Вода H 2 O представляет собой ньютоновскую жидкость и ее течение описывается законом вязкого трения Ньютона, в уравнении которого коэффициент пропорциональности называется коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.
Вязкость воды зависит от температуры. Кинематическая вязкость воды равна 1,006·10 -6 м 2 /с при температуре 20°С.
В таблице представлены значения кинематической вязкости воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.). Значения вязкости даны в интервале температуры от 0 до 300°С. При температуре воды свыше 100°С, ее кинематическая вязкость указана в таблице на линии насыщения.
Кинематическая вязкость воды изменяет свою величину при нагревании и охлаждении. По данным таблицы видно, что с ростом температуры воды ее кинематическая вязкость уменьшается . Если сравнить вязкость воды при различных температурах, например при 0 и 300°С, то очевидно ее уменьшение примерно в 14 раз. То есть вода при нагревании становится менее вязкой, а высокая вязкость воды достигается если воду максимально охладить.
Значения коэффициента кинематической вязкости при различных температурах необходимы для вычисления величины числа Рейнольдса, которое соответствует определенному режиму течения жидкости или газа.
Если сравнить вязкость воды с вязкостью других ньютоновских жидкостей, например с , или с , то вода будет иметь меньшую вязкость. Менее вязкими, по сравнению с водой, являются органические жидкости – , бензол и сжиженные газы, например такие, как .
Динамическая вязкость воды в зависимости от температуры
Кинематическая и динамическая вязкость связаны между собой через значение плотности. Если кинематическую вязкость умножить на плотность, то получим величину коэффициента динамической вязкости (или просто динамическую вязкость).
Динамическая вязкость воды при температуре 20°С равна 1004·10 -6 Па·с. В таблице даны значения коэффициента динамической вязкости воды в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.). Вязкость в таблице указана при температуре от 0 до 300°С.
Динамическая вязкость при нагревании воды уменьшается , вода становится менее вязкой и при достижении
Вода - это жидкость, без которой невозможна жизнь на земле. Но многие не знают, что она имеет много свойств, несколько видов и особенностей. Одна из них - вязкость, которая используется не только в физике, но и в других сферах знаний и жизни человека. Это такие отрасли, как медицина, косметология, кулинария, автомобильная промышленность. Еще один вид этой характеристики - условная вязкость - активно используется в нефтедобывающей промышленности, химии и физике.
Что за явление - динамическая вязкость воды?
Растягиваясь, жидкое вещество претерпевает сопротивление. Аналогично происходит при сдвиге. Такое явление зависит от той скорости, которую развивают частицы жидкости при движении различных пластов воды. При воздействии пласта, передвигающегося быстрее, на пласт, движущийся более медленно, на первый план выступает ускоряющая сила. При обратном явлении действует тормозящая. Обе силы действуют в направлении к поверхностям пластов воды по касательной.
Отличительной особенностью является вязкость воды, сопротивляющаяся перемещению частиц в отношении друг друга. Она подразделяется на объемную и тангенциальную. Объёмная сопротивляется растяжению, она начинает действовать при распространении в воде различных звуковых волн. Тангенциальная вязкость способна оказывать сопротивление сдвигающему усилию.
Характерным свойством воды является текучесть, с которой мы сталкиваемся постоянно. Вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести. Между отдельными молекулами возникает сила трения, и чтобы сдвинуть их с места, необходимо приложить усилие. Такое явление получило в науке название "динамическая вязкость воды", которую можно увеличить, если в воде растворить какие-либо вещества. Это могут быть различные соли. Динамическую вязкость воды еще называют абсолютной, ее можно узнать с помощью произведения плотности жидкости на ее кинематическое сопротивление.
Такая пониженная текучесть потока, где линейная скорость под воздействием давления сдвига в 1 ньютон на метр квадратный имеет градиент один метр в секунду на одном метре расстояния, перпендикулярного к плоскости сдвига, является единицей измерения абсолютной (динамической) вязкости. Ее измеряют при помощи коэффициента динамической вязкости (μ, η). Например, в морской воде, где присутствуют неорганические соединения, сопротивление воды намного выше, чем у пресной. Это можно почувствовать, даже плавая в ней: если сравнить воду Азовского и Средиземного моря, то во втором варианте человек быстрее научится плавать, так как там вода более соленая.
Что представляет собой кинематическая вязкость воды?
