Что называется коэффициентом вязкости жидкости

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

,

где — средняя скорость теплового движения молекул, λ − средняя длина свободного пробега.

Вторая вязкость

Вторая вязкость — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и/или при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.

Вязкость жидкостей

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Общий закон внутреннего трения — закон Ньютона: Коэффициент вязкости η может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что η будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде: η = Ce w / kT

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества VM . Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. Если вязкость падает при увеличении скорости, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов), это термически активизируемый процесс [1] :

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

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

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:

с постоянными A1 , A2 , B , C и D , связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

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

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

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

При T > > Tg двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

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

Сила вязкого трения

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

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

Примечания

  1. Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975.

См. также

Ссылки

  • Аринштейн А., Сравнительный вискозиметр ЖуковскогоКвант, № 9, 1983.
  • Измерение вязкости нефтепродуктов — обзор методов и единиц измерения вязкости.
  • R.H. Doremus. J. Appl. Phys., 92, 7619-7629 (2002).
  • M.I. Ojovan, W.E. Lee. J. Appl. Phys., 95, 3803-3810 (2004).
  • M.I. Ojovan, K.P. Travis, R.J. Hand. J. Phys.: Condensed Matter, 19, 415107 (2007).
  • Булкин П. С. Попова И. И.,Общий физический практикум. Молекулярная физика
  • Статья в энциклопедии Химик.ру

Литература

  • Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. — Л.: «Наука», 1975.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Коэффициент вязкости" в других словарях:

Коэффициент вязкости — показатель деформируемости, характеризующий скорость пластично вязкого течения сильнольдистого мерзлого грунта, зависящий от времени действия нагрузки и значения отрицательной температуры грунта. Источник: ГОСТ 30416 96: Грунты. Лабораторные… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

коэффициент вязкости — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN viscosity factorVFmodulus of viscosity … Справочник технического переводчика

коэффициент вязкости — klampos koeficientas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. coefficient of viscosity; dynamic viscosity; viscosity; viscosity factor vok. dynamische… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

коэффициент вязкости — Viscosity Coefficient Коэффициент вязкости Отношение напряжения сдвига к скорости сдвига в уравнении Ньютона для вязкого течения … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.

коэффициент вязкости — klampos koeficientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. coefficient of viscosity; viscosity factor vok. Viskositätskoeffizient, m; Zähigkeitskoeffizient, m rus. коэффициент вязкости, m pranc. coefficient de viscosité, m … Fizikos terminų žodynas

Читайте также:  Тюменские котлы подогрева двигателя

Коэффициент вязкости кинематический — – отношение динамической вязкости жидкости или газа к их плотности, в качестве системной единицы измерения которой в СИ применяют м2/сек, а в системе СГС в качестве единицы кинематической вязкости применяют стокс. [Словарь основных терминов … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

коэффициент вязкости горной породы — Параметр, количественно оценивающий вязкость и равный произведению предела прочности горной породы при сжатии на коэффициент пластичности. [ГОСТ Р 50544 93] Тематики горные породы Обобщающие термины физические свойства горных пород EN coefficient … Справочник технического переводчика

коэффициент вязкости шлака — Напр., используется для определения сжигания угля в циклонной топке. [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN slag viscosity factor … Справочник технического переводчика

Коэффициент вязкости динамический — – свойство жидкостей и газов, характеризующее их сопротивляемость скольжению или сдвигу, за единицу измерения которой принят 1 пуазейль (1 н·сек/м2), а в системе СГС – пуаз. [Словарь основных терминов, необходимых при проектировании,… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

коэффициент вязкости горной породы — 158 коэффициент вязкости горной породы Параметр, количественно оценивающий вязкость и равный произведению предела прочности горной породы при сжатии на коэффициент пластичности Источник: ГОСТ 30330 95: Породы горные. Термины и определения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это свойство жидкости проявляется лишь при ее движении. Допустим, что некоторое количество жидкости заключено между двумя плоскими неограниченными параллельными пластинами (рис. 2.1); расстояние между ними – п; скорость движения верхней пластины относительно нижней – υ.

Опыт показывает, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенке, прилипает к ней. Отсюда следует, что скорость движения жидкости, прилегающей к нижней стенке, равна нулю, а к верхней – υ. Промежуточные слои движутся со скоростью, постепенно возрастающей от 0 до υ.

Рис. 2.1. Схема течения жидкости

Таким образом, существует разность скоростей между соседними слоями, и возникает взаимное скольжение слоев, которое приводит к проявлению силы внутреннего трения.

Чтобы перемещать одну пластину относительно другой, необходимо приложить к движущейся пластине некоторую силу Г, равную силе сопротивления жидкости в результате внутреннего трения. Ньютон установил, что эта сила пропорциональна скорости и, поверхности соприкосновения S и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами n, т.е.

