2.2. Вязкость
Вязкость является способностью жидкости сопротивляться относительному сдвигу ее слоев.
При движении реальной жидкости, вследствие неравенства скоростей частиц, в ней возникают силы внутреннего трения. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга.
Согласно закону внутреннего трения Ньютона - напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при ее течении, прямо пропорционально градиенту скорости:
,
где τтр – напряжение внутреннего трения (напряжение сдвига или касательное напряжение),
μ – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости жидкости,
- градиент скорости,
характеризующий изменение скорости,
приходящееся на единицу расстояния по
нормали между слоями.
Знак минус в правой части уравнения указывает на то, что касательное напряжение тормозит слой, движущийся с относительно большей скоростью (или разгоняет относительно медленно движущийся слой).
Жидкости, вязкость которых подчиняется закону трения Ньютона, называются ньютоновскими, в этих жидкостях зависимость между касательным напряжением и градиентом скорости имеет линейный характер (рисунок 2).
|
. |
|
|
а) |
б) |
|
Рисунок 2 – Зависимость напряжения сдвига (а) и динамического коэффициента вязкости (б) от скорости сдвига для ньютоновских жидкостей [6] | |
Характерными ньютоновскими жидкостями являются вода и маловязкие моторные топлива.
Вязкость капельных жидкостей уменьшается с увеличением температуры и практически не зависит от давления (зависимость проявляется лишь при давлениях в несколько десятков МПа).
Вязкость газов возрастает с увеличением температуры и давления.
Количественно вязкость может быть выражена в виде динамического или кинематического коэффициентов вязкости.
Единицей измерения динамического коэффициента вязкости в системе СИ - Па·с. Другой единицей измерения динамического коэффициента вязкости является Пуаз(1П). Связь между единицами следующая: 1 П = 0,1 Па·с.
Кинематический коэффициент вязкости (представляет собой отношение коэффициента динамической вязкости (μ) к плотности жидкости (ρ):
,
Единицей измерения кинематического коэффициента вязкости в системе СИ является м2/с. Другой единицей измерения кинематического коэффициента вязкости является Стокс (1Ст). Связь между единицами следующая: 1 Ст = 10-4 м2/с.
Вязкость жидкостей измеряют при помощи приборов, которые называются вискозиметры.
Принцип работы вискозиметров основан на определении времени истечения жидкости через калиброванное отверстие или через калиброванный капилляр.
2.3. Поверхностное натяжение
В ряде процессов химической технологии капельная жидкость при движении соприкасается с газом (или паром) или с другой капельной жидкостью, практически не смешивающейся с первой. Поверхность раздела между фазами стремится к минимуму под действием поверхностных сил. Соответственно капли жидкости, взвешенные в газе (или паре) или другой жидкости, и пузырьки газа в жидкости принимают форму, близкую к шарообразной. Это объясняется тем, что молекулы жидкости внутри ее объема испытывают примерно одинаковое воздействие соседних молекул, в то время как молекулы, находящиеся непосредственно у поверхности раздела фаз, притягиваются молекулами слоев жидкости сильнее, чем молекулами окружающей среды. В результате на поверхности возникает давление, направленное внутрь жидкости по нормали к ее поверхности, которое и стремиться уменьшить эту поверхность до минимума.
Следовательно, для увеличения поверхности, т.е. для создания новой поверхности, необходима некоторая затрата энергии. Работу, требуемую для образования единицы новой поверхности, называют коэффициентом поверхностного натяжения σ. Поверхностное натяжение измеряется в Н/м. С повышением температуры поверхностное натяжение жидкостей уменьшается.
С величиной поверхностного натяжения связаны характеристики смачивания капельными жидкостями твердых материалов [1,2,4].