Camgora.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Исследование зависимости вязкости растворов от концентрации с помощью вискозиметра

Исследование зависимости вязкости растворов от концентрации с помощью вискозиметра. Измерение вязкости крови: Учебно-методическая разработка лабораторной работы по курсу «Медицинская и биологическая физика» , страница 6

Силы вязкости являются тангенциальными силами, то есть имеют направление вдоль поверхности соприкосновения слоев жидкости.

Физический смысл коэффициента вязкости: коэффициент вязкости численно равен силе внутреннего трения, возникающей между двумя слоями жидкости, отнесенной к единице площади, необходимой для поддержания градиента скорости, равного единице.

При S = 1 ед.площади, = 1, h = F

Единицы измерения коэффициента вязкости:

СИ: (Паскаль-секунда)

1 Пас — это вязкость такой жидкости, в которой при градиенте скорости равном единице, на каждый квадратный метр площади соприкосновения слоев действует сила равная 1 Н.

В медицине вязкость выражают в пуазах.

1 Пас = 10 П (пуаз) = 10 3 сП (сантипуаз)

Коэффициент вязкости зависит:

1. от природы жидкости,

2. от температуры: с повышением температуры вязкость жидкости уменьшается, для газов — увеличивается.

1. Ньютоновские – это жидкости у которых коэффициент вязкости не зависит от градиента скорости (от скорости сдвига). Коэффициент вязкости ньютоновских жидкостей зависит только от её природы и температуры. Они подчиняются линейному закону Ньютона, то есть это сплошная, однородная и изотропная среда. Так вязкость лимфы и плазмы крови хорошо описывается уравнением Ньютона. Это нормальная вязкость.

2. Неньютоновские — реологически более сложные жидкости, у которых коэффициент вязкости зависит от градиента скорости (от скорости сдвига), т.е. от условий течения жидкости. Коэффициент вязкости в этом случае не является константой вещества. Они обладают нелинейными свойствами. К ним относятся высокомолекулярные соединения, такие как растворы, полимеры, суспензии, эмульсии, системы биологического происхождения: кровь, синовиальная жидкость. Вязкость неньютоновских жидкостей зависит от ряда кинематических и динамических параметров. Это аномальная вязкость. Неньютоновские реологические свойства крови изменяют профили скорости в каналах экстракорпоральных устройств.

2.ФОРМУЛА ПУАЗЕЙЛЯ выражает объем жидкости, протекающей через капилляр, который зависит от радиуса капилляра, коэффициента вязкости, градиента давления и времени протекания жидкости:

— формула справедлива для ламинарного течения жидкости, где r – радиус сечения капилляра

— длина капилляра

DР = Рвх – Рвых – разность давлений на концах капилляра

grad P = — градиент давления

t – время протекания жидкости

Для вычисления потока жидкости в сосуде важной характеристикой является объемная скорость течения, в частности крови.

Объемная скорость – это величина численно равная объему жидкости, протекающему за единицу времени через данное сечение трубы.

Объемная скорость жидкости выражается формулой Q =

Единица измерения м³/с

Для стационарного ламинарного течения реальной жидкости в цилиндрической трубе постоянного сечения формула Пуазейля приобретает вид:

Согласно этой формуле объемная скорость жидкости пропорциональна перепаду давления на единице длины трубы, четвертой степени радиуса трубы и обратно пропорциональна коэффициенту вязкости.

Для труб переменного сечения формула Пуазейля имеет вид

Гидравлическое сопротивление выражается формулой:

Тогда объемную скорость жидкости можно представить в виде:

Падение давления жидкости (в частности крови) зависит от объемной скорости и значительно от радиуса сосуда, выражается формулой: DР =Q∙Rгидр.

3. ФОРМУЛА СТОКСА выражает силу сопротивления при движении тела в жидкости, которая тормозит его движение, направлена в сторону противоположную скорости тела относительно среды.

Сила сопротивления при движении тел в жидкости зависит:

1) от формы тела

2) от размеров тела

3) от коэффициента вязкости

4) от скорости движения тела

Общая закономерность закона Стокса выражается формулой:

где p и k – численный коэффициент, определяющий геометрическую форму тела.

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Вязкость

Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Вязкость — свойство, присущее как капельным жидкостям, так и газам, которое проявляется только при движении, не может быть обнаружено при покое, и проявляется в виде внутреннего трения при перемещении смежных частиц жидкости. Вязкость характеризует степень текучести жидкости и подвижности ее частиц. Вязкостью жидкостей объясняется сопротивление и потери напор, которое возникает при движении их по трубам, каналам и прочим руслам, а также при движении в них инородных тел.

Изучение свойств внутреннего трения жидкости активно занимался Исаак Ньютон, заложив основы учению о вязкости. Ньютон высказал предположение (впоследствии подтвержденное опытом), что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. В итоге, И.Ньютон получил зависимость, характеризующую связь вязкости с явлением внутреннего трения, получившую название одноименного закона.

Рис. 1.2. Распределение скоростей при течении жидкости вдоль плоской стенки

Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными слоями. Каждый слой будет двигаться со своей скоростью, причем скорость слоев будет увеличиваться по мере отдаления от стенки.

Рассмотрим два слоя жидкости, движущиеся на расстоянии Δy друг от друга. Поскольку между слоями присутствует сила трения и благодаря взаимному торможению различные слои имеют различные скорости, и слой А движется со скоростью v, а слой Б – со скоростью (v+Δv). Величина Δv является абсолютным сдвигом слоя А по слою Б, а величина Δv/Δy – относительным сдвигом, или градиентом скорости. Тогда при движении возникает касательное напряжение τ (тау), которое характеризует трение на единицу площади (напряжением внутреннего трения). Напряжение внутреннего трения имеет физический смысл зависимости:

,

где Fтр – сила внутреннего трения, Н; S – площадь соприкосновения поверхностей, м 2 .

Тогда согласно закону Ньютона зависимость между напряжением и относительным сдвигом будет иметь вид:

,

т.е. напряжение внутреннего трения пропорционального градиенту скорости.