где μ – коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью (или динамическим коэффициентом вязкости).

Для большего уточнения этой зависимости ее следует отнести к бесконечно малому расстоянию между слоями жидкости, тогда

где Δ υ – относительная скорость движения соседних слоев; Δп – расстояние между ними. Или в пределе

Последнее выражение представляет закон Ньютона для внутреннего трения. Знак плюс или минус принимается в зависимости от знака градиента скорости dv/dn.

Так как τ = Т/S есть касательное напряжение сдвига, то закону Ньютона можно придать более удобный вид:

Касательное напряжение, возникающее в жидкости, пропорционально градиенту скорости в направлении, перпендикулярном вектору скорости и площадке, по которой оно действует.

Коэффициент пропорциональности µ характеризует физические свойства жидкости и называется динамической вязкостью. Из формулы Ньютона следует, что

Из этого выражения вытекает физический смысл коэффициента р: если

называемую кинематической вязкостью (кинематическим коэффициентом вязкости).

Динамическая вязкость µ с ростом температуры уменьшается, а с увеличением давления увеличивается. Однако влияние давления для капельных жидкостей незначительно. Динамическая вязкость газов с увеличением температуры возрастает, а от изменения давления меняется незначительно.

Закон Ньютона для внутреннего трения в жидкостях существенно отличается от законов трения в твердых телах. В твердых телах существует трение покоя. Кроме того, сила трения пропорциональна нормальному давлению и мало зависит от относительной скорости движения. В жидкости, подчиняющейся закону Ньютона, при отсутствии относительной скорости движения слоев сила трения отсутствует. Сила трения не зависит от давления (нормального напряжения), а зависит от относительной скорости перемещения слоев. Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. Однако существуют жидкости, которые не подчиняются этому закону (аномальные жидкости). К их числу относятся различного вида эмульсии, коллоидные растворы, представляющие собой неоднородные тела, состоящие из двух фаз (твердой и жидкой).

Так, глинистые растворы, применяемые при бурении нефтяных скважин, некоторые сорта нефтей вблизи температуры их застывания не подчиняются закону Ньютона. Опытами установлено, что в подобных жидкостях движение наступает после того, как касательные напряжения достигнут некоторого значения, называемого начальным напряжением сдвига.

Для таких жидкостей справедлива более общая зависимость для τ (формула Бингема):

где τ0 – начальное напряжение сдвига; η – структурная вязкость.

Таким образом, эти жидкости при напряжении τ

Жидкость также как и газ обладает свойством перемещаться из области большого давления в область меньшего давления. Такое перемещение называется течением жидкости. Различают два вида течения жидкости: лиминарное (слоистое) и тербулентное (вихревое). Ламинирным течением называют течение, при котором слои жидкости скользят друг по другу. Оно происходит при небольших скоростях движения в трубках с относительно гладкими стенками, без резких изменения площади сечения или направления, а также при отсутствии множественных разветвлений. Турбулентным называется такое течение, при котором слои жидкости перемешиваются. Оно возникает при резких сужениях сечения трубки, при значительной шероховатости поверхности стенок трубы, а также в местах множественного разветвления русла или трубы, по которой течет жидкость.

Читайте также:  Установка гидрокомпенсаторов на ваз 21214

Течение жидкости при небольших скоростях носит ламинарный характер вследствие сил взаимного притяжения между молекулами жидкости, а также между молекулами жидкости и твердых тел, с которыми жидкость соприкасается в процессе течения.

Ламинарное течение жидкости можно изобразить в виде параллельно перемещающихся слоев, распределены так, как это показано на рисунке 1, где стрелки представляют векторы скорости движения жидкости. Наибольшая скорость наблюдаются в средней, прилегающей к оси части трубы; по мере приближения к стенкам скорость уменьшается, а слой, непосредственно, прилегающий к стенкам трубы, покоится. Таким образом, вся масса текущей жидкости разделена по слоям, движущихся с различными скоростями, между которыми действуют силы внутреннего трения, препятствующие перемещению одного слоя относительно другого. Величина силы внутреннего трения зависит от градиента скорости и площади соприкосновения слоев и выражается Формулой:

.

где F – сила внутреннего трения.

— коэффициент внутреннего трения (коэффициент вязкости),

— градиент скорости, т. е. отношение изменение скорости к расстоянию, на котором оно осуществляются, взятом в направлении наибольшего возрастания скорости;

ΔS – площадь сопротивления слоев.

Формула (1) представляет собой закон Ньютона для вязкости: сила внутреннего трения пропорциональна градиенту скорости, площади соприкосновения слоев и направлена против движения жидкости.

