В'язкість
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

В'язкість

В'язкість, внутрішнє тертя, властивість текучих тіл (рідин і газів) чинити опір переміщенню одній їх частини відносно іншої. Ст твердих тіл володіє рядом специфічних особливостей і розглядається зазвичай окремо (див. Внутрішнє тертя в твердих тілах).

загрузка...

  Основний закон в'язкої течії був встановлений І. Ньютоном (1687):

 

де F — тангенціальна (дотична) сила, що викликає зрушення шарів рідини (газу) відносно один одного; S — площу шаруючи, по якому відбувається зрушення; ( v 2 v l )/( z 2 z 1 ) — градієнт швидкості течії (прудкість зміни її від шару до шару), інакше — швидкість зрушення (див. мал. 1 ). Коефіцієнт пропорційності h називається коефіцієнтом динамічної в'язкості або просто В. Он кількісно характеризує опір рідині (газу) зсуву її шарів. Величина, зворотна Ст, j = 1 / h називається текучістю.

  Згідно з формулою (1), Ст чисельно дорівнює тангенціальній силі P S = F / S (на одиницю площі), необхідній для підтримки різниці швидкостей, рівній одиниці, між двома паралельними шарами рідини (газу), відстань між якими дорівнює одиниці. З цього визначення виходить, що в Міжнародній системі одиниць одиниця Ст має розмір н · сек/м 2 , а в СГС системі одиниць   — г/ ( см 2 · сік ) ( пуаз ). 1 пз = 0,1 н · сек/м 2 . Поряд з динамічною Ст h часто розглядають так звану кінематичну Ст n = h/r, де r — щільність рідини або газу. Одиницями кінематичною Ст служать, відповідно, м-коди 2 /сек і см 2 /сек ( стокс ). Ст рідин і газів визначають віскозиметрами .

  В умовах сталої шаруватої течії (див. Ламінарноє перебіг ) при постійній температурі Ст газів і нормальних рідин (так званих ньютонівських рідин ) — постійна величина, не залежна від градієнта швидкості. У таблиці приведені значення Ст деяких рідин і газів:

 

 

Речовина

h при 20°С, 10 -3 н · сек/м 2 ілі спз

Водень  . . . . . . . . . . . .

0,0088

Азот  . . . . . . . . . . . . . . .

0,0175

Кисень  . . . . . . . . . . .

0,0202

Вода  . . . . . . . . . . . . . . .

1,002

Етиловий спирт  . . . . . .

1,200

Ртуть  . . . . . . . . . . . . . . .

1,554

Гліцерин  . . . . . . . . . . .

~1500

 

  Розплавлені метали мають Ст того ж порядку, що і звичайні рідини ( мал. 2 ). Особливими вязкостнимі властивостями володіє рідкий гелій. При температурі 2,172 До він переходить в надплинний стан, в якому Ст дорівнює нулю (див. Гелій, Надтекучість ).

  Ст — важлива физико-хімічна характеристика речовин. Значення Ст доводиться враховувати при перекачуванні рідин і газів по трубах (нафтопроводи, газопроводи). Ст розплавлених шлаків вельми істотна в доменному і мартенівському процесах. Ст розплавленого скла визначає процес його вироблення. По Ст у багатьох випадках судять про готовність або якість продуктів або напівпродуктів виробництва, оскільки Ст тісно пов'язана із структурою речовини і відображає ті физико-хімічні зміни матеріалу, які відбуваються під час технологічних процесів. Ст масел має велике значення для розрахунку мастила машин і механізмів і т.д.

  молекулярно-кінетична теорія пояснює Ст рухом і взаємодією молекул. У газах відстані між молекулами істотно більше радіусу дії молекулярних сил, тому Ст газів визначається головним чином молекулярним рухом. Між рухомими відносно один одного шарами газу відбувається постійний обмін молекулами, обумовлений їх безперервним хаотичним (тепловим) рухом. Перехід молекул з одного шару в сусідній, рухомий з іншою швидкістю, приводить до перенесення від шару до шару певної кількості руху. В результаті повільні шари прискорюються, а швидші сповільнюються. Робота зовнішньої сили F , що врівноважує в'язкий опір і що підтримує сталу течію, повністю переходить в теплоту.

  Ст газу не залежить від його щільності (тиск), оскільки при стискуванні газу загальна кількість молекул, перехідних з шару в шар, збільшується, та зате кожна молекула менш глибоко проникає в сусідній шар і переносить меншу кількість руху (закон Максвелла). Для Ст ідеальних газів в молекулярно-кінетичній теорії дається наступне співвідношення:

 

де m — маса молекули, n — число молекул в одиниці об'єму,  — середня швидкість молекул і l — довжина вільного пробігу молекули між двома зіткненнями її з іншими молекулами. Оскільки  зростає з підвищенням температури Т (декілька зростає також і l), то Ст газів збільшується при нагріванні (пропорційно ). Для дуже розріджених газів поняття Ст втрачає сенс.

