Идеална течност, т.е. течност, движеща се без триене, е абстрактно понятие. Всички реални течности и газове проявяват вискозитет или вътрешно триене в по-голяма или по-малка степен. Вискозитетът (вътрешното триене), заедно с дифузията и топлопроводимостта, е транспортно явление и се наблюдава само при движещи се течности и газове. Вискозитетът се проявява във факта, че движението, което се случва в течност или газ, след прекратяване на причините, които са го причинили, постепенно спира.

Вискозитет(вътрешно триене) е едно от явленията на пренос, свойството на течните тела (течности и газове) да се съпротивляват на движението на една част от тях спрямо друга. В резултат на това енергията, изразходвана за това движение, се разсейва под формата на топлина.

Механизмът на вътрешното триене в течности и газове е хаотичното движение на молекулите носят импулсот един слой в друг, което води до изравняване на скоростите - това се описва чрез въвеждането на сила на триене. Вискозитетът на твърдите вещества има редица специфични характеристики и обикновено се разглежда отделно.

В течности, където разстоянията между молекулите са много по-малки, отколкото в газове, вискозитетът се дължи главно на междумолекулни взаимодействия, които ограничават подвижността на молекулите. В течност една молекула може да проникне в съседен слой само ако в него се образува кухина, достатъчна за молекулата да скочи там. Така наречената енергия на активиране на вискозния поток се изразходва за образуване на кухина (за „разхлабване“ на течността). Енергията на активиране намалява с повишаване на температурата и намаляване на налягането. Това е една от причините за рязкото намаляване на вискозитета на течностите с повишаване на температурата и увеличаването му при високо налягане. Когато налягането се увеличи до няколко хиляди атмосфери, вискозитетът се увеличава десетки и стотици пъти. Строга теория за вискозитета на течностите, поради недостатъчното развитие на теорията за течното състояние, все още не е създадена.

Вискозитетът на отделните класове течности и разтвори зависи от температурата, налягането и химичния състав.

Вискозитетът на течностите зависи от химическата структура на техните молекули. В поредица от подобни химични съединения (наситени въглеводороди, алкохоли, органични киселини и др.) вискозитетът се променя естествено - той се увеличава с увеличаване на молекулното тегло. Високият вискозитет на смазочните масла се обяснява с наличието на цикли в техните молекули. Две течности с различен вискозитет, които не реагират една с друга при смесване, имат среден вискозитет в сместа. Ако по време на смесването се образува химическо съединение, тогава вискозитетът на сместа може да бъде десетки пъти по-голям от вискозитета на оригиналните течности.


Появата в течности (дисперсни системи или полимерни разтвори) на пространствени структури, образувани от адхезията на частици или макромолекули, причинява рязко повишаване на вискозитета. Когато тече „структурирана“ течност, работата на външна сила се изразходва не само за преодоляване на вискозитета, но и за разрушаване на структурата.

В газовете разстоянията между молекулите са значително по-големи от радиуса на действие на молекулните сили, следователно вискозитетът на газовете се определя главно от молекулярното движение. Между слоевете газ, движещи се един спрямо друг, има постоянен обмен на молекули поради тяхното непрекъснато хаотично (топлинно) движение. Преходът на молекули от един слой към съседен, движещи се с различна скорост, води до предаване на определен импулс от слой на слой. В резултат на това бавните слоеве се ускоряват, а по-бързите се забавят. Работа, извършена от външна сила Е, който балансира вискозното съпротивление и поддържа постоянен поток, се превръща напълно в топлина. Вискозитетът на газа не зависи от неговата плътност (налягане), тъй като когато газът се компресира, общият брой на молекулите, движещи се от слой към слой, се увеличава, но всяка молекула прониква по-малко дълбоко в съседния слой и предава по-малко инерция (Максуел закон).