В физике известно два вида жидкости - ньютоновская и неньютоновская. Течение первого вида подлежит описанию согласно законам вязкого трения Ньютона. При этом, соответственно, меняется название коэффициента пропорциональности. Кинематическая вязкость воды при 20 градусах по Цельсию составляет 1,006*10 6 м 2 /с.
Существуют специализированные таблицы со значениями кинематического сопротивления жидкости. Они изменяются при разных показателях температуры при атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. Значения, в которых выражена вязкость воды, представлены в них в диапазоне температуры от 0 до 350 °С. Если нагреть эту жидкость больше 100 °С, ее кинематическое сопротивление дается на линии насыщения. Эти значения важны при различных температурах. Без них не обойтись при вычислении величины числа Рейнольдса, которое соответствует определенному режиму течения жидкости или газа.
При сравнительном анализе разных жидкостей, подчиненных закону Ньютона, например, крови или масел, доказано, что вода имеет меньшую вязкость. Она обладает большими показателями сопротивления в сравнении с органическими жидкостями.
Уравнение кинематической вязкости воды
Мера кинематического сопротивления жидкости - это коэффициент кинематической вязкости воды. Его, как и любую физическую величину, также можно вычислить. Он выражен отношением динамической вязкости к плотности:
ν = μ/ρ, где
- μ — динамическая вязкость в Н*с/м 2 ;
- ρ — плотность в кг/м 3 ;
- ν — кинематическое сопротивление в м 2 /c.
Естественно то, что вязкость меняется, как и агрегатные состояния вещества. Такие научные данные используются в авиа- и судостроении и некоторых других отраслях промышленности.
Что происходит с водой при повышении температуры?
Затрудненная текучесть жидкости меняется с увеличением или уменьшением температуры, то есть коэффициент кинематической вязкости воды и динамический показатель не являются стабильными. Следовательно, коэффициенты сопротивления соленой и пресной воды разные.
Так как все значения этих коэффициентов невозможно запомнить, есть специализированные таблицы, где определена вязкость воды при температуре различных уровней. Данными пользуются в теории и на практике.
Как определить вязкость жидкости?
Вискозиметр специализируется на измерении этой характеристики воды с помощью таких методов:
- метод падающего шарика;
- истечение жидкости через капилляр;
- определение сопротивления с помощью ротационных вискозиметров.
Определяя коэффициент вязкости воды, на практике больше используют относительные методики, а не абсолютные, что позволяет пренебречь в расчетах константами приборов. Измерения сначала выполняют для стандартной жидкости, а потом для исследуемой.
От чего зависит вязкость?
Эта характеристика зависит от природы вещества. Если по форме различные частицы жидкости отличаются от сферической, при этом изменяя коэффициент вязкости, то сопротивление такого вещества значительно возрастает и уже не вычисляется согласно уравнению Ньютона. Палочкообразная, листочкообразная форма молекул растворов встречается в разнообразных гелях. Их сопротивление возрастает в связи с тем, что их частицы-мицеллы образуют сетчатую структуру-каркас, внутри которого находится жидкость.
Меняет значение и кинематическая вязкость воды, нагреваясь и охлаждаясь. При повышении температуры она становится меньше. Другими словами, вода при нагревании становится менее сопротивляемой, а при максимальном охлаждении проявляется высокая вязкость воды.
Вопрос:
Здравствуйте! Вы не можете подсказать, нигде не могу найти, какая вязкость у соленой воды плотностью 1,15-1,2 г/см 3 при низких и отрицательных температурах? Например при -20 градусах Цельсия? Заранее спасибо. Руслан
Ответ:
Здравствуйте, уважаемый, Руслан!
Динамический коэффициент вязкости воды в сильной степени зависит от температуры, но почти не зависит от давления. Значение этого коэффициента для пресной воды, полученное опытным путем для t°С = 0°С, μ = 1,793·10 3 Па·с. При расчете динамического коэффициента вязкости применяют эмпирическую формулу Пуазейля:
μ = 0,000183/(1 + 0,0337t + 0,000221t 2),
где t - температура воды.
Динамический коэффициент вязкости соленой воды незначительно отличается от коэффициента вязкости пресной воды. Например, при t = 20°С и S = 25‰ он равен 1,052·10 -3 Па·с, а для пресной воды - 1,003·10 -3 Па·с, т. е. больше примерно на 5%.
Следует отметить, что во многие расчетные формулы входит отношение динамического коэффициента вязкости μ к плотности жидкости ρ, носящее название кинематического коэффициента вязкости (кинематическая вязкость):
ν = μ/ρ
Значения коэффициентов вязкости существенно уменьшаются с повышением температуры.
Вязкость жидкостей может быть определена и вискозиметром. Существует несколько типов таких приборов. В самом простом полевом вискозиметре, основанном на принципе истечения, в воронку наливается, например, исследуемый раствор объемом 500 см 3 , вязкость которого следует установить. Измеряются температура и время истечения из воронки исследуемого раствора Т р; затем наливается в воронку дистиллированная вода при такой же температуре (обычно 20°С) и определяется время ее истечения Т в. Отношение
Есть относительная вязкость (для вязких жидкостей она всегда больше 1).
Вязкость воды уменьшается при увеличении температуры весьма существенно: так, при увеличении температуры воды от 0 до 100 0 С вязкость уменьшается примерно в 8 раз. При нормальном атмосферном давлении для определения кинематического коэффициента вязкости воды в зависимости от температуры составлена таблице.
Значение v м 2 /с для воды в зависимости от температуры
| t°C | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 |
| 0 | 179 | 167 | 157 | 147 | 138 |
| 10 | 131 | 124 | 117 | 112 | 106 |
| 20 | 101 | 96 | 92 | 87 | 84 |
| 30 | 80 | 75 | 72 | 69 | 67 |
| 40 | 66 | 62 | 60 | 58 | 56 |
| 50 | 56 | 52 | 51 | 49 | 48 |
Кроме того, вязкость жидкости зависит и от давления. При давлении до 2·10 7 Па изменение вязкости воды незначительно и часто в расчетах не учитывается.
Справочные данные по зависимости вязкости воды от температуры приведены в следующих справочниках:
Ривкин С.Л. Теплофизические свойства воды www.oglibrary.ru/data/demo/6263/62630003.html
Справочник химика Никольского Б.П. lib.mexmat.ru/books/12114
Физические свойства воды
Плотность воды при её различной температуре
| Температура | Плотность |
| о С | кг/м 3 |
| 0 | 999,9 |
| 5 | 1000 |
| 10 | 999,7 |
| 20 | 998,2 |
| 30 | 995,7 |
| 40 | 992,2 |
| 50 | 988,1 |
| 60 | 983,2 |
| 70 | 977,8 |
| 80 | 971,8 |
| 90 | 965,3 |
| 100 | 958,4 |
Динамическая и кинематическая вязкость воды при её различной температуре
| Температура | Динамическая вязкость | Кинематическая вязкость |
| о С | (Н. c / м 2) x 10 -3 | (м 2 / с) x 10 -6 |
| 0 | 1,787 | 1,787 |
| 5 | 1,519 | 1,519 |
| 10 | 1,307 | 1,307 |
| 20 | 1,002 | 1,004 |
| 30 | 0,798 | 0,801 |
| 40 | 0,653 | 0,658 |
| 50 | 0,547 | 0,658 |
| 60 | 0,467 | 0,475 |
| 70 | 0,404 | 0,413 |
| 80 | 0,355 | 0,365 |
| 90 | 0,315 | 0,326 |
| 100 | 0,282 | 0,294 |
Основные физические свойства воды при её различной температуре
| Температура | Плотность | Удельная теплоёмкость, C p | Коэффициент температурного линейного расширения | Число Прандтля |
| о С | кг/м 3 | кДж / (кг. К) | (1 / K) x 10 3 | - |
| 0 | 999,9 | 4,217 | -0,07 | 13,67 |
| 20 | 998,2 | 4,182 | 0,207 | 7,01 |
| 40 | 992,1 | 4,179 | 0,385 | 4,34 |
| 60 | 983,2 | 4,185 | 0,523 | 2,99 |
| 80 | 971,8 | 4,197 | 0,643 | 2,23 |
| 100 | 958,4 | 4,216 | 0,752 | 1,75 |
Таблица 15.5
Кинематическая вязкость некоторых жидкостей при 20° (Hadgman C.D., 1965)
Вода препятствует продвижению пловца. В гидродинамике для расчета движения жидкости используют число Рейнольдса. Число Рейнольдса - это безразмерная величина , где - плотность и вязкость жидкости, и - скорость ее движения относительно тела и а - некоторая длина.
Правило, согласно которому строение потока около тел одной и той же формы одинаково, если одинаково число Рейнольдса, неприменимо в тех случаях, когда речь идет о поведении жидкости около ее свободной поверхности.
Число Рейнольдса удобно выражать как величина, называемая кинематической вязкостью.
Во многих случаях трудно измерять силы, которые действуют на тело, движущееся в жидкости. В этой связи для экспериментов используют аэродинамические и гидродинамические трубы.
Лобовое сопротивление. При движении какого-нибудь тела в жидкости, на него действует сила, задерживающая его движение. Эту силу называют лобовым сопротивлением. Величина ее зависит от природы жидкости и от размеров, формы и скорости движущегося тела.
Как показали эксперименты в аэродинамических трубах, лобовое сопротивление тела или различных тел одной и той же формы можно определить по формуле где Д - лобовое сопротивление, р - плотность жидкости, и - скорость движения жидкости относительно тела, А - характеристическая площадь и С д - величина, называемая коэффициентом лобового сопротивления, которая зависит от формы тела и от числа Рейнольдса.
К сожалению, не существует единого определения А, которое было бы удобным при любой форме тела. Используются следующие площади:
1) лобовая площадь, т. е. площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярно направлению потока. В случае цилиндра, имеющего высоту h и радиус г, лобовая площадь будет равна πr 2 , если ось цилиндра параллельна потоку, и 2rh, если она перпендикулярна ему;
2) площадь наибольшей проекции, т. е. проекции по тому направлению, по которому площадь ее будет наибольшей; эту величину используют, когда имеют дело с обтеканием профиля крыла; по сравнению с лобовой площадью она имеет то преимущество, что не изменяется при наклоне профиля;
3) суммарная поверхность тела. Следует помнить, что в случае тонкой пластинки это будет суммарная площадь обеих ее сторон.
Если есть сомнения, то важно указать, какая именно из этих площадей была использована при вычислении коэффициента С
На рис. 15.34 приведены кривые зависимости коэффициента лобового сопротивления С д от числа Рейнольдса для тел различной формы.
Все коэффициенты были вычислены на основе лобовой площади.
Число Рейнольдса для всех тел, кроме диска, определялось обычным способом по длине, измеренной в направлении потока; для диска же его определяли по диаметру, хотя он расположен перпендикулярно потоку.
В связи с отсутствием работы по лобовому сопротивлению у пловцов, мы приводим данные Т.О. Lang, K.S. Norris (1966), R. Alexander (1968) полученные при изучении дельфинов. Было найдено, что при коротких «бросках» дельфин может развивать скорость до 830 см/с (около 16 узлов), а со скоростью 610 см/с (около 12 узлов) способен плыть примерно в течение 1 мин. Дельфин (Turbiopsgilli) имел длину 191 см, так что число Рейнольдса при первой из этих скоростей составляло 830·191 /0,01 = 1,6·10 7 . Профиль дельфина хорошо обтекаем. Кожа очень гладкая и лишена волос. Все указывает на малую величину лобового сопротивления.
Рис. 15.34. Зависимость коэффициента лобового сопротивления от числа Рейнольдса для диска, расположенного перпендикулярно направлению своего движения; для удлиненного цилиндра, движущегося перпендикулярно своей оси; для шара и для тела обтекаемой формы, движущегося вдоль своей оси (по Р. Александер, 1970)
Попробуем оценить величину лобового сопротивления для дельфина, плывущего со скоростью 830 см/с и мощность, развиваемую его мышцами. Лобовая площадь у дельфина длиной 191 см, вероятно, составляет около 1100 см 2 . Коэффициенты лобового сопротивления для обтекаемых тел при числе Рейнольдса около 1,6-10 7 близки к 0,055. Подставив эти величины в уравнение
Мы найдем, что лобовое сопротивление у нашего дельфина составляет примерно 1 /2 (830) 2 ·1100·0,055 = 2,0-10 7 дин. Мощность равна сопротивлению, умноженному на скорость, т. е. в данном случае 830·2,0·10 7 эрг/с, или 1660 Вт. Однако от мышц требуется большая мощность, так как КПД дельфина при плавании не может достигать 100%; поэтому она едва ли могла быть меньше 2000 Вт. Дельфин весит 89 кг, из которых на долю участвующих в плавании мышц приходится, вероятно, около 15 кг. Таким образом, мощность мышц должна составлять примерно 130 Вт/кг. Это в 3 раза больше максимальной мощности, которую могут развивать мышцы человека при работе на велоэргометре.
Лобовое сопротивление - не единственная гидродинамическая сила, действующая на тела, которые движутся в жидкости или находятся в потоке. По определению оно имеет то же направление, что и скорость движения жидкости относительно тела. Когда симметричное тело движется вдоль своей оси симметрии, действующая на него гидродинамическая сила направлена прямо и представляет собой лобовое сопротивление. Но когда симметричное тело движется под некоторым углом к оси симметрии, гидродинамическая сила действует под углом к его пути. Ее можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена назад и представляет собой лобовое сопротивление, а другая действует под прямым углом к первой.
Энергетика пловца. Когда человек плывет, он сообщает некоторое количество энергии воде, чтобы продвинуться (проплыть) в ней. Это создает волну, которая в конечном счете потеряет всю сообщенную ей энергию в виде тепла, и поверхность воды снова станет спокойной. Затраченная таким образом при плавании энергия представляет собой совершенную работу плюс тепло, потерянное телом пловца.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Вязкостью называют один из видов явлений переноса. Она связана со свойством текучих веществ (газов и жидкостей), сопротивляться перемещению одного слоя относительно другого. Это явление вызывается движением частиц, которые составляют вещество.
Выделяют динамическую вязкость и кинематическую.
Рассмотрим движение газа, обладающего вязкостью как перемещение плоских параллельных слоев. Будем считать, что изменение скорости движения вещества происходит по направлению оси X, которая перпендикулярна к направлению скорости движения газа (рис.1).
В направлении оси Y скорость движения во всех точках одинакова. Значит, скорость является функцией . В таком случае, модуль силы трения между слоями газа (F), которая действует на единицу площади поверхности, которая разделяет два соседних слоя, описывается уравнением:
где — градиент скорости () по оси X. Ось X перепендикулярна направлению движения слоев вещества (рис.1).
Определение
Коэффициент (), входящий в уравнение (1) называется коэффициентом динамической вязкости (коэффициентом внутреннего трения). Он зависит от свойств газа (жидкости). численно равен количеству движения, которое переносится в единицу времени через площадку единичной площади при градиенте скорости равном единице, в направлении перпендикулярном площадке. Или численно равен силе, которая действует на единицу площади при градиенте скорости, равном единице.
Внутренне трение — причина того, что для течения газа (жидкости) сквозь трубу необходима разность давлений. При этом, чем больше коэффициент вязкости вещества, тем больше должна быть разность давлений для придания заданной скорости течению.
Коэффициент кинематической вязкости обычно, обозначают . Он равен:
где — плотность газа (жидкости).
Коэффициент внутреннего трения газа
В соответствии с кинетической теорией газов коэффициент вязкости можно вычислить при помощи формулы:
где — средняя скорость теплового движения молекул газа, — средняя длина свободного пробега молекулы. Выражение (3) показывает, что при низом давлении (разреженный газ) вязкость почти не зависит от давления, так как 
Но такой вывод справедлив до момента, пока отношение длины свободного пробега молекулы к линейным размерам сосуда не станет приблизительно равным единице. При увеличении температуры вязкость газов обычно растет, так как
Коэффициент вязкости жидкостей
Считая, что коэффициент вязкости определен силами взаимодействия молекул вещества, которые зависят от среднего расстояния между ними, то коэффициент вязкости определяют экспериментальной формулой Бачинского:
где — молярный объем жидкости, А и B — постоянные величины.
Вязкость жидкостей с ростом температуры уменьшается, при увеличении давления растет.
Формула Пуазейля
Коэффициент вязкости входит в формулу, которая устанавливает зависимость между объемом (V) газа, который протекает в единицу времени через сечение трубы и необходимой для этого разностью давлений ():
где — длина трубы, — радиус трубы.
Число Рейнольдса
Характер движения газа (жидкости) определяется безразмерным числом Рейнольдса ():
Единицы измерения коэффициента вязкости
Основной единицей измерения коэффициента динамической вязкости в системе СИ является:
1Па c=10 пуаз
Основной единицей измерения коэффициента кинематической вязкости в системе СИ является:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Динамически вязкость воды равна Па с. Какая величина предельного диаметра трубы позволит течению воды остаться ламинарным, если за 1 с через поперечное сечение вытекает объем воды равный ? |
| Решение | Условие ламинарности течения жидкости имеет вид:
Где число Рейнольдса найдем по формуле:
Скорость течения воды найдем как: В выражении (1.3) — высота водяного цилиндра, имеющего объем : По условию =1 с. Подставим в выражение для числа Рейнольдса скорость (1.4), имеем: Плотность воды при н.у. кг/м 3 . Проведем вычисления, получим: |
| Ответ | м |
ПРИМЕР 2
| Задание | Шарик, имеющий плотность и диаметр d всплывает в жидкости плотности со скоростью . Какова кинематическая вязкость жидкости? |
| Решение | Сделаем рисунок. |
