Как изменить вязкость жидкости

Увеличение вязкости воды

Здравствуйте! Прошу Вас подсказать, существуют ли какие-либо добавки, с помощью которых можно увеличить вязкость воды? Ситуация следующая — есть стена, облицованная полосами натурального гранита. На сколах гранита капли воды отрываются от стены, и летят под углом вниз на пол. Можно ли как-то загустить воду так, чтобы она не отрывалась от стены?

Здравствуйте, Андрей!

Проблемами вязкости и внутреннего трения жидкостей одним из первых занимался французский физик Кулон. Потом этими проблемами занимались Мейер, Кениг, Гельмгольц, Пиотровский и другие.

С физической точки зрения вязкость жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление передвижению ее частиц и характеризующее степень ее текучести и подвижности. В общем случае вязкость является свойством движущейся жидкости и в состоянии покоя не проявляется. Вязкость обуславливает появление сил сопротивления при движении жидкости. Эти силы называются силами внутреннего трения, или силами вязкости.

Наличие сил внутреннего трения движущейся жидкости впервые установил Ньютон; впоследствии русский ученый В. Н. Петров в 1888 г. привел математическое выражение для силы трения. С точки зрения молекулярной теории вязкость объясняется как движением молекул, так и наличием молекулярных сил. В жидкостях, где расстояние между отдельными частицами много меньше, чем в газах, первостепенную роль играет межмолекулярное взаимодействие.

Теория всех этих методов приводит к очень сложным формулам, напоминающим формулы истечения жидкостей через тонкие трубки. Эти расчёты дали для коэффициента внутреннего трения воды при 20° число, очень близкое к найденному Пуазейлем (0,01009), а именно 0,01014.

Динамическая вязкость жидкости η определяется по методу Стокса из наблюдений за движением шарика в воде. На шарик, падающий в жидкости, действует сила тяжести F_т,  сила Архимеда F_а и сила внутреннего трения F_сопр.  Вследствие этого при некоторой скорости движения шарика его сила тяжести полностью уравновешивается силой вязкости и силой Архимеда. С этого момента движение шарика будет равномерным. Зависимость между силами, действующими на шарик при его установившемся равномерном движении, выражается равенством F_т =  F_а + F_сопр., откуда F_сопр = F_т  F_а, но F_т  =  mg = 4πr³ρg/3, где m – масса шарика, r – его радиус, ρ – плотность шарика. F_а  =  m_жg = 4πr³ρ_жg/3, где m_ж – масса жидкости в объеме шарика, ρ_ж – плотность жидкости. Английский ученый Стокс показал, что сила вязкости, возникающая при движении шарика в жидкости (F_сопр), определяется формулой F_сопр = 6πrηυ, где υ – скорость шарика, η – значение вязкости.

График зависимости вязкости воды от температуры показан ниже:

Из графика зависимости вязкости воды от температуры видно, что с повышением температуры воды её вязкость уменьшается. Чем же это вызвано? Из курса химии известно, что взаимодействие между молекулами жидкости вызвано в основном водородными связями (вода, аммиак, фтороводород) и силами Ван-дер-Ваальса. Силы Ван-дер-Ваальса – это силы притяжения между молекулами вещества в газообразном, жидком и кристаллическом состояниях, они могут возникать между полярными, неполярными, а также полярными и неполярными молекулами. Силы взаимодействия между молекулами жидкости значительно больше по сравнению с силами, действующими в газах. Силы взаимодействия между молекулами жидкости зависят от ее химической природы. Чем более полярны молекулы жидкости, тем сильнее взаимодействие между молекулами и тем ближе по строению и поведению жидкость к кристаллу. Межмолекулярные взаимодействия проявляются и между неполярными молекулами. Если бы между молекулами воды действовали только Вандер-Ваальсовые силы взаимного притяжения, вода замерзала бы при Т = — 90 ^оС, а закипала бы при Т = + 80 ^оС; при действии водородных связей, создающих ассоциации молекул Т замерзания 0 ^оС и кипения Т = + 100 ^оС.  