Вискозитетът е важна физична и химична характеристика на веществата. Стойността на вискозитета трябва да се вземе предвид при изпомпване на течности и газове през тръби (нефтопроводи, газопроводи). Вискозитетът на разтопената шлака е много значителен при процеси в доменни пещи и открити огнища. Вискозитетът на стопеното стъкло определя процеса на неговото производство. В много случаи вискозитетът се използва за преценка на готовността или качеството на продуктите или полупродуктите от производството, тъй като вискозитетът е тясно свързан със структурата на веществото и отразява онези физични и химични промени в материала, които се случват по време на технологичните процеси. Вискозитетът на маслата е от голямо значение за изчисляване на смазването на машини и механизми и др.

Устройството за измерване на вискозитет се нарича вискозиметър.

Нека разгледаме друга координатна система: υ от X(фиг. 3.5).

Пуснете газ в покой нагоре, перпендикулярно на оста X, плочата се движи със скорост υ 0 и (υ T е скоростта на топлинно движение на молекулите). Плочата носи със себе си съседния слой газ, този слой – съседния и т.н. Целият газ се разделя на тънки слоеве, които се плъзгат нагоре толкова по-бавно, колкото по-далеч са от плочата. Тъй като слоевете газ се движат с различни скорости, възниква триене. Нека разберем причината за триенето в газа.


ориз. 3.5

Всяка газова молекула в слоя участва в две движения: термично и насочено.

Тъй като посоката на топлинното движение се променя хаотично, средно векторът на топлинната скорост е нула. При насочено движение целият набор от молекули ще се движи с постоянна скорост v. По този начин средният импулс на отделна молекула с маса мв слоя се определя само от скоростта на дрейфа υ:

Но тъй като молекулите участват в термично движение, те ще се движат от слой на слой. В същото време те ще носят със себе си допълнителен импулс, който ще се определя от молекулите на слоя, към който е преминала молекулата. Смесването на молекули от различни слоеве води до изравняване на скоростите на дрейфа на различните слоеве, което се проявява макроскопски като действието на силите на триене между слоевете.

Да се ​​върнем на фиг. 3.5 и разгледайте елементарна област d Сперпендикулярно на оста X. Чрез тази платформа във времето d tпотоците от молекули се движат наляво и надясно:

Но тези потоци носят различни импулси: и .

Когато инерцията се прехвърля от слой на слой, инерцията на тези слоеве се променя. Това означава, че всеки от тези слоеве е подложен на сила, равна на промяната в импулса. Тази сила не е нищо повече от сила на триене между слоевете газ, движещи се с различни скорости. Оттук и името - вътрешно триене .

Закон за вискозитета е открит от И. Нютон през 1687г.

Транспортиран във времето d tимпулсът е равен на:

От тук получаваме силата, действаща на единица площ от повърхността, разделяща два съседни слоя газ:

Вискозитет(вътрешно триене) ( английски. вискозитет) е едно от явленията на пренос, свойството на течните тела (течности и газове) да се противопоставят на движението на една част от тях спрямо друга. Механизмът на вътрешното триене в течности и газове е, че хаотично движещите се молекули прехвърлят инерция от един слой в друг, което води до изравняване на скоростите - това се описва чрез въвеждането на сила на триене. Вискозитетът на твърдите вещества има редица специфични характеристики и обикновено се разглежда отделно. Основният закон на вискозния поток е установен от I. Newton (1687): Когато се прилага към течности, вискозитетът се отличава:

  • Динамичен (абсолютен) вискозитет µ – сила, действаща върху единица площ от плоска повърхност, която се движи с единица скорост спрямо друга плоска повърхност, разположена на единица разстояние от първата. В системата SI динамичният вискозитет се изразява като Pa×s(паскал секунда), несистемна единица P (поаз).
  • Кинематичен вискозитет ν – коефициент на динамичен вискозитет µ до плътност на течността ρ .
ν= µ / ρ ,
  • ν , m 2 /s – кинематичен вискозитет;
  • μ , Pa×s – динамичен вискозитет;
  • ρ , kg/m 3 – плътност на течността.

