В'язкість рідини. Методи визначення в'язкості рідини

У промисловості, наукової діяльності часто необхідно обчислити коефіцієнт в'язкості рідини. Робота з звичайними або дисперсними середовищами у вигляді аерозолів, газових емульсій вимагає знань про фізичні властивості цих речовин.

Що таке в'язкість рідини?

Ще Ньютон поклав початок такої науки, як реологія. Ця галузь займається вивченням опору речовини при русі, тобто в'язкості. У рідинах і газах відбувається безперервна взаємодія молекул. Вони вдаряються одна об одну, відштовхуються або просто пролітають повз. У підсумку шари речовини як би взаємодіють один з одним, надаючи швидкість кожного з них. Явище подібного взаємодії молекул рідин/газів і називається в'язкістю, або внутрішнім тертям.

Щоб краще розглянути цей процес, необхідно продемонструвати дослід з двома пластинками, між якими знаходиться рідка середовище. Якщо рухати верхню платівку, то «прилип» до неї шар рідини також почне рухатися з певною швидкістю v1. Через короткий проміжок часу помічаємо, що нижні шари рідини також починають рухатися по тій же траєкторії зі швидкістю v2 v3vn і т. д., причому v1>v2 v3vn. Швидкість найнижчого з них залишається рівна нулю. На прикладі газу такий досвід провести практично неможливо, т. к. сили взаємодії молекул один з одним дуже малі, і візуально це зареєструвати не вдасться. Тут теж говорять про шари, про швидкості руху цих шарів, тому в газоподібних середовищах також існує в'язкість.

Ньютона і неньютоновские середовища

Ньютоновская рідина – це така рідина, в'язкість якої можна вирахувати за допомогою формули Ньютона. До таких середовищ відносяться вода і розчини. Коефіцієнт в'язкості рідини в таких середовищах може залежати від таких факторів, як температура, тиск або будова атома речовини, однак градієнт швидкості завжди залишиться незмінним. Неньютоновские рідини – це такі середовища, у яких зазначене вище значення може змінюватися, а отже, формула Ньютона тут діяти не буде. До таких речовин відносяться всі дисперсні середовища (емульсії, аерозолі, суспензії). Сюди ж відноситься і кров. Про це більш детально поговоримо далі.

Кров як внутрішнє середовище організму

Як відомо, 80 % крові становить плазма, яка має рідкий агрегатний стан, а решта 20 % - це еритроцити, тромбоцити, лейкоцити і різні включення. Еритроцити людини мають діаметр 8 нм. В нерухомому стані вони формують агрегати у вигляді монетних стовпчиків, при цьому істотно підвищують в'язкість рідини. Якщо струм крові активний, ці «конструкції» розпадаються, а внутрішнє тертя, відповідно, зменшується.

Коефіцієнти в'язкості середовища

Взаємодія шарів середовища один на одного позначається на характеристиках всієї системи рідини або газу. В'язкість – це один з прикладів такого фізичного явища, як тертя. Завдяки їй верхні і нижні шари середовища поступово вирівнюють швидкості свого струму, і в кінцевому підсумку вона прирівнюється до нуля. Також в'язкість можна характеризувати як опір одного шару середовища іншому.
Для опису таких явищ виділяють дві якісні характеристики внутрішнього тертя:

динамічний коефіцієнт в'язкості (динамічна в'язкість рідини);

кінетичний коефіцієнт в'язкості (кінетична в'язкість).

Обидві величини пов'язані рівнянням ? = ? /?, де ? – щільність середовища, ? – кінетична в'язкість, а ? – динамічна в'язкість.

Методи визначення в'язкості рідини

Вискозиметрия – це вимір в'язкості. На сучасному етапі розвитку науки знайти значення в'язкості рідини практичним шляхом можна чотирма способами: 1. Капілярний метод. Для його проведення необхідно мати дві судини, сполучені скляним каналом невеликого діаметра відомої довжини. Також потрібно знати значення тиску в одній посудині і в іншому. Рідина міститься в скляний канал, і через певний проміжок часу вона перетікає з однієї колби в іншу. Подальші підрахунки проводяться з допомогою формули Пуазейля для знаходження значення коефіцієнта в'язкості рідини. На практиці рідкі середовища можуть представляти собою розжарені до 200-300 градусів суміші. Звичайна скляна трубка в таких умовах просто б деформувалися чи навіть лопнула, що неприпустимо. Сучасні капілярні віскозиметри зібрані з якісного і стійкого матеріалу, який легко переживає такі навантаження. 2. Медичний метод Гессе. Щоб розрахувати в'язкість рідини таким способом, необхідно мати не одну, а дві ідентичні капілярні установки. В одну з них поміщають середу з заздалегідь відомим значенням внутрішнього тертя, а в іншу – досліджувану рідину. Далі вимірюють два значення часу і складають пропорцію, по якій виходять на потрібне число. 3. Ротаційний метод. Для його проведення необхідно мати конструкцію з двох співвісних циліндрів. Це означає, що один з них повинен бути всередині іншого. У проміжок між ними заливають рідину, а потім надають швидкість внутрішнього циліндру. Ця кутова швидкість також повідомляється рідини. Різниця в силі моменту дозволяє обчислити в'язкість середовища.
4. Визначення в'язкості рідини методом Стокса. Для проведення цього досліду необхідно мати віскозиметр Гепплера, який представляє собою циліндр, заповнений рідиною. Перед початком експерименту роблять дві позначки на циліндрі і вимірюють довжину між ними. Потім беруть кульку певного радіуса R і опускають його в рідку середу. Щоб визначити швидкість його падіння, знаходять час пересування об'єкта від однієї мітки до іншої. Знаючи швидкість руху кульки, можна обчислити в'язкість рідини.

Практичне застосування віскозиметра

Визначення в'язкості рідини має велике практичне значення в нафтопереробній промисловості. При роботі з багатофазними, дисперсними середовищами важливо знати їх фізичні властивості, особливо внутрішнє тертя. Сучасні віскозиметри зроблені з міцних матеріалів, при їх виробництві використовуються передові технології. Все це в сукупності дозволяє працювати з високою температурою і тиском без шкоди для самого обладнання. В'язкість рідини відіграє велику роль у промисловості, тому що транспортування, переробка і видобуток, наприклад, нафти залежать від значень внутрішнього тертя рідинної суміші.

Яку роль відіграє в'язкість в медичному обладнанні?

Вступ газової суміші через ендотрахеальну трубку залежить від внутрішнього тертя цього газу. Зміна значень в'язкості середовища тут по-різному відбивається на проникнення повітря через апарат і залежить від складу газової суміші. Введення лікарських препаратів, вакцин через шприц теж є яскравим прикладом дії в'язкості середовища. Мова йде про перепадах тиску на кінці голки при упорскуванні рідини, хоча спочатку вважали, що цим фізичним явищем можна знехтувати. Виникнення високого тиску на наконечнику – це результат дії внутрішнього тертя.

Висновок

В'язкість середовища – це одна з фізичних величин, що має велике практичне застосування. В лабораторії, промисловості, медицині – в усіх цих сферах поняття внутрішнього тертя фігурує дуже часто. Робота найпростішого лабораторного обладнання може залежати від ступеня в'язкості середовища, яка використовується для досліджень. Навіть переробна промисловість не обходиться без знань в області фізики.