Вязкость

Поведение жидкостей с с малой (вверху) и большой (внизу) вязкостью Вязкость или внутреннее трение – свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Вязкость жидкостей – это результат взаимодействия внутримолекулярных силовых полей, препятствующих относительном движении двух слоев жидкости. Так что для перемещения слоя друг друга надо преодолеть их взаимное притяжение, причем чем оно больше, тем больше нужна сила сдвига. При относительном смещении слоев в газовой среде, в результате переноса молекулами газа количества движения при их переходе из слоя в слой, возникает касательная сила между слоями противодействует скольжению последних.
Таким образом, внутреннее трение в жидкости, в отличие от газов, обусловлено не обменом молекул, а их взаимным притяжением. Доказательством этого является то, что с увеличением температуры, как известно, обмен молекул возрастает и трение в газах растет, а в жидкостях приходит в связи с ослаблением межмолекулярного притяжения.
Вязкость твердых тел обладает рядом специфических особенностей и обычно рассматривается отдельно.
Распределение скорости между слоями ньютоновской жидкости в условиях ламинарного течения По закону Ньютона для внутреннего трения вязкость характеризуется коэффициентом пропорциональности ? между напряжением сдвига ? и градиентом скорости движения слоев в перпендикулярном к деформации сдвига направлении (поверхности слоев):

.

Коэффициент ? называют коэффициентом динамической вязкости, динамической вязкостью или абсолютной вязкостью. Единица измерения коэффициента динамической вязкости – Па c, ПУАЗО (0,1 Па · с).
Количественно коэффициент динамической вязкости равен силе F, которую нужно приложить к единице площади оползневой поверхности слоя S, чтобы поддержать в этом слое ламинарного течения с постоянной единичной скоростью относительного смещения.
Типы вязкости
Модели вязкости Закон Ньютона для вязкости, приведенный выше, является классической моделью вязкости. Это не основной закон природы, а приближение, что имеет место для некоторых материалов и не подтверждается для других. Неньютоновской жидкости имеют более сложный связь между напряжением сдвига и градиентом скорости, чем простая линейность. Поэтому, существуют разные модели вязкости:
Динамическая вязкость некоторых веществ
В основу методов измерения вязкости и их классификации положены математические зависимости, описывающие различные виды течений сред. Измерения вязкости осуществляют вискозиметра.
Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости ньютоновских жидкостей:
Выделяют также коэффициент кинематической вязкости или кинематической вязкостью ?, представляющий собой отношение коэффициента динамической вязкости к плотности вещества

.

Единица измерения коэффициента кинематической вязкости – Стокса, м ? / с. Коэффициент ? в отличие от ? выражается величинами, которые не связаны с массой жидкости, т.е. величинами, которые носят, так сказать, кинематический характер, в то время как ? носит динамичный характер.
Вязкость технических продуктов часто характеризуют условными единицами – градусами Энглера (° Е) и Барбье (° В), секундами Сейболта ("S) и Редвуд (" R).
Вязкость зависит от давления, температуры, а также иногда от градиента сдвига (неньютоновские среды; их вязкость охватывает и так называемую структурную вязкость). Жидкости, вязкость которых не зависит от градиента сдвига, называют идеально вязкими (ньютоновскими). Вязкость жидкостей в общем случае с повышением давления незначительно увеличивается, а с повышением температуры уменьшается.
Температурная зависимость динамической вязкости воды в жидком состоянии (Liquid Water) и в виде пара (Wapor) динамическая вязкость воды составляет 8,90 · 10 -4 Па · с или 8,90 · 10 -3 дин · с / см 2 при 25 ° C.
Как функция температуры T (K) динамическая вязкость воды может быть описана уравнением: ? (Па · с) = A x 10 B / (T – C),
где A = 2,414 · 10 -5 Па · с; B = 247,8 K; и C = 140 K.
Вязкость воды в жидком состоянии при различных температурах вплоть до температуры кипения при атмосферном давлении приведена в таблице, приведенной ниже.
Вязкость вод, содержащихся в горных породах, изменяется в широких пределах в зависимости от минерализации, температуры пласта и внутришньопорового давления. На небольших глубинах динамический коэффициент вязкости маломинерализованных вод около 1 мПа · с, в глубоких пластах с высокой температурой (60-70 ° С и выше) динамический коэффициент вязкости минерализованных вод уменьшается до десятков частиц мПа · с.
В процессах обогащения твердых полезных ископаемых вязкость влияет на скорость относительного перемещения частиц в суспензии, является основным параметром обогащения в тяжелых средах. Вязкость зависит не только от плотности суспензии (соотношение твердого и жидкого), но и от величины и гидрофильности частиц. Образование тиксотропных сеток-структур в суспензии приводит к резкому росту ее вязкости за счет возникающую кроме обычной (ньютоновской) структурной составляющей вязкости. Последняя зависит от градиента скорости течения и оборотно разрушается в турбулентных потоках, при вибрациях и механических воздействиях.
Вязкость – одна из важнейших технических характеристик нефти, продуктов ее переработки, газовых конденсатов и фракций; определяет характер процессов добычи нефти, ее поднятия на дневную поверхность, промышленного сбора и подготовку, условия перевозки и перекачки продуктов, гидродинамического сопротивления при их транспортировке по трубопроводах и др. Для некоторых видов топлив и масел вязкость служит нормированным показателем. Вязкость пластовых нефтей возрастает при давлениях ниже от давления насыщения. Определяется влиянием двух факторов: выделением растворенного газа, что приводит к увеличению вязкости остаточной нефти, и объемным расширением нефти при снижении давления, что приводит к уменьшению вязкости. Большое влияние имеет первый фактор. Вязкость газов заметно увеличивается как с повышением давления, так и температуры. Углеводородные флюиды, которые насыщают горные породы в естественных условиях, в зависимости от плотности имеют динамический коэффициент вязкости, который отличается на много порядков – от сотых долей мПа с (для газов) до сотен тысяч и даже миллионов мПа с (высоковязкие тяжелые нефти ). Основная часть разрабатываемых традиционными способами нефтяных месторождений включает в продуктивных пластах нефть с динамическим коэффициентом вязкости в пределах 0,5-25 мПа · с, реже до 70 мПа · с. Вязкость розгазованих нефтей значительно выше. При этом углеводородные флюиды с динамическим коэффициентом вязкости более 12-15 мПа · с считаются нефти повышенной вязкости. Месторождения нефти с высокой вязкостью, в том числе структурной, разрабатываются с применением специальных методов добычи на основе использования теплового воздействия, а также загущенных или химически активных вытеснительный агентов.
Для твердого тела, в частности горной породы, вязкость – свойство необратимо поглощать энергию в процессе ее деформирования. Вязкость обусловлена пластической деформацией и непружнистю горных пород. При пластической деформации вязкость количественно характеризуется отношением величины касательных напряжений, возникающих в слое, подлежащего сдвига, к скорости пластического течения, которое изменяется от 10 13 до 10 20 Па · с. Величина вязкости, которая связана с непружнистю (упругая последействие, термоупругое эффект, упругий гистерезис) горных пород, пропорциональна коэффициенту механических потерь (декремента затухания), значение которого колеблются от 10 -1 до 10 -3. При разрушении вязкость оценивается как работа деформирования горной породы, отнесенное к единице площади образца. Определяется по результатам ударных испытаний образцов на копре (ударная вязкость). Может быть рассчитана как произведение коэффициента пластичности на предел прочности горных пород. На практике определяют коэффициент относительной вязкости (специальными зарядами, которые закладываются в исследуемый массив) как отношение усилия, необходимого для отделения некоторой части горной породы от массива, к величине усилия, необходимого для отделения от массива известняка, взятого за эталон. Величина этого коэффициента изменяется от 0,5 до 3 (напр., для мрамора 0,7; песчаника 1,2; гранита 1,3; кварцита 1,9; базальта 2,2). По увеличению вязкости возрастает поглощение упругих волн, уменьшаются ползучесть и набухание пород, растет энергоемкость процессов дробления и розкришення пород при переработке полезных ископаемых и взрывных работ.
Вязкость твердых тел и жидкостей обратно пропорциональна коэффициенту самодиффузии и с повышением температуры уменьшается по экспоненциальному закону. Вязкость зависит от периода релаксации упругих касательных деформаций.
Опыт Парнелла – Мейнстоуна
Самый физический эксперимент начал в Квинслендском университете англ. University of Queensland австралийского города Брисбен профессор Томас Парнелл (англ. Thomas Parnell. В 1927 году он поместил в стеклянную воронку на штативе кусок твердой смолы, которая по молекулярным свойствам является жидкостью, хотя и очень вязкой. Парнелл нагрел воронку, чтобы смола слегка розплавлась и затекла к носику воронки. В 1938 году первая капля смолы упала в подставленный Парнеллом лабораторный стакан. Вторая упала в 1947 году. Осенью 1948 года профессор умер, и наблюдения продолжили его ученики. Капли падали в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988, 2000 и 2008 годах. Периодичность падения капель 3285 суток. В последние десятилетия замедлилась из-за работы кондиционера. Интересно, что ни разу капля не падала в присутствии наблюдателей.
Джон Мейнстоун с альма-матер профессора Парнелла был награжден в 2005 году Игнобеливською премией в области физики за самый эксперимент.
Вязкость веществ учитывают в гидродинамике, кинетике химических реакций, в технологических и биологических процессах, смазке машин и механизмов и т.д.