Вязкость

Вязкость Определение вязкости Вязкость жидкости — мера её устойчивости к деформации при заданной скорости.   Единицы СИ: ньютон-секунды на квадратный метр […]

Вязкость

  • Определение вязкости

    • Вязкость жидкости — мера её устойчивости к деформации при заданной скорости.  
    • Единицы СИ: ньютон-секунды на квадратный метр (паскаль-секунды).  
    • Вязкость определяет силу внутреннего трения между слоями жидкости.  
  • Зависимость вязкости от состояния жидкости

    • Вязкость зависит от температуры, давления и скорости деформации.  
    • Нулевая вязкость наблюдается в сверхтекучих средах при очень низких температурах.  
    • Неньютоновские жидкости имеют различные типы течений.  
  • Динамическая вязкость

    • Вязкость связывает вязкие напряжения со скоростью изменения деформации.  
    • В потоке Куэтта жидкость движется между двумя пластинами, создавая силу, пропорциональную скорости и обратно пропорциональную разделению пластин.  
    • Динамическая вязкость обозначается греческой буквой μ.  
  • Кинематическая вязкость

    • Кинематическая вязкость (ν) — отношение динамической вязкости к плотности жидкости.  
    • Имеет размеры (длина)2/время.  
  • Общее определение вязкости

    • Вязкие напряжения зависят от пространственных градиентов скорости потока.  
    • В декартовых координатах зависимость записывается через тензор вязкости.  
    • Тензор вязкости сводится к трем независимым параметрам: μ, κ, α.  
  • Объемная вязкость

    • Объемная вязкость (κ) выражает внутреннее трение, противостоящее сжатию или расширению жидкости без сдвига.  
    • Для несжимаемых жидкостей κ = 0, для газов κ пренебрежимо мала.  
    • Важна для расчета потерь энергии в звуковых и ударных волнах.  
  • Потенциальная проблема вязкости

    • Вязкость зависит от микроскопического состояния жидкости.  
    • В ньютоновских жидкостях вязкость зависит от макроскопических полей.  
    • Точность измерений вязкости зависит от состояния жидкости.  
  • Импульсный перенос

    • Вязкость характеризует перенос импульса внутри жидкости.  
    • Закон вязкости Ньютона связывает напряжение сдвига с градиентом скорости.  
    • Перенос импульса аналогичен тепло- и массопереносу.  
  • Ньютоновские и неньютоновские жидкости

    • Закон вязкости Ньютона не является фундаментальным законом.  
    • Ньютоновские жидкости не зависят от скорости деформации.  
    • Неньютоновские жидкости могут вести себя по-разному.  
  • Вязкость в твердых телах

    • Вязкие силы в жидкости отличаются от упругих сил в твердом теле.  
    • Вязкоупругие материалы обладают как эластичностью, так и вязкостью.  
  • Измерение вязкости

    • Вязкость измеряется вискозиметрами и реометрами.  
    • Контроль температуры важен для точных измерений.  
    • Неньютоновские жидкости требуют более сложных измерений.  
  • Единицы измерения

    • Динамическая вязкость измеряется в Н·с/м2, Па·с, кг·м−1·с−1 и Pl.  
    • Кинематическая вязкость измеряется в м2/с, см2·с−1 и cSt.  
    • В США используются системы BG и EE для измерения вязкости.  
  • Единицы измерения вязкости

    • В системе BG фунт является базовой единицей, а масса определяется Вторым законом Ньютона.  
    • В системе EE единицы силы и массы определяются независимо с помощью Второго закона и пропорциональности gc.  
    • Кинематическая вязкость измеряется в квадратных футах в секунду (фут2/с) в обеих системах.  
    • Рейн (фунт-фут·с/дюйм2) используется в автомобильной промышленности для описания изменения вязкости.  
    • Текучесть (ϕ = 1/μ) измеряется в P−1 или cm·s·g−1 и редко используется в инженерной практике.  
  • История и методы измерения вязкости

    • Нефтяная промышленность использовала вискозиметр Saybolt для измерения кинематической вязкости.  
    • Кинематическая вязкость в сантистоках может быть преобразована из SUS.  
  • Молекулярное происхождение вязкости

    • В газах вязкость обусловлена столкновениями молекул, в жидкостях — силами притяжения.  
    • Вязкость газов увеличивается с температурой, жидкостей — уменьшается.  
    • В сверхкритической фазе механизмы передачи импульса взаимодействуют между жидкостью и газом.  
  • Теория Чепмена–Энскога

    • Теория Чепмена–Энскога основана на уравнении Больцмана и позволяет точно рассчитать вязкость для молекулярных моделей.  
    • Модель Сазерленда описывает жесткие упругие сферы со слабым притяжением и дает формулу для вязкости.  
    • Более сложные модели, такие как потенциал Леннарда-Джонса, обеспечивают лучшее соответствие экспериментам, но требуют больше параметров.  
  • Объемная вязкость

    • Объемная вязкость возникает в газах из-за значимых временных рамок релаксации.  
    • В одноатомном идеальном газе объемная вязкость равна нулю, но отлична от нуля для газов с внутренней энергией молекул.  
  • Чистые жидкости

    • В жидкостях нет простой картины молекулярного происхождения вязкости.  
  • Вязкость жидкостей

    • Вязкость уменьшается с повышением температуры из-за увеличения теплового движения молекул.  
    • Теория «клеток» описывает молекулы как образующие «клетки», которые могут быть заполненными или незанятыми.  
    • Усилие для поддержания направленного движения пропорционально скорости сдвига.  
  • Недостатки модели «клеток»

    • Модель «клеток» может давать ошибки до 30%.  
    • Физические допущения модели подвергаются критике.  
    • Экспоненциальная зависимость не всегда точно описывает экспериментальные данные.  
  • Строгие выражения для вязкости

    • Теория Ирвинга-Кирквуда дает строгие выражения для вязкости, но трудно применима на практике.  
    • Эмпирические выражения остаются единственным надежным средством расчета вязкости.  
  • Переохлажденные жидкости

    • Локальные изменения атомной структуры ответственны за хрупкость жидкости.  
    • Переохлажденные жидкости отклоняются от уравнения Аррениуса.  
  • Смеси газов

    • Вязкость смеси газов зависит от вязкостей компонентов и межмолекулярных взаимодействий.  
    • Интегралы от столкновений могут быть вычислены численно или на основе корреляций.  
  • Смеси жидкостей

    • Вязкость смеси жидкостей трудно предсказать на основе молекулярных принципов.  
    • Уравнение Ледерера-Рогье описывает бинарную смесь.  
  • Водные растворы

    • Вязкость водных растворов зависит от концентрации и свойств растворителя и растворяемого вещества.  
    • Для разбавленных растворов используется модель разбавленных электролитических растворов.  
  • Суспензии

    • Эффективная вязкость суспензий зависит от объемной доли частиц и их формы.  
    • В разбавленных системах используется формула Эйнштейна.  
    • В плотных суспензиях вязкость нелинейно зависит от объемной доли.  
  • Аморфные материалы

    • Вязкое течение в аморфных материалах описывается уравнением Аррениуса.  
  • Энергия активации и температура

    • Энергия активации Q зависит от температуры: QH при низких температурах, QL при высоких температурах.  
    • Для промежуточных температур Q меняется нетривиально, что делает простую форму Аррениуса непригодной.  
  • Двухэкспоненциальное уравнение

    • Двухэкспоненциальное уравнение обеспечивает хорошее соответствие экспериментальным данным во всем диапазоне температур.  
    • Уравнение может быть получено на основе различных теоретических моделей аморфных материалов.  
  • Вихревая вязкость

    • Вихревая вязкость характеризует перенос и рассеяние энергии в меньшем масштабе потока.  
    • Вихревая вязкость может быть отрицательной, в отличие от вязкости жидкости.  
  • Предсказание вязкости

    • Вязкость непрерывно зависит от температуры и давления, что делает невозможным полное описание с помощью конечного числа измерений.  
    • Для простейших жидкостей квантово-механические вычисления позволяют точно предсказать вязкость.  
    • Для более сложных жидкостей Пересмотренная теория Энскога может быть использована для прогнозирования вязкости.  
  • Эталонные корреляции

    • Для большинства жидкостей высокоточные расчеты на основе первых принципов неосуществимы.  
    • Теоретические или эмпирические выражения должны соответствовать существующим измерениям вязкости.  
    • Эталонные корреляции охватывают диапазоны температур и давлений, включая газообразную, жидкую и сверхкритическую фазы.  
  • Программное обеспечение для теплофизического моделирования

    • Программное обеспечение часто использует эталонные корреляции для прогнозирования вязкости.  
    • Примеры программного обеспечения: REFPROP и CoolProp.  
  • Формулы для вязкости

    • Вязкость может быть рассчитана с помощью формул, выражающих ее в терминах статистики отдельных частиц.  
    • Эти формулы требуют детального знания траекторий частиц и точной модели межчастичных взаимодействий.  
  • Наблюдаемые значения вязкости

    • Значения вязкости варьируются на несколько порядков даже для обычных веществ.  
    • Вода имеет вязкость около 0,89 МПа·с при комнатной температуре.  
    • Воздух имеет вязкость около 18,5 мкПа·с при стандартных атмосферных условиях.  
  • Другие распространенные вещества

    • В таблице показаны диапазоны значений вязкости для обычных веществ.  
    • Перечисленные значения являются репрезентативными оценками и не учитывают погрешности измерений.  

Полный текст статьи:

Вязкость

Оставьте комментарий

Прокрутить вверх