Вязкость — это способность жидкости сопротивляться сдвигу, т. е. свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касательных напряжений (напряжений трения). Рассмотрим слоистое течение жидкости вдоль стенки (рисунок 1.3). В этом случае происходит торможение потока жидкости, обусловленное ее вязкостью. Причем скорость движения жидкости в слое тем ниже, чем ближе он расположен к стенке. Согласно гипотезе Ньютона касательное напряжение, возникающее в слое жидкости на расстоянии у от стенки, определяется зависимостью
(1.5)
где dυ/dy — градиент скорости, характеризующий интенсивность нарастания скорости υ при удалении от стенки (по оси у).
Зависимость (1.5) называют законом трения Ньютона. Течения большинства жидкостей, используемых в гидравлических системах, подчиняются закону трения Ньютона, и их называют ньютоновскими жидкостями. Однако следует иметь в виду, что существуют жидкости, в которых закон (1.5) в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньютоновскими.
Величина μ, входящая в (1.5), получила название динамической вязкости жидкости. Она измеряется в Паּс либо в пуазах 1 Пз = 0.1 Па ּс. Однако на практике более широкое применение нашла кинематическая вязкость:
. (1.6)
Единицей измерения последней в системе СИ является м2/с или более мелкая единица см2/с, которую принято называть стоксом, 1 Ст = 1 см2/с. Для измерения вязкости также используются сантистоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.
 |
Вязкость жидкостей существенно зависит от температуры, причем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры падает, а вязкость газов — растет (рисунок 1.4). Это объясняется тем, что в капельных жидкостях, где молекулы расположены близко друг к другу, вязкость обусловлена силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры ослабевают, и вязкость падает. В газах молекулы располагаются значительно дальше друг от друга. Вязкость газа зависит от интенсивности хаотичного движения молекул. С ростом температуры эта интенсивность растет и вязкость газа увеличивается.
Вязкость жидкостей зависит также от давления, но это изменение незначительно, и в большинстве случаев его не учитывают.
Вязкость, свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и др. видах деформации. Dязкость характеризуют интенсивностью работы, затрачиваемой на осуществление течения газа или жидкости с определенной скоростью. При ламинарном сдвиговом течении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинками, верхняя из которых движется с постоянной скоростью v под действием силы F, а нижняя неподвижна, слои жидкости перемещаются с разными скоростями – от максимальной у верхней пластинки до нуля у нижней (рис. 1). При этом касательное напряжение τ=F/S, а скорость деформации 
, где S-площадь пластинок, H – расстояние между ними. Если между τ и 
имеется линейная зависимость, жидкость называется ньютоновской; отношение 
называют динамической вязкостью (или просто вязкостью) η.
Величину, равную отношению вязкости вещества к его плотности, называют кинематической вязкостью, обратную вязкости величину – текучестью. В общем случае пространственного течения для ньютоновских жидкостей имеет место линейная зависимость между тензорами напряжений и скоростей деформации. Жидкости, для которых указанные зависимости не являются линейными, называются неньютоновскими (см. Реология).
В системе СИ значения вязкостb η выражают в Па·с. Для газов η составляет обычно от 1 до 100 мкПа·с, для воды при 20°С 1 мПа·с, для большинства низкомолекулярных жидкостей до 10 Па·с. Расплавленные металлы по порядку величины η близки к обычным жидкостям.
Вязкость низкомолекулярных жидкостей, относящихся к одному гомологическому ряду, примерно линейно растет с увеличением молярной массы вещества; она увеличивается также с введением в молекулу циклов или полярных групп. Вязкость разбавленных суспензий и эмульсий линейно возрастает с увеличением относительного объема дисперсной фазы. Вязкость растворов и расплавов полимеров достигает 0,1 МПа·с, каучуков и резиновых смесей, битумов и асфальтов – 100 МПа·с. В отличие от низкомолекулярных гомологов, вязкость полимеров растет пропорционально их молярной массе не линейно, а в степени 3,5, т.е. гораздо сильнее.
Рис. 1. Распределение скоростей при ламинарном сдвиговом течении ньютоновской жидкости (пояснения в тексте).
Рис. 2. Распределение скоростей при ламинарном течении ньютоновской жидкости в канале (пояснения в тексте).
С повышением температуры вязкость газов увеличивается, поскольку она обусловлена интенсивностью теплового движения. Вязкость гелия при приближении к 0К становится исчезающе малой (т.н. сверхтекучее состояние). Вязкость жидкостей с повышением температуры уменьшается благодаря снижению энергии межмолярных взаимодействий, препятствующих перемещению молекул. В представлениях теории свободного объема (см. Жидкость) установлено количественное соответствие между увеличением свободного объема жидкости и ее вязкостью с ростом температуры.
С увеличением давления вязкость всегда возрастает (см. Давление). При течении жидкости в цилиндрическом канале из-за тормозящего действия вязкого сопротивления устанавливается распределение скоростей по радиусу канала: у стенки канала она равна нулю, а в центре максимальна. При ламинарном течении ньютоновской жидкости профиль скоростей оказывается параболическим (рис. 2), и вязкость выражается через перепад давления 
, требуемый для создания определенного объемного расхода Q: 
, где R – радиус, Z – длина канала (формула Гагена-Пуазейля).