Коэффициент пропорциональности µ (мю) называется динамическим коэффициентом вязкости. Из формулы видно, что динамический коэффициент вязкости численно равен напряжению внутреннего трения в том случае, когда относительная скорость двух плоскостей А и Б, отстоящих друг от друга на расстоянии 1 м, равна 1м/с.

Размерность динамического коэффициента вязкости следует из формулы. Так как напряжение τ есть сила, отнесенная к единице площади, то его размерность равна:

.

Размерность градиента скорости:

.

Отсюда размерность динамического коэффициента вязкости:

.

Таким образом, за единицу измерения динамической вязкости в системе единиц СИ принимают:

.

В физической системе единицей динамической вязкости является пуаз, обозначается «П»:

.

Динамическая вязкость у капельных жидкостей, молекулы которых расположены весьма близко друг к другу, при повышении температуры уменьшается в связи с увеличением скорости броуновского движения, ос­лабляющего удерживающие связи, то есть силы сцепления.

Зависимость коэффициента μ от температуры в общем виде выражается формулой:

,

где — значение при t = 0°C; а и b — опытные коэффициенты, зависящие от физико-химических свойств (от рода) жидкости; t — температура жидкости в °С.

У газов силы притяжения между молекулами проявляют себя только при сильном сжатии, а в обычных условиях молекулы газов находятся в состоянии хаотичного теплового движения и трение слоев газа друг о друга происходит только вследствие столкновения молекул. При повышении температуры скорость молекул возрастает, растет число их столкновений и вязкость возрастает.

Для пресной воды Пуазейлем получена формула:

. (1.3)

Для воздуха известна формула Милликена:

. (1.4)

В гидравлике для характеристики вязких свойств газов и паров иногда вместо динамического употребляется другой коэффициент вязкости, обозначаемый буквой η (эта) и связанный с динамическим коэффициентом уравнением

, (1.5)

где g – ускорение силы тяжести, м/с 2 .

Очевидно, этот коэффициент вязкости η имеет размерность:

.

При этом единицей измерения η в технической системе единиц является

.

В гидравлике и на производстве широко применяется так называемый кинематический коэффициент вязкости ν (ню), определяемый как отношение динамической вязкости к плотности:

.

Размерность кинематического коэффициента вязкости:

.

В системе СИ для ν принята единица: .

Единицей измерения коэффициента ν в физической системе служит стокс, обозначается «Ст»:

.

Например, кинематический коэффициент вязкости воды равен

.

Величину, обратную динамической вязкости называют текучестью.

Вязкость для всех капельных жидкостей убывает с повы­шением температуры. Для получения точных гидравлических расчетов рекомендуется иметь график (или таблицу) зависимости вязкости от температуры, построенный на основе спе­циальных определений в лаборатории. Весьма осторожно следует относиться к различного рода номограммам и формулам, служащим для определения вязкости смеси двух или нескольких различных нефтепродуктов.

График, характеризующий зависимость изменения вязкости жидкости от температуры называется вискограммой (Рис. 1.3).

Для определения вязкости жидкости при любой произвольной температуре T с достаточной точностью используется формула Рейнольдса-Филонова:

,

где ν — вязкость при известной температуре Т, u – коэффициент крутизны вискограммы, который характеризует угол наклона касательной вискограммы к оси абсцисс (Рис. 1.4) и определяется по формуле:

.

Рис.1.4 Определение коэффициента крутизны вискограммы

Таким образом, можно охарактеризовать любую жидкость и определить ее вязкость при любой температуре, зная координаты двух произвольных точек вискограммы. Стоит заметить, что для капельных жидкостей коэффициент вискограммы положителен, однако существуют жидкости, у которых вязкость мало изменяется при изменении температуры, для газообразных — коэффициент вискограммы отрицателен. Существуют жидкости, вязкость которых мало зависит от температуры, они представляют собой сложные химические соединения и используются в качестве рабочих в гидравлических машинах, например в вискомуфтах.

Существуют жидкости, для которых закон И. Ньютона неприменим. В отличие от обычных, ньютоновских, эти жидкости называют неньютоновскими, или аномальными.

Значения кинематической вязкости ν воды и воздуха

t, 0 C10 6 ν, м 2 /c
водывоздуха
1,7813,7
1,3114,7
1,0115,7
0,8116,6
0,6617,6
0,4819,6
0,2823,8

Кинематическая вязкость некоторых жидкостей

Жидкостьt, °Cv∙10 -4 , м 2 /сЖидкостьt, °Cv∙10 -4 , м 2 /с
Бензин0,0065Ртуть0,00125
Спирт винный0,0133Сталь жидкая (0,3% С)0,00370
Керосин0,0250
Глицерин8,7000

Вязкость различных сортов жидкости одного названия, например, нефти, в зависимости от химического состава и молекулярного строения может иметь различные значения.

Для вязких нефтей средние значения u = 0,05+0,1 на 1°С.

Вязкость жидкостей, как показывают опыты, зависит также от давления. При возрастании давления она обычно увеличивается. Исключением является вода, для которой при температуре до 32° С с повышением давления вязкость уменьшается. При давлениях, встречающихся в практике (до 20 МПа), изменение вязкости жидкостей весьма мало и при обычных гидравлических расчетах не учитывается.

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 20 ; Нарушение авторских прав

Коэффициент вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Физический смысл коэффициента вязкости

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.

Вязкость аморфных материалов[ | ]

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс[10]:

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

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q изменяется от большой величины Q H > при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину Q L > при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда ( Q H − Q L ) Читайте также: Блок управления зеркалами ЛАРГУС (джойстик) RENAULT 255706283R (оригинал)

η ( T ) = A L T ⋅ exp ⁡ ( Q H R T ) , Tcdot exp left(>>right),>

с высокой энергией активации Q H = H d + H m =H_+H_> , где H d > — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а H m > — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при T

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

Вязкость газов[ | ]

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

η = 1 3 ⟨ u ⟩ ⟨ λ ⟩ ρ <3>>langle urangle langle lambda rangle rho > ,

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

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

Таблицы перевода размерностей вязкости

В случае, если размерность Вашей величины не совпадает с используемой в калькуляторе, воспользуйтесь таблицами перевода.

