Общая характеристика явления вязкости

Введение

Измерение вязкости весьма востребованная задача, так как с каждым днем растет интерес к исследованию структурных превращений в жидких металлах и их сплавах, потому что в свое время они влияют на свойства кристаллических и аморфных твердых тел. Поэтому, вязкость является важнейшим физическим свойством. Одним из наиболее эффективных и часто используемых способов исследования структуры расплава является измерение кинематической вязкости.

Вязкость металлов в значительной мере определяет скорости различных физико-химических процессов и особенно диффузионные явления в расплавах. Вязкость металла влияет на выбор режима разливки, определяет условия формирования слитка, заполняемость литейных форм. Существует связь между вязкостью жидкого металла и процессом его кристаллизации, а следовательно, и свойствами твердого металла. Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости η, называемый динамической вязкостью. Значение этого коэффициента, зависящего от природы жидкости, можно определить, исходя из закономерностей изменения силы внутреннего трения, возникающей между двумя слоями несжимаемой жидкости, перемещающимися с различной скоростью относительно друг к другу [1].

Для улучшения физических и механических свойств конечных продуктов, получаемых из расплавленных металлов или полимеров, применяют наномодифицирование. Инжекцию нанодобавок проводят в жидком состоянии, что приводит к уменьшению вязкости исходных веществ, что нужно обязательно учитывать при разливке или экструдировании.

Анализ литературных данных

Общая характеристика явления вязкости

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процес­сы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространствен­ный перенос энергии, массы, импульса. Внутреннее трение (вязкость) обусловлено переносом импульса.

Механизм возникновения внутреннего трения меж­ду параллельными слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, движущегося медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.
Согласно формуле (31.1), сила внутреннего трения между двумя слоями жидкости подчиняется закону Ньютона::

(1)

где η — динамическая вязкость (вязкость), d v/ d x — градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению дви­жения слоев, S — площадь, на которую действует сила F.

Как было установлено в дальнейшем опытами Пуазейля, Стокса, Навье и др. коэффициент представляет собой константу, характерную для данной жидкости, и не зависит от скорости. Таким образом, коэффициент вязкости можно определить как "тангенциальную силу, действующую на единицу поверхности одной из двух параллельных плоскостей, отстоящих друг от друга на единицу длины, причем пространство между этими плоскостями заполнено исследуемой жидкостью, и одна из плоскостей передвигается в своей плоскости относительно другой со скоростью, равной единице".
Физическая размерность динамической вязкости в системе СИ Па*с(Н*с/м²) в системе CGS единица динамической вязкости называется пуазом (Пз) и имеет размерность г/(см∙сек). Различают динамическую вязкость (), еденицей которой является пуаз, и кинематическую вязкость (), являющуюся отношением динамической вязкости к плотности; за единицу кинематической вязкости принято считать стокс, который выражается в /сек. (1 Ст=10^-4 /сек).

Я.И. Френкель вывел температурную зависимость вязкости жидкости, состоящих из однородных частиц, которая выражается уравнением:

где -

А – постоянная, зависящая от природы жидкости.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для многих жидких металлов вязкость подчиняется экспоненциальной зависимости от температуры, и отклонения от нее характеризуют изменения структуры расплавов.

Вязкость жидких металлов зависит от их природы и закономерно уменьшается с повышением температуры. А.И. Бачинский установил зависимость между динамической вязкостью неассоциированных жидкостей и их удельным объемом:

где V – удельный объем;

С и В – постоянные.

Формула А.И. Бачинского также характеризует изменение вязкости при изменении температуры, так как удельный объем является функцией температуры [1].