Для многих расплавов и растворов полимеров и коллоидных систем, в отличие от низкомолекулярных жидкостей, вязкость зависит от режима течения (т.е. от 
или 
). Поэтому при характеристике таких сред необходимо указывать условия измерения вязкости (значения 
или 
). Различают: наибольшую ньютоновскую вязкость (или вязкость неразрушенной структуры), отвечающую предельно низким 
; эффективную (или "структурную") вязкость, зависящую от уровня действующих в среде напряжений; наименьшую ньютоновскую вязкость (или вязкость предельно разрушенной структуры), измеряемую при наиболее интенсивном режиме деформирования, когда вязкость перестает зависеть от 
.
Значением вязкости характеризуют переход некристаллизующихся (переохлажденных) жидкостей из текучего в стеклообразное состояние при охлаждении. Температуру, при которой вязкость достигает 10 11 – 10 12 Па·с, условно принимают за температуру стеклования. Свойства разбавленных растворов полимеров оценивают так называемой характеристической вязкостью ("предельным числом вязкости"), которая определяется как 
при С→0, где 
– вязкость растворителя, а С – концентрация раствора. Величина 
связана с размерами и формой макромолекул в растворе и используется для их определения.
Вследствие высокой чувствительности вязкости жидкостей к молярной массе и строению молекул ее измерения служат основой физико-химических методов анализа и контроля технологических процессов (см. Вискозиметрия). Значения вязкости среды обусловливают мощность мешалок, насосов и т.п., оказывая влияние на скорость тепло- и массопереноса. Температурная зависимость вязкости – важнейшая характеристика нефтепродуктов, особенно смазочных материалов.
2) Способность твердых тел необратимо поглощать энергию, затрачиваемую на их деформацию без течения (внутреннее трение). Обычно поглощение энергии при деформировании упругих тел мало, но оно может заметно возрастать в некоторых узких температурных диапазонах, называемых областями релаксационных переходов. При деформировании эластомеров (каучуков и резин) наблюдается заметное поглощение энергии, сопоставимое с энергией упругих колебаний, что приводит к разнообразным гистерезисным явлениям при их деформировании, в частности к значительному саморазогреву при многократных циклических деформациях.
Лит.: Гатчек Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М.-Л., 1935; Виноградов Г.В., Малкин А.Я., Реология полимеров, М., 1977, с. 120-235. См. также лит. при ст. Растворы полимерв.
Вязкость – свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации.
Динамическая вязкость
Динамическая (абсолютная) вязкость µ – сила, действующая на единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии.
В международной системе единиц (СИ), динамическая вязкость измеряется в Паскаль – секундах [Па·с].
Существуют также внесистемные величины измерения динамической вязкости. Наиболее распространенная в системе СГС – пуаз [П] и ее производная сантипуаз [сП].
Также динамическая вязкость может измеряться в [дин·с/см²] и [кгс·с/м²] и производных от них единицах.
Соотношение между единицами динамической вязкости:
- 1 Пуаз [П] = 1 дин·с/см² = 0.010197162 кгс·с/м² = 0.0000010197162 кгс·с/см² = 0.1 Па·с = 0.1 Н·с/м²
- 1 Сантипуаз [сП] = 0.0001010197162 кгс·с/м² = 0.01 П = 0.001 Па·с
- 1 кгс·с/м² = 98.0665 П = 9806.65 сП = 9.80665 Па·с
США и Британия
В виду того, что в некоторых англоязычных странах сила и площадь поверхности может измеряться в отличных от системы СИ единицах, могут применяться отличные единицы измерения динамической вязкости.
- 1 Фунт сила секунда на дюйм² [lbf·s/in²] = 6894.75729316836 Па·с = 144 lbf·s/ft²
- 1 Фунт сила секунда на фут² [lbf·s/ft²] = 47.88025898034 Па·с
Кинематическая вязкость
Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ и определяется формулой:
ν = µ / ρ, где µ – динамическая вязкость, Па·с, ρ – плотность жидкости, кг/м³.
В международной системе единиц (СИ), кинематическая вязкость измеряется в квадратных метрах на секунду [м²/с].
Также широко используется внесистемная единица – cтокс [Ст] и ее производная – сантистокс [сСт].
Соотношение между единицами кинематической вязкости:
- 1 Ст = 0.0001 м²/с = 1 см²/с
- 1 сСт = 1 мм²/с = 0.000001 м²/с
- 1 м²/с = 10000 Ст = 1000000 сСт
США и Британия
В виду того, что в некоторых англоязычных странах сила и площадь поверхности может измеряться в отличных от системы СИ единицах, могут применяться отличные единицы измерения кинематической вязкости.
- 1 м²/с = 1550.0031000062 квадратных дюймов в секунду [in²/s]
- 1 м²/с = 10.76391041670972 квадратных футов в секунду [ft²/s]