Выберете размерность в левом столбце и умножьте свою величину на множитель, находящийся в ячейке на пересечении с размерностью в верхней строчке.

Табл. 1. Перевод размерностей кинематической вязкости ν Табл. 2. Перевод размерностей динамической вязкости μ

Кстати, прочтите эту статью тоже: Формула числа Рейнольдса Re

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.

Следует узнать эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства:

Определение скорости воды на основе уравнения расхода:

По формуле Рейнольдса найти число Re:

Подставляя значения, получаем:

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:

Вычисление кинематического показателя, исходя из формулы:

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

Что такое вязкость? Единицы измерения вязкости

Вязкость характеризует способность газов или жидкостей создавать сопротивление между движущимися по отношению друг к другу слоями текучих (не твердых) тел. То есть эта величина соответствует силе внутреннего трения (английский термин: viscosity), возникающей при движении газа или жидкости. Для разных тел она будет различной, так как зависит от их природы. Например, вода имеет низкую вязкость по сравнению с медом, вязкость которого намного выше. Внутреннее трение или текучесть твердых (сыпучих) веществ характеризуется реологическими характеристиками.

Слово вязкость происходит от латинского слова Viscum, что в переводе означает омела. Это связано с птичьим клеем, который делали из ягод омелы и использовали для ловли птиц. Клеящим веществом намазывали ветки деревьев, а птицы, садясь на них, становились легкой добычей для человека.

Что же такое вязкость? Единицы измерения данной характеристики будут приведены, как это принято, в системе СИ, а также в других внесистемных единицах.

Исак Ньютон в 1687 году установил основной закон течения жидких и газообразных тел: F = ƞ • <(v2 – v1) / (z2 – z1)>• S. В данном случае F — это сила (тангенциальная), которая вызывает сдвиг слоев подвижного тела. Отношение (v2 – v1) / (z2 – z1) показывает быстроту изменения скорости течения жидкости или газа при переходе от одного подвижного слоя к другому. Иначе называется градиентом скорости течения или скоростью сдвига. Величина S — это площадь (в поперечном сечении ) потока подвижного тела. Коэффициент пропорциональности ƞ и есть коэффициент вязкости динамической данного тела. Величина, ей обратная j = 1 / ƞ, является текучестью. Силу, действующую на единицу площади (в поперечном сечении) потока, можно рассчитать по формуле: µ = F / S. Это и есть абсолютная или динамическая вязкость. Единицы измерения ее в системе СИ выражаются как паскаль на секунду.

Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих веществ. Значение ее учитывают при проектировании и эксплуатации трубопроводов и аппаратов, в которых происходит движение (например, если они служат для перекачивания) жидкой или газообразной среды. Это могут быть нефть, газ или продукты их переработки, расплавленные шлаки либо стекло и прочее. Вязкость во многих случаях является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физико-химическое состояния материала и изменения, происходящие в технологии. Часто для оценки величины сопротивления деформации или истечения используют не динамическую, а кинематическую вязкость, единицы измерения которой в системе СИ выражаются в квадратных метрах за секунду. Кинематическая вязкость (обозначается ν) есть отношение вязкости динамической (µ) к плотности среды (ρ): v = µ / ρ.

Кинематическая вязкость — это физико-химическая характеристика материала, показывающая его способность под действием сил гравитации сопротивляться течению.

В системе СИ единицы измерения кинематической вязкости записывают как м2/с.

В системе СГС вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).

Между этими единицами измерения существует следующая связь: 1 Ст = 10-4 м2/с, тогда 1 сСт = 10-2 Ст = 10-6 м2/с = 1 мм2/с. Часто для кинематической вязкости пользуются другой внесистемной единицей измерения — это градусы Энглера, перевод которых в Стоксы можно осуществлять по эмпирической формуле: v = 0,073oE – 0,063 / oE или по таблице.

Для пересчета системных единиц измерения динамической вязкости во внесистемные можно использовать равенство: 1 Па • с = 10 пуаз. Краткое обозначение записывается: П.

Обычно единицы измерения вязкости жидкости регламентируются нормативной документацией на готовый (товарный) продукт или технологическим регламентом на полупродукт вместе с допустимым диапазоном изменения этой качественной характеристики, а также с погрешностью ее измерения.

Для определения вязкости в лабораторных или производственных условиях пользуются вискозиметрами различной конструкции. Они могут быть ротационные, с шариком, капиллярные, ультразвуковые. Принцип измерения вязкости в стеклянном капиллярном вискозиметре основан на определении времени истечения жидкости через калиброванный капилляр определенного диаметра и длины, при этом должна быть учтена постоянная вискозиметра. Так как вязкость материала зависит от температуры (с повышением ее она будет уменьшаться, что объясняется молекулярно-кинетической теорией как результат ускорения хаотического движения и взаимодействия молекул), поэтому испытуемая проба должна быть выдержана некоторое время при определенной температуре для усреднения последней по всему объему пробы. Существует несколько стандартизованных методов испытания вязкости, но наиболее распространенный — это межгосударственный стандарт ГОСТ 33-2000, на основании которого определяется кинематическая вязкость, единицы измерения в данном случае мм2/с (сСт), а динамическая вязкость пересчитывается, как произведение вязкости кинематической на плотность.

Определение коэффициента вязкости жидкости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

Цель работы: познакомиться с явлением вязкости жидкости и закономерностями движения тел в вязкой среде.

Оборудование: два цилиндра с исследуемыми жидкостями, секундомер, штангенциркуль, масштабная линейка, свинцовые шарики.

Описание метода

Внутреннее трение возникает при движении одного слоя жидкости относительно другого в результате межмолекулярного взаимодействия слоев жидкости. Закон внутреннего трения для ламинарного (безвихревого) течения установлен Ньютоном: сила внутреннего трения (вязкости) пропорциональна градиенту скорости и площади трущихся слоев (рис. 1):

, (1)

где – коэффициент внутреннего трения исследуемой жидкости (коэффициент вязкости).

