В'язкість

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Поведінка рідин із малою (вгорі) і великою (внизу) вязкістю

В'я́зкість або внутрішнє тертя  — властивість рідких речовин (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої. Одиниця вимірювання динамічного коефіцієнта в'язкості — Пуаз.

Природа в'язкості[ред.ред. код]

В’язкість рідин – це результат взаємодії внутрішньомолекулярних силових полів, що перешкоджають відносному рухові двох шарів рідини. Отже для переміщення шару один відносно одного треба подолати їх взаємне притягання, причому чим воно більше, тим більша потрібна сила зсуву. При відносному зсуві шарів у газовому середовищі, в результаті перенесення молекулами газу кількості руху під час їх переходу з шару в шар, виникає дотична сила між шарами, що протидіє проковзуванню останніх.

Таким чином, внутрішнє тертя в рідині, на відміну від газів, зумовлене не обміном молекул, а їх взаємним притяганням. Доказом цього є те, що із збільшенням температури, як відомо, обмін молекул зростає і тертя в газах зростає, а в рідинах спадає у зв'язку із послабленням міжмолекулярного притягання.

В'язкість твердих тіл має низку специфічних особливостей і зазвичай розглядається окремо.

Загальна характеристика[ред.ред. код]

Розподіл швидкості між шарами ньютонівської рідини в умовах ламінарної течії

Згідно із законом Ньютона для внутрішнього тертя в'язкість характеризується коефіцієнтом пропорційності \eta між напруженням зсуву  \tau і градієнтом швидкості руху шарів  \frac{du}{dy} у перпендикулярному до деформації зсуву напрямку (поверхні шарів):

 \tau = \eta\frac{du}{dy} .

Коефіцієнт \eta називають динамічний коефіцієнт в’язкості або абсолютною в'язкістю. Одиниця вимірювання динамічного коефіцієнта в'язкості  — Па\cdotc, Пуаз (0,1Па·с).

Кількісно динамічний коефіцієнт в'язкості дорівнює силі F, яку треба прикласти до одиниці площі зсувної поверхні шару S, щоб підтримати в цьому шарі ламінарну течію із сталою одиничною швидкістю відносного зсуву.

Типи в'язкості[ред.ред. код]

Моделі в'язкості

Закон Ньютона для в'язкості, наведений вище, є класичною моделлю в'язкості. Це не основний закон природи, а наближення, що має місце для деяких матеріалів і не підтверджується для інших. Неньютонівської рідини мають значно складніший зв'язок між напруженням зсуву і градієнтом швидкості, ніж проста лінійність. Тому, для різних видів рідин застосовують різні моделі в'язкості:

  • Ньютонівська рідина: рідина, така як вода і більшість газів, що має стале значення динамічної в'язкості.
  • Дилатантна рідина: рідина, в'язкість якої із зростанням градієнту швидкості зростає (глиняні суспензії, солодкі суміші, гідрозоль кукурудзяного крахмалю, системи пісок/вода).
  • Псевдопластик: рідина, в'язкість якої із зростанням градієнту швидкості зменшується (фарби, емульсії, деякі суспензії).
  • Тиксотропна рідина: рідина, в'язкість якої з перебігом часу зменшується (водоносні ґрунти (пливуни), біологічні структури, різні технічні матеріали).
  • Реопексна рідина: рідина, в'язкість якої з перебігом часу зростає (гіпсові пасти, суспензії оксиду ванадію, бетоніти та окремі види принтерного чорнила).
  • Бінгамівський пластик: модель Бінгама схожа до моделі сухого тертя. В статичних умовах рідина веде себе як твердий матеріал, а при силовому впливі починає текти..
  • Магнітореологічна рідина це тип "смарт-рідини", яка, при впливі магнітного поля значно збільшує свою умовну в'язкість і набуває властивостей в'язко-пружного твердого тіла.

Динамічний коефіцієнт в'язкості деяких речовин[ред.ред. код]

В основу методів вимірювання в'язкості та їхньої класифікації покладено математичні залежності, які описують різні види течій середовищ. Вимірювання в'язкості здійснюють віскозиметрами.

Нижче наведені значення динамічного коефіцієнта в'язкості ньютонівських рідин:

В'язкість окремих видів газів при тиску 100 кПа, [мкПа·с]
Газ при 0 °C (273 K) при 27 °C (300 K)
повітря 17.4 18.6
водень 8.4 9.0
гелій 20.0
аргон 22.9
ксенон 21.2 23.2
вуглекислий газ 15.0
метан 11.2
етан 9.5
В'язкість рідин при 25 °C
Рідина: В'язкість

[Па·с]

В'язкість

[мПа·с]

ацетон 3.06·10−4 0.306
бензол 6.04·10−4 0.604
кров (при 37 °C) (3–4)·10−3 3–4
касторове масло 0.985 985
кукурудзяний сироп 1.3806 1380.6
етиловий спирт 1.074·10−3 1.074
етиленгліколь 1.61·10−2 16.1
гліцерин (при 20 °C) 1.49 1490
мазут 2.022 2022
ртуть 1.526·10−3 1.526
метиловий спирт 5.44·10−4 0.544
моторна олива SAE 10 (при 20 °C) 0.065 65
моторна олива SAE 40 (при 20 °C) 0.319 319
нітробензол 1.863·10−3 1.863
рідкий азот (при 77K) 1.58·10−4 0.158
пропанол 1.945·10−3 1.945
оливкова олія .081 81
сірчана кислота 2.42·10−2 24.2
вода 8.94·10−4 0.894

Виділяють також кінематичний коефіцієнт в’язкості ν, що є відношенням динамічного коефіцієнта в'язкості до питомої маси речовини

 \nu = \frac{\eta}{\rho} .

Одиниця вимірювання кінематичного коефіцієнта в'язкості  — Стокс, м²/с. Коефіцієнт ν на відміну від η виражається величинами, які не пов’язані з масою рідини, тобто величинами, які носять, так би мовити, кінематичний характер, у той час як η носить динамічний характер.

В'язкість технічних продуктів часто характеризують умовними одиницями  — градусами Енглера (°Е) і Барб’є (°В), секундами Сейболта (“S) і Редвуда (“R).

В'язкість залежить від тиску, температури, а також іноді від градієнта зсуву (неньютонівські середовища; їхня в'язкість охоплює і так звану структурну в'язкість). Рідини, в'язкість яких не залежить від градієнту зсуву, називають ідеально в’язкими (ньютонівськими). В'язкість рідин у загальному випадку з підвищенням тиску незначно збільшується, а з підвищенням температури зменшується.

В'язкість води[ред.ред. код]

Температурна залежність динамічної в'язкості води у рідкому стані (Liquid Water) та у вигляді пари (Wapor)

Динамічний коефіцієнт в'язкості води становить 8,90·10−4 Па·с чи 8,90·10−3 дин·с/см² при 25 °C.
Як функція температури T (K) динамічний коефіцієнт в'язкості води може бути описан рівнянням: μ(Па·с) = A × 10B/(TC),
де A=2,414·10−5 Па·с ; B = 247,8 K ; і C = 140 K .

В'язкість води у рідкому стані при різних температурах аж до температури кипіння при атмосферному тиску наведена у таблиці, що подана нижче.

Температура

[°C]

В'язкість

[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

В'язкість вод у гірських породах[ред.ред. код]

В'язкість вод, які містяться у гірських породах, змінюється в широких межах залежно від мінералізації, температури пласта і внутрішньопорового тиску. На невеликих глибинах динамічний коефіцієнт в'язкості маломінералізованих вод біля 1 мПа·с, у глибоких пластах з високою температурою (60–70°С і вище) динамічний коефіцієнт в'язкості мінералізованих вод зменшується до десятків часток мПа·с.

У процесах збагачення твердих корисних копалин в'язкість впливає на швидкість відносного переміщення частинок у суспензії, є основним параметром збагачення у важких середовищах. В'язкість залежить не лише від густини суспензії (співвідношення твердого і рідкого), але й від величини та гідрофільності частинок. Утворення тиксотропних сіток-структур у суспензії приводить до різкого зростання її в'язкості за рахунок виникання крім звичайної (ньютонівської) структурної складової в'язкості. Остання залежить від градієнта швидкості течії і оборотно руйнується в турбулентних потоках, при вібраціях і механічних впливах.

В'язкість нафти[ред.ред. код]

В'язкість  — одна з найважливіших технічних характеристик нафти, продуктів її переробки, газових конденсатів і фракцій; визначає характер процесів видобування нафти, її піднімання на денну поверхню, промислового збирання і підготовку, умови перевезення і перекачування продуктів, гідродинамічного опору під час їх транспортування по трубопроводах та ін. Для деяких видів палив та мастил в'язкість служить нормованим показником. В'язкість пластових нафт зростає при тисках нижчих від тиску насичення. Визначається впливом двох факторів: виділенням розчиненого газу, що приводить до збільшення в'язкості залишкової нафти, і об’ємним розширенням нафти при зниженні тиску, що приводить до зменшення в'язкості. Великий вплив має перший фактор. В'язкість газів помітно збільшується як з підвищенням тиску, так і температури. Вуглеводневі флюїди, які насичують гірські породи в природних умовах, залежно від густини мають динамічний коефіцієнт в'язкості, який відрізняється на багато порядків – від сотих часток мПа с (для газів) до сотень тисяч і навіть мільйонів мПа с (високов’язкі важкі нафти). Основна частина розроблюваних традиційними способами нафтових родовищ містить у продуктивних пластах нафту з динамічним коефіцієнтом в'язкості в межах 0,5–25 мПа·с, рідше до 70 мПа·с. В'язкість розгазованих нафт значно вища. При цьому вуглеводневі флюїди з динамічним коефіцієнтом в'язкості понад 12–15 мПа·с вважаються нафтами підвищеної в'язкості. Родовища нафти з високою в'язкістю, в тому числі структурною, розробляються із застосуванням спеціальних методів видобування на основі використання теплового впливу, а також загущених або хімічно активних витіснювальних агентів.

В'язкість твердого тіла[ред.ред. код]

Для твердого тіла, зокрема гірської породи, в'язкість — властивість необоротно поглинати енергію в процесі її деформування. В'язкість зумовлена пластичною деформацією і непружністю гірських порід. При пластичній деформації в'язкість кількісно характеризується відношенням величини дотичних напружень, які виникають у верстві, що підлягає зсуву, до швидкості пластичної течії, яке змінюється від 1013 до 1020 Па·с. Величина в'язкості, яка пов’язана з непружністю (пружна післядія, термопружний ефект, пружний гістерезис) гірських порід, пропорційна коефіцієнту механічних втрат (декременту згасання), значення якого коливаються від 10–1 до 10–3. При руйнуванні в'язкість оцінюється як робота деформування гірської породи, віднесена до одиниці площі зразка. Визначається за результатами ударних випробувань зразків на копрі (ударна в'язкість). Може бути розрахована як добуток коефіцієнта пластичності на межу міцності гірських порід. На практиці визначають коефіцієнт відносної в'язкості (спеціальними зарядами, які закладаються в досліджуваний масив) як відношення зусилля, необхідного для відділення деякої частини гірської породи від масиву, до величини зусилля, необхідного для відділення від масиву вапняку, взятого за еталон. Величина цього коефіцієнта змінюється від 0,5 до 3 (наприклад, для мармуру 0,7; пісковика 1,2; граніту 1,3; кварциту 1,9; базальту 2,2). Із збільшення в'язкості зростає поглинання пружних хвиль, зменшуються повзучість і набрякання порід, зростає енергоємність процесів дроблення і розкришення порід під час переробки корисних копалин і вибухових робіт.

В'язкість твердих тіл і рідин обернено пропорційна коефіцієнту самодифузії і з підвищенням температури зменшується за експоненціальним законом. В'язкість залежить від періоду релаксації пружних дотичних деформацій.

Дослід Парнелла — Мейнстоуна[ред.ред. код]

Найтриваліший фізичний експеримент почав в Квінслендському університеті англ. University of Queensland австралійського міста Брісбен професор Томас Парнелл. У 1927 році він помістив у скляну лійку на штативі шматок твердої смоли, яка за молекулярними властивостям є рідиною, хоча і дуже в'язкою. Парнелл нагрів лійку, щоб смола злегка розплавлась і затекла до носика воронки. У 1938 році перша крапля смоли впала в підставлений Парнеллом лабораторний стакан. Друга впала в 1947 році. Восени 1948 року професор помер, і спостереження продовжили його учні. Краплі падали в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988, 2000 й 2008 роках. Періодичність падіння крапель 3285 діб. В останні десятиліття сповільнилася через роботу кондиціонера. Цікаво, що жодного разу крапля не падала в присутності спостерігачів.

Джон Мейнстоун з альма-матер професора Парнелла був нагороджений у 2005 році Ігнобелівською премією у галузі фізики за найтриваліший експеримент.

Галузі застосування[ред.ред. код]

В'язкість речовин враховують у гідродинаміці, кінетиці хімічних реакцій, у технологічних і біологічних процесах, змащуванні машин і механізмів тощо.

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • Левицький Б.Ф., Лещій Н.П. Гідравліка. Загальний курс. - Львів: Світ, 1994. - 264с.
  • Константінов Ю.М., Гіжа О.О. Технічна механіка рідини і газу: Підручник.- К.: Вища школа, 2002.-277с.:іл.
  • Кулінченко В.Р. Гідравліка, гідравлічні машини і гідропривід: Підручник.-Київ: Фірма «Інкос», Центр навчальної літератури, 2006.-616с.
  • Колчунов В.І. Теоретична та прикладна гідромеханіка: Навч. Посібник.-К.:НАУ, 2004.-336с.