Viscosità dinamica e cinematica del fluido. Cos'è?

Nella vita di tutti i giorni, il termine "liquido viscoso" viene spesso identificato con qualcosa di appiccicoso, scivoloso, in cui è possibile sporcarsi. In parte così com'è. Diamo un'occhiata più da vicino alla situazione.

sostanze

Ovunque siamo, siamo sempre circondati da sostanze e corpi fisici che si trovano in tre stati di aggregazione: in solido, liquido e gassoso. quarto stato della materia - plasma - incapace di esistere nelle cosiddette condizioni normali. Le modalità create artificialmente sono necessarie per la sua manutenzione. Le sostanze liquide e gassose occupano più dell'85% del volume del nostro spazio vitale. Basti menzionare l'aria che respiriamo e l'acqua che beviamo. E ognuna di queste sostanze può essere caratterizzata in termini di viscosità.

Cosa viene misurato

Per definizione, la viscosità è la proprietà dei corpi fluidi di resistere al loro movimento rispetto a un sistema di coordinate fisso o l'uno all'altro. C'è una viscosità dinamica e cinematica. La viscosità dinamica nel sistema SI internazionale è misurata in [Pa * s] (Pascal al secondo). Da un punto di vista fisico, questo valore mostra la variazione della perdita di carico per unità di tempo. Nel sistema GHS (centimetro - grammo - secondo) è misurato in poises (1 Pa * s = 10 poise) e prende il nome dal famoso fisico e fisico francese Jean-Louis Marie Poiseuille.

La viscosità cinematica viene misurata in m ² / s (nel sistema SI) e in stokes (più spesso in centistokes). 1 cSt = 1 mm ² / s. Questo è il valore fondamentale di questa proprietà fluida. Attraverso un dispositivo speciale, un viscosimetro, puoi misurare la viscosità di qualsiasi liquido. Il suo volume definito (calibrato) è passato attraverso un orificio calibrato senza impulso meccanico, solo sotto l'azione di gravità.

Il metodo di determinazione

L'unità di viscosità cinematica è stata determinata già dagli anni '40 del XX secolo dagli scienziati sovietici Ya. I. Frenkel. Nelle sue equazioni, ha descritto il meccanismo per far rotolare gocce di vari liquidi da varie superfici inclinate (formula 2.1, vedi figura sopra), dove r e m sono il raggio e la massa della goccia, α è l'angolo critico della discesa, θ è l'angolo di caduta della goccia, σ - coefficiente di attrito. Dalla teoria del movimento delle molecole e dalla convalida del tempo del loro "assestamento" da parte di Frenkel (e, indipendentemente da lui, due anni dopo, dal fisico francese Andrade), si ottenne una relazione per il calcolo della viscosità dinamica (formula 2.2). Tale relazione è chiamata "equazione di Frenkel-Andrade", anche se nella letteratura straniera il nome del fisico sovietico viene spesso omesso, chiamandolo formula di Andrade.

coefficienti

In valori assoluti, l'unità di viscosità cinematica può essere ottenuta dal rapporto tra viscosità cinematica e dinamica, attraverso la densità del mezzo (formula 2.3). Va ricordato che il mezzo viscoso stesso non è suddiviso in cinetica o dinamica. Entrambi i valori possono essere calcolati per qualsiasi sostanza. Dato che quando un fluido fluisce, si crea una resistenza al movimento, è possibile costruire un vettore di forza di attrito viscoso. In valori assoluti, è direttamente proporzionale all'area di movimento del mezzo S e alla sua velocità v, ed inversamente proporzionale alla distanza tra i piani h (formula 2.4). Questo valore è chiamato coefficiente di viscosità dinamica o coefficiente di proporzionalità. Il segno meno indica l'opposto dell'applicazione della forza (direzione del vettore). Il coefficiente di viscosità cinematica, di regola, non viene calcolato. In rari casi, è chiamato l'equazione del rapporto (formula 2.3).

a seconda

La viscosità gioca un ruolo abbastanza significativo nel movimento dei liquidi. Come conseguenza delle forze adesive (specialmente nei liquidi altamente viscosi), lo strato di flusso del fluido, che si trova direttamente su una superficie solida, rimane fermo. La velocità degli strati rimanenti aumenta con la distanza dal piano del muro. Viscosità cinematica e aumento dinamico con aumento della pressione e diminuzione con aumento della temperatura ambiente.

Gas e fluidi non newtoniani

La viscosità dei mezzi gassosi è determinata in base alla loro temperatura. per gas perfetto Puoi usare la formula di Sutherland (formula 2.5). Questa formula è applicabile a temperature che vanno da zero assoluto fino a 555 K e nell'intervallo di pressione non superiore a 3,45 MPa.

La viscosità cinematica dei fluidi non newtoniani è calcolata in base alla suddetta legge Navier - Stokes (formula 2.6), dove σ _ij è il tensore di tensione viscoso. I fluidi non newtoniani comprendono pseudo-plastica (sangue, vernice, ketchup, lava, ecc.), Nonché fluidi dilatanti (liquidi con particelle strettamente miste, la cui viscosità aumenta notevolmente con l'aumento della deformazione di taglio).

Nei numeri

Il limite critico di transizione verso un diverso stato aggregativo (solido) nei liquidi si ottiene con valori di viscosità di circa 10 ¹¹ - 10 ¹² [Pa * s]. In questo caso, il liquido acquisisce la proprietà di una massa vetrosa (ad esempio, glicole monoetilenico a concentrazioni superiori al 75% in una soluzione acquosa). In acqua pura senza impurità, la viscosità cinematica alla temperatura di 20 ° C e la pressione atmosferica è 1.006 * 10 ⁶ m ² / s.