Коэффициент вязкости может быть определен различными методами. Один из них, метод Стокса, основан на измерении скорости падения тяжелого шарика в исследуемой жидкости.

К поверхности шарика, падающего в жидкости, прилипает слой жидкости, который неподвижен относительно поверхности шарика. Поэтому при движении в жидкости возникает трение не между шариком и жидкостью, а между слоями жидкости. Стокс, применяя закон (1), установил, что при движении шара в жидкости сила трения пропорциональна скорости движения , радиусу шарика и зависит от рода жидкости:

. (2)

Знак «минус» показывает, что сила внутреннего трения направлена в сторону, противоположную скорости шарика.

При больших скоростях, когда ламинарное слоистое обтекание шарика сменяется турбулентным (вихревым) закон Стокса нарушается.

На шарик, движущийся в жидкости, действуют сила тяжести , выталкивающая сила Архимеда , и сила сопротивления . Вначале, когда трение еще невелико, движение шарика будет ускоренным. По мере роста скорости движения увеличивается и сила сопротивления. При некоторой скорости силы, действующие на шарик, уравновешиваются и, начиная с этого момента, движение его становится равномерным.

При этом (рис. 2)

Подставляя в уравнение (3) выражения для соответствующих сил (; ; ) и решая его относительно скорости, получаем

, (4)

где и – плотности материала шарика и жидкости; – радиус шарика.

Теоретически зависимость скорости падения шарика от квадрата радиуса – прямо пропорциональная (рис. 3) с угловым коэффициентом

Из формулы (4) коэффициент вязкости жидкости

. (5)

Описание установки

Для определения коэффициента вязкости используется установка (см. рис. 3), содержащая две стеклянные трубы 1 и 2, заполненные исследу­емыми жидкостями (глицерин, касторовое масло). Сверху трубы закрыты крышками 3, в которых имеются отверстия для опускания шарика. Для фиксации пройденного шариком расстояния на каждую трубу установлены кольца-метки 4.

Время падения измеряется электрическим секундомером. Чтобы избежать ошибок на параллакс в момент включения и выключения секундомера, глаз наблюдателя, шарик и кольцо должны находиться на одном уровне.

Выполнение работы

1. Измерить линейкой расстояние между кольцами на одной из труб. Верхнее кольцо должно быть ниже уровня жидкости не менее чем на 5 см. Оценить погрешность измерения .

2. Измерить штангенциркулем диаметр небольшого шарика. Записать радиус в таблицу . Оценить погрешность .

При измерении штангенциркулем десятые доли миллиметра определяются по шкале нониуса там, где деление нониуса точно совпадает с каким-либо делением основной шкалы.

3. Опустить шарик в трубу с исследуемой жидкостью, измерить секундомером время прохождения шариком расстояния между кольцами. Оценить погрешность измерения = 0,1…0,2 секунды как время реакции человека.

Опыт провести не менее пяти раз для одной из жидкостей с различными шариками, размеры которых отличаются от самых маленьких, до самых больших. Результаты измерений, плотность свинца и исследуемой жидкости записать в таблицу. Форма отчета приведена в приложении.

Жидкость –… м

плотность шарика: = …, кг/м3 плотность жидкости: = …, кг/м3

Обработка результатов

1. Определить скорость падения шариков по формуле в каждом опыте.

2. Построить график зависимости .

3. Определить среднее значение коэффициента вязкости графическим методом. Для этого выбрать на концах экспериментальной прямой две точки. Определить по графику и указать на нем координаты этих точек (рис. 4). Рассчитать по формуле среднее значение коэффициента вязкости жидкости

. (6)*

Расчеты провести в системе СИ.

4. Оценить случайную погрешность измерения коэффициента вязкости графическим методом (рис. 4). По аналогии с формулой (7) на с. 10, после преобразований получаем

. (7)

5. Оценить систематическую погрешность коэффициента вязкости для одного из опытов. Из формулы (5) согласно формуле (10) на с. 10 следует

.

6. Оценить суммарную погрешность

.

Если одна из погрешностей меньше другой более чем в три раза, то меньшей пренебречь.

7. Записать ответ в виде

, Р = 0,95.

8. Сделать вывод. Сравнить полученное значение с табличным:

глицерин……… = 1,480 Па·с,

масло касторовое……… = 0,987 Па·с.

ВЯЗКОСТЬ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Смотреть что такое ВЯЗКОСТЬ в других словарях:

ВЯЗКОСТЬ

сопротивление, оказываемое телом движению отдельной его части без нарушения связи целого. Такое движение составляет характеристику жидкостей, как «капе. смотреть

ВЯЗКОСТЬ

внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В. твёрдых . смотреть

ВЯЗКОСТЬ

вязкость ж. Отвлеч. сущ. по знач. прил.: вязкий.

ВЯЗКОСТЬ

вязкость ж.1. viscidity, viscosity; miriness, ooziness; bogginess, marshiness, swampiness (ср. вязкий) 2. тех. toughness, ductility

ВЯЗКОСТЬ

вязкость ковкость; топкость, терпкость. Ant. жесткость Словарь русских синонимов. вязкость сущ., кол-во синонимов: 6 • вибровязкость (1) • микровязкость (1) • настойчивость (28) • сверхвязкость (1) • терпкость (2) • топкость (5) Словарь синонимов ASIS.В.Н. Тришин.2013. . Синонимы: вибровязкость, микровязкость, настойчивость, сверхвязкость, терпкость, топкость Антонимы: жесткость, твердость. смотреть

ВЯЗКОСТЬ

ВЯЗКОСТЬ, внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В. твёр. смотреть

