Вязкость

Вязкость (далее В) внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В твердых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. Внутреннее трение в твердых телах).

Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):

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

Согласно формуле (1), В численно равна тангенциальной силе = / (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 В имеет размер н·сек/м², а в СГС системе единиц — г/(см²·сек) (пуаз). 1 пз = 0,1 н·сек/м². Наряду с динамической В h часто рассматривают так называемую кинематическую В n = h/r, где r — плотность жидкости или газа. Единицами кинематической В служат, соответственно, м²/сек и см²/сек (стокс). В жидкостей и газов определяют вискозиметрами.

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

< Вещество<	h при 20°С, 10^-3н·сек/м²или спз
. . . . . . . . . . . .	0,0088
. . . . . . . . . . . . . . .	0,0175
. . . . . . . . . . .	0,0202
Вода . . . . . . . . . . . . . . .	1,002
Этиловый спирт . . . . . .	1,200
. . . . . . . . . . . . . . .	1,554
Глицерин . . . . . . . . . . .	~1500

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

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

Молекулярно-кинетическая теория объясняет В движением и взаимодействием молекул. В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому В 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 определенного количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы , уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.

В 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 В идеальных газов в молекулярно-кинетической теории дается следующее соотношение:

где m — масса молекулы, n — число молекул в единице объема,

— средняя скорость молекул и l — длина свободного пробега молекулы между двумя соударениями ее с другими молекулами. Так как

возрастает с повышением температуры Т (несколько возрастает также и l), то В газов увеличивается при нагревании (пропорционально

). Для очень разреженных газов понятие В теряет смысл.

В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, В обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нем 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 В жидкостей с повышением температуры (рис. 3) и роста ее при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория В жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, еще не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул В, достаточно хорошо отражающих зависимость В отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и состава.

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

Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение В При течении "структурированной" жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) В, 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. Пуазейля 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 В, характерной для структурированных жидких систем, обладают важнейшие биологические среды — цитоплазма и кровь.

М. П. Воларович.

В биологических сред определяется в большинстве случаев структурной вязкостью. В жидкого содержимого клетки-цитоплазмы связана со структурой составляющих ее биополимеров и субклеточных образований, что вызывает отклонения (характера тиксотропии) вязкого течения от ньютоновского закона нормальных жидкостей. Методы измерения В биологических сред — наблюдение скорости перемещения гранул при центрифугировании или опилок в 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 ее свыше 40—50°С вязкость цитоплазмы увеличивается. При воздействии облучения наблюдается сначала уменьшение вязкости, а затем, при увеличении дозы, — ее возрастание.

В 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 — и клетки крови, ее 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., В 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., В и пластичность нефтепродуктов, М., 1956; Голубев И. Ф., В 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. . The viscosity of protoplasm, ., 1958.

Н. Н. Фирсов.

	Copyright © 1999-2021 Oval.ru, All Rights Reserved.

Вязкость

Популярное