ความหนืดของของไหลแบบไดนามิก ความหมายทางกายภาพและทางกลของมันคืออะไร?

ของเหลวถูกกำหนดให้เป็นร่างกายสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้โดยมีผลกระทบเล็กน้อยตามอำเภอใจ โดยทั่วไปของเหลวมีสองประเภทหลัก ๆ คือหยดและก๊าซ ของเหลวหยดเป็นของเหลวในความหมายปกติ: น้ำน้ำมันก๊าดน้ำมันน้ำมันและอื่น ๆ ของเหลวที่เป็นก๊าซคือก๊าซที่อยู่ภายใต้สภาวะปกติตัวอย่างเช่นสารที่เป็นก๊าซเช่นอากาศไนโตรเจนโพรเพนออกซิเจน

สารเหล่านี้มีความแตกต่างกันในระดับโมเลกุลโครงสร้างและประเภทของปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลซึ่งกันและกัน อย่างไรก็ตามจากมุมมองของกลศาสตร์พวกเขาเป็นสื่อที่ต่อเนื่อง และด้วยเหตุนี้ลักษณะทางกลทั่วไปบางประการจึงถูกกำหนดไว้สำหรับพวกเขา: ความหนาแน่นและความถ่วงจำเพาะ เช่นเดียวกับคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐาน: ความสามารถในการบีบอัดการขยายตัวทางความร้อนความต้านทานแรงดึงแรงตึงผิวและความหนืด

ความหนืดถูกเข้าใจว่าเป็นคุณสมบัติของสารเหลวต้านทานการเลื่อนหรือตัดชั้นที่สัมพันธ์กัน สาระสำคัญของแนวคิดนี้อยู่ที่ลักษณะของแรงเสียดทานระหว่างชั้นต่างๆภายในของไหลระหว่างการเคลื่อนที่แบบสัมพัทธ์ แยกแยะระหว่างแนวคิด "ความหนืดไดนามิกของของเหลว" กับ "ความหนืดจลน์" ต่อไปเราจะพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมว่าอะไรคือความแตกต่างระหว่างแนวคิดเหล่านี้

แนวคิดพื้นฐานและมิติ

แรงเสียดทานภายใน F ที่เกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่ที่สัมพันธ์กันโดยชั้นที่อยู่ติดกันของของไหลทั่วไปเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเร็วของชั้นและพื้นที่สัมผัส S แรงนี้กระทำในทิศทางที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่และแสดงในเชิงวิเคราะห์โดยสมการของนิวตัน

F = μS (∆V) / (∆n),

โดยที่ (∆V) / (∆n) = GV คือการไล่ระดับความเร็วในทิศทางปกติของชั้นที่กำลังเคลื่อนที่

ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนμคือความหนืดไดนามิกหรือเพียงแค่ความหนืดของของเหลวทั่วไป จากสมการของนิวตันจะเท่ากับ

μ = F / (S ∙ GV)

ในระบบการวัดทางกายภาพหน่วยของความหนืดถูกกำหนดให้เป็นความหนืดของตัวกลางซึ่งที่ความเร็วหน่วยเกรเดียนต์ GV = 1 cm / s แรงเสียดทาน 1 dyn ทำหน้าที่สำหรับแต่ละตารางเซนติเมตรของชั้น ดังนั้นขนาดของหน่วยในระบบนี้จึงแสดงเป็น dyn ∙ sec ∙ cm ^ (- 2) = g ∙ cm ^ (- 1) ∙ sec ^ (- 1)

หน่วยของการวัดความหนืดไดนามิกนี้เรียกว่า poise (P)

1 P = 0.1 Pa ∙ s = 0.0102 kgf ∙ s ∙ m ^ (- 2)

นอกจากนี้ยังใช้หน่วยที่เล็กกว่า ได้แก่ 1 P = 100 cP (centipoise) = 1,000 mP (millipoise) = 1,000,000 μP (micropoise) ในระบบทางเทคนิคค่า kgf ∙ s ∙ m ^ (- 2) ถูกนำมาเป็นหน่วยของความหนืด

ในระบบสากลหน่วยของความหนืดถูกกำหนดให้เป็นความหนืดของตัวกลางซึ่งด้วยการไล่ระดับความเร็วหน่วย GV = 1 m / s ต่อ 1 m แรงเสียดทาน 1 N (นิวตัน) จะกระทำในแต่ละตารางเมตรของชั้นของไหล ขนาดของμในระบบ SI แสดงเป็น kg ∙ m ^ (- 1) ∙ s ^ (- 1)