ВЯЗКОСТЬ

Вязкость — сопротивление, оказываемое телом движению отдельной его части без нарушения связи целого. Такое движение составляет характеристику жидкостей, как «капельных», так и «упругих», т. е. газов. Малейшая сила приводит в движение часть жидкого тела и вызывает в жидкости «течение», длящееся и по прекращении действия силы. При определении В. предстоит иметь прежде всего в виду тела жидкие, капельно-жидкие и упруго-жидкие. По определению Ньютона, жидкость представляет тело, обладающее такою подвижностью, что отдельные части его могут совершенно свободно перемещаться внутри тела, как бы скользя без трения. Таково oпpeделение идеальной жидкости, реальные же жидкости обнаруживают лишь определенную степень подвижности. Движение, сообщенное части жидкости, постепенно замедляется и, наконец, совершенно прекращается, превращаясь в теплоту. Причина, задерживающая свободное движение частей жидкости, причина мешающая жидкости «течь», называется «внутренним трением», или В. жидкости. Чтобы поддерживать течение жидкости с некоторою постоянной скоростью, необходимо непрерывное действие силы, необходимо постоянное давление, величина которого и может служить мерой В. Величина В. характеризует как бы степень несовершенства жидкости. И в обычном языке «густой», или «вязкой», жидкости мы противопоставляем «жидкую» (напр., мы говорим: «жидкое вино, жидкое молоко» и т. п.), т. е. такую, которая представляет высокую степень подвижности. Как бы не были, однако, велики величины В., пока мы имеем дело с жидкостями, явления движения их должны представлять лишь количественные различия. И при огромной В. всякая, даже весьма малая сила, должна вызывать конечную скорость «течения». Только в том случае, когда величина В. является бесконечной, когда конечная сила вызывает бесконечно малую скорость течения, т. е, когда тело вовсе не течет при действии некоторой силы, оно лишено свойств жидкости. При решении вопроса о том, приложимо ли и к твердым телам понятие о В., необходимо рассмотреть, представляют ли и в каких условиях твердые тела бесконечную величину В. Твердые тела характеризуются упругостью. Сила, приложенная к упругому телу, вызывает изменение формы — деформацию, наступающую немедленно, и никаких длящихся движений в частях упругого тела не происходит. Опыт показывает, что твердые тела упруги лишь в известных пределах деформации. За этими пределами упругости твердые тела обнаруживают большую или меньшую «пластичность», свойство в основе тождественное с «текучестью» жидкостей. Многие твердые тела обладают весьма низким пределом упругости и при действии даже весьма малых сил являются пластичными. Подвергая такие тела значительному давлению, можно вызвать движение, вполне отвечающее «течению» жидкостей. По опытам Треска, свинец при большом давлении выдавливается из отверстий сосуда подобно жидкости, а по опытам Спринга — при давлении в несколько тысяч атмосфер почти все твердые тела (даже и весьма хрупкие при обычных условиях) являются пластичными. Высокую степень пластичности обнаруживают не только даже аморфные, но и кристаллические тела. Примером пластичности кристаллического тела может служить пластичность льда. Замечательны «текучие кристаллы» Лемана, обнаруживающие признаки кристаллического сложения (при оптическом исследовании) только тогда, когда их тяжесть уравновешена окружающею жидкостью; при недостаточном соблюдении этого условия кристаллы эти текут, как жидкость, и не обнаруживают кристаллического сложения. При низком пределе упругости различие между твердым телом и жидкостью сглаживается, и решить, имеем ли мы в таком случае дело с весьма вязкой жидкостью или с весьма пластичным твердым телом, нелегко. Глицерин напр., мы можем признать еще жидкостью, хотя и весьма вязкою, но чем считать вазелин, воск и т. п.? Критерием является существование предела упругости. Но при низком пределе упругости и при большой В. установить существование предала упругости невозможно. При этих условиях пришлось бы неизбежно прилагать малые силы, а при малых силах и большой В. скорость «течения» так ничтожна, что легко ускользает от наблюдения. Опыт показывает, что многие малопластичные тела, как, например, вар, даже чугун и мрамор при весьма продолжительном действии сравнительно слабых сил испытывают изменения формы, не исчезающие по прекращении действия силы. Весьма наглядно обнаруживает явления пластичности стекло. Если оставить, например, термометр в горизонтальном положении, подпертым в крайних точках, то через несколько лет он оказывается сильно изогнутым. Таким образом, подвергая тела кратковременному действию силы, можно впасть в ошибку относительно предела упругости и признать тело в известных пределах совершенно упругим и бесконечно вязким только вследствие недостаточной продолжительности наблюдения. Был, поэтому, возбуждаем вопрос: существует ли вообще предел упругости, или же при продолжительном действии даже малейших сил все тела испытывают длящиеся изменения формы. Существуют ли тела с бесконечно большой вязкостью и совершенно лишенные «текучести»? Опытного решения этого вопроса, как и аналогичного ему вопроса о летучести, или испаряемости, тел не имеется, и вряд ли такое решение можно ждать в будущем. Во всяком случае, мы можем утверждать, что по отношению к текучести нет резкой границы между жидкими и твердыми телами. Благодаря существованию весьма вязких жидкостей и весьма пластичных твердых тел оба состояния связаны столь непрерывной цепью, что можно по отношению к В. говорить о резких различиях только крайних членов цепи. Понятие о вязкости не связано исключительно с представлением о жидкости. Оно приурочено лишь к тому роду движения, который свойствен в высокой степени жидкостям и обнаруживается в их «течении». Чтобы определить меру вязкости, рассмотрим движение жидкости в простейших условиях, имеющих место при движении ее с постоянной скоростью по цилиндрической трубке, ею смачиваемой. При этом внешнее трение не имеет места, соприкасающийся с поверхностью трубки слой жидкости находится в покое и течение ее представляет скольжение бесконечного числа цилиндрических поверхностей. Такое движение по цилиндрическим поверхностям весьма наглядно обнаружено в вышеуказанных опытах Треска. Сжимая cepию пластинок свинца, Треска заставлял свинец выдавливаться через круглое отверстие внизу в форме цилиндра. Разрез этого цилиндра представлял ряд концентрических слоев, совершенно подобных годичным слоям дерева. Исходя из указанного представления и основываясь на следующих положениях Ньютона: 1) трение двух поверхностей жидкости пропорционально их относительной скорости, 2) пропорционально величине поверхностей, и 3) не зависит от давления, под которым находится жидкость, Стокс (а впоследствии и другие) вывел следующую зависимость V = (Dπr 4 )/(8μl) где V — объем вытекшей в единицу времени жидкости, r — радиус трубки, l — ее длина, D — давление жидкости, μ — постоянная, характеризующая В. жидкости, а π — известное отношение окружности к диаметру. Такая же зависимость выведена была еще ранее из непосредственных опытов Пуазелем. Таким образом, зная объем протекшей по трубке в единицу времени жидкости, давление, длину и радиус трубки, можно вычислить μ — постоянную В. Эта постоянная выражает силу, необходимую для того, чтобы вызвать в двух слоях жидкости с поверхностью, равной 1, и расположенных на расстоянии, равном 1, разность скоростей, равную 1, при условии, что движение представит скольжение бесконечного числа параллельных плоскостей. Точное определение абсолютной величины постоянной сопряжено с затруднениями вследствие трудности точного измерения размеров трубки. Вследствие этого предпочитают определять относительную величину этой постоянной, сравнивая время, необходимое для прохождения через одну и ту же трубку данного объема жидкостей при данном давлении. В этом случае μ/μ 1 = t/t1 т. е. вязкости от носятся, как времена истечения. За единицу В. принимают В. воды. Описанный способ наиболее употребителен для определения В. Для той же цели применялись также наблюдения над качанием дисков. В. представляет величину весьма характерную для жидкостей [Теперь мы касаемся исключительно капельных жидкостей. Подробности, касающиеся В. упругих жидкостей, см. слово Газы, а также Жидкость.]. Зависимость между составом и В., как показал Грэм, представляет тот же характер, как и зависимость между составами и температурой кипения. Несмотря на значительное число исследований, привести зависимость между составом жидкостей и их вязкостью к простой форме и поныне не удалось. В. уменьшается с температурой. Заслуживают внимания наблюдения над В. растворов. Найдено, что раствор, составленный в пропорции, представляющей и в отношении других свойств особенности, обнаруживает и наибольшую вязкость. Так, из растворов спирта и воды наибольшую В. обнаруживает раствор, которому отвечает и наибольшее сжатие. Наибольшая В. отвечает растворам, состав которых выражается простыми частичными формулами. Замечательны также наблюдения над В. водных растворов солей хлористо-водородной кислоты, обнаруживших соотношение между В. этих растворов и положением элементов в периодической системе. Д. Коновалов.

