Вязкость газов - это свойство газов (и жидкостей), благодаря которой выравниваются скорости различных слоев газа. Скорости соседних слоев газа, если они различны, выравниваются том, что из слоя газа с большей скоростью движения переносится импульс (количество движения) к слою, который движется с меньшей скоростью.
Если внешними силами поддерживается постоянная разность скоростей движения различных слоев газа, то и поток импульса от слоя к слою будет постоянным (стационарным), причем этот поток направляться вдоль падение скорости.
Известно, что в случае протечки газа вдоль трубы скорости различных слоев распределены так, как это показано на рис. 5.5, где стрелки составляют векторы скорости газа. Наибольшую скорость имеют слои в средней части, прилегающих к оси трубы: с приближением к стенкам скорость уменьшается, а слой, который непосредственно прилегает к стенкам трубы, находится в состоянии покоя.
При такой течения импульс передается от центрального слоя газа, где скорость наибольшая, к слоям, которые движутся с меньшей скоростью. Поскольку этот процесс связан с изменением количества движения mv, то газ ведет себя так, словно на него действует некоторая сила (сила внутреннего трения).
Рассмотрим случай, когда скорость движения газа изменяется в направлении оси x, который в данном случае перпендикулярен направлению самой скорости движения газа (рис. 5.6).
В направлении, перпендикулярном оси х, скорость движения во всех точках одинакова. Это означает, что скорость v является функцией только координаты X. Тогда, как показывает опыт, изменение количества движения р, передается через площадку. Коэффициент г | называют коэффициентом вязкости, или коэффициентом внутреннего трения газа, который так же, как и коэффициенты диффузии и теплопроводности, зависит от свойств газа. Иногда коэффициент Г |, который определяется уравнением (5.19), называют коэффициентом динамической вязкости, в отличие от коэффициента кинематической вязкости, равный отношению Л / Р »где р - плотность газа.
Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что он численно равно количеству движения, которая переносится за единицу времени (1 с) через 1 см2 площадки, когда градиент скорости (в направлении, перпендикулярном площадки) равна единице.
За единицу вязкости в СИ принимают коэффициент вязкости такого вещества (газа), в которой при градиенте скорости, равном единице, через 1 м2 площадки переносится количество движения 1 кг • м / с за 1 с. Следовательно, коэффициент вязкости выражается в килограммах на метр-секун-ду [кг / (м • с)]. В системе единиц СГС коэффициент вязкости выражается в граммах на сантиметр-секунду [г / (см • с)]. Эту единицу называют пуаз. Единицей измерения коэффициента кинематической вязкости являются соответственно квадратный метр в секунду (м2 / с) и квадратный сантиметр в секунду (см2 / с). Эту единицу называют Стокса.
При переносе импульса от слоя к слою изменяется импульс этих слоев (увеличивается или уменьшается). Это означает, что на каждый слой действует сила, равная изменению импульса в единицу времени и через единичную площадку (второй закон Ньютона). Следовательно, вязкость приводит к тому, что на любой слой газа, движущейся относительно соседнего, действует некоторая сила.
Эта сила является силой трения между слоями газа, движущихся с различными скоростями. Отсюда и происходит название внутреннее трение. Определив объем газа, который протекает за некоторый промежуток времени через трубу, разность давлений на концах и зная геометрические размеры трубы, по формуле (5.21) можно определить коэффициент вязкости газа.
Однако для такого опыта пригодна не любая труба, поскольку для измерения вязкости нужно, чтобы течение газа была ламинарным, Это обусловлено тем, что при определенных значений скорости течения, которые зависят от свойств газа и радиуса трубы, в газе начинают с ' появляться вихри, нарушающих ламинарнисть течения. Для такой вихревой, или турбулентной, течения формула Пуазейля не справедлива. Чем меньше диаметр трубы, тем больше скорость нужна для возникновения вихрей. Чтобы при обычных скоростей течения вихри не появлялись, труба должна быть очень тонкой, или капиллярной.
Метод измерения коэффициента вязкости, основанный на использовании формулы Пуазейля, часто называют капиллярным методом, а соответствующие приборы - капиллярными вискозиметрами. Для течения в цилиндрической трубе (капилляре) переход к турбулентного движения происходит. Эта величина называется числом Рейнольдса (отсюда и обозначение Re). Если число Рейнольдса меньше критического значения, то движение ламинарный, а если превышает его - турбулентный. Подробнее этот метод рассмотрен в подразделе 3.3.