Вязкость

ВЯЗКОСТЬ, свойство жидкости (или газа) оказывать сопротивление течению.

Вязкость рассматривают также как одно из переноса явлений, определяющее диссипацию энергии при деформации среды. Вязкость твёрдых тел обладает рядом особенностей и рассматривается обычно отдельно (смотри Внутреннее трение).

При ламинарном движении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинами, одна из которых неподвижна, а другая движется со скоростью ν, молекулярный слой, непосредственно примыкающий к нижней пластине, остаётся неподвижным, а слой, примыкающий к верхней пластине, будет двигаться с максимальный скоростью (рис.). Течение жидкости характеризуется градиентом скорости γ?= dv/dz, указывающим на быстроту изменения скорости от слоя к слою в направлении, перпендикулярном движению жидкости. Если скорость изменяется линейно, то γ?= v/d, где d - расстояние между пластинами. Величину γ называют также скоростью сдвига.

Согласно основному закону вязкого течения, установленному И. Ньютоном (опубликован в 1687), напряжение сдвига τ = F/S, вызывающего течение жидкости, пропорционально градиенту скорости течения: τ = ηγ?. Коэффициентом пропорциональности η называется коэффициент динамической вязкости, или просто вязкость. Он характеризует сопротивление жидкости течению. Вязкость  также можно рассматривать как меру энергии, рассеиваемой в форме теплоты в процессе течения жидкости. Рассеяние энергии происходит вследствие переноса количества движения. Величины коэффициента вязкости и мощности W, рассеиваемой в единице объёма за счёт вязкости, связаны соотношением: W = ηγ?².

Соотношение, установленное Ньютоном, справедливо только в том случае, когда η не зависит от скорости сдвига. Среды, в которых выполняется это условие, называются ньютоновскими (смотри Ньютоновская жидкость).

Единицей измерения динамической вязкости в СИ является Па·с [в СГС - пуаз (дин·с/см²): 1 пуаз = 0,1 Па·с]. Величина φ= 1/η, обратная вязкости, называется текучестью. Также часто рассматривают кинематическую вязкость ν = η/ρ (где ρ - плотность вещества), измеряемую в м²/с (СИ) и стоксах (СГС). Вязкость  жидкостей и газов измеряется при помощи вискозиметров (смотри Вискозиметрия).

Вязкость  идеальных газов определяется соотношением: η = (1/3)mn??, где m - масса молекулы, n - число молекул в единице объёма, ? - средняя скорость молекул, ? - длина свободного пробега молекулы.

Вязкость  газов увеличивается при нагревании, а вязкость жидкостей, наоборот, уменьшается. Это связано с различными молекулярными механизмами вязкости в этих системах. Различают два механизма переноса количества движения: кинетический (не предполагающий столкновений между молекулами) и столкновительный. Первый является преобладающим в разреженном газе, второй - в плотном газе и жидкости.

В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газов - следствие хаотического (теплового) движения молекул, в результате которого молекулы переходят из слоя в слой, замедляя течение. Поскольку средняя скорость молекул ? возрастает с повышением температуры, вязкость газов увеличивается при нагревании.

Вязкость  жидкостей, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, обусловлена в первую очередь межмолекулярными взаимодействиями, ограничивающими подвижность молекул. С повышением температуры облегчается взаимное перемещение молекул, ослабевают межмолекулярные взаимодействия и, следовательно, уменьшается внутреннее трение жидкости.

Вязкость  жидкости определяется размерами и формой молекул, их взаимным расположением и силой межмолекулярных взаимодействий. Вязкость  зависит от химической структуры молекул жидкости. Так, вязкость органических веществ возрастает с введением в молекулу полярных групп и циклов. В гомологических рядах (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т. п.) вязкость соединений возрастает с ростом молекулярной массы.

Вязкость  растворов зависит от их концентрации и может быть как больше, так и меньше вязкости чистого растворителя. Вязкость  предельно разбавленных суспензий линейно зависит от объёмной доли φ взвешенных частиц: η = η₀(1 +αφ) (формула Эйнштейна), где η₀ - вязкость дисперсионной среды. Коэффициент α зависит от формы частиц; в частности, для сферических частиц α = 2,5. Аналогичная зависимость вязкости от объёмной доли наблюдается в растворах глобулярных белков.

Вязкость  может изменяться в широких пределах. Далее приведены значения вязкости некоторых жидкостей и газов при температуре 20°С (в 10^-3 Па·с): газы - водород 0,0088, азот 0,0175, кислород 0,0202; жидкости - вода 1,002, этиловый спирт 1,200, ртуть 1,554, нитробензол 2,030, глицерин 1,485.

Наиболее низкой вязкостью обладает жидкий гелий. При температуре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором вязкость равна нулю (смотри Сверхтекучесть). Вязкость  газов в сотни раз меньше, чем вязкость обычных жидкостей. Вязкость  расплавленных металлов по порядку величины близка к вязкости обычных жидкостей.

Высокой вязкостью обладают растворы и расплавы полимеров. Вязкость  даже разбавленных растворов полимеров существенно выше, чем вязкость низкомолекулярных соединений. Это связано с тем, что размеры полимерных макромолекул настолько велики, что разные участки одной и той же макромолекулы оказываются в слоях, движущихся с разными скоростями, что вызывает дополнительное сопротивление течению. Вязкость  более концентрированных растворов полимеров становится ещё выше из-за перепутанности макромолекул между собой. На измерении вязкости растворов основан один из способов оценки молекулярной массы полимеров.

Наличие в растворах полимеров пространственных структур, образуемых сцеплением макромолекул, приводит к возникновению так называемой структурной вязкости, которая (в отличие от вязкости ньютоновских жидкостей) зависит от напряжения (или скорости) сдвига (смотри Реология). При течении структурированной жидкости работа внешних сил затрачивается не только на преодоление внутреннего трения, но и на разрушение структуры.

Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. 2-е изд. М., 1969; Филиппова О. Е., Хохлов А. Р. Вязкость разбавленных растворов полимеров. М., 2002; Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии. М., 2003.