Что называется коэффициентом вязкости жидкости

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.

Содержание статьи

Содержание

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

где — средняя скорость теплового движения молекул, λ − средняя длина свободного пробега.

Вторая вязкость

Вторая вязкость — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и/или при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.

Задание. Получите единицу измерения динамической вязкости жидкости, используя выражение связывающее коэффициент вязкости и коэффициент диффузии.

Решение. В качестве основы для решения задачи (по ее условию) мы будем использовать формулу, которая определяет коэффициент динамической вязкости жидкости:

где $left[fright]=Н$; $left[Dright]=frac<м^2><с>$. В основных единицах системы СИ, ньютон выражается как:

Используя выражение (1.1), получаем:

Ответ. Мы получили, что $Паcdot с$ — единица измерения динамической вязкости жидкости.

Задание. Маленький шарик, плотность которого $rho $, радиус $r$ всплывает в сосуде, наполненном жидкостью ($_j$ — плотность жидкости). Скорость движения шарика постоянна и равна $v$. Какова динамическая вязкость жидкости ($eta $)? Используя полученную формулу, проверьте, в каких единицах измеряется полученная вязкость.

Решение. Изобразим силы, действующие на шарик при его движении в жидкости. Это сила тяжести ($moverline$); сила Архимеда ($>_A$); сила Стокса (сила вязкого трения) ($overline$).

По второму закону Ньютона (учитывая, что шарик движется равномерно) имеем:

Запишем проекцию уравнения (1.1) на ось Y:

[-rho frac<4><3>pi r^3g-6pi eta rv+frac<4><3>pi r^3_jg=0to +rho frac<2><3>r^2g+3eta v-frac<2><3>r^2_jg=0to eta =frac<<2r>^2g><9v>left(_j-rho right).]

Используя полученное выражение для коэффициента вязкости ($eta =frac<<2r>^2g><9v>left(_j-rho right)$) определим единицу измерения для $eta $:

Ответ. $eta =frac<<2r>^2g><9v>left(_j-rho right)$

Общие сведения:

Между слоями движущейся жидкости из-за различной скорости движения этих слоев возникают силы внутреннего трения F_тр зависит от площади соприкосновения слоев и от того, насколько быстро изменяется скорость от слоя к слою.

Пусть какой-либо слой жидкости течет со скоростью V, а слой, отстоящий от него на расстоянии DY, со скоростью V+DV. Скорость при переходе от слоя к слою изменяется на величину (V+DV)-V=DV.

Отношение DV/DY характеризует быстроту изменения скорости и называется градиентом скорости. Таким образом, можно написать

h — коэффициент пропорциональности, кг/(м*с);

S – площадь соприкасающихся слоев;

Величина h зависит от рода жидкости и называется коэффициентом вязкости (внутреннего трения) жидкости. Если предположить что S=1; DV/DY=1, то h=F_тр т. е. коэффициент вязкости численно равен силе трения, возникающей между слоями с площадью, равной единице, при градиенте скорости между ними, равном единице.

Коэффициент вязкости жидкости с повышением темрературы уменьшается, что увеличивает текучесть жидкости.

Коэффициент вязкости жидкости можно определить по методу Стокса. В заполненном жидкостью сосуде движется шарик, размеры его значительно меньше размеров сосуда. Слой жидкости, прилегающей к шарику, движется со скоростью шарика. Соседние слои движутся с меньшими скоростями и, следовательно, между слоями жидкости возникает сила внутреннего трения. Стокс показал, что эта сила при малых значениях скорости пропорциональна скорости падения шарика V и его радиусу r.

На шарик действуют три силы: сила тяжести P, направленная вниз, сила внутреннего трения F_тр и выталкивающая сила F_в , направленные вверх. Шарик сначала падает ускоренно, но затем очень быстро наступает равновесие, т. е. так как с возрастанием скорости возрастает и сила трения. Движение становится равномерным.

Из формулы №1 после некоторых преобразований получаем расчетную формулу

r — плотность шарика;

r_ж – плотность жидкости;

V – скорость шарика;

r – радиус шарика;

Описание установки:

Экспериментальные измерения и вычисления

Эксперимент 1

Ученики могут измерить значения коэффициента вязкости для разных материалов при разных температурах (20 °C и 80 °C), и затем расставить жидкости в порядке увеличения вязкости. Вы можете обсудить возможные причины различий между значениями коэффициента вязкости для разных жидкостей.

Результаты наших учеников представлены в изображениях 4 и 5, а также таблицах 1 и 2.

Таблица 1: Вязкость различных веществ при 20 °C

Таблица 2: Вязкость различных веществ при 80 °C

Эксперимент 2

Попросите ваших учеников измерить значения коэффициента вязкости для шоколада, мёда и воды при пяти или более разных температурах, чтобы изучить изменение вязкости в зависимости от температуры.

Время прохождения сквозь вискозиметр при разных температурах для воды, мёда и шоколада, а также значения вязкости для этих веществ показаны в таблицах 3, 4 и 5, соответственно. На изображении 6 показаны изменения вязкости как функция от температуры для разных жидкостей.

Таблица 3: Экспериментальные значения времени течения и вязкости, рассчитанные для воды

Таблица 4: Экспериментальные значения времени течения и вязкости, рассчитанные для мёда

Таблица 5: Экспериментальные значения времени течения и вязкости, рассчитанные для шоколада

Дополнительные вопросы

Чтобы дополнить занятие, вы можете задать ученикам следующие вопросы:

Каков разброс значений коэффициента вязкости для разных веществ при 20 °C и 80 °C? Почему тёмный шоколад демонстрирует более высокую вязкость, чем остальные жидкости?
Какие выводы вы можете сделать о зависимости вязкости от температуры?
Выше ли вязкость мёда и шоколада при 80 °C? Попробуйте подкрепить свой ответ аргументами из литературы.
Соответствуют ли значения вязкости, которые вы измерили для воды, мёда и шоколада, табличным? Если нет, можете ли вы объяснить, почему?

Коэффициент кинематической вязкости

Кинематическая вязкость – это индекс, который отображает отношение абсолютного показателя вещества к его плотности при установленной температуре.

Физическая формула соотношения выглядит и единицы измерения можно увидеть на картинке:

Действие 4. Вычисление кинематического показателя, исходя из формулы:

Подставив в уравнение полученные и имеющиеся расчетные данные, получим кинематический индекс вещества.

Кинематическая вязкость

Этот параметр является более распространенной физической величиной для оценки свойств нефти и нефтепродуктов. По-другому эту величину называют удельным коэффициентом внутреннего трения.

Этот коэффициент является отношением коэффициента η (см. выше) к плотности жидкого вещества.

Единицы измерения этого физического параметра :

В такой отрасли, как нефтехимия, также применяются такие физические характеристики этого вещества, как относительная и условная вязкости.

0 0 голоса

Рейтинг статьи