ВЯЗКОСТЬ

(a. viscosity; н. Viskositat, Zahigkeit; ф. viscosite; и. viscosidad) –1) свойство жидких и газообразных веществ оказывать сопротивление вза. смотреть

Лабораторная работа №11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ коэффициента вязкости (внутреннего трения) жидкости методом Стокса

Фамилия И.О. _________________ Группа __________ Дата ______

Введение

Вязкость (внутренне трение) обуславливается силой трения, возникающей при относительном смещении слоев жидкости. Вязкость жидкости характеризуется коэффициентом вязкости. Эта величина определяет свойства жидкости и связывает силу внутреннего трения в жидкости со скоростью ее частиц.

Физический смысл коэффициента вязкости можно выяснить из следующих соображений. При установившемся потоке жидкости в трубе различные слои движущейся жидкости имеют различные скорости. Наибольшую скорость имеет слой, текущий по центральной части трубы. Слой, непосредственно прилегающий к стенкам трубы, благодаря прилипанию частичек жидкости к стенкам трубы, имеет скорость . Поэтому распределение скорости текущей жидкости по трубе определяется величиной (градиент скорости), которая показывает изменение скорости на единицу длины радиуса трубы. Согласно закону Ньютона, сила внутреннего трения между слоями определяется формулой:

где η – коэффициент вязкости;

— градиент скорости;

S – площадь поверхности, к которой приложена сила.

Из этой формулы следует:

Если предположить, что S равняется единице поверхности и градиент скорости равен единице, то η = F , то есть коэффициент вязкости численно равен силе внутреннего трения между слоями, действующей на единицу поверхности при градиенте скорости равном единице.

В системе СИ коэффициент вязкости измеряется в Ньютон секундах на квадратный метр и имеет размерность

Основными методами измерения коэффициента вязкости являются метод истечения жидкости из капилляра, разработанный Пуазейлем и метод падения шарика, разработанный Стоксом.

В настоящей работе описывается метод Стокса. Маленький шарик, изготовленный из материала, плотность которого больше плотности исследуемой жидкости, опускается в исследуемую жидкость, находящуюся в длинной трубке. На движущейся шарик действуют три силы:

где r – радиус шарика;

ρ – плотность материала шарика;

g – ускорение силы тяжести ( ).

2. Сила Архимеда, направленная против движения шарика:

здесь ρ1 – плотность вязкой жидкости.

3. Сила внутреннего трения (сила сопротивления движения шарика). Эта сила также направлена против движения шарика. Стокс на основании теоретических исследований установил, что если шарик движется в жидкости, не вызывая при своем движении никаких завихрений, то сила сопротивления движения шарика определяется формулой

где — скорость падения шарика, r – радиус шарика, η – коэффициент вязкости жидкости.

Следует учесть, что при движении шарика имеет место не трение шарика о жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг о друга, так как шарик обволакивается тонким слоем жидкости, и этот слой жидкости движется вместе с шариком.

Сила трения с увеличением скорости движения шарика возрастает, следовательно, при движении шарика скорость его может достигнуть такой величины, при которой все три силы, действующие на шарик, будут уравновешены, то есть равнодействующая их будет равна нулю. Такое движение шарика будет равномерным, и шарик будет двигаться по инерции с постоянной скоростью. Уравнение динамики для такого движения будет:

При движении шарика в цилиндрическом сосуде с радиусом R и высотой h учет на личия стенок, дна сосуда и верхней поверхности приводит к следующему выражению для коэффициента вязкости, установленному теоретически

здесь R – радиус цилиндра, h – высота жидкости.

