Некоторые физические свойства жидкостей

27

кона Ньютона уравнением (П-12а) дано несколько ниже при рассмотрении еще одного физического смысла этого закона.

Коэффициент пропорциональности [а в уравнении (11,11), или (11,12), называется динамическим коэффициентом вязкости, динамической вязкостью, или просто вязкостью.

Вязкость в СИ выражается следующим образом:

[т| г ^н Г ^н'^сек 1

м

[п\

сек-м.

а в системе СГС

дн

сек-см

В справочной литературе значения вязкости часто приводятся не в пуа- зах (пз), а в сантипуазах (спз), равных 0,01 пз.

Соотношение между единицами вязкости в системах единиц СИ и СГС:

100 ООО 0_Н%сек/_см2 ₌ ю пз — 1000 спз

1. н • сек/м^& ■

10 000

В системе МКГСС вязкость измеряется в технических единицах вяз- кости:

кгс

=

Г кгс-сек ~]

L л⁵ J

Соотношение между технической единицей вязкости и единицами вяз­кости в системе СГС:

1 кгс-сек/м*

981 000 10 000

дн-сек/см* — 98,1 пз = 9810 спз

Иногда вязкость жидкостей характеризуют кинематическим коэффициентом вязкости, или кинематической зязкостью:

v = (11,13)

р Y

Единицей кинематической вязкости в системе СГС является стоке (cm), равный 1 см‘1сек, или 100 сантистоксам (ccm). В системах СИ и МКГСС единица кинематической вязкости равна 1 м²/сек — 10⁴ ст.

Вязкость капельных жидкостей колеблется в широких пределах. Так, при комнатной температуре вязкость воды составляет —1 спз, а вязкость ''глицерина — около 1500 спз. Вязкость газов значительно ниже: например, вязкость воздуха приблизительно в 50 раз меньше вязкости воды.

Вязкость капельных жидкостей значительно снижается с возрастанием температуры. Вязкость газов, наоборот, увеличивается с ее повышением. При умеренном давлении вязкость газов практически от него не зависит, однако, начиная с некоторого давления, возрастает при его увеличении.

Причины различного влияния температуры на вязкость капельных жидкостей и газов, а также отмеченного характера влияния давления на вязкость последних обусловлены тем, что вязкость газов имеет молеку­лярнокинетическую природу, а вязкость капельных жидкостей в основном зависит от сил сцепления между молекулами.

Значения вязкостей капельных жидкостей и газов приводятся в спра­вочной литературе, но могут быть определены также для чистых веществ и их смесей расчетным путем *

* См., например: Бретшнайдер С. Свойства газов я жидкостей; Инженерные методы расчета. Пер. с польск. Под ред. П. Г. Романкова М.—Л., «Химия», 1966. 536 с.

Уравнению (И, 12а) можно придать и другой физический смысл. Слой жидкости массой т, примыкающий к перемещаемой верхней пластине (см. рис. П-1), приобретает некоторую скорость и, следовательно, коли­чество движения, или импульс (тт), в направлении перемещения. Этот слой приводит в движение следующий, передавая ему некоторую часть импульса, и т. д. — от слоя к слою. Следовательно, при течении жидкости происходит перенос количества движения (импульс а) в направлении, перпендикулярном направлению скорости жидкости. Соответственно касательное напряжение х {н/м²) может рассматриваться как удельный поток импульса, или количество движения, передаваемое через единицу площади в единицу времени:

|_1 Г ^н 1 Г кг-(м/сек²) ] р кг-(м/сек) 1 ^1Т]~ ~ !. ^ ] ~ I м*-сек ]

Таким образом, согласно уравнению (II, 12а), удельный поток коли­чества движения прямо пропорционален градиенту скорости.

Знак минус в данном уравнении указывает на то, что перенос коли­чества движения осуществляется в направлении уменьшения скорости (направления потока импульса и возрастания скорости противоположны). Градиент скорости при этом можно считать движущей силой переноса импульса.

Такая интерпретация уравнения (II, 12а) позволяет выявить аналогию между переносом механического движения (трения), тепла и массы, рас­сматриваемую в главе X. Кроме того, она отвечает физическому меха­низму, лежащему _в основе закона внутреннего трения. Так, при движении в потоке газа двух соседних элементарных слоев с несколько отличными

/ (1ХВ) \

скоростями (между ними имеется градиент вследствие хаотического

движения молекул во всех направлениях, часть их из более быстро дви­жущегося слоя, попадая в более медленный слой и сталкиваясь с его молекулами, будет ускорять последний. Наоборот, молекулы из более медленного слоя, попадая в более быстрый соседний слой, будут его^ затормаживать, Обмен молекулами между слоями и вызывает перенос количества движения поперечно скорости слоев, причем для преодоления силы сопротивления между слоями требуется прилагать определенную силу.

Жидкости чаще всего подчиняются закону внутреннего трения Нью­тона. Такие жидкости называют нормальными, или ньютонов­скими. Однако в промышленной практике приходится иметь дело и с неньютоновскими жидкостями, обладающими аномальными свойствами. Не следуют закону Ньютона растворы многих полимеров, коллоидные растворы, густые суспензии, пасты и др. Некоторые харак­теристики неньютоновских жидкостей рассмотрены ниже (стр. 92 сл.) в связи с особенностями их движения.

Вязкость оказывает существенное влияние на режимы течения жидко­стей и на сопротивления, возникающие при их движении. Поэтому интен­сификация многих гидродинамических, а также тепловых и массообменных процессов часто достигается при уменьшении вязкости среды, например путем повышения температуры капельных жидкостей.

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, взвешенные в газе (паре) или в другой жидкости, и пузырьки газа в жидкости принимают форму, более или менее близкую к шарообразной. Это объясняется тем, что молекулы жидкости внутри ее объема испытывают примерно одина-