นอกจากนี้ยังมีลักษณะที่เป็นพลวัตความหนืดสำหรับของเหลวแนวคิดของความหนืดจลนศาสตร์ถูกนำมาใช้เป็นอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์μต่อความหนาแน่นของของเหลว ค่าสัมประสิทธิ์ของความหนืดจลนศาสตร์วัดเป็น Stokes (1 = 1 cm ^ (2) / s)

ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดเป็นตัวเลขเท่ากับปริมาณการเคลื่อนที่ถ่ายโอนในก๊าซเคลื่อนที่ต่อหนึ่งหน่วยเวลาในทิศทางที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ผ่านหน่วยของพื้นที่เมื่อความเร็วของการเคลื่อนที่แตกต่างกันโดยหน่วยของความเร็วในชั้นก๊าซที่มีระยะห่างโดยหน่วยความยาว ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดขึ้นอยู่กับชนิดและสถานะของสาร (อุณหภูมิและความดัน)

ความหนืดไดนามิกและความหนืดจลนศาสตร์ของเหลวและก๊าซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสูง พบว่าค่าสัมประสิทธิ์ทั้งสองนี้ลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสำหรับของเหลวหยดและในทางกลับกันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสำหรับก๊าซ ความแตกต่างของการพึ่งพานี้สามารถอธิบายได้จากลักษณะทางกายภาพของปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลในของเหลวและก๊าซหยด

ความรู้สึกทางกายภาพ

จากมุมมองของทฤษฎีจลน์โมเลกุลปรากฏการณ์ของความหนืดสำหรับก๊าซคือในตัวกลางที่เคลื่อนที่เนื่องจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวายความเร็วของชั้นต่างๆจึงเท่ากัน ดังนั้นหากชั้นแรกเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่แน่นอนเร็วกว่าชั้นที่สองที่อยู่ติดกันโมเลกุลที่เร็วกว่าจะผ่านจากชั้นแรกไปยังชั้นที่สองและในทางกลับกัน

ดังนั้นชั้นแรกจึงมีแนวโน้มที่จะเร่งความเร็วในการเคลื่อนที่ชั้นที่สองและชั้นที่สอง - เพื่อชะลอการเคลื่อนไหวของชั้นแรก ดังนั้นจำนวนการเคลื่อนไหวทั้งหมดของชั้นแรกจะลดลงและชั้นที่สองจะเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นของโมเมนตัมมีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดสำหรับก๊าซ

ในของเหลวหยดไม่เหมือนกับก๊าซแรงเสียดทานภายในส่วนใหญ่พิจารณาจากการกระทำของแรงระหว่างโมเลกุล และเนื่องจากระยะห่างระหว่างโมเลกุลของของเหลวที่หยดมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับตัวกลางที่เป็นก๊าซพลังแห่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลจึงมีความสำคัญ โมเลกุลของของเหลวเช่นโมเลกุลของของแข็งสั่นใกล้ตำแหน่งสมดุล อย่างไรก็ตามในของเหลวตำแหน่งเหล่านี้จะไม่อยู่นิ่ง หลังจากช่วงเวลาหนึ่งโมเลกุลของของเหลวจะเคลื่อนไปยังตำแหน่งใหม่ทันที ในกรณีนี้เวลาที่ตำแหน่งของโมเลกุลในของเหลวไม่มีการเปลี่ยนแปลงเรียกว่าเวลาของ "ชีวิตที่ตั้งถิ่นฐาน"

พลังของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลมีความสำคัญขึ้นอยู่กับชนิดของของเหลว ถ้าความหนืดของสารมีค่าต่ำจะเรียกว่า "ของไหล" เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การไหลและความหนืดไดนามิกของของเหลวเป็นสัดส่วนผกผัน ในทางกลับกันสารที่มีดัชนีความหนืดสูงอาจมีความแข็งเชิงกลเช่นเรซิน ในกรณีนี้ความหนืดของสารอย่างมีนัยสำคัญขึ้นอยู่กับทั้งองค์ประกอบของสิ่งสกปรกและปริมาณและอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นค่าของ "ชีวิตอยู่ประจำ" จะลดลงอันเป็นผลมาจากความคล่องตัวของของเหลวเพิ่มขึ้นและความหนืดของสารจะลดลง

ปรากฏการณ์ของความหนืดเช่นเดียวกับปรากฏการณ์อื่น ๆการถ่ายโอนโมเลกุล (การแพร่กระจายและการนำความร้อน) เป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ซึ่งนำไปสู่ความสำเร็จของสภาวะสมดุลที่สอดคล้องกับเอนโทรปีสูงสุดและพลังงานอิสระขั้นต่ำ