Для шариков малых радиусов 1-2 мм и трубок достаточно большого диаметра малая величина. Ею можно в наших расчетах пренебречь и расчеты вести по формуле (53).

Следует помнить, что коэффициент вязкости зависит от температуры. При повышении температуры коэффициент вязкости уменьшается. Поэтому при определении коэффициента вязкости следует указать температуру.

Порядок выполнения работы

1. Получив у лаборанта микрометр и несколько стальных и чугунных шариков, определить диаметры шариков при помощи микрометра с точностью до 0,01 мм. Плотность стали принять равной , плотность свинца — , плотность масла —

2. Температуру считать равной комнатной температуре.

3. Измерить расстояние между метками на трубке, в которой должен двигаться шарик.

4. Секундомером определить время прохождения шариком расстояния между красными линиями ab (рис.22).

Глаз следует поместить так, чтобы отсутствовала ошибка на параллакс. Опыт повторяют с двумя-тремя шариками.

5. Скорость определяется из соотношения

6. Данные опыта подставить в формулу (53).

7. Для каждого шарика отдельно измеряют время падения и рассчитывают коэффициент вязкости. Затем определяют

8. Найти относительную и абсолютную ошибки измерения.

Сведения о вязкости

Вязкость – свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации.

Различают динамическую (или абсолютную) вязкость и кинематическую 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).

Соотношение величин динамической вязкости в различных единицах измерения

Единицы измеренияПа⋅ссППкгс⋅с/м 2Н⋅с/м 2дин⋅с/cм 2г/(см⋅с)
1 Па⋅с
паскаль-секунда
11000100,10211010
1 сП
сантипуаз
0,00110,010,00010,0010,010,01
1 П
пуаз
0,110010,010,111
1 кгс⋅с/м 2
килограмм-сила-секунда на квадратный метр
9,819806,798,0719,8198,0798,07
1 Н⋅с/м 2
ньютон-секунда на квадратный метр
11000100,10211010
1 дин⋅с/см 2
дина-секунда на квадратный сантиметр
0,110010,010,111
1 г/(см⋅с)
грамм на сантиметр на секунду
0,110010,010,111

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

где:
ν, м 2 /с – кинематическая вязкость;
μ, Па⋅с – динамическая вязкость;
ρ, кг/м 3 – плотность жидкости.

В системе СИ кинематическая вязкость выражается в м 2 /с (квадратный метр в секунду), внесистемная единица Ст (стокс).

Соотношение величин кинематической вязкости в различных единицах измерения

Что называется коэффициентом вязкости жидкости

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВОДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Вязкость жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление передвижению ее частиц и характеризующее степень ее текучести и подвижности. Как видно из определения, вязкость является свойством движущейся жидкости и в состоянии покоя не обнаруживается. Вязкость обуславливает появление сил сопротивления при движении жидкости. Эти силы называются силами внутреннего трения, или силами вязкости. Наличие сил внутреннего трения движущейся жидкости впервые установил Ньютон; впоследствии русский ученый В. Н. Петров в 1888 г. привел математическое выражение для силы трения. С точки зрения молекулярной теории вязкость объясняется как движением молекул, так и наличием молекулярных сил. В жидкостях, где расстояние между отдельными частицами много меньше, чем в газах, первостепенную роль играет межмолекулярное взаимодействие.

Вязкость имеет большое значение в различных областях технологии. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов (производство резины, стекла, доменный или мартеновский процесс). Вязкость имеет большое значение в различных природных, особенно биологических процессах, определяя скорость течения жидкостей и сопротивление, оказываемое ими движению частиц. Изменение вязкости сказывается на скорости химических реакций, протекающих в биологических системах, на ряде физико-химических явлений, связанных с жизнедеятельностью клетки.

Динамическая вязкость жидкости η определяется по методу Стокса из наблюдений за движением шарика в воде. На шарик, падающий в жидкости, действует сила тяжести F т, сила Архимеда F а и сила внутреннего трения F сопр. Вследствие этого при некоторой скорости движения шарика его сила тяжести полностью уравновешивается силой вязкости и силой Архимеда. С этого момента движение шарика будет равномерным. Зависимость между силами, действующими на шарик при его установившемся равномерном движении, выражается равенством F т = F а + F сопр., откуда F сопр = F т — F а, но F т = mg = 4π r 3 ρ g /3, где m – масса шарика, r – его радиус, ρ – плотность шарика. F а = m ж g = 4π r 3 ρж g /3, где m ж – масса жидкости в объеме шарика, ρж – плотность жидкости. Английский ученый Стокс показал, что сила вязкости, возникающая при движении шарика в жидкости ( F сопр), определяется формулой F сопр = 6π rηυ , где υ – скорость шарика, η – значение вязкости.

=

=

η = , а так как υ = , то

η =

Я провела опыт по наблюдению за движением шарика в воде. Для этого взяла большой сосуд (ведро), наполнила его водопроводной водой и при различной температуре воды бросала в воду шарик, радиус которого намного меньше радиуса сосуда. Засекала каждый раз время падения шарика. Все измерения и расчеты занесла в таблицы. Все опыты проводились при ρ = 4000 , ρ ж = 1000 , g = 9,81 , r = 0,007м, S = 0,22м, где S – высота сосуда.

Таблица 1. Результаты измерения вязкости при Т = 10 о С.

Кинематическая и динамическая вязкость жидкостей и газов.

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. Благода­ря этим силам медленнее движущийся слой жидкости «тормозит» соседний слой, движущийся быстрее, и наоборот. Силы внутренне­го трения появляются при наличии межмолекулярных связей меж­ду движущимися слоями.

Силы внутреннего трения в жидкости впервые были обнару­жены Ньютоном. Он установил пропорциональность между силой внутреннего трения, площадью соприкосновения слоев и относи­тельной скоростью перемещения слоев. Дальнейшие исследования показали, что численное значение касательного напряжения, возни­кающего вследствие действия силы внутреннего трения, равно

где — коэффициент пропорциональности (называется ди­намической вязкостью жидкости), учитывает осо­бенности конкретных жидкостей;

— скорость деформации сдвига.

Рассмотрим слоистое прямолинейное движение жидко ста в цилиндрической трубе круглого поперечного сечения (рис. 1). Жид­кость движется кольцевыми концентрическими цилиндрическими слоями толщиной dr, скорость слоев уменьшается от оси к стенкам грубы. Разность скоростей в соседних слоях равна dV. На поверхно­стях соприкосновения слоев возникают силы внутреннего трения. Рассмотрим элементарный объем жидкости (рис. 2).

Схема слоистого прямолинейного движения жидкости в цилиндрической трубе круглого поперечного сечения

Схема деформации элементарного объема жидкости при движении в ци­линдрической трубе круглого поперечного сечения

При слоистом движении вследствие различия скоро­стей, с которыми перемещаются верхняя и нижняя поверхно­сти выделенного объема, произойдет деформация сдвига, скорость которой определяется по формуле

= ,

,

Где – градиент скорости по нормали к оси потока.

При слоистом движении скорость деформации сдвига равна градиенту скорости:

=

Тогда согласно закону внутреннего трения, открытому Ньютоном, касательное напряжение определяется по формуле

(17)

В зависимости от выбора направления отсчета расстоя­ний по нормали (от стенки рассматриваемой трубы или от ее оси) градиент скорости может быть положительным (рас­стояние отсчитывается от стенки) или отрицательным (рас­стояние отсчитывается от оси трубы). Знак в формуле (17) принимается таким, чтобы касательное напряжение было по­ложительным. Закон внутреннего трения (17) эксперимен­тально подтвержден и математически оформлен в 80-е годы XIX в. основоположником гидродинамической теории смазки Н.П. Петровым.

Динамическая вязкость зависит от температуры и дав­ления. Для чистой воды зависимость динамической вязкости от температуры, предложенная Ж. Пуазёйлем, имеет вид

= 0(1 + 0,0337t + 0,000221 t 2 ) -1 ,

где t — температура,t = 0 — 90 °С;

ро — динамическая вязкость при t = 0 °С, Па • с.

В табл. 5 приведены значения динамической вязкости р для воды при различной температуре.

Зависимость динамической вязкости воды ц от температуры

Динамическая вязкостьТемпература /, °С
, мПа-с1,781,521,31U41,010,80

Окончание табл, 1

Динамическая вязкостьТемпература /, °С
, мПа-с0,660,550,470,410,360,32

В память французского ученого Ж. Пуазёйля единица динами­ческой вязкости была названа «пуаз». В системе СГС 1 П = 1 г/(см-с). Единица динамической вязкости в СИ: Па — с; 1 Па-с =10 П.

ПУАЗЁЙЛЬ Жан Лун Мари (1799 — 1869)

Французский физиолог, врач и физик. Родился в Париже. Учился в политехнической школе.

Открыл закон истечения жидкости через топкую цилиндрическую трубку (закон Пуазёйля), получивший широкое распространение для определения вязкости и скорости течения жидкости в капиллярах. Изобрел вискозиметр. Первым применил (1828 г.) ртутный манометр для измерения кровяного давления животных.

Кроме динамической вязкости в расчетах широко ис­пользуется кинематическая вязкость, равная отношению динамической вязкости к плотности жидкости:

V =

Где (индекс «О» относится к нормальным

Название «кинематическая вязкость» отражает тот факт, что в размерность v входят только кинематические (а не ди­намические) величины. В СИ единица кинематической вязко- сти — м /с. Применяется и внесистемная единица — см

/с — стоке (Ст). 1 Ст = КГ4 м2/с.

СТОКС Джордж Габриель (1819 — 1903)

Английский физик и математик, член Лондонского королевского общества, в течение 30 лет был его секретарем и 5 лет — президентом. Родился в Ирландии, в Скрипе.

Окончил Кембриджский университет, где и работал с 1849 г. профессором.

Научные работы относятся к гидродина­мике, оптике, спектроскопии и математичес­кой физике. Разработал теорию вязкости жидкостей, математическую зеорию движения вязкой жидкости (уравнение Мавье — Стокса, 1845 г.). Вывел в 1851 г, формулу, определяющую силу сопротивления, дей­ствующую на твердый шар при его медленном равномерном поступательном движении в неограниченной вязкой жидкости (закон Стокса), заложив тем самым основы научной гидродинамики. За научные труды получил титул баронета.

В табл, 6 приведены значения кинематической вязкости пресной воды при различной ее температуре.

У минеральных масел изменение давления от атмо­сферного до 40 МПа приводит к росту кинематической вязко­сти в 2 раза при 80 °С и в 3 раза при 40 °С. Влияние давления па вязкость у воды проявляется в меньшей степени.

Кинематическая вязкостьТемпература /, °С
V, сСт1,781,521,311,141,010,80

Окончание табл. 6

Кинематическая вязкостьТемпература /, °С
so
v, сСт0,660,550,470,410,360,32

В табл. 7 приведены значения кинематической вязкости v для некоторых веществ.

Кинематическая вязкость v различных веществ при конкретной температуре t

Веществоt , °Сv, С’т
Воздух Нефтепродукты*:0,133
нефть легкая0,25
нефть тяжелая1,40
керосин0,027
мазут20,0
Масло АМГ-100,10
Сталь жидкая0,0037
Ртуть0,0011
* Для нефтепродуктов— осреднённые данные.

Кинематическая вязкость воды, содержащей достаточное количество мелких (менее 0,05 мм) взвешенных твердых частиц, может существенно увеличиваться по сравнению с чистой (без взвеси) водой (табл. 8). В связи с этим при изучении движения воды, несущей большое количество мелких наносов (особенно в придонной области потока в реке или канале), часто учитывают изменение кинематической вязкости в зависимости от положения движущегося относительно дна слоя.

Вязкость жидкостей измеряют с помощью вискозимет­ров различных типов и конструкций.

Кинематическая вязкость загрязненной воды и, ИГ м’/с

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector