Вязкость

Вязкость — это свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Вязкость характеризует внутреннее трение, возникающее между слоями среды при их относительном движении. Количественно вязкость выражается в паскаль-секундах (Па·с) в Международной системе единиц (СИ) и в пуазах (П) в системе СГС. Величина, обратная вязкости, называется текучестью.

Физическая сущность

Вязкость обусловлена переносом импульса между слоями жидкости или газа, движущимися с разными скоростями. В жидкостях основную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия, которые препятствуют скольжению слоёв. В газах механизм вязкости связан с хаотическим тепловым движением молекул: молекулы, переходя из одного слоя в другой, переносят с собой импульс, что и приводит к возникновению силы трения.

В простейшем случае одномерного течения (например, течение Куэтта) сила внутреннего трения, действующая на единицу площади поверхности слоя, описывается законом Ньютона для вязкого течения:

\[ \tau = \eta \frac{dv}{dy} \]

где \(\tau\) — напряжение сдвига (касательное напряжение), \(\eta\) — динамическая вязкость, \(dv/dy\) — градиент скорости в направлении, перпендикулярном движению. Жидкости, подчиняющиеся этому закону, называются ньютоновскими. Для неньютоновских жидкостей зависимость напряжения сдвига от градиента скорости нелинейна.

Виды вязкости

Различают несколько типов вязкости:

Динамическая (абсолютная) вязкость (\(\eta\), \(\mu\)) — характеризует сопротивление жидкости или газа сдвигу. Единица измерения в СИ — паскаль-секунда (Па·с). В системе СГС — пуаз (П), 1 П = 0,1 Па·с.
Кинематическая вязкость (\(\nu\)) — отношение динамической вязкости к плотности среды: \(\nu = \eta / \rho\). Единица измерения в СИ — квадратный метр на секунду (м²/с), в системе СГС — стокс (Ст), 1 Ст = 10⁻⁴ м²/с. Кинематическая вязкость используется в гидравлике и аэродинамике, так как она не зависит от плотности.
Условная вязкость — относительная величина, измеряемая с помощью вискозиметров (например, по времени истечения определённого объёма жидкости через калиброванное отверстие). В России распространена градуировка по Энглеру (градусы Энглера, °E), в США — по Сейболту (секунды Сейболта, SUS), в Великобритании — по Редвуду (секунды Редвуда, R).

Зависимость от внешних факторов

Вязкость существенно зависит от температуры и, в меньшей степени, от давления.

Зависимость от температуры

У жидкостей с ростом температуры вязкость, как правило, уменьшается, так как ослабевают межмолекулярные связи. Эта зависимость часто описывается уравнением Аррениуса: \[ \eta = A \cdot e^{E_a / (RT)} \] где \(A\) — предэкспоненциальный множитель, \(E_a\) — энергия активации вязкого течения, \(R\) — универсальная газовая постоянная, \(T\) — абсолютная температура. Для многих масел и смазок используется эмпирическое уравнение Вальтера: \[ \lg \lg (\nu + 0,8) = a - b \cdot \lg T \] где \(a\) и \(b\) — константы, характерные для данной жидкости.

У газов, наоборот, вязкость увеличивается с ростом температуры, так как возрастает интенсивность теплового движения молекул и частота их столкновений. Зависимость вязкости газов от температуры приближённо описывается степенным законом: \(\eta \propto T^n\), где \(n\) обычно находится в пределах от 0,5 до 1.

Зависимость от давления

Вязкость жидкостей растёт с увеличением давления, однако для большинства жидкостей при умеренных давлениях (до 10–20 МПа) этот эффект незначителен. Для газов вязкость практически не зависит от давления в широком диапазоне (до десятков атмосфер), но при очень высоких давлениях может возрастать.

Классификация жидкостей по вязкости

По характеру зависимости напряжения сдвига от скорости деформации жидкости делятся на:

Ньютоновские жидкости — вязкость постоянна при данной температуре и давлении, не зависит от скорости сдвига. К ним относятся вода, большинство газов, лёгкие масла, растворы низкомолекулярных веществ.
Неньютоновские жидкости — вязкость изменяется в зависимости от скорости сдвига или времени воздействия. Среди них выделяют:
Псевдопластичные жидкости — вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига (например, краски, кетчуп, кровь).
Дилатантные жидкости — вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига (например, суспензии крахмала в воде).
Бингамовские (вязкопластичные) жидкости — для начала течения требуется преодолеть определённое предельное напряжение сдвига (например, зубная паста, глина).
Тиксотропные жидкости — вязкость уменьшается со временем при постоянной скорости сдвига (например, некоторые гели, краски).
Реопектические жидкости — вязкость увеличивается со временем при постоянной скорости сдвига (встречаются реже).

Методы измерения

Измерение вязкости осуществляется с помощью приборов — вискозиметров. Основные типы:

Капиллярные вискозиметры — основаны на измерении времени истечения определённого объёма жидкости через капилляр известного диаметра под действием силы тяжести или перепада давления. Примеры: вискозиметр Оствальда, Уббелоде.
Ротационные вискозиметры — измеряют крутящий момент, необходимый для вращения тела (цилиндра, конуса, шара) в исследуемой жидкости. Позволяют исследовать неньютоновские жидкости при различных скоростях сдвига. Примеры: вискозиметр Куэтта, вискозиметр Сёрла.
Вибрационные вискозиметры — измеряют затухание колебаний зонда, погружённого в жидкость.
Падающего шарика — основаны на законе Стокса: по скорости падения шарика в жидкости определяют её вязкость.

Значение и применение

Вязкость является одной из важнейших физико-химических характеристик веществ, определяющей их поведение в процессах течения и обработки. Она играет ключевую роль в:

Машиностроении и трибологии — выбор смазочных материалов для двигателей, редукторов, подшипников. Вязкость масла должна быть оптимальной: слишком низкая приводит к недостаточной смазке, слишком высокая — к перегреву и потерям энергии.
Нефтегазовой промышленности — вязкость нефти и нефтепродуктов определяет условия их добычи, транспортировки по трубопроводам и переработки. Для тяжёлых нефтей с высокой вязкостью применяют методы снижения вязкости (нагрев, разбавление, ввод присадок).
Химической технологии — вязкость влияет на скорость перемешивания, фильтрации, теплообмена, а также на качество полимеров, красок, лаков, клеев.
Медицине и биологии — вязкость крови (гематокрит) является важным диагностическим показателем. Изменение вязкости крови может указывать на заболевания (анемия, полицитемия, атеросклероз).
Пищевой промышленности — вязкость определяет консистенцию продуктов (соусы, напитки, сиропы, молочные продукты) и их технологические свойства.
Аэродинамике и гидродинамике — вязкость воздуха и воды учитывается при расчёте сопротивления движению тел, обтекании профилей, течении в трубах и каналах.