Сила на вискозно триене

Това е явлението на възникване на тангенциални сили, които предотвратяват движението на части от течност или газ една спрямо друга. Смазването между две твърди тела заменя сухото триене при плъзгане с триене при плъзгане на слоеве течност или газ един срещу друг. Скоростта на частиците в средата се променя плавно от скоростта на едно тяло към скоростта на друго тяло.

Силата на вискозното триене е пропорционална на скоростта на относителното движение Vтела, пропорционални на площта Си обратно пропорционална на разстоянието между равнините ч.

F=-V S / h,

Коефициентът на пропорционалност, в зависимост от вида на течността или газа, се нарича коефициент на динамичен вискозитет. Най-важното за природата на силите на вискозно триене е, че при наличие на каквато и да е сила, колкото и малка да е тя, телата ще започнат да се движат, т.е. статично триене. Качествено значима разлика в силите вискозно триенеот сухо триене

Ако движещо се тяло е напълно потопено във вискозна среда и разстоянията от тялото до границите на средата са много по-големи от размерите на самото тяло, тогава в този случай говорим за триене или средна устойчивост. В този случай участъци от средата (течност или газ), непосредствено съседни на движещото се тяло, се движат със същата скорост като самото тяло и докато се отдалечават от тялото, скоростта на съответните участъци от средата намалява, ставайки нула в безкрайност.

Съпротивителната сила на средата зависи от:

  • нейния вискозитет
  • върху формата на тялото
  • върху скоростта на движение на тялото спрямо средата.

Например, когато топката се движи бавно във вискозна течност, силата на триене може да се намери с помощта на формулата на Стокс:

F=-6 R V,

Съществува качествено значима разлика между силите на вискозно триене и сухо триене, наред с други неща, че тяло при наличие само на вискозно триене и произволно малка външна сила задължително ще започне да се движи, тоест за вискозното триене няма статично триене и обратно - под въздействието само на вискозно триене , тяло, което първоначално се е движело, никога (в рамките на макроскопично приближение, което пренебрегва брауновото движение) няма да спре напълно, въпреки че движението ще се забави за неопределено време.

Вискозитет на газа

Вискозитетът на газовете (явлението вътрешно триене) е появата на сили на триене между слоеве газ, движещи се един спрямо друг успоредно и с различни скорости. Вискозитетът на газовете се увеличава с повишаване на температурата

Взаимодействието на два слоя газ се разглежда като процес, при който импулсът се прехвърля от един слой в друг. Силата на триене на единица площ между два слоя газ, равна на импулса, предаван за секунда от слой на слой през единица площ, се определя от закона на Нютон:


τ=-η dν / dz

където:
dν/dz- градиент на скоростта в посока, перпендикулярна на посоката на движение на газовите слоеве.
Знакът минус показва, че импулсът се прехвърля в посока на намаляване на скоростта.
η - динамичен вискозитет.


η= 1 / 3 ρ(ν) λ, където:

ρ - плътност на газа,
(ν) - средна аритметична скорост на молекулите
λ - средният свободен път на молекулите.

Вискозитет на някои газове (при 0°C)

Вискозитет на течността

Вискозитет на течността- това е свойство, което се проявява само при движение на течност и не засяга течностите в покой. Вискозното триене в течностите се подчинява на закона за триене, който е коренно различен от закона за триене на твърди тела, т.к. зависи от зоната на триене и скоростта на движение на течността.
Вискозитет– свойството на течността да устои на относителното срязване на нейните слоеве. Вискозитетът се проявява във факта, че при относителното движение на слоевете течност върху повърхностите на техния контакт възникват сили на съпротивление на срязване, наречени сили на вътрешно триене или вискозни сили. Ако разгледаме как скоростите на различните слоеве течност се разпределят в напречното сечение на потока, лесно можем да забележим, че колкото по-далеч от стените на потока, толкова по-голяма е скоростта на движение на частиците. По стените на потока скоростта на течността е нула. Това се илюстрира с чертеж на така наречения модел на струен поток.

Бавно движещ се слой течност „спира“ съседен слой течност, движещ се по-бързо, и обратно, слой, движещ се с по-висока скорост, влачи (дърпа) покрай слой, движещ се с по-ниска скорост. Силите на вътрешно триене се появяват поради наличието на междумолекулни връзки между движещите се слоеве. Ако изберем определена област между съседни слоеве течност С, тогава според хипотезата на Нютон:

F=μ S (du / dy),
  • μ - коефициент на вискозно триене;
  • С– зона на триене;
  • du/dy- градиент на скоростта

величина μ в този израз е динамичен коефициент на вискозитет, равно на:

μ= F / S 1 / du / dy , μ= τ 1/ду/ди,
  • τ – тангенциално напрежение в течността (зависи от вида на течността).

Физическо значение на коефициента на вискозно триене- число, равно на силата на триене, развиваща се върху единична повърхност с единичен градиент на скоростта.

На практика се използва по-често кинематичен коефициент на вискозитет, наречена така, защото в нейното измерение липсва обозначението на сила. Този коефициент е съотношението на динамичния коефициент на вискозитет на течност към нейната плътност:

ν= μ / ρ ,

Единици за коефициент на вискозно триене:

  • N·s/m2;
  • kgf s/m 2
  • Pz (Поазей) 1(Pz)=0,1(N s/m 2).

Анализ на свойствата на вискозитета на флуида

За падащи течности вискозитетът зависи от температурата tи натиск Р, но последната зависимост се появява само при големи промени в налягането, от порядъка на няколко десетки MPa.

Зависимостта на коефициента на динамичен вискозитет от температурата се изразява с формула от вида:

μ t = μ 0 e -k t (T-T 0),
  • μt - коефициент на динамичен вискозитет при дадена температура;
  • μ 0 - коефициент на динамичен вискозитет при известна температура;
  • Т - зададена температура;
  • Т 0 - температура, при която се измерва стойността μ 0 ;
  • д

Зависимостта на относителния коефициент на динамичен вискозитет от налягането се описва с формулата:

μ р =μ 0 e -k р (Р-Р 0),
  • μ R - коефициент на динамичен вискозитет при дадено налягане,
  • μ 0 - коефициент на динамичен вискозитет при известно налягане (най-често при нормални условия),
  • Р - зададено налягане;
  • P 0 - налягане, при което се измерва стойността μ 0 ;
  • д – основата на естествения логаритъм е равна на 2,718282.

Ефектът на налягането върху вискозитета на течността се проявява само при високо налягане.

Нютонови и ненютонови течности

Нютоновите течности са тези, при които вискозитетът не зависи от скоростта на деформация. В уравнението на Навие-Стокс за Нютонова течност има закон за вискозитет, подобен на горния (всъщност обобщение на закона на Нютон или закона на Навие).

В течност възниква вътрешно триене поради взаимодействието на молекулите. За разлика от външното триене, което възниква в точката на контакт на две тела, вътрешното триене се осъществява вътре в движеща се среда между слоеве с различни скорости.

При скорости над критичната скорост близките до стените слоеве забележимо изостават от средните поради триене и възникват значителни разлики в скоростта, което води до образуването на вихри.

така че вискозитет, или вътрешно триене в течности, причинява не само загуби на енергия поради триене, но и нови образувания - вихри.

Нютон установява, че силата на вискозитета или вътрешното триене трябва да бъде пропорционална на градиента на скоростта (стойност, показваща колко бързо се променя скоростта при преминаване от слой към слой в посока, перпендикулярна на посоката на движение на слоевете) и площта над който се засича действието на тази сила. Така стигаме до формулата на Нютон:

, (I.149)

къде - коефициент на вискозитет, или вътрешно триене, постоянно число, характеризиращо дадена течност или газ.

За да разберем физическия смисъл, нека поставим във формула (I.149) sec –1, m 2; след това числено; следователно, коефициентът на вискозитет е равен на силата на триене, което се среща в течност между две области в m 2, ако градиентът на скоростта между тях е равен на единица.

SI единица за динамичен вискозитет = паскал секунда (Pa s).

(Pa s) е равен на динамичния вискозитет на средата, в която при ламинарен поток и градиент на скоростта с модул, равен на (m/s) на (m), върху (m) се появява сила на вътрешно триене в (N). 2) контактната повърхност на слоевете ( Pa s = N s/m 2).

Единицата, разрешена за употреба до 1980 г.: поаз (P), кръстен на френския учен Poiseuille, който е един от първите (1842), който започва прецизни изследвания на вискозитета, когато течностите текат в тънки тръби (връзката между единиците за динамичен вискозитет: 1 P = 0,1 Pa s)

Поазей, наблюдавайки движението на течности в капилярни тръби, изведен закон , според която:

, (I.150)

където е обемът на течността, протичаща през тръбата за времето;

Радиус на тръбата (с гладки стени);

Разлика в налягането в краищата на тръбата;

Продължителност на флуидния поток;

Дължина на тръбата.

Колкото по-голям е вискозитетът, толкова по-големи са силите на вътрешно триене, които възникват в него. Вискозитетът зависи от температурата и естеството на тази зависимост е различно за течности и газове:

q динамичният вискозитет на течностите рязко намалява с повишаване на температурата;

q Динамичният вискозитет на газовете се увеличава с повишаване на температурата.

В допълнение към концепцията за динамичен вискозитет, концепциите оборотИ кинематичен вискозитет.

Течливостсе нарича реципрочна стойност на динамичния вискозитет.

SI единица за течливост = m 2 / (N s) = 1 / (Pa s).

Кинематичен вискозитетсе нарича отношението на динамичния вискозитет към плътността на средата.

Единицата SI за кинематичен вискозитет е m 2 /s.

До 1980 г. единицата, разрешена за използване, беше Stokes (St). Връзката между единиците за кинематичен вискозитет:

1 Стокс (St) = 10 –4 m 2 /s.

Когато сферично тяло се движи в течност, то трябва да преодолее силата на триене:

. (I.153)

Формула (I.153) е Закон на Стокс .

Определянето на вискозитета на течността с помощта на вискозиметър на Hoeppler се основава на закона на Stokes. В тръба с определен диаметър, пълна с течност, чийто вискозитет трябва да се определи, се спуска топка и се измерва скоростта на падането й, която е мярка за вискозитета на течността.

Английският учен О. Рейнолдс през 1883 г. в резултат на своите изследвания стига до извода, че критерият за характеризиране на движението на течности и газове могат да бъдат числа, определени от безразмерен набор от количества, свързани с дадена течност и нейното дадено движение . Съставът на тези абстрактни числа, наречени числа Рейнолдс, такива.

Вискозитет (вътрешно триене) -Това е свойството на истинските течности да устояват на движението на една част от течността спрямо друга. Когато някои слоеве на истинска течност се движат спрямо други, възникват сили на вътрешно триене, насочени тангенциално към повърхността на слоевете. Действието на тези сили се проявява в това, че от страната на по-бързо движещия се слой, ускоряваща сила действа върху по-бавно движещия се слой. От страната на слоя, който се движи по-бавно, спирачна сила действа върху слоя, който се движи по-бързо.

Сила на вътрешно триене Еколкото по-голяма е, толкова по-голяма е разглежданата повърхност на слоя S (фиг. 52) и зависи от това колко бързо се променя скоростта на потока на флуида при преминаване от слой към слой.

Фигурата показва два слоя, отдалечени един от друг на разстояние x и движещи се със скорости v 1 и v 2. В този случай v 1 -v 2 = v. Посоката, в която се измерва разстоянието между слоевете, е перпендикулярендебит на слоя. Стойността v/x показва колко бързо се променя скоростта при движение от слой на слой в посоката X,перпендикулярно на посоката на движение на слоевете, и се нарича градиент на скоростта.По този начин модулът на силата на вътрешно триене

където е коефициентът на пропорционалност  , в зависимост от естеството на течността се нарича динамичен вискозитет(или просто вискозитет).

Единицата за вискозитет е паскал секунда (Pa s): 1 Pa s е равен на динамичния вискозитет на средата, в която при ламинарен поток и градиент на скоростта с модул, равен на 1 m/s на 1 m, възниква вътрешно триене при докосване на слоевете възниква сила от 1 N на 1 m2 повърхност (1 Pa s = 1 N s/m 2).

Колкото по-висок е вискозитетът, толкова повече течността се различава от идеалната, толкова по-големи са силите на вътрешно триене, които възникват в нея. Вискозитетът зависи от температурата и естеството на тази зависимост е различно за течности и газове (за течности, m] намалява с повишаване на температурата, за газове, напротив, се увеличава), което показва разликата в тях

механизми на вътрешно триене. Вискозитетът на маслата зависи особено силно от температурата. Например, вискозитетът на рициново масло е в диапазона 18-40 ° СЪС пада четирикратно. Съветският физик П. Л. Капица (1894-1984; Нобелова награда 1978) открива, че при температура 2,17 K течният хелий преминава в свръхфлуидно състояние, при което неговият вискозитет е нула.

Има два режима на флуиден поток. Токът се нарича ламинарна (слоеста),ако по течението на потока всеки избран тънък слой се плъзга спрямо съседите си, без да се смесва с тях, и турбулентен (вихров),ако се получи интензивно образуване на вихри и смесване на течността (газа) по протежение на потока.

Ламинарният поток на течността се наблюдава при ниски скорости на нейното движение. Външният слой течност, съседен на повърхността на тръбата, в която тече, се прилепва към нея поради молекулярните адхезионни сили и остава неподвижен. Колкото по-голямо е разстоянието от следващите слоеве до повърхността на тръбата, толкова по-голяма е скоростта на следващите слоеве и слоят, движещ се по оста на тръбата, има най-висока скорост.

При турбулентен поток частиците на течността придобиват компоненти на скоростта, перпендикулярни на потока, така че да могат да се движат от един слой в друг. Скоростта на течните частици се увеличава бързо, докато се отдалечават от повърхността на тръбата, след което се променя съвсем леко. Тъй като течните частици се движат от един слой в друг, техните скорости в различните слоеве се различават малко. Поради големия градиент

скорости, вихрите обикновено се образуват близо до повърхността на тръбата.

Профилът на средната скорост за турбулентния поток в тръбите (фиг. 53) се различава от параболичния профил за ламинарен поток чрез по-бързо увеличаване на скоростта в близост до стените на тръбата и по-малка кривина в централната част на потока.

Английският учен О. Рейнолдс (1842-1912) установява през 1883 г., че характерът на потока зависи от безразмерна величина, т.нар. Числото на Рейнолдс:

където v = / - кинематичен вискозитет;

 - плътност на течността; (v) е средната скорост на флуида по напречното сечение на тръбата; d- характерен линеен размер, например диаметър на тръба.

При ниски стойности на числото на Рейнолдс (Re1000) се наблюдава ламинарен поток, преходът от ламинарен поток към турбулентен поток се извършва в областта на 1000:Re2000, а при Re = 2300 (за гладки тръби) потокът е бурен. Ако числото на Рейнолдс е същото, тогава режимът на протичане на различни течности (газове) в тръби с различни сечения е еднакъв.