Для переохлаждённой воды

Вязкость жидкости представляет собой свойство, характеризующее её внутреннее трение. Если мысленно представить в жидкости какой-либо слой и приложить к нему определённую силу, заставляющую этот слой двигаться (течь), то вследствие внутреннего трения в движение придут и слои, прилегающие к первому слою, причём скорость их движения будет постепенно уменьшаться по мере удаления от слоя, которому сообщено движение, т.е. будет иметь место определённый градиент скорости.

Связь между силой, вызывающей течение слоёв, и скоростями их движения при постоянной температуре будет выражаться для неупругой жидкости уравнением Ньютона[4]:

,

где F – приложенная сила (напряжение сдвига);

η – коэффициент вязкости;

s – площадь соприкосновения слоёв жидкости;

ν₁ – скорость движения первого слоя;

ν₂ – скорость движения второго слоя;

х – расстояние между слоями.

Коэффициент вязкости в Международной системе единиц СИ имеет размерность Па·с (паскаль-секунда). Паскаль-секунда представляет собой вязкость среды, при ламинарном течении которой в слоях, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга, в направлении, перпендикулярном течению, под воздействием сдвига 1 Па возникает разность скорости течения 1м/с. Вязкость, выражаемую в Па·с, часто называют динамической вязкостью. Иногда удобно использовать величину, равную отношению вязкости (η;) к плотности жидкости (ρ;). Эта величина называется кинематической вязкостью и имеет в системе СИ размерность м²/с. Величина, обратная вязкости (1/η;), называется текучестью.

Коэффициент вязкости η; зависит от температуры (обратная зависимость). Для идеальных жидкостей он не зависит от величины напряжения сдвига F и градиента скорости . Для таких жидкостей при данной температуре η; является постоянной величиной. Течение этих жидкостей начинается при любой малой величине F и носит название вязкого течения. Однако для структурированных жидкостей, т.е. жидкостей, в которых между частицами действуют значительные силы связи, величина η; становится зависящей от напряжения сдвига F. Обычно она уменьшается с ростом F ввиду увеличения числа связей, разрываемых в единицу времени. У подобных жидкостей течение начинается лишь при некоторой минимальной, характерной для данной жидкости величине F, называемой предельным напряжением сдвига или пределом текучести. Силикатные расплавы ведут себя как структурированные жидкости.

Вязкое течение жидкостей является термически активированным процессом, т.е. оно может начинаться после преодоления некоторого энергетического барьера, называемого энергией активации вязкого течения (Е_η).

Вязкость жидкостей может изменяться в самых широких пределах. Она сильно зависит от изменения плотности и температуры. С увеличением температуры вязкость уменьшается. Температурная зависимость вязкости выражается уравнением Френкеля:

,

где А – постоянная, зависящая от химического состава жидкости;

Е_η – энергия активации вязкого течения;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура.

Если по экспериментальным данным построить график зависимости логарифма вязкости от обратной температуры (зависимость – 1/Т), то для многих веществ в широком интервале температур график окажется линейным, что в соответствии с уравнением Френкеля означает независимость энергии активации вязкого течения от температуры. В противном случае график оказывается нелинейным и энергия активации вязкого течения изменяется в определённых интервалах температур, что обусловлено изменением степени ассоциации частиц с температурой.

Поверхностная энергия и смачивающая способность. Поверхности всех веществ обладают специфическими свойствами, обусловленными особым положением поверхностных атомов.

Атомы, находящиеся внутри вещества, со всех сторон координированы (окружены) другими атомами, и силы их взаимодействия с ближайшими соседями скомпенсированы – равнодействующая этих сил равна нулю. С другой стороны, поверхностные атомы окружены ближайшими соседними лишь частично: часть сил их химических связей с соседями остаётся нескомпенсированной и не используется для связи с решёткой.

Другими словами, поверхностные атомы обладают избытком свободной энергии. Образование любой новой поверхности можно условно уподобить переводу части атомов из внутренних частей решётки на поверхность, при этом должны быть разорваны или искажены связи этих атомов с другими атомами, а это требует определённых затрат энергии. Эти затраты энергии, отнесенные к единице площади, и характеризуют собой поверхностную энергию.

Полная поверхностная энергия (E_s) представляет собой сумму свободной поверхностной энергии (Ϭ_s) и скрытой теплоты образования поверхности (q):

E_s = Ϭ_s + q

Свободная или удельная поверхностная энергия Ϭ_s характеризуется работой, затрачиваемой на увеличение поверхности на единицу площади, и имеет размерность в системе СИ Дж/м².

Поскольку всякая система стремится к минимуму своей свободной энергии, система, имеющая поверхность раздела, стремится уменьшить поверхностную энергию, т.е., проще говоря, сократить величину поверхности. Это сокращение осуществляется за счёт сил поверхностного натяжения, являющихся проявлением действия поверхностной энергии. Поверхностным натяжением (ϭ) называется величина силы, действующей на единицу длины тангенциально (т.е. по касательной) к поверхности. Величина ϭ имеет в системе СИ размерность Н/м. [5]

Для жидкостей величина поверхностного натяжения численно равна свободной поверхностной энергии. Это объясняется тем, что в несжимаемой и вязкой жидкости напряжения сдвига при увеличении поверхности гасятся за счёт вязкого течения, т.е. при изменении формы такой жидкости, обусловленной действием сил поверхностного натяжения, энергия на деформацию не затрачивается. Вследствие этого величины поверхностного натяжения и свободной поверхностной энергии оказываются равными. Однако это неверно для твёрдых тел, у которых поверхностное натяжение, в общем, не эквивалентно поверхностной энергии. Следует подчеркнуть, что поверхностная энергия и поверхностное натяжение являются функциями энергии межатомной связи и при прочих равных условиях увеличиваются с увеличением силы взаимодействия между атомами. В связи с этим величины поверхностной энергии и поверхностного натяжения у твёрдых тел значительно больше, чем у жидкостей.

Рис.2. Краевой угол смачивания ϴ;:

а – жидкость смачивает поверхность твёрдой фазы;

б – жидкость не смачивает поверхность твёрдой фазы;