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 η 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 = 4πr3ρg/3, где m – масса шарика, r – его радиус, ρ – плотность шарика. Fа = mжg = 4πr3ρжg/3, где mж – масса жидкости в объеме шарика, ρж – плотность жидкости. Английский ученый Стокс показал, что сила вязкости, возникающая при движении шарика в жидкости (Fсопр), определяется формулой Fсопр = 6πrηυ, где υ – скорость шарика, η – 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 mυ, где υ – 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, Нс/м2
t, 0С
103, Нс/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
из подручных и безопасных средств в качестве добавки к воде можно попробовать глицерин.
Он не даст таких неэстетических эффектов, как высыхающий на краях потока крахмал, т.к. не высыхает, а наоборот, - притягивает и впитывает воду, смешиваясь с ней в любых соотношениях.
Оксид полиэтилена - это было бы вообще сказочно, но где его взять?