При повышении температуры водородные связи между молекулами воды ослабевают, значит уменьшается взаимодействие между молекулами воды, а следовательно и сила внутреннего трения, но главная причина этого явления заключается в другом. Вязкость воды обусловлена межмолекулярным взаимодействием её слоёв, в результате которого из слоя в слой молекулами переносится импульс  mυ, где υ – скорость движения молекул, m – масса молекул воды. С ростом температуры межмолекулярные взаимодействия ослабляются из-за теплового расширения жидкости и увеличения межмолекулярных расстояний, а также из-за увеличения подвижности молекул воды; вследствие этого  вязкость уменьшается. Межмолекулярное взаимодействие ограничивает подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры.

Табл. 1. Динамическая вязкость воды при различных температурах *

t, ⁰С

10³, Н с/м²

t, ⁰С

10³, Нс/м²

t, ⁰С

10³, Нс/м²

5

10

15

20

21

22

1,519

1,307

1,138

1,002

0,981

0,958

23

24

25

26

27

28

0,936

0,914

0,894

0,874

0,854

0,836

29

30

35

40

45

50

0,818

0,800

0,719

0,653

0,596

0,547

* Данные приведены из – «Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. / Под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. М.: Химия. 1986. 216с.», «Краткий справочник физико-химических величин. / Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия. 1983. 232с.».

Табл. 2. Поверхностное натяжение воды при различных температурах *

t , ^oС

Поверхностное натяжение(ж-г) , мДж/м²

t , ^oС

Поверхностное натяжениеж-г , мДж/м²

t , ^oС

Поверхностное натяжениеж-г , мДж/м²

10

11

12

13

14

15

16

74,22

74,07

73,93

73,78

73,64

73,49

73,34

17

18

19

20

21

22

23

73,19

73,05

72,90

72,75

72,59

72,44

72,28

24

25

26

27

28

29

30

72,13

71,97

71,82

71,66

71,50

71,35

71,18

* Данные приведены из – » Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. / Под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. М.: Химия. 1986. 216с. «

Для воды коэффициент динамической внутреннего трения при 0° равен 0,081, а при 70° 0,0042 или, говоря другими словами если вязкость воды при 0° измеряется числом 100, то при температуре 70° вязкость воды выражается числом 23,5. Для примера вязкость ртути при 3400° (точка кипения ртути) почти вдвое меньше ее вязкости при 0°. Но особенно сильно изменяется с температурой вязкость некоторых растительных масел: для миндального масла, при нагревании его от 20° до 80°, вязкость уменьшается в 6,5 раз, для оливкового масла — от 20° до 80° вязкость уменьшается с лишком в 7 раз. Отсюда самым простым решением вашей проблемы может быть использование холодной воды при температурах, близким к 0°. Кроме того, существуют водорастворимые синтетические и природные полимеры, повышающие вязкость воды. По химическому составу они включают эфиры целлюлозы, желатинизированные крахмалы, оксиды полиэтилена, альгинаты, полиакриламиды, полимеры карбоксивинила и виниловый спирт. Из подручных средств для повышения вязкости воды в неё можно добавить и мыло, и крахмал, и клей, и щёлочь.

В заключение следует подчеркнуть, что вязкость жидкости имеет большое значение в различных областях технологии. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов (производство резины, стекла, доменный или мартеновский процесс). Вязкость имеет большое значение в различных природных, особенно биологических процессах, определяя скорость течения жидкостей и сопротивление, оказываемое ими движению частиц. Изменение вязкости с температурой сказывается на скорости химических реакций, протекающих в биологических системах, на ряде физико-химических явлений, связанных с жизнедеятельностью клетки.

С уважением, к.х.н. О. В. Мосин

С
повышением температуры вязкость
капельных жидкостей и их смесей
понижается.

Математических
уравнений, пригодных для практического
применения, выражающих закон изменения
вязкости от температуры, до настоящего
времени не имеется, поэтому пользуются
эмпирическими зависимостями. Для
минеральных масел с вязкостью > 80 ccm
при температурах от 30 до 150⁰
С пользуются выражением

где

и

— кинематические коэффициенты вязкости
при заданной температуре t и температуре
50⁰ С
в ccm;

n
– показатель степени, значения которого
в зависимости от исходной вязкости при
50⁰
С приведены ниже.

В
гидросистемах применяются жидкости,
вязкость которых при 50⁰
С составляет 10-100 спз. В частности вязкость
применяемого в самолетных гидросистемах
масла АМГ – 10 при 50⁰
С равна 10 ccm.

