Как найти коэффициент вязкого трения

Вязкость
(внутреннее трение) (англ.
viscosity) — одно из явлений переноса,
свойство текучих тел (жидкостей
и газов)
оказывать сопротивление перемещению
одной их части относительно другой.
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.
Основной закон вязкого течения был
установлен И. Ньютоном (1687): В применении
к жидкостям различают вязкость:

• Динамическая
  (абсолютная) вязкость µ
  – сила, действующая на единичную площадь
  плоской поверхности, которая перемещается
  с единичной скоростью относительно
  другой плоской поверхности, находящейся
  от первой на единичном расстоянии. В
  системе
  СИ
  динамическая вязкость выражается в
  Па×с
  (паскаль-секунда), внесистемная единица
  П (пуаз).

• Кинематическая
  вязкость ν
  – отношение динамической вязкости µ
  к плотности жидкости ρ.

ν=
^µ/_ρ,

где:

• ν,
  м²/с
  – кинематическая вязкость;

• μ,
  Па×с – динамическая вязкость;

• ρ,
  кг/м³
  – плотность жидкости.

В
системе
СИ
кинематическая вязкость выражается в
м²/с
(квадратный метр на секунду), внесистемная
единица Ст(стокс).

Прибор
для измерения вязкости называется
вискозиметром.

Сила
вязкого трения

Это
явление возникновения касательных сил,
препятствующих перемещению частей
жидкости или газа друг по отношению к
другу. Смазка между двумя твердыми
телами заменяет сухое трение скольжения
трением скольжения слоев жидкости
или газа
по отношению друг к другу. Скорость
частиц среды плавно меняется от скорости
одного тела до скорости другого тела.

Сила
вязкого трения пропорциональна скорости
относительного движения V
тел, пропорциональна площади S
и обратно пропорциональна расстоянию
между плоскостями h.

F=-V•^S/_h,

Коэффициент
пропорциональности, зависящий от сорта
жидкости или газа, называют коэффициентом
динамической вязкости.
Самое важное в характере сил вязкого
трения то, что при наличии любой сколь
угодно малой силы тела придут в движение,
то есть не существует трения
покоя.
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 придет
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.

Если
движущееся тело полностью погружено в
вязкую среду и расстояния от тела до
границ среды много больше размеров
самого тела, то в этом случае говорят о
трении или сопротивлении
среды.
При этом участки среды (жидкости или
газа), непосредственно прилегающие к
движущемуся телу, движутся с такой же
скоростью, как и само тело, а по мере
удаления от тела скорость соответствующих
участков среды уменьшается, обращаясь
в нуль на бесконечности.

Сила
сопротивления среды зависит от:

• ее
  вязкости

• от
  формы тела

• от
  скорости движения тела относительно
  среды.

Например,
при медленном движении шарика в вязкой
жидкости силу трения можно найти,
используя формулу Стокса:

F=-6•R•V,

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 придет
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.

Вязкость жидкости

Вязкость
жидкости
– это свойство, проявляющееся только
при движении жидкости, и не влияющее на
покоящиеся жидкости. Вязкое трение в
жидкостях подчиняется закону трения,
принципиально отличному от закона
трения твёрдых тел, т.к. зависит от
площади трения и скорости движения
жидкости.
Вязкость
– свойство жидкости оказывать
сопротивление относительному сдвигу
ее слоев. Вязкость проявляется в том,
что при относительном перемещении слоев
жидкости на поверхностях их соприкосновения
возникают силы сопротивления сдвигу,
называемые силами внутреннего трения,
или силами вязкости. Если рассмотреть
то, как распределяются скорости различных
слоёв жидкости по сечению потока, то
можно легко заметить, что чем дальше от
стенок потока, тем скорость движения
частиц больше. У стенок потока скорость
движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией
этого является рисунок, так называемой,
струйной модели потока.

