot Tcdot left[1+A_2cdotexpfrac{B}{R T}right]cdotleft[1+Cexpfrac{D}{R T}right]

с постоянными A1, A2, B, C и D, связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования Tg это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.

Вязкость

Если температура существенно ниже температуры стеклования T < Tg, двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

eta(T)=A_LTcdotexpleft(frac{Q_H}{R T}right),

с высокой энергией активации QH = Hd + Hm, где Hd — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а Hm — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при T < Tg аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.

При T > > Tg двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

eta(T)=A_HTcdotexpleft(frac{Q_L}{R T}right),

но с низкой энергией активации QL = Hm. Это связано с тем, что при Tgg T_g аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Связь коэффициента вязкости с числами Рейнольдса и силой трения

Английский механик, физик и инженер Оскар Рейнольдс установил (1876 — 1883 гг.), что характер течения зависит от величины, не имеющей размерностью, и называемой числом Re.

Коэффициент вязкости и число Рейнольдса

Число Рейнольдса используют для отображения соотношения кинематической энергии вещества к энергопотерям на установленной длине в условиях внутреннего трения.

Число Рейнольдса

Примечания

  1. Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975.

Примеры решения задач

Попробуем решить следующую задачу.

Установить тип движения жидкого вещества по трубам теплообменника, имеющего структуру «труба в трубе». Параметры внутренней трубы – 25*2 мм, внешней – 50*2,5 мм. Массовый расход воды составляет 4000 кг/ч (обозначение G). Плотность жидкости – 1000 кг/м3. Абсолютный индекс составляет 1•10-3 Па*с.

Действие 1.

Следует узнать эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства:

7

Действие 2.

Определение скорости воды на основе уравнения расхода:

8

Действие 3.

По формуле Рейнольдса найти число Re:

9

Подставляя значения, получаем:

10

Ответ: режим перемещения воды в межтрубном пространстве является турбулентным.

Вязкость некоторых веществ

Для авиастроения и судостроения наиболее важно знать вязкости воздуха и воды.

Вязкость воздуха

Зависимость вязкости сухого воздуха от давления при температурах 300, 400 и 500 K

Зависимость вязкости сухого воздуха от давления при температурах 300, 400 и 500 K

Вязкость воздуха зависит в основном от температуры.При 15,0 °C вязкость воздуха составляет 1,78⋅10−5 кг/(м·с) = 17,8 мкПа·с = 1,78⋅10−5 Па·с. Можно найти вязкость воздуха как функцию температуры с помощью программ расчёта вязкостей газов[12].

Вязкость воды

Зависимость динамической вязкости воды от температуры в жидком состоянии (Liquid Water) и в виде пара (Vapor)

Зависимость динамической вязкости воды от температуры в жидком состоянии (Liquid Water) и в виде пара (Vapor)

Динамическая вязкость воды составляет 8,90·10−4 Па·с при температуре около 25 °C. Как функция температуры: T = A × 10B/(TC), где A = 2,414·10−5 Па·с, B = 247,8 K, C = 140 K.

Значения динамической вязкости жидкой воды при разных температурах вплоть до точки кипения приведены в таблице:

Температура, °C Вязкость, мПа·с
10 1,308
20 1,002
30 0,7978
40 0,6531
50 0,5471
60 0,4668
70 0,4044
80 0,3550
90 0,3150
100 0,2822

Динамическая вязкость разных веществ

Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости некоторых ньютоновских жидкостей:

Вязкость отдельных видов газов
Газ при 0 °C (273 K), мкПа·с при 27 °C (300 K), мкПа·с
воздух 17,4 18,6
водород 8,4 9,0
гелий 20,0
аргон 22,9
ксенон 21,2 23,2
углекислый газ 15,0
метан 11,2
этан 9,5
Вязкость жидкостей при 25 °C
Жидкость Вязкость, Па·с Вязкость, мПа·с
ацетон 3,06·10−4 0,306
бензол 6,04·10−4 0,604
кровь (при 37 °C) (3—4)·10−3 3—4
касторовое масло 0,985 985
кукурузный сироп 1,3806 1380,6
этиловый спирт 1.074·10−3 1.074
этиленгликоль 1,61·10−2 16,1
глицерин (при 20 °C) 1,49 1490
мазут 2,022 2022
ртуть 1,526·10−3 1,526
метиловый спирт 5,44·10−4 0,544
моторное масло SAE 10 (при 20 °C) 0,065 65
моторное масло SAE 40 (при 20 °C) 0,319 319
нитробензол 1,863·10−3 1,863
жидкий азот (при 77K) 1,58·10−4 0,158
пропанол 1,945·10−3 1,945
оливковое масло 0,081 81
пек 2,3·108 2,3·1011
серная кислота 2,42·10−2 24,2
вода 8,94·10−4 0,894

См. также

  • Уравнения Навье-Стокса

Примечания

  1. Внутреннее трение в металлах, полупроводниках, диэлектриках и ферромагнетиках: Сб. статей (рус.) / Под ред. Ф. Н. Тавадзе. — М.: Наука, 1978. — 235 с.
  2. В общем случае это не так.
  3. О некоторых ошибках в курсах гидродинамики, с. 3—4.
  4. Alexander J. Smits, Jean-Paul Dussauge Turbulent shear layers in supersonic flow. — Birkhäuser, 2006. — P. 46. — ISBN 0-387-26140-0.
  5. Data constants for Sutherland’s formula.
  6. Viscosity of liquids and gases.
  7. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия: Учебних для сельскохозяйственных спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1988. — С. 40. — 400 с. — ISBN 5-06-001257-3.
  8. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и превмосистем : Учеб. для машиностроительных вузов. — М. : Машиностроение, 176. — С. 175. — 424 с.
  9. Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. 1. — М.: Наука, 1970. — С. 166.
  10. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. — Ленинград, Наука, 1975. — с. 226.
  11. Ojovan M. Viscous flow and the viscosity of melts and glasses. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143—150 (2012).
  12. Gas Viscosity Calculator.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...