Явления переноса в жидкостях
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Вязкость (внутреннее трение) - одно из трёх явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.
Различают динамическую вязкость(первая) [еденици измерения: пуаз, Па*с], вторая, вязкость жидкостей, вязкость полимера, разряжённых газов, и кинематическую вязкость [единицы измерения: стокс, м²/с, внесистемная единица — градус Энглера].Вторая вязкость (оэффециент второй вязкости) ζ, подобно динамической (первой) вязкости η, является положительной величиной и зависит от химической природы вещества, давления и температуры. Вязкость в жидкостях подчиняется тем же дифференциальным уравнениям, что и соответствующие явления в газах. Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объема через калиброванное отверстие под действием силы тяжести. Вязкость полимерных растворах характеризуется следующими величинами: относительной вязкостью, или вязкостным отношением. Внутреннее трение разряжённых газовотсутствует и существует лишь внешнее трние движущегося газа. Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.
Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. Если вязкость падает при увеличении скорости, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.
Вязкость газов (внутреннее трение)
Явление внутреннего трения (вязкости) связано с возникновением сил трения между двумя слоями газа перемещающимся паралельно друг другу с различными по величине скоростями. Причинной внутреннего трения является перенос молекулами количества движения из одного слоя газа в другой, тоесть выравниваются скорости движения различных слоёв газа.
По этому свойству мы обязаны, например, тем, что ветер или буря с течением времени утихают. Выравнивание скоростей, соседних слоёв газа, если эти скорости различны, происходит потому, что из слоя газа с большей скоростью движения переносится импульс к слою, движущемуся с меньшей скоростью.
Если внешними силами поддерживается постоянной разность скоростей движения различных слоёв газа, то и поток импульса от слоя к слою будет постоянным, причём этот поток будет направлен вдоль падения скорости. С таким случаем мы, например, встречаемся при медленном течении газа (или жидкости) между двумя пластинами или в трубе под действием постоянной внешней разности давлений, направленной вдоль движения.
а) б)
а-для пластинок.
б-для трубки.
Известно, что при течение газа вдоль трубы скорости разных слоёв распределены так, как это показано на рисунке (б) где стрелки представляют векторы скорости движения газа. Наибольшая скорость наблюдается в средней, прилегающей к оси части трубы; по мере приближения к стенкам скорость уменьшается, а слой прилегающий непосредственно к стенкам трубы, покоится.
При таком течении происходит перенос импульса от центрального слоя газа, где скорость наибольшая, к слоям, движущимся с меньшей скоростью. Так как этот процесс связан с изменением количества движения, то газ ведёт себя так, как если бы на него действовала некоторая сила (сила внутреннего трения).
Количественно перенос импульса может быть описан так же, как мы описали перенос энергии в процессе теплопроводности. Пусть изменение скорости движения газа происходит в направлении оси Х, которое в данном случае перпендикулярно к направлению самой скорости движения газа (см. рисунок)
В направлении, перпендикуляр-ном к оси Х, скорость движения во всех точках одинакова. Это значит, что скорость υ является функцией только х. Тогда, как показывает опыт, количество движения L, переносимое за 1 с. через 1 
сечения, перпендикулярного оси Х, определяется уравнением.
L=-η
(1)
Где dν/dx- градиент скорости вдоль оси Х, характеризующий быстроту изменения скорости вдоль этой оси (изменение скорости на каждую единицу длинны). Знак минус означает, что импульс переносится в направлении уменьшения скорости.
Коэффициент η называется коэффициентом вязкости или коэффициентом внутреннего трения газа и так же, как коэффициенты диффузии и теплопроводности, зависит от свойств газа. Иногда коэффициент η, определённый уравнением (1), называют коэффициентом динамической вязкости, в отличие от коэффициента кинематической вязкости, равного отношению η/ρ, где ρ-рлотность газа. Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, в единицу времени (1с.) через площадку в 1при градиенте скорости (в направлении перпендикулярном к площадке), равном единице (1м/с на 1см длинны). За единицу вязкости в системе единиц СИ принимается коэффициент вязкости такого вещества, в котором при градиенте скорости, равном единице (1 с
), через площадку 1 м
переносится количество движения 1 кг·м/с за 1с. Значит, коэффициент вязкости измеряется в единицах [кг/м·с]. В системе СГС коэффициент измеряется в единицах [г/см·с]. Эта единица называется пуаз.
При переносе импульса от слоя к слою происходит изменение импульса этих слоёв. Это значит, что на каждый из слоев действует сила, равная изменению импульса в единицу времени (второй закон Ньютона). Ведь L в уравнение (1) –это перенос импульса в единицу времен!! Следовательно, вязкость приводит к тому, что любой слой газа, движущийся относительно соседнего, испытывает действие некоторой силы. Сила это есть ничто иное, как сила трения между слоями газа, движущихся с различными скоростями. Отсюда и название внутреннее трение. Уравнение (1) можно поэтому записать и в виде.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6