Вязкость жидкостей и газов. Коэффициенты вязкости и их зависимость от температуры и давления

При движении жидкость или газ расходуют часть своей механической энергии на работу против сил внутреннего трения. Эти потери механической энергии носят название диссипации энергии и представляют собой необратимый переход кинетической энергии потока в тепловую энергию молекулярного движения.

Рассмотрим жидкость, находящуюся в зазоре толщиной между неподвижной плоскостью и подвижной пластиной (рис.1.1):

Рис.1.1. Схема течения вязкой жидкости в зазоре.

Если привести пластину в движение, то оказывается, что для обеспечения её прямолинейного равномерного движения со скоростью необходимо приложить силу F. Работа этой силы соответствует потерям механической энергии на работу против сил вязкого трения.

Экспериментально установлена следующая зависимость (закон жидкого трения Ньютона):

или , (7)

где S – площадь подвижной пластины;

– касательное напряжение трения, возникающее в жидкости.

Соотношение (1) представляет собой простейшую запись закона жидкого трения Ньютона. Обычно используется дифференциальная форма:

, (8)

где – касательное напряжение сдвига вдоль оси x.

Коэффициент пропорциональности в выражении (2) носит название динамического коэффициента вязкости.

Из выражения (1) размерность в системе СИ: [ ]= ;

в физической системе единиц динамический коэффициент вязкости выражается в пуазах: 1пуаз = 1 ; (1 пуаз = 0,1 ).

Помимо динамического коэффициента вязкости используется кинематический коэффициент вязкости:

. (9)

В системе СИ: . В физической системе (СГС): .

По своему физическому смыслу коэффициент вязкости представляет собой коэффициент переноса импульса в движущейся сплошной среде, а выражение (2) представляет собой закон переноса импульса.

Величина коэффициента вязкости зависит от температуры и давления.

Вязкость жидкостей быстро уменьшается с увеличением температуры и слабо возрастает при увеличении давления (рис.1.2).

Для жидкостей зависимость коэффициента вязкости от давления хорошо оценивается законом Баруса:

, (10)

где – пьезокоэффициент вязкости.

Вязкость минеральных масс при увеличении давления от 0 до 400атм приблизительно удваивается.

Иногда используются обобщенные степенные зависимости вида:

, (11)

где – динамический коэффициент вязкости при атм и ;

где – некоторая температура;

α и λ – эмпирические коэффициенты, зависящие от типа жидкости и температурного диапазона.

Для газов коэффициент вязкости с увеличением температуры и давления возрастает (рис.1.2).

Рис. 1.2. Зависимость вязкости жидкостей и газов от температуры

Вязкость воды при 20^оС =0,010 см²/сек (1 сСт).