Коэффициент внутреннего трения является важной характеристикой жидкости. В зоотехнии и ветеринарии изучают вязкость молока, крови, меда, и т. п. как показатель состояния здоровья животного, качества продукции. Из формулы (1) следует физический смысл коэффициента внутреннего трения: коэффициент внутреннего трения численно равен силе внутреннего трения, действующей между слоями единичной площади при градиенте скорости, равному единице. Коэффициент внутреннего трения зависит от природы жидкости и ее температуры. С повышением температуры коэффициент внутреннего трения уменьшается, т. к. увеличивается среднее расстояние между молекулами, а значит, уменьшаются силы взаимного притяжения между ними.

В системе СИ коэффициент вязкости измеряется в Н*с/м 2 = Па*с = кг/м*с, а в системе СГС в г/см*с. Последняя система единиц называется пуаз.

Изучая ламинарное течение жидкости, французский физик и физиолог Пуазейль в 1841 г установил закон, согласно которому средняя скорость ламинарного течения жидкости по трубе пропорциональна градиенту давления жидкости, квадрату радиуса трубы и обратно пропорциональна коэффициенту внутреннего трения жидкости:

.

где -скорость ламинарного течения жидкости;

-градиент давления;

ή-коэффициент внутреннего трения.

Знак минус в формуле (2) показывает, что скорость течения жидкости направлена противоположно градиенту давления.

Из закона Паузелия (2) можно получить формулу для определения объема жидкости, протекшей по трубе за некоторый промежуток времени t :

V=

где r-радиус трубы;

-длина трубы

t-время течения жидкости по трубе;

ή-коэффициент внутреннего трения;

разность давлений на концах трубы;

V-объем жидкости, протекшей по трубе завремя.

Формула (3) лежит в основе метода определения коэффициента внутреннего трения с помощью капиллярного вискозиметра.

ЗАДАНИЕ I: определение коэффициента внутреннего трения жидкости капиллярным вискозиметром.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ : капиллярный вискозиметр, исследуемая жидкость дистиллированная вода, термометр, резиновая груша.

Капиллярный вискозиметр представляет собой U-образную стеклянную трубку рис.2, широкое колено, которой имеет внизу шарообразное расширение А. Капиллярная часть вискозиметра К имеет в своей верхней части шарик Б, переходящий затем в широкую трубку В. Шарик Б имеет метки М и Н, которые ограничивают определенный объем исследуемой жидкости. С помощью пипетки через широкое колено заполняют вискозиметр исследуемой жидкостью так, чтобы заполнился шарик А. С помощью груши через трубку В всасывают воздух так, чтобы уровень жидкости в вискозиметре поднялся выше метки М. Затем груша снимается с трубки В и жидкость в вискозиметре начнет под действием собственного веса опускаться по капилляру К. Секундомером определяют время t, в течение которого столб жидкости опустится от метки М до метки Н, т. е. время в течение которого по капилляру К протекает жидкость объемом, равным объему шарика Б.

Так как жидкость течет по капилляру под действием собственного веса, то разность давлений на концах капилляра будет равна гидростатическому давлению:

где ρ -плотность жидкости,

g -ускорение силы тяжести,

h -высота столба жидкости.

Учитывая это, формулу (3) можно записать в виде :

Из формулы (4) видно, что для определения коэффициента внутреннего трения η надо знать время течения жидкости по капилляру, радиус и длину капилляра, плотность жидкости, высоту поднятия ее в капилляре, а также объем протекшей жидкости.

Чтобы не делать таких затруднительных измерений, применяют метод сравнения. Для этого вначале проделывают опыт с дистиллированной водой, а затем с исследуемой жидкостью.

Запишем формулу (4) для дистиллированной воды и исследуемой жидкости:

-для исследуемой жидкости:

где -плотность дистиллированной воды,

-плотность исследуемой жидкости,

-коэффициент внутреннего трения воды,

-коэффициент внутреннего трения жидкости,

tвремя протекания через капилляр воды,

tx -время протекания через капилляр жидкости.

В формулах (5) и (6) левые части равны, следовательно, равны и правые части:

Читайте также:  Москвич 2715 тюнинг своими руками

Формула (7) является расчетной для определения коэффициента внутреннего трения капиллярным вискозиметром.

Для поддержания постоянной температуры исследуемой жидкости во время эксперимента вискозиметр опускают в сосуд с водой С.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.Чистый вискозиметр ополосните дистиллированной водой, а затем налейте в него дистиллированную воду так, чтобы заполнился нижний шарик А. Погрузите вискозиметр в сосуд с водой.

2.Осторожно с помощью резиновой груши засосите воду в верхний шарик Б чуть выше метки М.

3.Уберите резиновую грушу и секундомером определите время t, в течении которого мениск воды пройдет расстояние от метки М до метки Н.

4.опыт проделайте 3-5 раз и вычислите среднее значение времени течения воды tоср.

5.Вылейте воду из вискозиметра и ополосните его исследуемой жидкостью.

6.Залейте в вискозиметр исследуемую жидкость до того же уровня, что и воду.

7.Так же, как и для дистиллированной воды, определите время tx течения жидкости от метки М до метки Н.

8.Опыт повторите 3-5 раз и вычислите среднее значение времени течения жидкости t x ср.

9.Измерьте температуру воды в сосуде С.

10.Выпишете из таблиц значения плотности воды ρ, плотности исследуемой жидкости ρx и коэффициента внутреннего трения воды , соответствующие температуре воды в сосуде С.

11.Вычислите коэффициент внутреннего трения жидкости по формуле (7), подставляя средние значения txср и t0ср.

12.Расчитайте абсолютные ошибки измерений времени .

13.Вычислите относительную ошибку измерений коэффициента внутреннего трения жидкости по формуле:

14.Вычислите абсолютную ошибку коэффициента внутреннего трения по формуле:

15.Данные измерений занесите в таблицу 1 и 2:

Температура жидкости t, o CКонцентрация раствора С, %Плотность воды ρо,г/см 3Плотность жидкости ρх г/см 3Вязкость воды η пуаз
№№t, сtx, сΔt, сΔ tx, сηx пуазx,%Δηx,пуаз
1.
2.
3.
Средн.

ЗАДАНИЕ 2: Определение коэффициента внутреннего трения жидкости методом падающего шарика (метод Стокса).

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: цилиндр с исследуемой жидкостью, набор шариков, секундомер, термометр.

ОПИСАНИЕ ЭКСПРИМЕНТАЛЬОЙ УСТАНОВКИ.

Всякая реальная жидкость обладает вязкостью и поэтому тело, движущееся в жидкости, испытывает на себе силы сопротивления со стороны жидкости. Подчеркнем, что здесь играет роль не трение шарика о жидкость, а трение отдельных слоев жидкости друг о друга, так как при соприкосновении твердого тела с жидкостью, к поверхности тела тотчас же прилипают молекулы жидкости, образуя молекулярный слой жидкости, обволакивающий тело. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к телу, будет двигаться со скоростью тела и увлекать за собой соседние слои жидкости, которые тоже начнут двигаться. Таким образом, при небольших скоростях движения тела в жидкости будет происходить ламинарное течение жидкости в направлении траектории движения тела.

Английский физик Стокс установил закон: для тела шарообразной формы, движущегося с небольшой скоростью в жидкости, сила сопротивления F пропорциональна коэффициенту внутреннего трения η, радиусу шара r и скорости движения шара ν:

В данной работе для определения коэффициента внутреннего трения жидкости используется стеклянный цилиндр с исследуемой жидкостью(рис.3).На стекле цилиндра нанесены две метки: метка начала отсчета времени падения шарика(1) и окончания(2).

Рассмотрим падение шарика вязкой покоящейся жидкости. На шарик действуют три силы: сила тяжести

сила сопротивления (сила Стокса)

= 6πrηυ

Выталкивающая сила (по закону Архимеда равна весу вытесненной шариком жидкости).

где ρ – плотность вещества,

g – ускорение силы тяжести,

η – коэффициент внутреннего трения жидкости,

υ – скорость падения шарика,

ρ1 – плотность жидкости,

Направления этих сил указаны на рисунке 3.

В процессе движения шарика силы ρ и F1 не изменятся, а сила сопротивления F будет увеличиваться по мере увеличения скорости движения шарика (вначале шарик движется ускоренно. Наступит такой момент, когда силы F1 и F уравновесят силу тяжести, и тогда шарик будет двигаться равномерно. Следовательно, при условии:

шарик падает с постоянной скоростью, которую можно определить, зная пройденный путь и время:

Учитывая (9, 10, 11), и равенство (12) можно записать в виде:

4/3 πr 3 ρg = 4/3 πr3ρ1g + 6πrηυ.

Отсюда после преобразования (учитывая формулу (13)) получим:

Заметим, что все наши рассуждения верны лишь в том случае, если шарик падает в безгранично простирающейся жидкости, что практически осуществить невозможно, так как жидкость всегда находится в сосуде, имеющем стенки. Однако, если размеры сосуда значительно превышают размеры шарика, то формулу (14) можно считать верной. В противном случае следует внести в формулу поправку, учитывающую радиус сосуда, в котором налита жидкость; для цилиндрического сосуда с учетом его радиуса расчетная формула примет вид:

Вопрос о том, какой формулой пользоваться, решается в зависимости от величины отношения r/R. Если оно меньше чем 0,05, то берут формулу (14), а если больше, то (15).

Дата добавления: 2015-06-17 ; просмотров: 3104 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

«>

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *