Жидкость определяют как физическое тело, способное менять свою форму при сколь угодно малом воздействии на него. Обычно различают два основных вида жидкостей: капельные и газообразные. Капельные жидкости – это жидкости в обычном понимании: вода, керосин, нефть, масло и так далее. Газообразные жидкости – это газы, которые в обычных условиях являются, например, такими газообразными веществами, как воздух, азот, пропан, кислород.
Данные вещества различаются по молекулярной структуре и виду взаимодействия молекул между собой. Однако, с точки зрения механики, они являются сплошными средами. И в силу этого, для них определены некоторые общие механические характеристики: плотность и удельный вес; а также основные физические свойства: сжимаемость, температурное расширение, сопротивление растяжению, силы поверхностного натяжения и вязкость.
Под вязкостью понимают свойство жидкого вещества оказывать сопротивление скольжению или сдвигу его слоев друг относительно друга. Суть этого понятия заключается в появлении силы трения между различными слоями внутри жидкости при их относительном движении. Различают понятия «динамическая вязкость жидкости» и ее «кинетическая вязкость». Далее рассмотрим подробнее, в чем состоит отличие этих понятий.
Основные понятия и размерность
Сила внутреннего трения F, возникающая между движущимися друг относительно друга соседними слоями обобщенной жидкости, прямо пропорциональна скорости движения слоев и площади их соприкосновения S. Эта сила действует в направлении, перпендикулярном движению, и аналитически выражается уравнением Ньютона
F=μS (∆V)/ (∆n),
где (∆V)/ (∆n)=GV — градиент скорости в направлении нормали к движущимся слоям.
Коэффициент пропорциональности μ – есть динамическая вязкость или просто вязкость обобщенной жидкости. Из уравнения Ньютона он равен
μ=F/(S∙GV).
В физической системе измерения единицу вязкости определяют как вязкость среды, в которой при единичном градиенте скорости GV = 1 см/сек на каждый квадратный сантиметр слоя действует сила трения в 1 дин. Соответственно и размерность единицы в данной системе выражается в дин∙сек∙см^(-2) = г∙см^(-1)∙сек^(-1).
Эта единица измерения динамической вязкости называется пуазом (П).
1 П = 0,1 Па∙с = 0,0102 кгс∙с∙м^(-2) .
Применяются и более мелкие единицы, именно: 1 П = 100 сП (сантипуаз) = 1000 мП (миллипуаз) = 1000000 мкП (микропуаз). В технической системе за единицу вязкости принимают величину кгс∙с∙м^(-2) .
В международной системе единицу вязкости определяют как вязкость среды, в которой при единичном градиенте скорости GV = 1 м/с на 1 м на каждый квадратный метр слоя жидкости действует сила трения в 1 Н (ньютон). Размерность величины μ в системе СИ выражается в кг∙м^(-1)∙с^(-1).
Кроме такой характеристики, как динамическая вязкость, для жидкостей вводится понятие кинематической вязкости как отношение коэффициента μ к плотности жидкости. Величина коэффициента кинематической вязкости измеряется в стоксах (1ст = 1 см^(2)/с).
Коэффициент вязкости численно равен количеству движения, переносимому в движущемся газе за единицу времени в направлении, перпендикулярном движению, через единицу площади, когда скорость движения отличается на единицу скорости в слоях газа, отстоящих на единицу длины. Коэффициент вязкости зависит от рода и состояния вещества (температуры и давления).
Динамическая вязкость и кинематическая вязкость жидкостей и газов в большой степени зависят от температуры. При этом отмечено, что оба этих коэффициента убывают с возрастанием температуры для капельных жидкостей и, наоборот, возрастают при повышении температуры – для газов. Отличие этой зависимости можно объяснить физической природой взаимодействия молекул в капельных жидкостях и газах.
Физический смысл
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, явление вязкости для газов заключается в том, что в движущейся среде вследствие хаотического движения молекул происходит выравнивание скоростей различных слоев. Так, если первый слой движется в некотором направлении быстрее, чем соседний с ним второй слой, то из первого слоя во второй переходят более быстрые молекулы, и наоборот.
Поэтому первый слой стремится ускорить движение второго слоя, а второй — замедлить движение первого. Таким образом, общее количество движения первого слоя будет уменьшаться, а второго — увеличиваться. Получаемое при этом изменение количества движения характеризуется коэффициентом вязкости для газов.
В капельных жидкостях, в отличие от газов, внутреннее трение в большей мере определяется действием межмолекулярных сил. И, поскольку расстояния между молекулами капельной жидкости невелики по сравнению с газообразными средами, то силы взаимодействия молекул при этом – значительны. Молекулы жидкости, как и молекулы твердых тел, колеблются вблизи положений равновесия. Однако в жидкостях эти положения не являются стационарными. По прошествии некоторого промежутка времени молекула жидкости резко переходит в новое положение. При этом время, в течение которого положение молекулы в жидкости не изменяется, называют временем ее «оседлой жизни».
Силы межмолекулярного взаимодействия существенно зависят от вида жидкости. Если вязкость вещества мала, то его называют "текучим", так как коэффициент текучести и динамическая вязкость жидкости – обратно пропорциональные величины. И наоборот, вещества с большим коэффициентом вязкости могут обладать механической твердостью, как, например, смола. Вязкость вещества при этом существенно зависит как от состава примесей и их количества, так и от температуры. При увеличении температуры величина времени «оседлой жизни» уменьшается, вследствие чего растет подвижность жидкости и уменьшается вязкость вещества.
Явление вязкости, как и другие явления молекулярного переноса (диффузия и теплопроводность), является необратимым процессом, приводящим к достижению равновесного состояния, отвечающего максимуму энтропии и минимуму свободной энергии.