Зависимость
вязкости распространенных масел от
температуры показана на рис. 2. а
и б.
Очевидно, чем меньше изменяется вязкость
с изменением температуры, тем выше
качество и лучше эксплуатационные
свойства рабочей жидкости. При применении
жидкостей, имеющих крутую кривую
температурной зависимости вязкости,
затруднена работа гидросистемы в зимних
условиях эксплуатации.

Обычно
вязкостно – температурные свойства
жидкостей характеризуются отношением

Жидкость,
предназначенная для эксплуатации в
широком температурном интервале,
считается пригодной, если ее вязкость
при изменении температуры от – 50⁰
С до + 50⁰
С изменяется не более, чем в 100 раз.

Рис.
2. Графики зависимости динамической
вязкости

масел
от температуры:

1
— трансформаторное; 2 — индустриальное
12;

3-
индустриальное 20; 4 — индустриальное 30;

5-
индустриальное 50; 6- автотракторное;

7-
МВП; 8- ЦИАТИМ-1; 9- АМГ-10

2.3.8. Зависимость вязкости от давления

Вязкость
жидкостей зависит от величины давления,
увеличиваясь с повышением последнего.

Влиянием
давления на вязкость жидкости до
последнего времени обычно пренебрегали,
поскольку применялись относительно
небольшие давления. Однако для гидросистем
высоких давлений изменение вязкости
может оказать существенное влияние на
характеристики гидросистемы, так как
даже при относительно небольших
изменениях давления (от 0 до 400 кГ/см²)
вязкость многих минеральных масел при
нормальной температуре увеличивается
в ~ 3 раза. Для многих гидросистем
сверхвысоких давлений указанная
зависимость предопределяет возможность
применения некоторых марок жидкости в
качестве рабочей среды.

Зависимость
вязкости жидкости от давления Р может
быть выражена экспоненциальной функцией

где
μ₀
и μ – вязкость при атмосферном давлении
и при давлении р;

b
– коэффициент, характеризующий изменение
вязкости в зависимости от давления.

В
таблице 1 приведены приблизительные
значения μ (в спз) и практические данные
по величине коэффициента b в зависимости
от этих параметров (для температуры 40⁰
С) для широко применяемых в гидросистемах
минеральных масел.

Таблица
1

Значения
μ и коэффициента b

При
практических расчетах зависимость
вязкости от давления (0 – 500 кГ/см²)
минеральных масел, применяемых в
гидросистемах, можно подсчитывать по
приближенному эмпирическому уравнению

где
ν_р
и ν – кинематический коэффициент
вязкости соответственно при давлении
р и атмосферном;

k
– коэффициент, зависящий от марки масла;
можно принимать для легких масел (υ₅₀
< 15 ccm)k = 0,002 и тяжелых

(υ₅₀
> 15 ccm)k = 0,003;

р
– давление масла в кГ/см².

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #

  30.04.2022606.21 Кб029.doc

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена при покое жидкости, так как она проявляется только при её движении. Для правильной оценки таких гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо прежде всего установить законы внутреннего трения жидкости и составить ясное представление о механизме самого движения.

Физический смысл вязкости

Для понятия физической сущности такого понятия как вязкость жидкости рассмотрим пример. Пусть есть две параллельные пластинки А и В. В пространство между ними заключена жидкость: нижняя пластинка неподвижна, а верхняя пластинка движется с некоторой постоянной скоростью υ₁

Как при этом показывает опыт, слои жидкости, непосредственно прилегающие к пластинкам (так называемые прилипшие слои), будут иметь одинаковые с ним скорости, т.е. слой, прилегающий к нижней пластинке А, будет находиться в покое, а слой, примыкающий к верхней пластинке В, будет двигаться со скоростью υ₁.

Промежуточные слои жидкости будут скользить друг по другу, причем их скорости будут пропорциональны расстояниям от нижней пластинки.

Ещё Ньютоном было высказано предположение, которое вскоре подтвердилось опытом, что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. Если взять площадь соприкосновения равной единице, это положение можно записать в виде

где τ – сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения

μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью жидкости.

Величину dυ/dy – изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости, называют скоростью скольжения.

