Вязкость
Вязкость, так же как и плотность, является важнейшим физико-химическим свойством жидкости. Вязкость (внутреннее трение) характеризует свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении или других видах деформации.
Основной закон вязкого течения был установлен Ньютоном:
F = η V2> – V1 / Z2 – z1 ·S
где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) одного относительно другого; η — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости или вязкостью, Па ∙ с (то же, что и Н ∙ с/м²). Величину, обратную вязкости (1/η), называют текучестью; отношение (V2 - V1)/(Z2 - Z1) — градиент скорости течения (быстрота изменения от слоя к слою), или скорость сдвига; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг.
Наряду с динамической вязкостью для характеристики свойств жидкости часто используют величину ν = η/ρ (ρ —плотность жидкости), называемую кинематической вязкостью (м²/с или см²/с). Приборы, при помощи которых определяют вязкость жидкостей (и газов), называют вискозиметрами, а раздел физики, посвященный измерению вязкости, — вискозиметрией.
Вязкость воды при 25 °С равна 0,00089 Па ∙ с,
глицерина — 0,5 Па ∙ с. Вязкость при 1600° С чистого железа, по разным данным,
составляет 0,0045—0,0060 Па ∙ с, вязкость стали в зависимости от ее состава —
0,005-0,0085 Па ∙ с, мартеновского шлака — 0,02-0,04 Па ∙ с. В жидкостях
вязкость является результатом в первую очередь межмолекулярного взаимодействия,
ограничивающего подвижность молекул. Молекула из одного слоя может проникнуть в
соседний слой лишь при наличии в нем полости, достаточной для проскальзывания
туда молекулы. Образование полости («рыхление» жидкости) связано с расходом
энергии. Эта так называемая энергия активации вязкого течения уменьшается с
повышением температуры и понижением давления. В
η = c/ (V - b),где с и b — постоянные.
Постоянная b близка к удельному объему твердого тела в момент плавления Vтв; соответственно разность V— b представляет так называемый свободный объем жидкости. Чем больше этот свободный объем, тем меньше ее вязкость. В формуле Бачинского влияние температуры на вязкость учитывается через удельный объем жидкости V, поскольку он непосредственно зависит от температуры. С повышением температуры вязкость уменьшается, так как при этом происходит как бы разрыхление жидкости (на что затрачивается энергия).С учетом разности объемов жидкого и твердого металлов Vж — Vтв получим η = с/(Vж - Vтв). Разность Vж - Vтв характеризует степень разрыхления жидкости, или суммарный объем вакансий.. И. Френкель при разработке кинетической теории жидкостей предложил использовать формулу, характеризующую связь между вязкостью и температурой
η = Aexp(Eη/RT),lnA + Eη/RT
где Eη—энергия активации вязкого течения, характеризующая энергию, необходимую для перехода частицы (или группы частиц) из одного положения равновесия в другое. В соответствии с этой формулой величина TI является функцией 1/71, поэтому зависимость вязкости от температуры выражается обычно графически в координатах ln η - 1/T
В случае изменения структуры жидкого металла при температурах, соответствующих изменению строеия (структуры) жидкого металла, на графике данной функции наблюдается перелом. При рассмотрении экспериментальных данных о вязкости стали необходимо помнить, что примеси, особенно неметаллические включения, заметно увеличивают вязкость. Влияние примесей в жидком железе проявляется в усилении межчастичного взаимодействия и уменьшении подвижности атомов железа, приводящих к повышению вязкости. Кроме примесей на вязкость стали заметно влияют и другие факторы (неметаллические включения, газы и т. д.).