Увеличение вязкости воды
Здравствуйте!
Прошу Вас подсказать, существуют ли
какие-либо добавки, с помощью которых
можно увеличить вязкость воды? Ситуация
следующая - есть стена, облицованная
полосами натурального гранита. На сколах
гранита капли воды отрываются от стены,
и летят под углом вниз на пол. Можно ли
как-то загустить воду так, чтобы она не
отрывалась от стены?
Здравствуйте,
Андрей!
Проблемами
вязкости и внутреннего трения жидкостей
одним из первых занимался французский
физик Кулон. Потом этими проблемами
занимались Мейер, Кениг, Гельмгольц,
Пиотровский и другие.
С
физической точки зрения вязкость
жидкости – свойство жидкости оказывать
сопротивление передвижению ее частиц
и характеризующее степень ее текучести
и подвижности. В общем случае вязкость
является свойством движущейся жидкости
и в состоянии покоя не проявляется.
Вязкость обуславливает появление сил
сопротивления при движении жидкости.
Эти силы называются силами внутреннего
трения, или силами вязкости.
Наличие
сил внутреннего трения движущейся
жидкости впервые установил Ньютон;
впоследствии русский ученый В. Н. Петров
в 1888 г. привел математическое выражение
для силы трения. С точки зрения молекулярной
теории вязкость объясняется как движением
молекул, так и наличием молекулярных
сил. В жидкостях, где расстояние между
отдельными частицами много меньше, чем
в газах, первостепенную роль играет
межмолекулярное взаимодействие.
Теория
всех этих методов приводит к очень
сложным формулам, напоминающим формулы
истечения жидкостей через тонкие трубки.
Эти расчёты дали для коэффициента
внутреннего трения воды при 20° число,
очень близкое к найденному Пуазейлем
(0,01009), а именно 0,01014.
Динамическая
вязкость жидкости ? определяется по
методу Стокса из наблюдений за движением
шарика в воде. На шарик, падающий в
жидкости, действует сила тяжести Fт,
сила
Архимеда Fа
и
сила внутреннего трения Fсопр.
Вследствие
этого при некоторой скорости движения
шарика его сила тяжести полностью
уравновешивается силой вязкости и силой
Архимеда. С этого момента движение
шарика будет равномерным. Зависимость
между силами, действующими на шарик при
его установившемся равномерном движении,
выражается равенством Fт
=
Fа
Fсопр.,
откуда Fсопр
= Fт
-
Fа,
но Fт
=
mg
= 4?r3?g/3,
где m
– масса шарика, r
– его радиус, ? – плотность шарика. Fа
=
mжg
= 4?r3?жg/3,
где mж
–
масса жидкости в объеме шарика, ?ж
–
плотность жидкости. Английский ученый
Стокс показал, что сила вязкости,
возникающая при движении шарика в
жидкости (Fсопр),
определяется формулой Fсопр
=
6?r??,
где ?
– скорость шарика, ?
– значение вязкости.
График
зависимости вязкости воды от температуры
показан ниже: Из графика зависимости
вязкости воды от температуры видно, что
с повышением температуры воды её вязкость
уменьшается. Чем же это вызвано? Из курса
химии известно, что взаимодействие
между молекулами жидкости вызвано в
основном водородными
связями (вода,
аммиак, фтороводород) и силами
Ван-дер-Ваальса.
Силы Ван-дер-Ваальса – это силы притяжения
между молекулами вещества в газообразном,
жидком и кристаллическом состояниях,
они могут возникать между полярными,
неполярными, а также полярными и
неполярными молекулами. Силы взаимодействия
между молекулами жидкости
значительно больше по сравнению с
силами, действующими в газах. Силы
взаимодействия между молекулами жидкости
зависят от ее химической природы. Чем
более полярны молекулы жидкости, тем
сильнее взаимодействие между молекулами
и тем ближе по строению и поведению
жидкость к кристаллу. Межмолекулярные
взаимодействия проявляются и между
неполярными молекулами. Если бы между
молекулами воды действовали только
Вандер-Ваальсовые силы взаимного
притяжения, вода замерзала бы при Т = -
90 оС,
а закипала бы при Т = 80 оС;
при действии водородных связей, создающих
ассоциации молекул Т замерзания 0 оС
и кипения Т = 100 оС.
При повышении температуры
водородные связи между молекулами воды
ослабевают, значит уменьшается
взаимодействие между молекулами воды,
а следовательно и сила внутреннего
трения, но главная причина этого явления
заключается в другом. Вязкость воды
обусловлена межмолекулярным взаимодействием
её слоёв, в результате которого из слоя
в слой молекулами переносится импульс
m?,
где ?
– скорость движения молекул, m
– масса молекул воды. С ростом температуры
межмолекулярные взаимодействия
ослабляются из-за теплового расширения
жидкости и увеличения межмолекулярных
расстояний, а также из-за увеличения
подвижности молекул воды; вследствие
этого вязкость уменьшается.
Межмолекулярное взаимодействие
ограничивает подвижность молекул. В
жидкости молекула может проникнуть в
соседний слой лишь при образовании в
нём полости, достаточной для перескакивания
туда молекулы. На образование полости
(на «рыхление» жидкости) расходуется
так называемая энергия активации вязкого
течения. Энергия активации уменьшается
с ростом температуры. В этом состоит
одна из причин резкого снижения вязкости
жидкостей с повышением температуры.
Табл. 1.
Динамическая вязкость воды при различных
температурах *
t,
0С
|
103,
Н с/м2
|
t,
0С
|
103,
Н?с/м2
|
t,
0С
|
103,
Н?с/м2
|
5
10
15
20
21
22
|
1,519
1,307
1,138
1,002
0,981
0,958
|
23
24
25
26
27
28
|
0,936
0,914
0,894
0,874
0,854
0,836
|
29
30
35
40
45
50
|
0,818
0,800
0,719
0,653
0,596
0,547
|
* Данные приведены
из – "Лабораторные работы и задачи
по коллоидной химии. / Под ред. Ю.Г. Фролова
и А.С. Гродского. М.: Химия. 1986. 216с.",
"Краткий справочник физико-химических
величин. / Под ред. А.А. Равделя и А.М.
Пономаревой. Л.: Химия. 1983. 232с.".
Табл. 2. Поверхностное
натяжение воды при различных температурах
*
t , oС
|
Поверхностное
натяжение(ж-г)
, мДж/м2
|
t , oС
|
Поверхностное
натяжениеж-г
, мДж/м2
|
t , oС
|
Поверхностное
натяжениеж-г
, мДж/м2
|
10
11
12
13
14
15
16
|
74,22
74,07
73,93
73,78
73,64
73,49
73,34
|
17
18
19
20
21
22
23
|
73,19
73,05
72,90
72,75
72,59
72,44
72,28
|
24
25
26
27
28
29
30
|
72,13
71,97
71,82
71,66
71,50
71,35
71,18
|
* Данные приведены
из – " Лабораторные работы и задачи
по коллоидной химии. / Под ред. Ю.Г. Фролова
и А.С. Гродского. М.: Химия. 1986. 216с.
"
Для
воды коэффициент динамической внутреннего
трения при 0° равен 0,081, а при 70°
0,0042 или, говоря другими словами если
вязкость воды при 0° измеряется числом
100, то при температуре 70° вязкость воды
выражается числом 23,5. Для примера
вязкость ртути при 3400° (точка кипения
ртути) почти вдвое меньше ее вязкости
при 0°. Но особенно сильно изменяется
с температурой вязкость некоторых
растительных масел: для миндального
масла, при нагревании его от 20° до
80°, вязкость уменьшается в 6,5 раз, для
оливкового масла - от 20° до 80° вязкость
уменьшается с лишком в 7 раз. Отсюда
самым простым решением вашей проблемы
может быть использование холодной воды
при температурах, близким к 0°. Кроме
того, существуют водорастворимые
синтетические и природные полимеры,
повышающие вязкость воды. По химическому
составу они включают эфиры целлюлозы,
желатинизированные крахмалы, оксиды
полиэтилена, альгинаты, полиакриламиды,
полимеры карбоксивинила и виниловый
спирт. Из подручных средств для повышения
вязкости воды в неё можно добавить и
мыло, и крахмал, и клей, и щёлочь. В
заключение следует подчеркнуть, что
вязкость жидкости имеет большое значение
в различных областях технологии. По
вязкости во многих случаях судят о
готовности или качестве продуктов
производства, поскольку вязкость тесно
связана со структурой вещества и отражает
те физико-химические изменения материала,
которые происходят во время технологических
процессов (производство резины, стекла,
доменный или мартеновский процесс).
Вязкость имеет большое значение в
различных природных, особенно биологических
процессах, определяя скорость течения
жидкостей и сопротивление, оказываемое
ими движению частиц. Изменение вязкости
с температурой сказывается на скорости
химических реакций, протекающих в
биологических системах, на ряде
физико-химических явлений, связанных
с жизнедеятельностью клетки.
С
уважением, к.х.н.
О. В. Мосин
|