2.5. Вязкость.

Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (скольжению) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при определенных условиях возникают касательные напряжения.

При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью.

Скорость V уменьшается по мере уменьшения расстояния от стенки до V=0 при y=0, а между слоями происходит проскальзывание сопровождающееся возникновением касательных напряжений (напряжением трения)

Слой жидкости 1 движется со скоростью U, а слой 2 – со скоростью U+du. Молекулы жидкости при этом участвуют в двух видах движения:

А) в упорядочном (продольном)

Б) в хаотическом (в том числе поперечным) тепловом движении

Вязкость жидкости обусловлена переносом молекулами количества движения через элемент поверхности b_xb_y, обусловленного различными скоростями этих слоев. Молекулы движутся хаотически беспорядочно, при этом они переходят из одного слоя, замедляя его, в другой ускоряя его.

Согласно гипотезе, высказанной впервые Ньютоном в 1686г., а затем экспериментально обоснованной проф. Петровым в 1883г., касательные напряжения жидкости зависят от вида жидкости зависят от вида жидкости и от характера течения и при слоистом течении изменяется прямо пропорционально поперечному градиенту давления.

 Разные жидкости обладают различной способностью сопротивления усилиям сдвига. Это различие оценивается динамическим коэффициентом вязкости μ. вязкость в жидкостях вызывается силами молекулярного сцепления.

, где μ – динамический коэффициент вязкости.

В системи СИ μ имеет размерность · с, т.е в ПА·с. Эту единицу называют Пуазелем.

Наряду с динамической вязкостью применяют кинематический коэффициент вязкости , который при гидравлических расчетах наиболее часто применяется и получается в результате деления динамической вязкости на плотность жидкости.

Единица измерения кинематической вязкости м²/с. В некоторых случаях за единицу измерения кинематической вязкости принимают Стокс, равный 1см² /с, 1 м²/с =10⁴ Ст..

Следует подчеркнуть, что величина касательных напряжений зависит не от абсолютной скорости движения жидкости, а от градиента скорости dV/dy

Из закона трения следует, что напряжение трения возможны только в движущейся жидкости. В покоящейся жидкости касательные напряжения τравны 0. такие жидкости называются ньютоновскими.

Кроме ньютоновских существуют так называемые аномальные или неньютоновские жидкости (суспензии, коллоиды и др.), в которых касательные напряжения возможны также при покое. Это проявляется в том, что при трогании с места необходимо преодолеть начальные сопротивление, называемое трением покоя. Вязкость определяется с помощью специальных приборов - вискозиметров.

2.6. Кипение жидкости

Кипение — это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.

Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 2.6.1):

где L — удельная теплота парообразования при температуре кипения.

рис. 2.6.1

Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 2.6.2) газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 2.6.2, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 2.6.2, б) — жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Рис. 2.6.2

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.

Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.

Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.

Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т.е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения.