23-10-2023
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.
Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот - под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.
Вторая вязкость, или объёмная вязкость — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и/или при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.
Если динамическая (и кинематическая) вязкость характеризует деформацию чистого сдвига, то вторая вязкость характеризует деформацию объёмного сжатия.
Объёмная вязкость играет большую роль в затухании звука и ударных волн, и экспериментально определяется путём измерения этого затухания.
В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле
,
где — средняя скорость теплового движения молекул, − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность прямо пропорциональна давлению, а - 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 , растущей с температурой как
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:[1]
где:
Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 < T < 555 K и при давлениях менее 3,45 МПа с ошибкой менее 10%, обусловленной зависимостью вязкости от давления.
Постоянная Сазерленда и контрольные вязкости газов при различных температурах приведены в таблице ниже
Газ | C
[K] |
T0
[K] |
μ0
[мкПа с] |
---|---|---|---|
Воздух | 120 | 291.15 | 18.27 |
Азот | 111 | 300.55 | 17.81 |
Кислород | 127 | 292.25 | 20.18 |
Углекислый газ | 240 | 293.15 | 14.8 |
Угарный газ | 118 | 288.15 | 17.2 |
Водород | 72 | 293.85 | 8.76 |
Аммиак | 370 | 293.15 | 9.82 |
Оксид серы(IV) | 416 | 293.65 | 12.54 |
Гелий | 79.4 [2] | 273 | 19 [3] |
См. также [1] (англ.).
Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:
Коэффициент вязкости (динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде:
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 . Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение
где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.
Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.
В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной
и эта величина получила название кинематической вязкости. Здесь — плотность жидкости; — динамическая вязкость (см. выше).
Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В СИ эта величина переводится следующим образом:
1 сСт = 1мм21c = 10-6 м2c
Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье — Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье):
где — тензор вязких напряжений.
Среди неньютоновских жидкостей, по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.
С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.
Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) - это термически активизируемый процесс[4]:
где — энергия активации вязкости (кДж/моль), — температура (К), — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К) и — некоторая постоянная.
Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости изменяется от большой величины при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину 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 , в то время как ломкие материалы имеют .
Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:
с постоянными , , , и , связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.
В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.
Если температура существенно ниже температуры стеклования , двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса
с высокой энергией активации , где — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.
При двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса
но с низкой энергией активации . Это связано с тем, что при аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.
В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости, под которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости (см. выше) раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя:
где μ — динамическая вязкость раствора; μ0 — динамическая вязкость растворителя.
Для авиастроения и судостроения наиболее важно знать вязкости воздуха и воды.
Вязкость воздуха зависит, в основном, от температуры. При 15.0 °C вязкость воздуха составляет 1.78·10−5 кг/(м·с), 17.8 мкПа.с или 1.78·10−5 Па.с.. Можно найти вязкость воздуха как функцию температуры с помощью Программы расчёта вязкостей газов
Динамическая вязкость воды составляет 8.90 × 10−4 Па·с при температуре около 25 °C.
Как функция температуры T (K): (Па·с) = A × 10B/(T−C)
где A=2.414 × 10−5 Па·с; B = 247.8 K ; и C = 140 K.
Значения вязкостей жидкой воды при разных температурах вплоть до точки кипения приведена ниже.
Температура
[°C] |
Вязкость
[мПа·с] |
---|---|
10 | 1.308 |
20 | 1.002 |
30 | 0.7978 |
40 | 0.6531 |
50 | 0.5471 |
60 | 0.4668 |
70 | 0.4044 |
80 | 0.3550 |
90 | 0.3150 |
100 | 0.2822 |
Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости некоторых ньютоновских жидкостей:
Газ | при 0 °C (273 K) | при 27 °C (300 K) |
---|---|---|
воздух | 17.4 | 18.6 |
водород | 8.4 | 9.0 |
гелий | 20.0 | |
аргон | 22.9 | |
ксенон | 21.2 | 23.2 |
углекислый газ | 15.0 | |
метан | 11.2 | |
этан | 9.5 |
Жидкость: | Вязкость
[Па·с] |
Вязкость
[мПа·с] |
---|---|---|
ацетон | 3.06·10-4 | 0.306 |
бензол | 6.04·10-4 | 0.604 |
кровь (при 37 °C) | (3–4)·10-3 | 3–4 |
касторовое масло | 0.985 | 985 |
кукурузный сироп | 1.3806 | 1380.6 |
этиловый спирт | 1.074·10-3 | 1.074 |
этиленгликоль | 1.61·10-2 | 16.1 |
глицерин (при 20 °C) | 1.49 | 1490 |
мазут | 2.022 | 2022 |
ртуть | 1.526·10-3 | 1.526 |
метиловый спирт | 5.44·10-4 | 0.544 |
моторное масло SAE 10 (при 20 °C) | 0.065 | 65 |
моторное масло SAE 40 (при 20 °C) | 0.319 | 319 |
нитробензол | 1.863·10-3 | 1.863 |
жидкий азот (при 77K) | 1.58·10-4 | 0.158 |
пропанол | 1.945·10-3 | 1.945 |
оливковое масло | .081 | 81 |
серная кислота | 2.42·10-2 | 24.2 |
вода | 8.94·10-4 | 0.894 |
Динамическая вязкость.