Медленно
движущийся слой жидкости «тормозит»
соседний слой жидкости, движущийся
быстрее, и наоборот, слой, движущийся с
большей скоростью, увлекает (тянет) за
собой слой, движущийся с меньшей
скоростью. Силы внутреннего трения
появляются вследствие наличия
межмолекулярных связей между движущимися
слоями. Если между соседними слоями
жидкости выделить некоторую площадку
S,
то согласно гипотезе Ньютона:

F=μ•S•(^du/_dy),

где:

• μ
  – коэффициент вязкого трения;

• S
  – площадь трения;

• du/dy
  – градиент скорости

Величина
μ
в этом выражении является динамическим
коэффициентом вязкости,
равным:

μ=^F/_S•¹/^du_/dy,

или

μ=τ•¹/^du_/dy,

где:

• τ
  – касательное напряжение в жидкости
  (зависит от рода жидкости).

Физический смысл
коэффициента вязкого трения

Физический
смысл коэффициента вязкого трения
– число, равное силе трения, развивающейся
на единичной поверхности при единичном
градиенте скорости.

На
практике чаще используется кинематический
коэффициент вязкости,
названный так потому, что в его размерности
отсутствует обозначение силы. Этот
коэффициент представляет собой отношение
динамического коэффициента вязкости
жидкости к её плотности:

ν=^μ/_ρ,

Единицы
измерения коэффициента вязкого трения:

• Н·с/м²;

• кГс·с/м²

• Пз (Пуазейль)
  1(Пз)=0,1(Н·с/м²).

Анализ
свойства вязкости жидкости

Для
капельных жидкостей вязкость зависит
от температуры
t
и давления
Р,
однако последняя зависимость проявляется
только при больших изменениях давления,
порядка нескольких десятков МПа.

Зависимость
коэффициента динамической вязкости от
температуры выражается формулой вида:

μ_t=μ₀•e^-k_t^(T-T₀⁾,

где:

• μ_t
  – коэффициент динамической вязкости
  при заданной температуре;

• μ₀
  – коэффициент динамической вязкости
  при известной температуре;

• Т
  – заданная температура;

• Т₀
  – температура, при которой измерено
  значение μ₀;

• e
  – основание натурального логарифма
  равное 2,718282.

Зависимость
относительного коэффициента динамической
вязкости от давления описывается
формулой:

μ_р=μ₀•e^-k_р^(Р-Р₀⁾,

где:

• μ_Р
  – коэффициент динамической вязкости
  при заданном давлении,

• μ₀
  – коэффициент динамической вязкости
  при известном давлении (чаще всего при
  нормальных условиях),

• Р
  – заданное давление,;

• Р₀
  – давление, при которой измерено значение
  μ₀;

• e
  – основание натурального логарифма
  равное 2,718282.

Влияние
давления на вязкость жидкости проявляется
только при высоких давлениях.

Ньютоновские и
неньютоновские жидкости

Ньютоновскими
называют жидкости, для которых вязкость
не зависит от скорости деформации. В
уравнении Навье — Стокса для
ньютоновской жидкости имеет место
аналогичный вышеприведённому закон
вязкости (по сути, обобщение закона
Ньютона, или закон Навье):

σ_ij=η•(^dv_i/_dxi+^dv_j/_dxi),

где
σ_ij —
тензор вязких напряжений.

Среди
неньютоновских
жидкостей,
по зависимости вязкости от скорости
деформации различают псевдопластики
и дилатантные жидкости. Моделью с
ненулевым напряжением сдвига (действие
вязкости подобно сухому трению) является
модель Бингама. Если вязкость меняется
с течением времени, жидкость называется
тиксотропной. Для неньютоновских
жидкостей методика измерения вязкости
получает первостепенное значение.

С
повышением температуры вязкость многих
жидкостей падает. Это объясняется тем,
что кинетическая энергия каждой молекулы
возрастает быстрее, чем потенциальная
энергия взаимодействия между ними.
Поэтому все смазки всегда стараются
охладить, иначе это грозит простой
утечкой через узлы.

Соседние файлы в папке Физика_1

• #
• #
• #
• #
• #

  21.05.2015145.41 Кб3116.doc

• #
• #

  21.05.2015184.41 Кб2019.pdf

• #

  21.05.201599.84 Кб122.doc

• #

  21.05.2015112.13 Кб1020.doc
• #
• #

Механика сплошных сред
Сплошная среда
Классическая механика Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса
Теория упругости Напряжение · Тензор · Твёрдые тела · Упругость · Пластичность · Закон Гука · Реология · Вязкоупругость
Гидродинамика Жидкость · Гидростатика · Гидродинамика · Вязкость · Ньютоновская жидкость · Неньютоновская жидкость · Поверхностное натяжение
Основные уравнения Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнение Громеки — Лэмба · Уравнение Бернулли · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение вихря · Уравнение диффузии · Закон Гука
См. также: Портал:Физика

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 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.

Вязкость газов и жидкостей характеризуют динамическим коэффициентом вязкости (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) или кинематическим коэффициентом вязкости (единица измерения в СИ — м²/c, в СГС — стокс, Ст; 1 Ст = см²/с = 10⁻⁴ м²/с, 1 сСт = 1 мм²/с = 10⁻⁶ м²/с; внесистемная единица — градус Энглера). Кинематический коэффициент вязкости — отношение динамического коэффициента к плотности вещества. Классические методы измерения вязкости включают, например, 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 10¹¹—10¹² Па·с.

Сила вязкого трения[править | править код]

Если параллельные плоские тела площадью S каждое, находящиеся на малом расстоянии h, движутся в той же плоскости со скоростью друг относительно друга, а пространство между телами заполнено жидкостью или газом, то на каждое из них действует сила, в простейшем случае пропорциональная относительной скорости и площади S и обратно пропорциональная расстоянию между телами 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^[2].

Эта сила называется силой вязкого трения. Её качественное отличие от сухого трения, кроме прочего, в том, что она пропорциональна скорости. Следовательно, при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы тело обязательно придёт в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя.

Вторая вязкость[править | править код]

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.

Вязкость газов[править | править код]

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

где  — средняя скорость теплового движения молекул, − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность прямо пропорциональна давлению, а длина пробега  — 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 , растущей с температурой как .

Влияние температуры на вязкость газов[править | править код]

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:^[3]

где

 — динамическая вязкость (в Па·с) при заданной температуре ;

 — контрольная вязкость (в Па·с) при некоторой контрольной температуре ;

 — заданная температура в кельвинах;

 — контрольная температура в кельвинах;

 — постоянная Сазерленда для того газа, вязкость которого требуется определить.

Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 < < 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	, K	, K	, 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[4]	273	19[5]

Вязкость жидкостей[править | править код]

Динамическая вязкость[править | править код]

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Для так называемых ньютоновских жидкостей (которых вокруг нас большинство) справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

Коэффициент вязкости (коэффициент динамической вязкости, динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля — Андраде:

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским^[6]. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества . Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение

где:

 — константа, характерная для определённой жидкости;

 — собственный объём, занимаемый частицами жидкости.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры и растёт с увеличением давления.

Кинематическая вязкость[править | править код]

В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной

и эта величина получила название кинематической вязкости^[7].

Здесь  — плотность жидкости;  — коэффициент динамической вязкости.

Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В СИ эта величина переводится следующим образом: 1 сСт = 1 мм²/c = 10⁻⁶ м²/c.

Условная вязкость[править | править код]

Условная вязкость — величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению, измеряемая временем истечения заданного объёма раствора через вертикальную трубку (определённого диаметра). Измеряют в градусах Энглера (по имени немецкого химика К. О. Энглера), обозначают — °ВУ. Определяется отношением времени истечения 200 мл испытываемой жидкости при данной температуре из специального вискозиметра ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды из того же прибора при 20 °С. Условную вязкость до 16 °ВУ переводят в кинематическую по таблице ГОСТ, а условную вязкость, превышающую 16 °ВУ, по формуле

где  — кинематическая вязкость (в м²/с), а  — условная вязкость (в °ВУ) при температуре t.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости[править | править код]

Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье — Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье — Стокса^[8]):

где  — тензор вязких напряжений.

Среди неньютоновских жидкостей по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.

С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.^{[источник не указан 1007 дней]}

Вязкость аморфных материалов[править | править код]

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс^[9]:

где

 — энергия активации вязкости (Дж/моль);

 — температура (К);

 — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К);

 — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости изменяется от большой величины при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда , или ломкие, когда . Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса : сильные материалы имеют , в то время как ломкие материалы имеют .

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением^[10]

с постоянными , , , и , связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

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

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

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

При двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

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

Относительная вязкость[править | править код]

В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости, под которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости (см. выше) раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя:

где

μ — динамическая вязкость раствора;

μ₀ — динамическая вязкость растворителя.

Вязкость некоторых веществ[править | править код]

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

Вязкость воздуха[править | править код]

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^[11].

Вязкость воды[править | править код]

Динамическая вязкость воды составляет 8,90·10⁻⁴ Па·с при температуре около 25 °C. Как функция температуры: T = A × 10^B/(T−C), 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[править | править код]

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

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• R. H. Doremus. J. Appl. Phys., 92, 7619—7629 (2002).
• M. I. Ojovan, W. E. Lee. J. Appl. Phys., 95, 3803—3810 (2004).
• M. I. Ojovan, K. P. Travis, R. J. Hand. J. Phys.: Condensed Matter, 19, 415107 (2007).
• Л. И. Седов. Механика сплошной среды. Т. 1. — М.: Наука, 1970. — 492 с.
• П. Н. Гедык, М. И. Калашникова. Смазка металлургического оборудования. — М.: Металлургия, 1976. — 380 с.
• И. Ф. Голубев. Вязкость газов и газовых смесей. — М.: Физматлит, 1959.
• Ред. Ф. Н. Тавадзе Внутреннее трение в металлах, полупроводниках, диэлектриках и ферромагнетиках. — М., Наука, 1978. — 235 c.

Ссылки[править | править код]

• Аринштейн А. Сравнительный вискозиметр Жуковского // Квант, № 9, 1983.
• Измерение вязкости нефтепродуктов
• Булкин П. С. Попова И. И., Общий физический практикум. Молекулярная физика
• Градус условной вязкости // Большой энциклопедический политехнический словарь. — 2004.
• Вязкость воды

Коэффициент вязкости – это величина, используемая для обозначения силы внутреннего трения текучих веществ. Вязкость – разновидность явлений переноса. Жидкости и газы оказывают сопротивление перемещению двух слоев относительно друг друга. Эта особенность характерна для текучих веществ, связана с движением частиц, из которых и состоят вещества.

Вязкость называют внутренним трением. В его основе находится хаотическое движение молекул, передающих импульс между слоями. Такие импульсные обмены выравнивают скорости перемещения слоев.

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:

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

• 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.

Коэффициент динамической вязкости газа

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

Коэффициент вязкости жидкостей

Для органических жидкостей показания напрямую зависят от температуры. Ниже приведена таблица со значениями абсолютного индекса для веществ при температурах от 0 до 100 градусов Цельсия. 

Единица измерения – миллипаскаль-секунды, что соответствует сантипуазам.

Коэффициент динамической вязкости жидкостей уменьшается при условии нагревания вещества. Другими словами, чем выше температура жидкости, тем менее вязкой она становится.

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.

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

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:

Действие 2.

Определение скорости воды на основе уравнения расхода:

Действие 3.

По формуле Рейнольдса найти число Re:

Подставляя значения, получаем:

Ответ: режим перемещения воды в межтрубном пространстве является турбулентным.

Коэффициент кинематической вязкости

Кинематическая вязкость – это индекс, который отображает отношение абсолютного показателя вещества к его плотности при установленной температуре. 

Физическая формула соотношения выглядит и единицы измерения можно увидеть на картинке:

Действие 4. Вычисление кинематического показателя, исходя из формулы:

Подставив в уравнение полученные и имеющиеся расчетные данные, получим кинематический индекс вещества.

Заключение

Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что он демонстрирует, чему равна величина F внутреннего трения, действующая на 1 ед. площади поверхности соприкасающихся слоев при единичном градиенте скорости.

Размерность данной величины и перевод из одних единиц измерения в другие показаны на картинке: