Вязкость

Определение "Вязкость" в Большой Советской Энциклопедии

Вязкость расплавленных металлов

Вязкость, внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. Внутреннее трение в твёрдых телах).
Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):

Зависимость количества жидкости, протекающей через капилляр, от давления

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друг друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; (v₂ — v_l)/(z₂ — z₁) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (см. рис. 1). Коэффициент пропорциональности h называется коэффициентом динамической вязкости или просто Вязкость Он количественно характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв. Величина, обратная Вязкость, j =¹/_h называется текучестью.

Измерение вязкости смазочных масел

Согласно формуле (1), Вязкость численно равна тангенциальной силе P_S = F/S (на единицу площади), необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости (газа), расстояние между которыми равно единице. Из этого определения следует, что в Международной системе единиц единица Вязкость имеет размер н·сек/м², а в СГС системе единиц  — г/(см²·сек) (пуаз). 1 пз = 0,1 н·сек/м². Наряду с динамической Вязкость h часто рассматривают так называемую кинематическую Вязкость n = h/r, где r — плотность жидкости или газа. Единицами кинематической Вязкость служат, соответственно, м²/сек и см²/сек (стокс). Вязкость жидкостей и газов определяют вискозиметрами.

Однородный сдвиг (вязкое течение) слоя жидкости

В условиях установившегося слоистого течения (см. Ламинарное течение) при постоянной температуре Вязкость газов и нормальных жидкостей (так называемых ньютоновских жидкостей) — постоянная величина, не зависящая от градиента скорости. В таблице приведены значения Вязкость некоторых жидкостей и газов:

 

< Вещество<	h при 20°С, 10-3 н·сек/м2 или спз
Водород  . . . . . . . . . . . .	0,0088
Азот  . . . . . . . . . . . . . . .	0,0175
Кислород  . . . . . . . . . . .	0,0202
Вода  . . . . . . . . . . . . . . .	1,002
Этиловый спирт  . . . . . .	1,200
Ртуть  . . . . . . . . . . . . . . .	1,554
Глицерин  . . . . . . . . . . .	~1500

 

Расплавленные металлы имеют Вязкость того же порядка, что и обычные жидкости (рис. 2). Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий. При температуре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором Вязкость равна нулю (см. Гелий, Сверхтекучесть).

Вязкость — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение Вязкость приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). Вязкость расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. Вязкость расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По Вязкость во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку Вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. Вязкость масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет Вязкость движением и взаимодействием молекул. В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому Вязкость газов определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определённого количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.

Вязкость газа не зависит от его плотности (давления), так как при сжатии газа общее количество молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньшее количество движения (закон Максвелла). Для Вязкость идеальных газов в молекулярно-кинетической теории даётся следующее соотношение:

где m — масса молекулы, n — число молекул в единице объёма,  — средняя скорость молекул и l — длина свободного пробега молекулы между двумя соударениями её с другими молекулами. Так как  возрастает с повышением температуры Т (несколько возрастает также и l), то Вязкость газов увеличивается при нагревании (пропорционально ). Для очень разреженных газов понятие Вязкость теряет смысл.

В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, Вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения Вязкость жидкостей с повышением температуры (рис. 3) и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория Вязкость жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул Вязкость, достаточно хорошо отражающих зависимость Вязкость отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и химического состава.

Вязкость жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) Вязкость изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая Вязкость смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов (см. Циклические соединения, Нафтены). Две жидкости различной Вязкость, которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением Вязкость Если же при смешивании образуется химическое соединение, то Вязкость смеси может быть в десятки раз больше, чем Вязкость исходных жидкостей. На этом основано применение измерений Вязкость в качестве метода физико-химического анализа.

Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение Вязкость При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) Вязкость, но и на разрушение структуры (см. Реология).

Для нормальных вязких жидкостей между количеством жидкости Q, протекающей в единицу времени через капилляр, и давлением p существует прямая пропорциональность (см. Пуазёйля закон). Течение структурированных жидкостей не подчиняется этому закону, для них кривые зависимости Q от р выпуклы к оси давления (рис. 4), что объясняется непостоянством h. Аномальной Вязкость, характерной для структурированных жидких систем, обладают важнейшие биологические среды — цитоплазма и кровь.
  М. П. Воларович.

  Вязкость биологических сред определяется в большинстве случаев структурной вязкостью. Вязкость жидкого содержимого клетки-цитоплазмы связана со структурой составляющих её биополимеров и субклеточных образований, что вызывает отклонения (характера тиксотропии) вязкого течения от ньютоновского закона нормальных жидкостей. Методы измерения Вязкость биологических сред — наблюдение скорости перемещения гранул при центрифугировании или железных опилок в магнитном поле, измерение среднего смещения броуновских частиц (см. Броуновское движение). Абсолютная вязкость цитоплазмы колеблется от 2 до 50 спз (1 спз = 10^-3 н·сек/м²), она меняется в различных частях клетки и в разные периоды клеточного цикла. С понижением температуры ниже 12—15°С и при повышении её свыше 40—50°С вязкость цитоплазмы увеличивается. При воздействии облучения наблюдается сначала уменьшение вязкости, а затем, при увеличении дозы, — её возрастание.

Вязкость ликвора, лимфы и плазмы крови достаточно точно описывается ньютоновским законом вязкого течения, она исследуется в капиллярных или цилиндрических вискозиметрах. Кровь — неньютоновская жидкость, так как содержит структурированные компоненты — белки и клетки крови, её вязкость у человека в норме 4—5 спз, при патологии колеблется от 1,7 до 22,9 спз, что отражается в реакции оседания эритроцитов (РОЭ).

  Лит.: Гaтчек Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1935; Труды совещания по вязкости жидкостей и коллоидных растворов, т. 1—3, М. — Л., 1941—45; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, М. — Л., 1945; Фукс Г. И., Вязкость и пластичность нефтепродуктов, М., 1956; Голубев И. Ф., Вязкость газов и газовых смесей, М., 1959; Справочник химика, 2 изд., т. 1, Л. — М.,1963; Руководство по цитологии, т. 1—2, М. — Л., 1965—66; Heilbrunn L. V. The viscosity of protoplasm, W., 1958.
  Н. Н. Фирсов.

Рис. 4. Зависимость количества жидкости Q, протекающей через капилляр в 1 сек, от давления p для нормальных (ньютоновских) и аномальных (неньютоновских) жидкостей.


Рис. 2. Вязкость некоторых расплавленных металлов в спз.

S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; Dx0 — величина начального сдвига жидкости." href="/a_pictures/18/10/212574081.jpg">S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; Dx0 — величина начального сдвига жидкости."http://sulphur.atomistry.com/">S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; Dx0 — величина начального сдвига жидкости." src="a_pictures/18/10/th_212574081.jpg">
Рис. 1. Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости, заключенного между двумя твердыми пластинками площадью S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v0; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; Dx0 — величина начального сдвига жидкости.