Таким образом вязкость жидкости – это физическое свойство жидкости, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу

Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная

Теперь определимся с различными понятиям вязкости:

Динамическая вязкость. Единицей измерения этой вязкости является паскаль в секунду (Па*с). Физический смысл состоит в снижении давления в единицу времени. Динамическая вязкость характеризует сопротивление жидкости (или газа) смещению одного слоя относительно другого.

Динамическая вязкость зависит от температуры. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.

Кинематическая вязкость. Единицей измерения является Стокс. Кинематическая вязкость получается как отношение динамической вязкости к плотности конкретного вещества.

Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания определенного объема жидкости через калиброванное отверстие при воздействии силы тяжести

Абсолютная вязкость получается при умножении кинематической вязкости на плотность. В международной системе единиц абсолютная вязкость измеряется в Н*с/м2 – эту единицу называют Пуазейлем.

Коэффициент вязкости жидкости

В гидравлике часто используют величину, получаемую в результате деления абсолютной вязкости на плотность. Эту величину называют коэффициентом кинематической вязкости жидкости или просто кинематической вязкостью и обозначают буквой ν. Таким образом кинематическая вязкость жидкости

ν = μ / ρ,

где ρ – плотность жидкости.

Единицей измерения кинематической вязкости жидкости в международной и технической системах единиц служит величина м2/с.

В физической системе единиц кинематическая вязкость имеет единицу измерения см²/с и называется Стоксом(Ст).

Вязкость некоторых жидкостей

Величину, обратную коэффициенту абсолютной вязкости жидкости, называют текучестью

ξ = 1/μ

Как показывают многочисленные эксперименты и наблюдения, вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Для различных жидкостей зависимость вязкости от температуры получается различной.

Поэтому, при практических расчетах к выбору значения коэффициента вязкости следует подходить очень осторожно. В каждом отдельном случае целесообразно брать за основу специальные лабораторные исследования.

Вязкость жидкостей, как установлено из опытов, зависит так же и от давления. Вязкость возрастает при увеличении давления. Исключение в этом случае является вода, для которой при температуре до 32 градусов Цельсия с увеличением давления вязкость уменьшается.

Что касается газов, то зависимость вязкости от давления, так же как и от температуры, очень существенна. С увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры, наоборот, увеличивается.

Методы измерения вязкости. Метод Стокса.

Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а прибор для измерения вязкости называется вискозиметр.

Современные вискозиметры изготавливаются из прочных материалов, а при их производстве используются самые современные технологии, для обеспечение работы с высокой температурой и давлением без вреда для оборудования.

Существует следующие методы определения вязкости жидкости.

Капиллярный метод.

Сущность этого метода заключается в использовании сообщающихся сосудов. Два сосуда соединяются стеклянной трубкой известного диаметра и длины. Жидкость помещается в стеклянный канал и за определенный промежуток времени перетекает из одного сосуда в другой. Далее зная давление в первом сосуде и воспользовавшись для расчетов формулой Пуазейля определяется коэффициент вязкости.

Метод по Гессе.

Этот метод несколько сложнее предыдущего. Для его выполнения необходимо иметь две идентичные капиллярные установки. В первую помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а во вторую – исследуемую жидкость. Затем замеряют время по первому методу на каждой из установок и составляя пропорцию между опытами находят интересующую вязкость.

Ротационный метод.

Для выполнения этого метода необходимо иметь конструкцию из двух цилиндров, причем один из них должен быть расположен внутри другого. В промежуток между сосудами помещают исследуемую жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру.

Жидкость вращается вместе с цилиндром со своей угловой скоростью. Разница в силе момента цилиндра и жидкости позволяет определить вязкость последней.

Метод Стокса

Для выполнения этого опыта потребуется вискозиметр Гепплера, который представляет из себя цилиндр, заполненный жидкостью.

Вначале делаются две пометки по высоте цилиндра и замеряют расстояние между ними. Затем шарик определенного радиуса помещается в жидкость. Шарик начинает погружаться в жидкость и проходит расстояние от одной метки до другой. Это время фиксируется. Определив скорость движения шарика затем вычисляют вязкость жидкости.

Видео по теме вязкости

Определение вязкости играет большую роль в промышленности, поскольку определяет конструкцию оборудования для различных сред. Например, оборудование для добычи, переработки и транспортировки нефти.

Вместе со статьей «Вязкость жидкости» читают: