Efectul temperaturii asupra vâscozității

Viscozitatea substanțelor este, în esență, dependentă de temperatură. Odată cu creșterea temperaturii, viscozitatea gazelor crește, iar vâscozitatea lichidelor scade. Acest lucru se explică prin faptul că energia cinetică a fiecărei molecule lichide crește mai repede decât energia potențială a interacțiunii dintre ele. Prin urmare, toate lubrifianții încearcă mereu să se răcească, în caz contrar amenință o scurgere simplă prin noduri.

Forța de frecare vâscoasă

Fenomenul de frecare internă din punct de vedere macroscopic este asociat cu apariția forțelor de frecare între straturile de gaz sau lichid care se deplasează paralel unul cu celălalt la viteze diferite. Forța de accelerare acționează asupra stratului în mișcare. Dimpotrivă, stratul în mișcare lentă inhibă stratul de gaz (lichid) care se mișcă mai rapid. Forțele de frecare care apar în acest caz sunt direcționate de-a lungul tangentei la suprafața de contact a straturilor.

Motivul vâscozității este prezența unui gradient de viteză # 916; U / N între straturile în mișcare ale lichidului (gaz); transferul impulsului se efectuează între straturi.

Luați în considerare experiența binecunoscută a lui Newton. Să presupunem că există două plăci paralele (Figura 1), între care există un gaz (lichid).

Distanța dintre plăci h. Placa inferioară va fi ținută nemișcată, placa superioară va fi forțată să se deplaseze în aceeași direcție în planul ei cu o viteză constantă u0.

Stratul de gaz imediat adiacent plăcii superioare va avea aceeași viteză ca și placa, în timp ce stratul de gaz adiacent plăcii inferioare este în repaus. Experiența arată că orice strat intermediar se mișcă cu o viteză u proporțională cu distanța x de la placa fixă,

Constanta a este determinata din conditia ca pentru x = h u = u0. că este, u0 = ah. De unde a = u0 / h. Apoi expresia (1) ia forma:

Astfel, forța F1 este aplicată pe placa superioară. Se află în planul său și are aceeași direcție cu direcția de mișcare a plăcii. Deoarece placa se mișcă cu o viteză constantă u0, atunci placa trebuie să aibă aceeași mărime, dar direcția opusă F pe partea gazului, pe care noi o numim forța de frecare vâscoasă.

Din experiment rezultă că valoarea absolută a forței F1 este proporțională cu viteza u0. cu care se deplasează placa și zona plăcii, adică,

unde # 951; - un coeficient constant de proporționalitate, care se numește coeficientul de frecare vâscoasă. Luând în considerare faptul că forța de frecare vâscoasă F = - F1. Noi rescriem (3) în forma:

Deoarece rezultă din (2) că. ultima expresie poate fi reprezentată după cum urmează:

Aceasta este legea fricțiunii vâscoase interne a lui Newton, pe care a stabilit-o experimental. Legea prevede că atunci când mișcarea staționară (laminară) a straturilor de lichid sau gaz cu viteze diferite are forțe tangențiale între ele, proporționale cu gradientul vitezei straturilor și a zonei contactului lor.

Sensul fizic al coeficientului de vâscozitate h este acela că este numeric egal cu forța care acționează pe unitatea de suprafață paralelă cu viteza de curgere a unui gaz sau lichid, cu un gradient de viteză.

Conform celei de-a doua legi a lui Newton, F = dp / dt. unde p este impulsul masei elementare a stratului de gaz. Prin urmare, (5) poate fi reprezentat ca infinitesimal:

Permite schimbarea vitezei gazului sau lichidului să se deplaseze în direcția axei X, iar viteza de curgere în sine este direcționată perpendicular pe această axă (figura 2).

Legea lui Newton (6) afirmă că impulsul transferat în timpul dt prin zona dS perpendicular pe axa X este proporțional cu timpul dt, dimensiunea zonei dS și gradientul de viteză.

Frecarea internă a lichidelor, ca și gazele, are loc atunci când fluidul se mișcă datorită transferului de impulsuri într-o direcție perpendiculară pe direcția de mișcare. Legea generală a fricțiunii interne este legea lui Newton:

unde: S - suprafața de contact a straturilor de lichid în mișcare, m 2;

semnul "-" indică faptul că forța F este îndreptată împotriva vitezei u.

Caracteristicile de vâscozitate sunt: ​​coeficientul de vâscozitate dinamic # 951; și coeficientul de vâscozitate cinematică # 957; .

h- vâscozitate dinamică. sau coeficientul de frecare internă a lichidului (Pa • c)), egal cu forța care acționează asupra suprafeței unității stratului la un gradient de viteză de unitate, adică Când viteza unui strat, care este o unitate a distanței de la un anumit strat, diferă de viteza acestuia din urmă de viteza unității. El caracterizează cantitativ rezistența unui lichid (gaz) la deplasarea straturilor sale. Invers, # 966; = 1 / # 951; numita fluiditate.

Trecerea materiei de la starea lichidă la cea vitroasă este, de obicei, atribuită unei vâscozități de ordinul 10 11 -10 12 Pa.s.

În inginerie, în special, în calculul acționărilor hidraulice și în tribotehnică, 2 se întâmplă adesea cu valoarea:

Această cantitate se numește vâscozitatea cinematică.

Aici este densitatea lichidului; - vâscozitate dinamică.

Diferența calitativă forțelor de frecare vâscoase frecare uscată este că organismul numai în prezența de frecare vâscoasă și forță externă arbitrar mici în mod necesar se va muta (t. E. Pentru frecare vâscoasă, nu există frecare statică). Dimpotrivă, sub acțiunea doar a unei frecare vâscoasă, corpul, care se mișcă inițial, nu se va opri niciodată complet, deși mișcarea va fi încetinită infinit.

În teoria cinetică a gazelor, coeficientul de frecare internă este calculat din formula

unde - rata medie de mișcare termică a moleculelor, Este calea liberă medie. Din această expresie rezultă în special că vâscozitatea gazelor care nu sunt foarte rare este practic independentă de presiune, deoarece densitatea # 961; este direct proporțională cu presiunea și Este invers proporțională. Aceeași concluzie este valabilă și pentru alți coeficienți cinetici pentru gaze, de exemplu pentru coeficientul de conductivitate termică. Cu toate acestea, această concluzie este valabilă numai atâta timp cât rărirea gazului nu devine atât de mică încât raportul dintre calea medie liberă și dimensiunile liniare ale navei (numărul Knudsen) nu devine egal cu unitatea în ordinea mărimii; în special, acest lucru are loc în navele Dewar (termose).