Вязкость

Вя́зкость

Внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В. твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. Внутреннее трение в твёрдых телах).

Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) относительно друг друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; (v₂ — v_l)/(z₂ — z₁) — градиент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (см. рис. 1). Коэффициент пропорциональности η называется коэффициентом динамической вязкости или просто В. Он количественно характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв. Величина, обратная В., φ =¹/_η называется текучестью.

Согласно формуле (1), В. численно равна тангенциальной силе P_S = F/S (на единицу площади), необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости (газа), расстояние между которыми равно единице. Из этого определения следует, что в Международной системе единиц (См. Международная система единиц) единица В. имеет размер н·сек/м², а в СГС системе единиц (См. СГС система единиц) — г/(см²·сек) (пуаз). 1 пз = 0,1 н·сек/м². Наряду с динамической В. η часто рассматривают так называемую кинематическую В. ν = η/ρ, где ρ — плотность жидкости или газа. Единицами кинематической В. служат, соответственно, м²/сек и см²/сек (Стокс). В. жидкостей и газов определяют Вискозиметрами.

В условиях установившегося слоистого течения (см. Ламинарное течение) при постоянной температуре В. газов и нормальных жидкостей (так называемых ньютоновских жидкостей (См. Ньютоновская жидкость)) — постоянная величина, не зависящая от градиента скорости. В таблице приведены значения В. некоторых жидкостей и газов:

Расплавленные металлы имеют В. того же порядка, что и обычные жидкости (рис. 2). Особыми вязкостными свойствами обладает жидкий гелий. При температуре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором В. равна нулю (см. Гелий, Сверхтекучесть).

В. — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение В. приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). В. расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. В. расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По В. во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку В. тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. В. масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет В. движением и взаимодействием молекул. В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому В. газов определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определённого количества движения. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту.

В. газа не зависит от его плотности (давления), так как при сжатии газа общее количество молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньшее количество движения (закон Максвелла). Для В. идеальных газов в молекулярно-кинетической теории даётся следующее соотношение:

где m — масса молекулы, n — число молекул в единице объёма, — средняя скорость молекул и λ — Длина свободного пробега молекулы между двумя соударениями её с другими молекулами. Так как возрастает с повышением температуры Т (несколько возрастает также и λ), то В. газов увеличивается при нагревании (пропорционально ). Для очень разреженных газов понятие В. теряет смысл.

В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, В. обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием (См. Межмолекулярное взаимодействие), ограничивающим 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 и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения В. жидкостей с повышением температуры (рис. 3) и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер η увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория В. жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана. На практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул В., достаточно хорошо отражающих зависимость В. отдельных классов жидкостей и растворов от температуры, давления и химического состава.

В. жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) В. изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая В. смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов (см. Циклические соединения, Нафтены). Две жидкости различной В., которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением В. Если же при смешивании образуется химическое соединение, то В. смеси может быть в десятки раз больше, чем В. исходных жидкостей. На этом основано применение измерений В. в качестве метода физико-химического анализа (См. Физико-химический анализ).

Возникновение в жидкостях (дисперсных системах (См. Дисперсные системы) или растворах полимеров (См. Полимеры)) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение В. При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) В., но и на разрушение структуры (см. Реология).

Для нормальных вязких жидкостей между количеством жидкости Q, протекающей в единицу времени через капилляр, и давлением p существует прямая пропорциональность (см. Пуазёйля закон). Течение структурированных жидкостей не подчиняется этому закону, для них кривые зависимости Q от р выпуклы к оси давления (рис. 4), что объясняется непостоянством η. Аномальной В., характерной для структурированных жидких систем, обладают важнейшие биологические среды — Цитоплазма и Кровь.

М. П. Воларович.

Вязкость биологических сред определяется в большинстве случаев структурной вязкостью. В. жидкого содержимого клетки-цитоплазмы связана со структурой составляющих её биополимеров (См. Биополимеры) и субклеточных образований, что вызывает отклонения (характера тиксотропии (См. Тиксотропия)) вязкого течения от ньютоновского закона нормальных жидкостей. Методы измерения В. биологических сред — наблюдение скорости перемещения гранул при центрифугировании или железных опилок в магнитном поле, измерение среднего смещения броуновских частиц (см. Броуновское движение). Абсолютная вязкость цитоплазмы колеблется от 2 до 50 спз (1 спз = 10^-3 н·сек/м²), она меняется в различных частях клетки и в разные периоды клеточного цикла. С понижением температуры ниже 12—15°С и при повышении её свыше 40—50°С вязкость цитоплазмы увеличивается. При воздействии облучения наблюдается сначала уменьшение вязкости, а затем, при увеличении дозы, — её возрастание.

Вязкость ликвора, лимфы и плазмы крови достаточно точно описывается ньютоновским законом вязкого течения, она исследуется в капиллярных или цилиндрических Вискозиметрах. Кровь — неньютоновская жидкость, так как содержит структурированные компоненты — белки и клетки крови, её вязкость у человека в норме 4—5 спз, при патологии колеблется от 1,7 до 22,9 спз, что отражается в реакции оседания эритроцитов (РОЭ).

Лит.: Гaтчек Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1935; Труды совещания по вязкости жидкостей и коллоидных растворов, т. 1—3, М. — Л., 1941—45; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, М. — Л., 1945; Фукс Г. И., Вязкость и пластичность нефтепродуктов, М., 1956; Голубев И. Ф., Вязкость газов и газовых смесей, М., 1959; Справочник химика, 2 изд., т. 1, Л. — М.,1963; Руководство по цитологии, т. 1—2, М. — Л., 1965—66; Heilbrunn L. V. The viscosity of protoplasm, W., 1958.

Н. Н. Фирсов.

Рис. 1. Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости, заключенного между двумя твердыми пластинками площадью S, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью v₀; v(z) — зависимость скорости слоя от его расстояния z от неподвижной пластинки; Δx₀ — величина начального сдвига жидкости.

Рис. 2. Вязкость некоторых расплавленных металлов в спз.

Рис. 3. Измерение вязкости некоторых смазочных масел в зависимости от температуры (η дана в пз).

Рис. 4. Зависимость количества жидкости Q, протекающей через капилляр в 1 сек, от давления p для нормальных (ньютоновских) и аномальных (неньютоновских) жидкостей.