Δυναμικό ιξώδες υγρού. Ποιο είναι το φυσικό και μηχανικό της νόημα;

Ένα υγρό ορίζεται ως ένα φυσικό σώμα ικανό να αλλάξει το σχήμα του με μια αυθαίρετα μικρή επίδραση σε αυτό. Συνήθως διακρίνονται δύο βασικοί τύποι υγρών: στάγδην και αέρια. Τα υγρά απόσταξης είναι υγρά με τη συνήθη έννοια: νερό, κηροζίνη, λάδι, λάδι και ούτω καθεξής. Τα αέρια υγρά είναι αέρια τα οποία υπό κανονικές συνθήκες είναι, για παράδειγμα, αεριώδεις ουσίες όπως ο αέρας, το άζωτο, το προπάνιο, το οξυγόνο.

Αυτές οι ουσίες διαφέρουν στη μοριακή δομή και στο είδος της αλληλεπίδρασης των μορίων μεταξύ τους. Ωστόσο, από την άποψη της μηχανικής, είναι συνεχή μέσα ενημέρωσης. Και λόγω αυτού, για αυτούς έχουν οριστεί ορισμένα κοινά μηχανικά χαρακτηριστικά: πυκνότητα και ειδικό βάρος, Και επίσης τις βασικές φυσικές ιδιότητες: συμπιεστότητα, διαστολή θερμοκρασίας, αντοχή εφελκυσμού, δυνάμεις επιφανειακής τάσης και ιξώδες.

Με το ιξώδες εννοείται η ιδιότητα της υγρής ουσίας να αντιστέκεται στην ολίσθηση ή διάτμηση των στρωμάτων της σε σχέση η μία με την άλλη. Η ουσία αυτής της έννοιας έγκειται στην εμφάνιση μιας δύναμης τριβής μεταξύ των διαφόρων στρωμάτων μέσα στο υγρό στη σχετική τους κίνηση. Διαχωρίστε ανάμεσα στις έννοιες του "δυναμικού ιξώδους ενός υγρού" και του "κινητικού του ιξώδους". Στη συνέχεια, εξετάστε λεπτομερέστερα ποια είναι η διαφορά μεταξύ αυτών των εννοιών.

Βασικές έννοιες και διάσταση

Η εσωτερική δύναμη τριβής F που προκύπτει μεταξύ των γειτονικών γειτονικών στρωμάτων του γενικευμένου ρευστού είναι άμεσα ανάλογη της ταχύτητας των στρωμάτων και της περιοχής επαφής τους S. Αυτή η δύναμη δρα σε κατεύθυνση κάθετη προς την κίνηση και εκφράζεται αναλυτικά με την εξίσωση Newton

F = μS (Δν) / (Δη),

Όπου (ΔV) / (Δn) = GV είναι η κλίση της ταχύτητας στην κατεύθυνση της κανονικής προς τις κινούμενες στρώσεις.

Ο συντελεστής αναλογικότητας μ είναι το δυναμικό ιξώδες ή απλά το ιξώδες του γενικευμένου υγρού. Από την εξίσωση του Νεύτωνα είναι ίση με

Μ = F / (S ∙ GV).

Σε ένα σύστημα φυσικής μέτρησης, η μονάδα ιξώδους ορίζεται ως το ιξώδες του μέσου στο οποίο η δύναμη τριβής 1 dyne ενεργεί για κάθε τετραγωνικό εκατοστό του στρώματος σε μία μονή ταχύτητα GV = 1 cm / sec. Συνεπώς, η διάσταση της μονάδας στο δεδομένο σύστημα εκφράζεται σε dyn ∙ sec ∙ cm ^ (-2) = r ∙ cm ^ (-1) ∙ sec ^ (-1).

Αυτή η μονάδα δυναμικού ιξώδους ονομάζεται poise (P).

1 P = 0,1 Pa ∙ s = 0,0102 kgf ∙ με ∙ m ^ (- 2).

Χρησιμοποιούνται επίσης μικρότερες μονάδες, και συγκεκριμένα: 1 Ρ = 100 cps (centipoise) = 1000 mP (μύκητες) = 1000000 mc (μικροπίσση). Στο τεχνικό σύστημα, για τη μονάδα ιξώδους, πάρτε την τιμή kgs ∙ s ∙ m ^ (- 2).

Στο διεθνές σύστημα, η μονάδα ιξώδους ορίζεται ως το ιξώδες του μέσου στο οποίο η δύναμη τριβής 1 N (newton) δρα σε κάθε τετραγωνικό μέτρο της στιβάδας υγρού σε μία μονή ταχύτητα GV = 1 m / s ανά 1 m. Η διάσταση της τιμής του μ στο σύστημα SI εκφράζεται σε kg ∙ m ^ (-1) ∙ c ^ (-1).