  В рідинах, де відстані між молекулами багато менше, ніж в газах, Ст обумовлена в першу чергу міжмолекулярною взаємодією, що обмежує рухливість молекул. У рідині молекула може проникнути в сусідній шар лише при освіті в нім порожнини, достатньої для перескакування туди молекули. На утворення порожнини (на «спушення» рідини) витрачається так звана енергія активації в'язкої течії. Енергія активації зменшується із зростанням температури і пониженням тиску. У цьому полягає одна з причин різкого зниження Ст рідин з підвищенням температури ( мал. 3 ) і зростання її при високому тиску. При підвищенні тиску до декількох тис. атмосфер h збільшується в десятки і сотні разів. Строга теорія Ст рідин, у зв'язку з недостатньою розробленістю теорії рідкого стану, ще не створена. На практиці широко застосовують ряд емпіричних і напівемпіричних формул Ст, вистачає Ст окремих класів рідин і розчинів, що добре відображають залежність, від температури, тиску і хімічного складу.

  Ст рідин залежить від хімічної структури їх молекул. В рядах схожих хімічних сполук (насичені вуглеводні, спирти, органічні кислоти і т.д.) Ст змінюється закономірно — зростає із зростанням молекулярної маси. Висока Ст змащувальних масел пояснюється наявністю в їх молекулах циклів (див. Циклічні з'єднання, Нафтени ). Дві рідини різної Ст, які не реагують один з одним при змішуванні, володіють в суміші середнім значенням В. Еслі ж при змішуванні утворюється хімічна сполука, то Ст суміші може бути в десятки разів більше, ніж Ст вихідних рідин. На цьому засновано вживання вимірів Ст як метод физико-хімічного аналізу .

  Виникнення в рідинах ( дисперсних системах або розчинах полімерів ) просторових структур, утворюваних зчепленням часток або макромолекул, викликає різке підвищення В. Прі перебігу «структурованої» рідини робота зовнішньої сили витрачається не лише на подолання достеменної (ньютонівською) Ст, але і на руйнування структури (див. Реологія ).

  Для нормальних в'язких рідин між кількістю рідини Q , що протікає в одиницю часу через капіляр, і тиском p існує пряма пропорційність (див. Пуазейля закон ). Перебіг структурованих рідин не підкоряється цьому закону, для них криві залежності Q від р опуклі до осі тиску ( мал. 4 ), що пояснюється непостійністю h. Аномальною Ст, характерною для структурованих рідких систем, володіють найважливіші біологічні середовища — цитоплазма і кров .

  М. П. Воларовіч.

  В'язкість біологічних середовищ визначається в більшості випадків структурною в'язкістю. Ст рідкого вмісту клітки-цитоплазми пов'язана з структурою складових її біополімерів і субклітинних утворень, що викликає відхилення (характеру тиксотропії ) в'язкої течії від ньютонівського закону нормальних рідин. Методи виміру Ст біологічних середовищ — спостереження швидкості переміщення гранул при центрифугуванні або залізної тирси в магнітному полі, вимір середнього зсуву броунівських часток (див. Броунівський рух ). Абсолютна в'язкість цитоплазми вагається від 2 до 50 спз (1 спз = 10 -3 н · сек/м 2 ), вона міняється в різних частинах клітки і в різні періоди клітинного циклу. З пониженням температури нижче 12—15°С і при підвищенні її зверху 40—50°С в'язкість цитоплазми збільшується. При дії опромінення спостерігається спочатку зменшення в'язкості, а потім, при збільшенні дози, — її зростання.

  В'язкість ліквору, лімфа і плазми крові досить точний описується ньютонівським законом в'язкої течії, вона досліджується в капілярних або циліндрових віскозиметрах . Кров — неньютонівська рідина, оскільки містить структуровані компоненти — білки і клітки крові, її в'язкість у людини в нормі 4—5 спз , при патології вагається від 1,7 до 22,9 спз , що відбивається в реакції осідання еритроцитів (РОЕ).

  Літ.: Гaтчек Е., В'язкість рідин, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, М. — Л., 1935; Праці наради по в'язкості рідин і колоїдних розчинів, т. 1—3, М. — Л., 1941—45; Френкель Я. І., Кінетична теорія рідин, М. — Л., 1945; Фукс Р. І., В'язкість і пластичність нафтопродуктів, М., 1956; Голубев І. Ф., В'язкість газів і газових сумішей, М., 1959; Довідник хіміка, 2 видавництва, т. 1, Л. — М-код.,1963; Керівництво по цитології, т. 1—2, М. — Л., 1965—66; Heilbrunn L. V. The viscosity of protoplasm, W., 1958.

  Н. Н. Фірсов.

Мал. 4. Залежність кількості рідині Q, що протікає через капіляр в 1 сік , від тиску p для нормальних (ньютонівських) і аномальних (неньютонівських) рідин.

Мал. 2. В'язкість деяких розплавлених металів в спз .

Мал. 1. Схема однорідного зрушення (в'язкої течії) шаруючи рідини, ув'язненого між двома твердими пластинками площею S, з яких ніжняя (А) нерухома, а верхня (В) під дією тангенціальної сили F рухається з постійною швидкістю v 0 ; v(z) — залежність швидкості шаруючи від його відстані z від нерухомої пластинки; Dx 0 — величина початкового зрушення рідини.

Мал. 3. Вимір в'язкості деяких змащувальних масел залежно від температури (h дана в пз ).