Εκτός από τέτοια χαρακτηριστικά όπως το δυναμικό ιξώδες, για τα υγρά η έννοια του κινηματικού ιξώδους εισάγεται ως η αναλογία του συντελεστή μ προς την πυκνότητα του υγρού. Το μέγεθος του συντελεστή κινηματικού ιξώδους μετράται στο Stokes (Ist = 1 cm2 (2) / s).

Ο συντελεστής ιξώδους είναι αριθμητικά ίσος με την ποσότητα κίνησης που μεταφέρεται σε ένα κινούμενο αέριο ανά μονάδα χρόνου σε μια κατεύθυνση κάθετη προς την κίνηση ανά μονάδα επιφάνειας όταν η ταχύτητα κίνησης διαφέρει ανά μονάδα ταχύτητας στις στρώσεις αερίου σε απόσταση ανά μονάδα μήκους. Ο συντελεστής του ιξώδους εξαρτάται από τη φύση και την κατάσταση της ουσίας (θερμοκρασία και πίεση).

Το δυναμικό ιξώδες και το κινηματικό ιξώδες υγρών και αερίων εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Σημειώθηκε ότι και οι δύο αυτοί συντελεστές μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας για την πτώση των υγρών και, αντιστρόφως, αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας για τα αέρια. Η διαφορά αυτής της εξάρτησης μπορεί να εξηγηθεί από τη φυσική φύση της αλληλεπίδρασης των μορίων στην πτώση υγρών και αερίων.

Φυσική αίσθηση

Από την άποψη της μοριακής-κινητικής θεωρίας, το φαινόμενο του ιξώδους για τα αέρια συνίσταται στο γεγονός ότι στο κινούμενο μέσο, λόγω της χαοτικής κίνησης των μορίων, οι ταχύτητες των διαφόρων στρωμάτων εξισώνονται. Έτσι, αν το πρώτο στρώμα κινείται σε κάποια κατεύθυνση πιο γρήγορα από το δεύτερο στρώμα δίπλα του, τότε από το πρώτο στρώμα στο δεύτερο πέρασμα γίνονται ταχύτερα μόρια και αντίστροφα.

Επομένως, το πρώτο στρώμα τείνει να επιταχύνει την κίνηση του δεύτερου στρώματος και το δεύτερο - να επιβραδύνει την κίνηση του πρώτου. Έτσι, η συνολική κίνηση του πρώτου στρώματος θα μειωθεί και η δεύτερη θα αυξηθεί. Η προκύπτουσα μεταβολή της ποσότητας κίνησης χαρακτηρίζεται από έναν συντελεστή ιξώδους για τα αέρια.

Στα υγρά πτώσης, σε αντίθεση με τα αέρια, η εσωτερική τριβή καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη δράση των διαμοριακών δυνάμεων. Και επειδή οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων του υγρού πτώσης είναι μικρές σε σύγκριση με τα αέρια μέσα, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων είναι σημαντικές ταυτόχρονα. Μόρια ενός υγρού, καθώς και μόρια στερεών, κυμαίνονται κοντά σε θέσεις ισορροπίας. Ωστόσο, στα υγρά αυτές οι θέσεις δεν είναι στάσιμες. Μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, το υγρό μόριο ξαφνικά αλλάζει σε μια νέα θέση. Ο χρόνος κατά τον οποίο η θέση του μορίου στο υγρό δεν αλλάζει, ονομάζεται χρόνος της «τακτοποιημένης ζωής» του.

Οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης εξαρτώνται ουσιαστικά από τον τύπο του υγρού. Εάν το ιξώδες της ουσίας είναι μικρό, ονομάζεται "ροή", καθώς ο συντελεστής απόδοσης και το δυναμικό ιξώδες του υγρού είναι αντιστρόφως ανάλογοι. Αντιστρόφως, οι ουσίες με υψηλό συντελεστή ιξώδους μπορούν να έχουν μηχανική σκληρότητα, όπως ρητίνη. Το ιξώδες της ουσίας εξαρτάται ουσιαστικά από τη σύνθεση των ακαθαρσιών και την ποσότητα τους και από τη θερμοκρασία. Με την αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται η χρονική τιμή "τακτοποιημένης ζωής", με αποτέλεσμα η κινητικότητα του ρευστού να αυξάνεται και το ιξώδες της ουσίας να μειώνεται.

Το φαινόμενο του ιξώδους, όπως και άλλα φαινόμενα μοριακής μεταφοράς (διάχυση και θερμική αγωγιμότητα), είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία που οδηγεί στην επίτευξη μιας κατάστασης ισορροπίας που αντιστοιχεί στο μέγιστο της εντροπίας και ένα ελάχιστο της ελεύθερης ενέργειας.